船用螺旋槳軸鍛造工藝研究

蘇繼偉 許燕燕

(中冶京誠(營口)裝備技術有限公司，遼寧115004)

船用鍛件大體分為主機鍛件、軸系鍛件和舵系鍛件三大類。主機鍛件主要包括曲軸、連桿和十字頭等。軸系鍛件主要有推力軸、中間軸和艉軸等。舵系鍛件主要有舵桿、舵柱和舵銷等。近些年以來，隨著世界船舶工業的迅速發展，船用鍛件規格越來越大，技術要求越來越高，生產難度也越來越大。從鍛造工藝角度來講，曲軸、舵桿的生產難度較大，特大型軸類鍛件次之。而大型鋼錠中存在非金屬夾雜物、氣體、偏析、中心帶粗晶、孔洞和疏松等缺陷，并隨著鋼錠噸位和截面積的增加，與金屬結晶過程有關的非金屬夾雜、偏析、疏松組織和縮孔等缺陷越明顯。大型鍛件質量控制的核心問題是壓實孔洞性缺陷，改變非金屬夾雜的分布和擴散偏析以及防止表面開裂。

1 化學成分

各船級社規范對鍛件化學成分的要求雖有所不同，但差別不大。以CCS船級社規范為例，研究成型過程。

船用螺旋槳軸的化學成分如表1所示。

表1 螺旋槳軸化學成分(質量分數，%)Table 1 The chemical composition of propeller shaft (mass fraction, %)

生產中要盡可能降低P、S含量及各殘余元素含量。對C、Si、Mn的含量應限定范圍，特別是船體結構用鍛件的C含量不應過低，否則將影響鍛件的強度。要采用有效的工藝措施，提高鋼水純凈度和表面質量，減少鋼錠的偏析、縮孔和疏松，降低氫、氧等氣體含量。

2 螺旋槳軸技術要求

2.1 力學性能要求見表2。

表2 螺旋槳軸力學性能Table 2 The mechanical property of propeller shaft

2.2 鍛件表面質量及超聲波探傷檢查應符合以下要求：

(a)不允許白點、裂紋、縮孔、折疊等缺陷；

(b)鍛件中心距1/3半徑處不允許有單個大于?3 mm的缺陷，其他區域內不允許有單個大于?6 mm缺陷；

(c)兩個最大缺陷之間的距離應大于20 mm，缺陷的長度應小于10 mm。

2.3 鋼錠采用電爐冶煉+精煉爐精煉+真空脫氣+真空澆注

3 螺旋槳軸鍛造工藝特點

螺旋槳軸的零件圖如圖1所示。

圖1 螺旋槳軸零件圖Figure 1 The part drawing of propeller shaft

螺旋槳軸鍛造的主要特點是法蘭的直徑很大，而且軸身的長度很長，根據鍛件形狀并結合工廠現有液壓機的工輔具情況確定了三種鍛造方案：

(1)方案一，采用800 mm上平砧和下平臺壓實工藝；

(2)方案二，采用900 mm上下V型砧壓實工藝；

(3)方案三，不采用壓實工藝，直接用650 mm上平砧下V型砧拔長。

采用模擬軟件deform-3d對這三種方案進行模擬，三種方案的模型如圖2所示。三種方案的應力分析如圖3～圖5所示，選取距鍛件端面400 mm的橫截面，壓一道次作應力分析。從圖中可以看出，三種方案均受橫向拉應力，第一種和第二種方案中心所受橫向拉應力較小。三種方案在鍛造過程中均存在軸向拉應力，第一種和第二種方案軸向拉應力差不多，但第二種方案存在軸向拉應力的區域較小。所以，第二種方案的應力狀態較好。

為獲得良好的鍛件質量，對鍛件進行鍛造時，要求鍛透整個鍛件。一般認為，當鍛件心部等效應變達到0.2時，鍛件被鍛透[1]。從圖6中可以看出第一種和第三種方案中心位置的等效應變為0.18和0.02，而第二種方案中心位置的等效應變為0.3。第二種方案鍛造后鍛件心部的等效應變值最大，對提高鍛件心部質量最有利。因此采用第二種方案，鍛件中心會產生較好的應力狀態和較大的等效應變來促使鋼錠中心疏松區得到壓實。

圖2 三種方案的模型Figure 2 The models for three solution

圖3 方案一鍛件應力分布Figure 3 The stress distribution of the first solution

圖4 方案二鍛件應力分布Figure 4 The stress distribution of the second solution

圖5 方案三鍛件應力分布Figure 5 The stress distribution of the third solution

(a)方案一

(b)方案二

(c)方案三圖6 鍛件拔長等效應變云圖Figure 6 The equivalent strain nephogram of forging after drawing out

4 鍛造工藝的設計

綜上所述，我們設計了90 t鋼錠鐓粗，采用KD法拔長鍛件的工藝方案：

第一火次：壓鉗口，倒棱，去錠底。

第二火次：鐓粗到高度1 850 mm，直徑2 350 mm，采用KD法拔長到直徑1 500 mm。

第三火次：下料、出成品。

鍛造加熱規范如圖7所示，第一火加熱溫度為1 220℃，保溫時間為8 h，第二火加熱溫度為1 250℃，保溫時間為15.5 h，第三火加熱溫度為1 220℃，保溫時間為8 h。

5 力學性能結果

由表3可知，采用方案二鍛造，鍛后熱處理后冒口端和水口端性能符合標準的要求，因此力學性能檢驗結果合格。

圖7 鍛造加熱規范Figure 7 The forging heating specification

表3 力學性能檢驗結果Table 3 The tested results of mechanical property

6 結論

(1)從力學性能的檢驗結果可知，所選用的鍛造工藝是合理可行的。

(2)從應力應變的角度分析，采用第二種方案，鍛件中心區域可以獲得較好的應力狀態和較大的等效應變，鍛件質量最好。

[1] 旭東，戴曉瓏，王國宣，等.基于剛塑性有限元的GFM精鍛鍛透性仿真[J].河南科技大學學報，2006，27(2)：1-3.