大型法兰叉头调质结构优化研究_陶凤云.pdf

2q23 年3 月第2 期 大型铸锻件HEAVY CASTING AND FORGING March 2023 No.2 大型法兰叉头调质结构优化研究陶凤云邓痰斌李田野黄超孔繁华（二重（德 阳）重型装备有 限公司，四川 德 阳618013)摘要：为提高大型法兰叉头使用寿命、可靠 性，从 叉头调质热处珅 和又头型腔结构 若于，使用DEFORM 软件对不同型腔结构 的大型法兰叉头进行册质热处珅应力模拟优化分析，祈 型腔结构试 验件调质后 的金相组织和力学性能检测结果表 明，祈 荆腔法兰叉头 的叉头郘位和螺纹副底部位置应力分们表现最优，同时金相组织 和力学性能满足设计枝术要求C 关键字：法兰又头；DEFORM 模拟分析；应力分布；结构优化中图分类号：TG457.1 文献标志码：A Study on Optimization of Quenched and Tempered Structure of Large Flange Fork Head Tao Fengyun,Deng Yanbin,Li Tianye,Huang Chao,Kong Fanhua Abstract:In order Lo improve Lhe service life and reliab 山Ly of large 且ange fork head,slarling from Lhe quenching and tempering heal trealment of fork head and the cavily slructure of fork head,the slress simulation and optimization analysis of quenching and tempering heal Lrealment for large 伽nge fork head with different cavity struclures have been carried oul by using DEFORM soflware.The microstruclure and mechanical properties of the new cavily slruclure Lest piece afler quenching and Lempering have been Lesled.The resulLs show Lhal Lhe slress disLribuLion of Lhe fork head and Lhe bollom of Lhe Lhread pair of Lhe new cavily 且ange fork head is Lhe besl,and Lhe microslruclure and mechanical properties meel the design technical requiremenls.Key words:flange fork head;DEFORM simulaLion analysis;slress disLribuLion;oplimizalion of struclure 大型法兰叉头是十字万向接轴产品中的关键零部件，其广泛应用在传动扭矩大、冲击载荷大、载荷交变频繁的重载领域。法兰叉头在使用过程中发生早期的意外破坏，除本身的结构和强度外，多数是山千残余应力的影响造成，残余应力对材料疲劳强度的影响更为重要I 因此，为提高法兰叉头使用寿命，有必要进行不同结构的热处理残余应力分析。近年来，我公司对大型法兰叉头进行了关于调质余矗及调质前结构优化的部分研究，通过调整调质余量及调质前结构，提高了法兰叉头部分区域的力学性能，降低 了部分生产制造成本2 但对于法兰叉头在不同方向和不同位置取试的力学性能情况，不同粗加工结构状态下调质后的应力分布情况尚不了韶，叉头关键受大应力区部位的强度是否满足要求且在何种结构状态下热处理残余应力最低，还需进一步进行工艺试验验证和计算机模拟研究验证，从而实现法兰叉头工艺和设计结构的持续优化，提高产品质最和使用寿命。本义通过对法兰叉头不同结构状态下调质热处理后的应力、组织和性能进行模拟分析，深入研究了如何通过工艺和设计结构优化实现法收稿 日期：2022.09-15 作者简 介：陶风云(1978)，女，学士，高级工程师，主婓从事传动产品的材料执处理和表而硬化工艺研究。32 兰叉头产品质矗的提升。1 方案设计选取某材料为30Cr2Ni4MoV 的大型法兰叉头，使用DEFORM 软件对不同结构状态下调质的法兰叉头组织 情况、应力分布情况进行模拟并对比分析，确定最优的法兰叉头结构和调质热处理工艺。具体研究内容包括以下三个方面：(I)对法兰叉头调质前型腔加工与否的模拟分析研究，以确定不同粗加工状态对调质后应力的影响，实测型腔加工状态下调质后叉头不 同位置的性能和组织，判定加工型腔后调质热处理状态是否更优。(2)对法兰叉头中心加工不同大小通孔后调质的校拟分析研究，判定法兰叉头中心设计通孔能否降低法兰叉头中心部位的应力，降低调质后残余应力，防止不利的残余应力对零件使用的疲劳寿命产生不 良影响，并考虑从法兰叉头结构作调整分析。(3)对法兰叉头型腔及螺纹孔位置设计结构改进前后的调质热处理模拟分析和对 比研究，判定改进设计结构方案是否达到优化效果。通过综合比较分析，得到最优的工艺和设计结构，实现产品质鼠提升。DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.02.005陶风云：大型法兰叉头调质结构优化研究2023年第2期2 结果与分析2.1调质结构对法兰叉头滓火应力的影响基于DEFORM 软件模拟了两种调质结构的法兰叉头热处理应力分布情况。图1显示了两种调质结构，其中结构l为不加工犁腔，结构2加工性强，外圆直径D=lllOmm,高度H=814mm,各部外圆余拭均为5mm。热处理工艺曲线如图2 所示。1JI I iJ(a)结构I(b)结构2图1法兰又头的两种调质结构Figure1Twokindsofquenchingandtemperingstructuresforflangeforkhead860时间1h(a)结构l560已(a)结构I(b)结构2图3 两种结构滓火后应力分布图Figure3Stressesdistributiondiagramoftwokindsofstructuresafterquenchingl.JStep1458Step1468邸0000MOo,o,M拟心，.J2(a)结构I(b)结构2图4 两种结构滓火后组织分布图Figure 4Microslructuresdistributiondiagramoftwokindsofstructuresafter quenching860一，一，I560时间1h(b)结构2 图2法兰叉头的询质丁艺曲线Figure2Temperingprocesscurvesofflangeforkhead结构1和结构2调质后其心部应力对 比分布见图3结构l的上下表面心部及侧面等效应力较大，心部亦有应力分布，且较为集 中；结构2 的上下表面及侧面仍有较大等效应力分布，心部应力减小，但分布区域增大。滓火后结构l和结构2组织对 比分布见图4,可以发现悴火后两种结构的表层组织均为马氏体，心部组织均为贝氏体，以贝氏体组织为主。法兰叉头精加工后，结构1型腔部位的组织以贝氏体组织为主，结构2 型腔部位的组织为马氏体组织。加工型腔调质的法兰叉头精加工状态的表层组织更加均匀。滓火 回火后结构l和结构2的应力对 比分布见图5回火后结构l和结构2的应力分布与悴火状态基本一致，但回火后各部位的应力大小明显降低。8 为,s,Mo2 廿.心心(a)结构I(b)结构2图5两种结构悯质后应力分布图Figure5Stressesdistribution diagramoftwokindsofstructuresafter quenchingandtempering从金相组织看，洋火后组织均为马氏体和贝氏体，贝氏体主要分布在心部区域，马氏体主要分布在表层区域；由于调质前结构不同，法兰叉头精加工后相同型腔部位的组织不 同，结构2 的型腔表层组织为马氏体组织；结构l的型腔表层位置为调质前的心部位置，以贝氏体组织为主。从1/2剖面位置的应力对比分布可以看出，猝火后，相比结构l的整体实心结构，结构2悴火后仅X方向应力增大，Y 和Z 方 向应力减小，表明加工型腔后，最大等效应力得到了大幅降低；回火后各部位的应力相应明显减小，等效应力 由结构1的最大332023 年第2 期 大荆铸锻件2190 MPa 降至结构2 的最大 981 MPa。从调质工艺分析看，型腔加工后应力的减小与工件调质过程的有效截面有密切关系，符合大锻件的调质热处理应力分布规律，大锻件悴火后的残余 内应力与锻件钢种、尺寸、悴火温度、冷速具体参数密切相关3 l。在锻件心部未滓透的情况下，内应力分布是热应力类型，随着工件截面增大，应力的数值会进一步增大4 J。法兰叉头型腔加工后，热处理过程工件有效截面减小，悴火保温时间、油冷却时间等均大幅缩短，因此滓火和回火后的热应力均相应减小。综上，结构2 的法兰叉头应力分布优于结构l。2.2 结构2 调质后理化性能检验由于常规的热处理 性能检测仅在工件表层一定深度区域取试检验，无法深入 了解零件各位置的最终实际性能，因此，为进一步验证法兰叉头在结构2 状态下经调质热处理后，其材料的屈服极限是否大千零件在使用过程中静载或动载作用下的最大主应力，尤其是法兰叉头出现最大主应力和等效应力的螺纹联接区位置的屈服极限是否满足设计要求，防止法兰叉头使用过程出现瞬间破坏5 对结构2 调质后的法兰叉头试验件，在本体不同位置进行解剖取样，对不同位置的性能和金相组织进行检测分析，分析性能结果是否能满足设计强度要求。2.2.1 力学性能检测对结构2 的法兰叉头进行不同位置的取试，见图6,其 中TA(切向：外径表面），LB(纵 向：法兰端1/3 直径），LA(纵 向：法兰端表面），LB(纵向：法兰端1/3 直径），LC(纵 向：法兰端 中心），RA(径向：法兰端厚度中心），RB(径向：叉头螺纹尾端），性能检测结果见表1;对结构l 的法兰叉头取试，如图6 中的TA 和LB,性能检测结果见表2。从表l 和表2 可见，相比结构l 调质的法兰叉头，结构2 调质的法兰叉头，从近表面区域性能结果可以看出，在强度提升的同时，冲击韧性也得到显著提升；结构2 调质叉头不同部位的抗拉强度值总体较高且差异不大，均在1100 MPa 左右，对于冲击吸收能最指标，除法兰端中心纵向部位略低以外，其余各部位的冲击吸收能批均很高，达到170 J 以上。综上所述，法兰叉头加工型腔后调质，不同取试位置及不同方向的各项指标均达到设计技术指标要求，法兰叉头最大应力发生区及易产生使用破坏的危险区域，包括轴承孔处和螺纹尾端位置，34 拉伸强度和冲击韧性各项指标测试结果 良好，均完全满足设计技术参数，尤其是实测关键受力部位的冲击韧性指标U 犁缺 口冲击吸收能址KU2 均不低于170 J,说明加工型腔后调质的整体力学性能更优，同时从热处理工艺时间比较，也节约能源和缩短热处理周期6。LA(a)法兰端(b)叉头端图6 法兰叉头取试位置Figure 6 Sampling positions of flange fork head TB RB 表1 结构2 法兰叉头各位置性能取试及检测结果Table 1 Performance sampling and test results of each position of flange fork head of structure No.2 取样位置位置R m Rp0 2 A z 20C KU2 标记MPa MPa J 技术指标1080;a,;e;e;a,1200 900 15 55 100 切向：外径近表而TA 1137 1042 17 73 201/207/188 切向：轴承孔处TB 1099 1010 19.5 71 204/184 纵向：法兰端表面LA 1114 1016 21 72 219/220/175 纵向：法兰端113 直径LB 1086 958 16.5 70 178/174/189 纵向：法兰端中心LC 1080 944 19 65 128/106 径向：法兰端厚度中心RA 1113 1026 17 69 203/202/203 径向：叉头螺纹尾端RB 1097 994 16 65 187/220 表2 结构1 法兰叉头各位置性能取试及检测结果Table 2 Performance sampling and test results of each position of flange fork head of structure No.1 取样位置位置R m RriJ 2 A z 20C KU2 标记MPa MPa J 技术指标;.;e;a,;a,;e 1000 820 15 55 100 切向：外径近表而TA 1042 941 18 63 120/121 纵向：法兰端1/3 直径LB 1024 8849 19 60 124/114 2.2.2 金相检测按图6 所示位置对结构2 调质的法兰叉头不同位置取试后进行金相检测。LA 法兰端表面纵向、LC 法兰端中心纵向、RA 法兰端厚度 中心径向、RB 叉头螺纹尾端径向的金相组织见图7 和图8。从图中可知，各位置调质后的金相组织均为回火索氏体，各部位的晶粒度均达到6 级以上，具休为LB、LC 和RB 晶粒度分别为7 级、6 级和8 级，均满足技术要求，检测出来 良好的组织和晶粒度与表l 优 良的整体力学性能相匹配，进一步验证了结构2 调质效果更优。陶风云：大型法兰叉头悯质结构优化研究2023 年第2 期(b)LC(c)RA 图7 不 同取试位置 的金相组织Figure 7 Metallographic structures at different sampling locat10ns(b)LC 图8 不 同取试位置 的金相组织Figure 8 Metallographic structures at different sampling locations 2.3 中心孔尺寸对结构2 的影响分析模拟分析显示法兰叉头回转中心中部的应力值较大，为进一步优化法兰叉头结构，同时增加滓火时法兰叉头回转中心中部的冷却效杲，考虑通过调整法兰叉头设计结构，在叉头回转中心中部设计和加工不同大小的通孔，利用DEFORM 软件进行热处理应力分析，以判断调质前加工通孔能否降低热应力。法兰叉头中部孔结构对 比见图9 所示。法兰叉头型腔中心加工不同大小通孔且开犁腔调质，其热处理曲线与图2(b)相同。-一一l(a)中心无通孔(b)中心加工通孔图9 法兰叉头 中心部位不加工孔和加丁通孔 的结构 图Figure 9 Structure drawing of the core part of the flange fork head not machined and machined through hole 对 中部不加工通孔（结构2)与加工0100 mm(结构3)和0200 mm(结构4)通孔的三种结构法兰叉头进行滓火后的金相组织和应力分布模拟，三种结构状态下的金相组织均为表层马氏体和心部贝氏体，见图10。三种结构状态下的应力分布如图11 所示，结果显示加工通孔后，调质对-如 叩I IL ,四,:：:：“印,_j_,J(a)结构2(b)结构3(b)结构4 图10 三种结构悴火后组织分布 图Figure 10 Microstructures distribution diagram of three kinds of structures after quenching,1-.乏-ml-一，.,J:E:昌 心王(a)结构2(b)结构3(b)结构4 图11 三种结构滓火后应力分布 图Figure 11 Stresses distribution diagram of three kinds of structures after quenching 通孔周围区域的应力分布影响较大，从等效应力模拟结杲可以看出，加工通孔后，圆弧过渡处出现较大的应力集中，热处理开裂风险增大。对结构2、结构3 和结构4 进行悴火 回火后的应力分布对比，如图12 所示。结果表明，回火后各部位 的应力明显减小，结构4 通孔位置较结构3 释放 的应力小，说明中心通孔直径越大，调质后该位置残35 2023 年第2 期 大荆铸锻件余应力越大。.,.(a)结构2(b)结构3(b)结构4 图12 三种结构调质后应力分布图Figure 12 Stresses distribution diagram of three kinds of structures after quenching and tempering 从上述模拟结果可以看出，法兰叉头回转中心中部加工不同大小的通孔与不加工孔对调质后的金相组织无影响；加工孔后局部圆弧过渡处的应力增大，即加工孔导致截面突变的地方出现应力集中，而应力集中易使结构的疲劳强度降低，对疲劳强度有较大的影响7,因此，不加工通孔结构优于加工通孔结构。2.4 不同型腔结构对 比分析基于万向连轴器工作状态时法兰叉头最大拉应力均发生在零件截面过渡处的集 中区域8,而连轴器存在较大应力值的压盖连接螺栓处和螺纹孔处均为薄弱环节，该薄弱位置也是法兰叉头零件变截面位置。因此，需对型腔和连接螺栓螺纹孔结构进行改进，并利用DEFORM 软件分析不同结构对热处理应力的影响，如图13 所示。改进后法兰叉头型腔面积增加，同时在型腔两处增加定位挡块，把合螺孔尺寸深度从最大 255 mm 缩减至140 mm。(a)旧型腔结构(b)新型腔结构图13 法兰又头荆腔结构图Figure 13 Drawing of flange fork head cavity structure 法兰叉头型腔结构改进前后，由于热处理主要截面尺寸相同，因此热处理工艺曲线与图2(6)相同。对悴火后的金相组织进行模拟，改进前后滓火后组织均为马氏体和贝氏体，贝氏体主要分布在心部区域，马氏体主要分布在表层 区域，如图14 所示。悴火后新旧结构心部应力分布对 比，在1/2 剖面位置，新刮腔结构 的X、Y、和Z 方 向应36 0.000 心(a)表层马氏体(b)心部贝氏体图14 新型腔结构猝火后金相组织分布图Figure 14 Microstructures distribution diagram of the new cavity structure after quenching 0.992-3000 心心(a)旧型腔结构(b)新型腔结构图15 新旧型腔结构悴火后心部应力分布图Figure 15 Core stresses distribution diagram of old and new cavity structures after quenching，均 心L,表面100 mmc,.ooo.凸3070 ；妞心L,200 mm 250 mm(a)旧型腔结构 山”“.-心表面L,L,L,lOO mm 200 mm 250 mm(b)新犁腔结构图16 新旧型腔结构滓火后螺纹孔处不同深度等效应力Figure 16 The equivalent stresses of different depths at the threaded holes of the old and new cavity structures after quenching 力减小，等效应力也相应减小，开裂风险降低，如图15 所示。对滓火后新旧结构螺纹孔处不同深度X、Y、Z 方向及等效应力对比分布进行模拟，图16 列举了部分位置猝火后等效应力分布情况。综合所有陶风云：大型法兰叉头悯质结构优化研究2023 年第2 期位置应力分布比较可以发现，螺纹孔位置，新结构表面的拉应力大千旧结构，新结构表面的等效应力大于旧结构；深度100 mm、200 mm、250 mm 处新结构X、Y 和Z 方向的拉应力均小于旧结构，等效应力小千旧结构；综上模拟结果可知，结构改进后的叉头螺孔位置不 同深度的等效应力均减小，开裂风险降低，应力降低区域见图16 标注位置。图17 为滓火 回火后新旧结构心部应力对比分布，对新 旧结构在1/2 剖面位置心部应力进行比较，回火后各部位的应力明显减小，结构改进后，X、Y 和Z 方 向应力减小，等效应力也相应减小。对滓火 回火后新 旧结构螺纹孔不 同深度X、Y、Z 及等效应力方向应力进行模拟对 比，图18 列举了部分位置的悴回火后等效应力分布情况。l l 心心(a)旧型腔结构(b)新烈腔结构图17 新旧荆腔结构调质后心部应力分布图Figure 17 Core stress distribution diagram of new and old cavily structures after quenching and tempering 可以发现，回火后螺纹孔位置表面的等效应力有所增大，其余部位的应力明显减小；新结构表面X、Y 和Z 方向的拉应力大于旧结构，新结构表面的等效应力部分位置大于 旧结构；深度100 mm、200 mm、250 mm 处新结构X、Y 和Z 方 向的拉应力均小于旧结构，等效应力小于旧结构；综上模拟结果可知，结构改进后的叉头螺孔位置不同深度的等效应力均减小，开裂风险降低，应力降低区域见图18 标注位置。从上述模拟结果可以看出，结构改进后的新犁腔法兰叉头在图15 和图17 所示的压盖连接螺栓处A 和B 位置等效应力降低，开裂风险降低；在图16 和图18 螺孔不同深度位置，等效应力均减小，开裂风险降低。由此可见，新型腔结构优于旧荆腔结构。3 结论通过对大犁法兰叉头制造工艺和设计结构优化，提升了法兰叉头整体性能，降低了零件调质后，鹤心L,表面100 m 点L,200 mm L,250 mm(a)旧犁腔结构表面100 mm 200 mm 250 盖(b)新型腔结构图18 新旧型腔结构洞质后螺纹孔处不同深度等效应力Figure 18 The equivalent stresses of different depths at the Lhreaded holes after quenching and tempering of the new and old cavity structures 的残余应力，对于提高万 向联轴器使用寿命和可靠性具有重要意义。加工犁腔的法兰叉头调质后总体应力分布情况优于不加工型腔的法兰叉头，整体性能均达到设计技术要求，且优于不加工犁腔调质叉头性能。进一步加工 中心通孔发现，中心通孔增加了法兰叉头滓火开裂风险，中心通孔的尺寸越大，开裂风险越大。同时，对加丁型腔的法兰叉头进行进一步型腔结构改进，结果表明，新租腔结构的螺孔滓火开裂风险区域应力分布明显改善，本文设计的新型腔结构有效避免了法兰叉头滓火开裂的风险。参考文献 1 l 冯煌厚板轧机主传动轴系统力学行为分析和修复技术研究DJ 上海：上海交通大学，2011 2 黄超，刘继全大塑法兰叉头调质余措优化研究 J.大型铸锻件，2019(03):38-40.3 康大韬，叶国斌大型锻件材料及执处理M 北京：龙门书局，1998 4 孙雪翠，李艾大规格调质材残余应力测试分析及稳定调质工艺 J l 黑龙江冶金，2014,34(06):12-18.5 樊晓刚某宽厚板租轧机万向接轴强度分析及疲劳寿命研究J 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