剪切式定尺剪用大齒輪的鍛造

王 敏 郭寶強(qiáng) 楊 兵 張建國(guó) 劉 賀 鄭洪穎

(沈陽(yáng)鑄鍛工業(yè)有限公司，遼寧110142)

我公司軋鋼設(shè)備上的剪切式定尺剪用滲碳大齒輪，在工作中承受較大的扭矩、彎矩，以及巨大的交變應(yīng)力， 因此內(nèi)部質(zhì)量要求嚴(yán)格，超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 5000.15—1998Ⅱ級(jí)。 從齒輪鍛件圖來(lái)看是典型的大型餅類(lèi)鍛件。我們知道餅類(lèi)鍛件的探傷標(biāo)準(zhǔn)一般采用的是JB/T 4730—2005壓力容器探傷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)形狀截面尺寸(圖1)，該鍛件的超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)選用JB/T 4730—2005 Ⅲ級(jí)。而JB/T 4730—2005 Ⅲ級(jí)比JB/T 5000.15—1998 Ⅱ級(jí)要寬松得多，尤其從該齒輪截面尺寸、鍛件重量以及我公司水壓機(jī)鍛造能力、餅類(lèi)件成形難度等方面來(lái)考慮，要使該大齒輪滿(mǎn)足JB/T 5000.15—1998 Ⅱ級(jí)要求，則必須采取特殊的工藝措施，否則很難保證其內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 齒輪鍛件圖Figure 1 Tooth wheel forging sketch

1 技術(shù)指標(biāo)

鍛件圖(見(jiàn)圖1)；超聲波探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：JB/T5000.15—1998 Ⅱ級(jí)；材料：S17Cr2Ni2Mo；鍛件重：14 400 kg；鍛造鋼錠為真空精煉23 t鋼錠。

2 工藝實(shí)施及控制過(guò)程

(1)一火 ：壓鉗口，倒棱，錯(cuò)水口。

該火次鍛造溫度為1 150～1 200℃，持續(xù)一定的保溫時(shí)間使鋼錠加熱均勻。壓鉗口時(shí)要保證鉗口不偏心，以避免鋼錠在后續(xù)鐓粗及拔長(zhǎng)變形過(guò)程中鋼錠軸心發(fā)生偏斜，使鋼錠內(nèi)部冶金質(zhì)量較差的金屬不能大量地被沖孔沖掉，影響探傷效果。

(2)二火： 在上、下鐓粗漏盤(pán)內(nèi)將鋼錠鐓粗到最大圓?1 800 mm，然后走扁方拔長(zhǎng)下料尺寸規(guī)格：?1 050 mm×2 250 mm；鍛造溫度：750～1 250℃。

如何提高鐓粗變形對(duì)大型鋼錠內(nèi)部的中心壓實(shí)效果是我們重點(diǎn)討論內(nèi)容。常規(guī)的鋼錠鐓粗方法是上面用實(shí)心平面鐓粗板或者球面鐓粗板，鋼錠水口端與鐓粗板接觸，鉗口放在鐓粗漏盤(pán)內(nèi)(圖2)。按剛塑性力學(xué)模型的變形區(qū)劃分方法，從圖中可以看出鐓粗變形是不對(duì)稱(chēng)變形，水口端剛性區(qū)體積大，冒口端剛性區(qū)體積小。在鐓粗過(guò)程中，雖然水口方向外圓也在增大，但那是由側(cè)壁主動(dòng)塑性變行區(qū)金屬變形側(cè)翻而成，因此處于水口方向的剛性區(qū)變形不是很充分。由于是非對(duì)稱(chēng)鐓粗，因此鋼錠中部區(qū)域無(wú)法保證是在壓應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生塑性變形，會(huì)影響鐓粗過(guò)程的中心壓實(shí)效果，加上下料規(guī)格較大，更加不利于隨后該部位金屬的拔長(zhǎng)變形質(zhì)量。

圖2 不對(duì)稱(chēng)鐓粗Figure 2 Asymmetry upset

為克服該弊端，我們?cè)阽叴诌^(guò)程中采取圖3所示措施，當(dāng)鋼錠水口部位鐓粗外圓達(dá)到?1 300 mm時(shí)，將實(shí)心鐓粗板換成一鐓粗漏盤(pán)， 孔和下鐓粗漏盤(pán)孔相當(dāng)，將坯料鐓到最大外徑?1 800 mm。從圖3顯示的鋼錠中間變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變分析來(lái)看，用上下漏盤(pán)進(jìn)行鐓粗變形具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這也是鐓粗工藝上的一個(gè)突破，該工藝措施使鋼錠鐓粗時(shí)是上下對(duì)稱(chēng)變形。根據(jù)剛塑性力學(xué)模形的拉應(yīng)力理論，由于坯料在上下對(duì)稱(chēng)一致的環(huán)錐剛性區(qū)的作用下，坯料中心區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力，消除了附加橫向拉應(yīng)力引起的坯料中間被動(dòng)塑性變形區(qū)內(nèi)裂紋的產(chǎn)生及萌生的風(fēng)險(xiǎn)，增加了鐓粗過(guò)程焊合中心疏松缺陷的能力，同時(shí)有利于鋼錠水口冶金質(zhì)量稍差部位擠出、流動(dòng)到切頭廢料端。這些有利因素為隨后的走扁方拔長(zhǎng)下料過(guò)程創(chuàng)造了良好的組織基礎(chǔ)，最大限度地提高所下坯料的內(nèi)在質(zhì)量。上下漏盤(pán)鐓粗鋼錠唯一的缺點(diǎn)是操作略麻煩一些，需投制上鐓粗漏盤(pán)。

采用SUF[2](走扁方)鍛造方法拔長(zhǎng)坯料具體工藝步驟見(jiàn)表1。

(3)三火：用上下空心漏盤(pán)將坯料鐓粗高1 000 mm。

圖3 對(duì)稱(chēng)鐓粗Figure 3 Symmetry upset

操作說(shuō)明變形過(guò)程圖上下800 mm寬砧滿(mǎn)砧進(jìn)給,壓下率20%,先壓至正方上下800 mm寬砧滿(mǎn)砧進(jìn)給,壓下率20%,開(kāi)始第一次走扁,翻轉(zhuǎn)180°壓至如右圖扁方截面翻轉(zhuǎn)90°開(kāi)始第二次走扁方變形,如右圖所示。然后翻轉(zhuǎn)90°壓至正方,滾圓達(dá)到下料尺寸:?1 050 mm×2 250 mm

雖然采取上述工藝措施，保證了所下坯料的內(nèi)部質(zhì)量，為最終出成品打下了良好的基礎(chǔ)，但由于餅類(lèi)鍛件鐓粗成形內(nèi)部變形應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，如果變形工藝參數(shù)控制不到位，也會(huì)在實(shí)際鍛造過(guò)程出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。充分考慮到坯料內(nèi)部在變形過(guò)程中產(chǎn)生的附加橫向拉應(yīng)力會(huì)對(duì)齒輪造成質(zhì)量問(wèn)題，根據(jù)二火鐓粗變形過(guò)程分析，在該火次我們采用上下空心漏盤(pán)將坯料鐓粗到1 000 mm高。

(4)四火：旋轉(zhuǎn)開(kāi)邊鐓粗、沖孔滾圓出成品。

以上是大齒輪新工藝方案成形過(guò)程，其創(chuàng)新點(diǎn)為采用上下漏盤(pán)對(duì)坯料進(jìn)行對(duì)稱(chēng)鐓粗，使坯料在壓應(yīng)力狀態(tài)下成形，得到中心壓實(shí)。雖然常規(guī)工藝方案采用上實(shí)心鐓粗板，下空心漏盤(pán)對(duì)坯料進(jìn)行不對(duì)稱(chēng)鐓粗變形也能滿(mǎn)足質(zhì)量要求，但是通過(guò)變形過(guò)程坯料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)分析，考慮到齒輪的內(nèi)部質(zhì)量要求的嚴(yán)格性，采取新工藝方案可大大提高鍛件質(zhì)量的可靠性，并且新工藝上下漏盤(pán)對(duì)稱(chēng)鐓粗操作也不復(fù)雜。我公司采用上述新工藝方案共鍛造四件大齒輪，粗加工后探傷結(jié)果滿(mǎn)足JB/T5000.15—1998 Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且均未發(fā)現(xiàn)?2 mm當(dāng)量以上密集缺陷。

3 結(jié)論

(1)采用剛塑性力學(xué)模型的拉應(yīng)力理論對(duì)鍛造成形過(guò)程分析具有較好的指導(dǎo)意義。

(2)生產(chǎn)實(shí)踐證明：采用上下空心漏盤(pán)對(duì)坯料進(jìn)行對(duì)稱(chēng)鐓粗成形工藝可以保證大型餅類(lèi)齒輪鍛件的內(nèi)部質(zhì)量，使鍛件質(zhì)量具有較高的可靠性及穩(wěn)定性。

[1] 劉助柏.塑性成形新技術(shù)及其力學(xué)原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 康大韜，葉國(guó)斌.大型鍛件材料及熱處理.北京：龍門(mén)書(shū)局出版社.

[3] 張志文.鍛造工藝學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[4] 盧志輝，賴(lài)曾美，嚴(yán)振宇.大鍛件坯料鐓粗時(shí)的光塑性模擬研究.大型鑄鍛件，1990，(4).

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