大型筒體鍛造成形缺陷分析及預(yù)防

門(mén)正興 孫燕飛 王海英 高曉宏

(中國(guó)二重集團(tuán)公司，四川618013)

大型筒體是重大技術(shù)裝備如核電用高壓容器、電力工業(yè)中發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)、石化工業(yè)中加氫反應(yīng)器等的主要組成部分。筒體工作環(huán)境惡劣，其質(zhì)量直接影響到設(shè)備的可靠性和安全性，因此不僅要求其冶金質(zhì)量好，還要求具有高強(qiáng)度、高韌性、耐熱疲勞性好、晶粒細(xì)小、組織均勻等性能[1]。目前，大型筒體的主要鍛造成形工藝為芯軸擴(kuò)孔鍛造法，其工藝流程如下：拔長(zhǎng)切除水冒口—鐓粗沖孔—芯軸拔長(zhǎng)—芯軸擴(kuò)孔。部分廠家采用先進(jìn)的空心鋼錠—芯軸拔長(zhǎng)—芯軸擴(kuò)孔工藝，由于省去了鐓粗、沖孔兩道工序，大大提高了圓筒形鍛件的生產(chǎn)效率，但該技術(shù)還不完全成熟，目前無(wú)法廣泛應(yīng)用。

筒體鍛造過(guò)程質(zhì)量控制的目的在于保證筒體質(zhì)量符合鍛件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用要求。筒體質(zhì)量包括鍛件尺寸、形狀、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量等幾個(gè)方面。鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的外觀方面不符合鍛件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，如鍛件尺寸、形狀、表面質(zhì)量等缺陷是本文的主要研究對(duì)象，由于缺陷的產(chǎn)生及發(fā)展可以直接觀察，因此及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)周期等有著重要的影響。在明確鍛件缺陷原因的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)實(shí)際、鍛造工藝?yán)碚摵陀邢拊獢?shù)值模擬技術(shù)三者相結(jié)合，提出預(yù)防措施及解決方法，并通過(guò)生產(chǎn)

實(shí)踐加以驗(yàn)證。不斷提高現(xiàn)場(chǎng)操作人員、工藝人員及設(shè)計(jì)人員對(duì)缺陷的認(rèn)識(shí)，將質(zhì)量意識(shí)貫徹到整個(gè)產(chǎn)品周期中，最終達(dá)到防止鍛件產(chǎn)生缺陷和提高鍛件質(zhì)量的目的。

1 端面缺陷

筒體端面的缺陷主要表現(xiàn)為端面開(kāi)裂和邊緣不規(guī)則(馬蹄)。如果筒體端面裂紋沒(méi)有得到及時(shí)的清除，很可能會(huì)向基體內(nèi)部延伸導(dǎo)致鍛件可利用長(zhǎng)度減小，甚至報(bào)廢。端面不齊導(dǎo)致成形后端部大量的材料被切除，使材料利用率下降及加工生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)。產(chǎn)生端面裂紋的主要原因有：1)鍛件沖孔過(guò)程中，最后金屬?gòu)腻懠纤毫?，在下端面形成撕裂帶，表面質(zhì)量差，如不處理會(huì)在芯軸拔長(zhǎng)及擴(kuò)孔過(guò)程中形成裂紋；2)鐓粗沖孔過(guò)程中，坯料下端始終與平臺(tái)接觸，溫度較低。在沖孔的拉應(yīng)力作用下，坯料下端面會(huì)產(chǎn)生小裂紋，如不及時(shí)處理會(huì)在后續(xù)鍛造過(guò)程中產(chǎn)生大的裂紋；3)在芯軸拔長(zhǎng)和擴(kuò)孔過(guò)程中，筒體端面溫度最低，如果成形時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或終鍛溫度太低，在大變形情況下，端面會(huì)出現(xiàn)裂紋[2]；4)以上平下V型砧芯軸拔長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)不良，環(huán)形坯料顯橢圓型變形，引起附加應(yīng)力。當(dāng)旋轉(zhuǎn)鍛壓時(shí)，坯料受該應(yīng)力交變作用，結(jié)果造成端面開(kāi)裂[3]； 5)芯軸拔長(zhǎng)后端面缺陷較多，在未對(duì)端面進(jìn)行處理的情況下直接進(jìn)行芯軸擴(kuò)孔，導(dǎo)致芯軸擴(kuò)孔過(guò)程中裂紋較多。

產(chǎn)生端面邊緣不規(guī)則的主要原因是芯軸拔長(zhǎng)前鍛件加熱不均勻，導(dǎo)致溫度高的部分變形大，溫度低的地方變形小，最終形成鍛件壁厚不均和筒體邊緣不規(guī)則，如果未對(duì)端面進(jìn)行處理而直接進(jìn)行芯軸擴(kuò)孔，則形成馬蹄。

減少和預(yù)防端面缺陷的措施有：1)認(rèn)真作好每火次后的吹氧清傷工作，特別注意沖孔后端面龜裂及金屬撕裂帶；2)鐓粗沖孔前注意平臺(tái)及模具的預(yù)熱，鐓粗沖孔后對(duì)鍛件進(jìn)行端面平整，減少微小裂紋的產(chǎn)生；3)芯軸拔長(zhǎng)過(guò)程中，先拔兩端后拔中間，避免端面在低于鍛造溫度的情況下成形；4)改用上、下V型砧芯軸拔長(zhǎng)，由于變形和應(yīng)力狀態(tài)得到改善，附加應(yīng)力減小，可以大大降低開(kāi)裂的傾向而且生產(chǎn)率也得到提高；5)芯軸拔長(zhǎng)后采用氣割方式將端面找齊后再進(jìn)行芯軸擴(kuò)孔工序。6)嚴(yán)格控制芯軸拔長(zhǎng)時(shí)及拔長(zhǎng)前的加熱溫度和加熱的均勻性，避免陰陽(yáng)面的產(chǎn)生；7)芯軸拔長(zhǎng)及擴(kuò)孔過(guò)程中，依據(jù)材料、溫度等具體情況，選擇合理的壓下量和翻轉(zhuǎn)角度。

2 外表面缺陷

筒體外表面缺陷主要有外表面折傷、裂紋、凹坑、黑皮及外表面質(zhì)量差等。產(chǎn)生外表面折傷的主要原因是砧子截面窄，下壓量太大。凹坑的產(chǎn)生可能是運(yùn)輸過(guò)程中夾鉗和筒體的接觸區(qū)域，也可能是吹氧清傷留下的痕跡，還可能是筒體在運(yùn)輸過(guò)程中從夾鉗上脫落與其他工件碰撞造成的。鍛件高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱或反復(fù)多次加熱時(shí)，氧化脫碳鋼表面銅析出、表面晶粒粗大，鍛件表面出現(xiàn)較淺的龜狀裂紋。以上問(wèn)題導(dǎo)致鍛件表面質(zhì)量差、塑形低，容易產(chǎn)生裂紋。

減少和預(yù)防端面缺陷的措施有：1)選擇合理的鍛造壓下量及旋轉(zhuǎn)角度；2)盡量縮短鍛件成形時(shí)間，減少火次；3)采用上下弧砧對(duì)長(zhǎng)筒進(jìn)行芯軸拔長(zhǎng), 可以克服產(chǎn)生外表面裂紋現(xiàn)象和因大壓下量造成的折疊缺陷。

3 內(nèi)表面缺陷

筒體內(nèi)表面缺陷主要表現(xiàn)為內(nèi)表面折傷、裂紋和凹坑。產(chǎn)生的原因可能是：1)在鍛件沖孔后底部連皮沒(méi)有清除干凈的情況下進(jìn)行芯軸擴(kuò)孔，連皮折疊進(jìn)入內(nèi)表面形成夾傷；2)沖孔時(shí)筒體內(nèi)壁存在毛刺和微裂紋, 如果未經(jīng)處理直接拔長(zhǎng)和擴(kuò)孔，會(huì)在內(nèi)壁形成裂紋[4]； 3)芯軸拔長(zhǎng)時(shí)，壓下量過(guò)大，內(nèi)孔容易產(chǎn)生裂紋。

解決辦法： 1)建議鐓粗后將坯料回爐加熱后再?zèng)_孔；2)對(duì)內(nèi)孔氧化渣等及時(shí)清理；2)芯軸拔長(zhǎng)及擴(kuò)孔過(guò)程中選擇適當(dāng)壓下量。

4 筒體外觀缺陷

筒體外觀缺陷主要表現(xiàn)有喇叭口、鍛件截面圓度不夠及內(nèi)外直徑超差。喇叭口即鍛后筒體兩端直徑不一致。

(1)喇叭口

可能的形成原因是：1)由于芯軸未放置水平，因而導(dǎo)致上砧在下壓過(guò)程中，在芯軸較高端下壓量較大，而芯軸較低端下壓量小，最終形成錐形截面，該結(jié)果也導(dǎo)致筒體兩側(cè)壁厚不一致，直徑較小一端壁厚較大；2)鍛件鐓粗沖孔后直接芯軸擴(kuò)孔，沖孔導(dǎo)致鍛件下端直徑大于上端，在芯軸擴(kuò)孔過(guò)程中導(dǎo)致喇叭口形成。

具體的解決辦法是：1)鍛件鐓粗沖孔后，采用芯軸擴(kuò)孔對(duì)鍛件兩端直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)；2)成形前認(rèn)真檢查芯軸支架擺放情況，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行及時(shí)清理；3)芯軸支架不水平的情況是難以避免的，應(yīng)對(duì)設(shè)備情況做詳細(xì)記錄，擴(kuò)孔過(guò)程中采用調(diào)頭成形的方式減少喇叭口。4)在成形過(guò)程中及時(shí)觀察兩端直徑的變化情況，在喇叭口不嚴(yán)重時(shí)及時(shí)修復(fù)。

(2)鍛件截面圓度不夠

具體表現(xiàn)為鍛件截面為橢圓或不規(guī)則形狀，產(chǎn)生原因可能有：1)鍛件沖孔偏心，導(dǎo)致鍛件壁厚不均勻；2)鍛件芯軸拔長(zhǎng)過(guò)程中，由于溫度不均或操作不當(dāng)導(dǎo)致鍛件壁厚不均勻。在擴(kuò)孔過(guò)程中，由于上砧每次下壓量固定，因而導(dǎo)致壁厚較大處變形較大，金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)大；3)芯軸擴(kuò)孔過(guò)程中，下壓量變化大，導(dǎo)致變形不均勻。

解決辦法：1)采用特定測(cè)量工具確定沖孔中心[5]，減小沖孔偏心對(duì)芯軸擴(kuò)孔的影響；2)嚴(yán)格控制芯軸拔長(zhǎng)前加熱過(guò)程，避免加熱不均和陰陽(yáng)面的產(chǎn)生；3)對(duì)已出現(xiàn)圓度不夠的鍛件，將鍛件放置在工作臺(tái)上，用上砧點(diǎn)壓鍛件最高點(diǎn)，逐漸將鍛件校圓。

(3)內(nèi)外直徑超差

具體表現(xiàn)為由于內(nèi)外表面缺陷的存在(裂紋修復(fù)后的凹坑、黑皮等)，導(dǎo)致鍛件實(shí)際加工尺寸小于要求尺寸，包括鍛件內(nèi)徑達(dá)標(biāo)的情況下外徑小于要求尺寸和鍛件外徑達(dá)標(biāo)的情況下內(nèi)徑大于要求尺寸兩種情況。本文分析的各種缺陷在處理不當(dāng)?shù)那闆r下，都會(huì)導(dǎo)致鍛件內(nèi)外直徑超差，最終

使得鍛件不能滿足加工要求，從而報(bào)廢。

解決辦法：1)對(duì)于內(nèi)徑達(dá)標(biāo)的情況下外徑小于要求尺寸的鍛件，如果鍛件長(zhǎng)度較短，壁厚較厚，可以采用鐓粗的辦法，采用減少鍛件高度的辦法增加鍛件壁厚，再經(jīng)過(guò)拔長(zhǎng)過(guò)程來(lái)達(dá)到要求的尺寸。值得注意的是，在鐓粗過(guò)程中容易出現(xiàn)內(nèi)凹的情況。2)對(duì)于外徑達(dá)標(biāo)的情況下內(nèi)徑大于要求尺寸的鍛件，可以采用V砧縮孔來(lái)減小鍛件內(nèi)外徑，但目前該方面研究較少，只能依靠經(jīng)驗(yàn)操作。

5 結(jié)論

筒體鍛件質(zhì)量是依靠整個(gè)鍛造工藝過(guò)程保證的，某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的疏忽或工藝不當(dāng)就可能導(dǎo)致鍛件質(zhì)量下降，生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。針對(duì)以上筒體鍛件鍛造過(guò)程缺陷分析，對(duì)于整個(gè)筒體的鍛造過(guò)程，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)重視鐓粗沖孔后鍛件質(zhì)量，將裂紋及其他缺陷消除在源頭；

(2)監(jiān)督筒體成形整個(gè)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理；

(3)嚴(yán)格控制鍛件加熱溫度，保證筒體溫度均勻性；

(4)芯軸拔長(zhǎng)后采用氣割方式進(jìn)行端面找齊；

(5)采用數(shù)值模擬等方法設(shè)計(jì)合理的壓下量、旋轉(zhuǎn)角等工藝參數(shù)。

[1] 董嵐楓，鐘約先，馬慶賢，等.大型筒體鍛件的成形制造技術(shù)[J].鍛壓工藝，2007(3)：1-6.

[2] 張曉芳，馬建平，劉宏斌.A350 LF2大型筒體鍛造工藝[J]. 大型鑄鍛件，2011(2)：29-32.

[3] 《鍛件質(zhì)量分析》編寫(xiě)組.鍛件質(zhì)量分析.北京：機(jī)械工業(yè)出版社[M].1983.

[4] 柳永宏，陳國(guó)昌.大型長(zhǎng)筒鍛造經(jīng)驗(yàn).大型鑄鍛件，1998(2)：25-26.

[5] 楊曉禹.大型空心環(huán)類鍛件沖孔用十字對(duì)中量規(guī)設(shè)計(jì)[J].大型鑄鍛件，2011(2)：25-28.