四錘頭鍛造原理及實(shí)施效果分析

王玉寶 任勝利

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古014030)

自由鍛壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)坯料規(guī)格的適用范圍大，可以進(jìn)行鐓粗工序，能夠生產(chǎn)更大截面的鍛件，缺點(diǎn)是在進(jìn)行拔長工序時(shí)變形金屬受力狀態(tài)差，側(cè)向流動(dòng)差異大，變形不均勻，鍛透性較差，內(nèi)部缺陷不易焊合。精鍛機(jī)變傳統(tǒng)的二錘頭為四錘頭，有效改善了變形金屬的應(yīng)力狀態(tài)，表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，其不足是設(shè)備投資高，每次壓下量相對(duì)較小，鍛透性受一定影響，較大規(guī)格鍛件需要在另外的壓機(jī)上進(jìn)行壓實(shí)制坯，工序長、火次多。基于以上原因，俄羅斯設(shè)計(jì)制造了四錘頭鍛造裝置，該裝置集自由鍛壓機(jī)與精鍛機(jī)的優(yōu)點(diǎn)與一體，變傳統(tǒng)的二錘頭為四錘頭。

1 四錘頭的工作原理和鍛造原理

1.1 工作原理

四錘頭裝置安裝在自由鍛壓機(jī)上，見圖1所示。下錘頭(8)固定在壓機(jī)移動(dòng)臺(tái)上，上錘頭(6)通過中橫梁的上下運(yùn)動(dòng)作同步上下運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)側(cè)向錘頭(5、7)通過滑塊在水平方向作橫向運(yùn)動(dòng)并伴隨縱向滑動(dòng)，這樣就完成了四個(gè)錘頭的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

1.2 鍛造原理

二錘頭鍛造是采用上下兩個(gè)錘頭使鋼錠(或坯料)變形，從而得到所需內(nèi)部質(zhì)量和形狀的鍛件。上錘頭移動(dòng)、下錘頭靜止，當(dāng)兩個(gè)錘頭擠壓時(shí)，金屬會(huì)發(fā)生顯著的側(cè)向流動(dòng)(圖2)，需要擠壓多次才能得到橫截面所需尺寸。而四錘頭鍛造是采用四錘頭鍛造裝置，使鋼錠(或坯料)變形，從而得到所需內(nèi)部質(zhì)量和形狀的鍛件。鍛造坯料時(shí)，四個(gè)錘頭相對(duì)坯料作垂直擠壓，同時(shí)側(cè)向兩個(gè)錘頭相對(duì)坯料作切向運(yùn)動(dòng)，使坯料橫截面產(chǎn)生額外的剪切應(yīng)力(圖3)，鍛透性更加優(yōu)越，并可提高生產(chǎn)效率。

2 四錘頭鍛造曲軸坯的生產(chǎn)工藝及實(shí)施

2.1 主要技術(shù)要求

曲軸坯宏觀偏析、晶粒度以及力學(xué)性能合同要求分別見表1和表2。

2.2 變形工藝的制定

根據(jù)以往兩錘頭的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，制定了四錘頭鍛造裝置鍛造時(shí)的主要變形參數(shù)，即開始時(shí)輕壓鋼錠的棱角部分，壓下量不應(yīng)過大，一般控制在30 mm～50 mm左右，進(jìn)給量一般為滿砧進(jìn)給。鋼錠棱角倒圓后，每道次的變形量一般控制在10%～15%之間，進(jìn)給量一般為砧寬的0.75～0.9倍，當(dāng)拔到距成品尺寸20 mm～30 mm時(shí)，壓下量一般控制在10 mm～20 mm之間，進(jìn)給量一般為砧寬的0.6～0.85倍。在拔長過程中，根據(jù)四錘頭的工作原理和鍛造原理，制定了鋼錠(或坯料)的變形順序即橫截面發(fā)生形變的順序?yàn)閳A—四方—八方—十六方—圓，見圖4。若一個(gè)變形周期不能夠得到所需尺寸時(shí)，可重復(fù)以上變形順序，直至得到所需尺寸。

圖1 四錘頭裝置工作原理圖Figure 1 Four-hammer devices work principle diagram

圖2 二錘頭鍛造原理 圖3 四錘頭鍛造原理 Figure 2 Two-hammer forging principle Figure 3 Four-hammer forging principle

鋼種中心疏松一般疏松錠型偏析一般點(diǎn)狀偏析邊緣點(diǎn)狀偏析晶粒度S44SyD-SF690-142CrMoA≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≤2.0≥55～8≥5

表2 力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties requirement

2.3 工藝實(shí)施

按上述工藝方案對(duì)S44Sy、D-SF690-1、42CrMoA曲軸坯進(jìn)行試鍛造，鍛造時(shí)同一母材爐任抽50%的鋼錠采用兩錘頭鍛造，另外50%的鋼錠采用四錘頭裝置鍛造來進(jìn)行對(duì)比分析?，F(xiàn)以同一母材爐的11支42CrMoA曲軸坯(粗加規(guī)格?286 mm×6 200 mm)為例：錠型4.75 t、規(guī)格?311 mm±5 mm×6 200 mm±50 mm、鋼錠預(yù)熱4.0 h、鋼錠加熱4.0 h、鋼錠保溫2.0 h，保溫后分別采用250 mm寬四錘頭和上平下V砧進(jìn)行鍛造，每道次的變形量均控制在10%～15%之間，其鍛造時(shí)間、鍛后鍛件質(zhì)量狀況、機(jī)加工和探傷情況見表3。

1—鋼錠或坯料 2—錘頭 3、4—變形后的坯料 5—成品制件圖4 四錘頭鍛造鋼錠橫截面發(fā)生主要形變的順序Figure 4 The main deformation sequence of steel ingot cross section by four-hammer forging

制件號(hào)鍛造時(shí)間/min鍛后尺寸/mm表面質(zhì)量鍛造裝置機(jī)加工、探傷情況12345678910115535305560506040503530?309×6 240?313×6 230?314×6 250?311×6 250?306×6 240?312×6 230?310×6 200?313×6 210?310×6 240?310×6 210?315×6 220合格合格合格打磨二處不超差,合格合格打磨不超差,合格合格合格合格合格合格二錘頭四錘頭四錘頭二錘頭二錘頭二錘頭二錘頭四錘頭二錘頭四錘頭四錘頭合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格

圖5 取樣圖Figure 5 Sampling diagram

鋼種鍛造形式中心疏松一般疏松錠型偏析一般點(diǎn)狀偏析邊緣點(diǎn)狀偏析晶粒度S44Sy兩錘頭四錘頭1.00.51.00.50000006.57.5D-SF690-1兩錘頭四錘頭1.01.01.000000006642CrMoA兩錘頭四錘頭1.01.00.5000000077

表5 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The test results of mechanical properties

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采用四錘頭裝置和采用兩錘頭鍛造的S44Sy、D-SF690-1、42CrMoA曲軸坯，退火后每一母材爐各抽3支鍛件從冒口端按圖5要求切片做低倍、晶粒度、力學(xué)性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果平均值見表4和表5。

從表4和表5中所列數(shù)據(jù)看，其低倍、晶粒度、力學(xué)性能指標(biāo)能夠滿足合同要求。

3 四錘頭鍛造實(shí)施效果分析

3.1 四錘頭裝置對(duì)生產(chǎn)效率的影響

在四錘頭裝置中進(jìn)行鍛造時(shí)，由于受四個(gè)錘頭的垂直擠壓，避免了金屬的側(cè)向流動(dòng)，增加了拔長效率。由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知：二錘頭生產(chǎn)6支，鍛造用時(shí)330 min，平均單支用時(shí)55 min；四錘頭生產(chǎn)5支，鍛造用時(shí)170 min，平均單支用時(shí)34 min。四錘頭裝置提高生產(chǎn)效率38.2%。

3.2 四錘頭裝置對(duì)設(shè)備動(dòng)力費(fèi)用(不含燃?xì)赓M(fèi)用)的影響

由于采用四錘頭裝置鍛造可提高生產(chǎn)效率38.2%，則單位時(shí)間的動(dòng)力費(fèi)用將減少，減少的設(shè)備動(dòng)力費(fèi)用為27.6%。

3.3 四錘頭裝置對(duì)金屬加熱、退火燃?xì)夂牧康挠绊?/h3>

由表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，采用兩錘頭鍛造一爐曲軸鋼錠需要約10 h，采用四錘頭裝置鍛造一支曲軸節(jié)約21 min，則采用四錘頭鍛造一爐曲軸可節(jié)約高溫鍛造時(shí)間3.85 h。退火爐每爐曲軸坯鍛件退火純工藝時(shí)間約需67 h(不包括待料時(shí)間)，則每退火爐可節(jié)約待料時(shí)間11.55 h(每退火爐按120 t計(jì)算)。則：

降低金屬加熱燃?xì)夂牧浚?.85/20×100%=19.25%；

降低金屬退火燃?xì)夂牧浚?1.55/97×100%=11.9%。

3.4 四錘頭裝置對(duì)鍛件內(nèi)部質(zhì)量的影響

從表4、表5中試驗(yàn)結(jié)果看，采用四錘頭裝置鍛造和采用兩錘頭鍛造的曲軸坯其低倍、晶粒度、力學(xué)性能指標(biāo)都能夠滿足合同要求，采用四錘頭鍛造的曲軸坯其低倍組織略好于兩錘頭鍛造的曲軸坯。由于性能熱處理不在同一爐內(nèi)進(jìn)行，其結(jié)果與兩錘頭鍛造的曲軸坯力學(xué)性能可比性較小。但從坯料受力情況分析，兩錘頭鍛造時(shí)坯料受力狀態(tài)差，側(cè)向流動(dòng)嚴(yán)重，且側(cè)面在變形中產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)因內(nèi)部金屬流動(dòng)差異大，變形不均勻，鍛透性差，內(nèi)部缺陷不易焊合。而采用四錘頭裝置進(jìn)行鍛造時(shí)，側(cè)向錘頭沿較為復(fù)雜的軌跡移動(dòng)，因此在毛坯的橫向平面中金屬會(huì)產(chǎn)生額外的側(cè)移動(dòng)，使坯料橫截面產(chǎn)生額外的剪切應(yīng)力，這會(huì)改善金屬內(nèi)部質(zhì)量。

4 結(jié)論

采用四錘頭裝置鍛造曲軸坯，改變了坯料的受力狀態(tài)，坯料受四個(gè)錘頭的來自四個(gè)方向的擠壓作用，沒有側(cè)向流動(dòng)，主要都是縱向流動(dòng)，整體均勻性好，鍛透性優(yōu)越。同時(shí)提高了生產(chǎn)效率、降低了設(shè)備動(dòng)力費(fèi)用、降低了金屬加熱退火燃?xì)夂牧俊⒏纳屏隋懠?nèi)部質(zhì)量。

[1] 鍛件質(zhì)量分析. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2] 鍛造工藝學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3] 2 000t(3 000 t)壓機(jī)四錘頭鍛造裝置使用手冊(cè).俄羅斯重型鍛壓機(jī)械股份公司.