有效壓實(shí)鍛造法工藝準(zhǔn)則及應(yīng)用

任 猛 王中安 史翔煒 謝冬民 高 明

(亞洲重工集團(tuán)有限公司，江蘇214128)

1 有效壓實(shí)臨界條件

良好的鍛造過(guò)程可以充分消除鋼錠中的空洞性缺陷，如疏松、二次縮孔、氣孔和內(nèi)部裂紋等，即通過(guò)變形、壓合、焊合三個(gè)階段將其完全消除。鍛造過(guò)程也可以消除改善固體性缺陷，如粗晶、輕微偏析和塑性?shī)A雜等。而氣體性缺陷，一方面可在高溫變形及加熱過(guò)程中少量擴(kuò)散溢出，更主要是靠鍛后熱處理來(lái)改善。實(shí)踐證明，采用有效壓實(shí)鍛造法生產(chǎn)的鍛件，能把鍛造技術(shù)可以解決的問(wèn)題最大限度地完成。其余殘存的內(nèi)部缺陷，基本上都是冶金缺陷，如氧化物夾雜、氣體含量過(guò)高等。

有效壓實(shí)鍛造法的核心技術(shù)是一個(gè)臨界條件，其主要包含下列兩點(diǎn)：

(1)在主變形結(jié)束時(shí)，鍛坯內(nèi)部各點(diǎn)的最大壓應(yīng)變值ε1應(yīng)大于或等于0.6[2]；

(2)在主變形過(guò)程中，鍛坯心部溫度應(yīng)大于等于1 050℃。

滿足這個(gè)臨界條件，對(duì)于實(shí)際材料中的空洞類(lèi)缺陷的閉合是偏于安全的，并且固體類(lèi)可變形缺陷也可以較充分地打碎和改善。有效壓實(shí)鍛造法的工藝過(guò)程可以保證ε1≥0.74， 而在主拔長(zhǎng)變

形完成時(shí)鍛坯心部溫度≥1 050℃(表面溫度大約850～950℃)在實(shí)際生產(chǎn)中也很容易實(shí)現(xiàn)。

2 有效壓實(shí)法工藝準(zhǔn)則

有效壓實(shí)鍛造法適用于各種工具鍛造的變形過(guò)程，比如傳統(tǒng)上下平砧拔長(zhǎng)、FM法拔長(zhǎng)、上平板下平臺(tái)(或轉(zhuǎn)臺(tái))的超寬砧拔長(zhǎng)、V型砧拔長(zhǎng)等。本文只給出既簡(jiǎn)便又常用的幾種形式。

2.1 上下平砧拔長(zhǎng)有效壓實(shí)工藝準(zhǔn)則

(1)在鋼錠的主變形過(guò)程中，需要有6趟滿足實(shí)際砧寬比W/H=0.5～0.9之間的有效拔長(zhǎng)變形。

(2)每趟拔長(zhǎng)壓下率εh=20%～22%?？蛇x擇每拔長(zhǎng)一趟翻轉(zhuǎn)90°的“上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)”方法，也可采用0°、0°、90°、0°、0°、90°、0°、90°、0°、90°的“上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)”方法，但程序中應(yīng)始終保持使坯料截面高寬比小于2.0。

(3)每重新拔長(zhǎng)一趟前，應(yīng)錯(cuò)砧W/3，具體按W→W/3→2/3W→W……的順序進(jìn)行。通?？刂棋e(cuò)半砧左右即可。

(4)在主拔長(zhǎng)變形過(guò)程中，應(yīng)保持坯料心部溫度T心≥1 050℃，或表面溫度大于850℃。

(5)控制坯料截面尺寸變化及計(jì)算拔長(zhǎng)趟數(shù)，應(yīng)給出拔長(zhǎng)操作程序，其展寬率公式[3]為：

1)圓截面開(kāi)始的第一趟拔長(zhǎng)α1=0.473(W0/H)；

2)翻轉(zhuǎn)90°后的第二趟拔長(zhǎng)α2=0.43(W0/H)；

3)矩形及方形截面拔長(zhǎng)α3=0.782-0.182(H/W0)。

(6)對(duì)重要鍛件在主拔長(zhǎng)結(jié)束后，采用扁方入爐的辦法，以增強(qiáng)高溫?cái)U(kuò)散效果，其溫度和時(shí)間仍按傳統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行。扁方尺寸為a=1.35b，b=0.9D。其中，D為鍛件最大直徑尺寸，a和b為扁方截面兩方向尺寸。

在上下平砧拔長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)砧寬度通常按W=0.8W0考慮。研究結(jié)果表明，只有當(dāng)W/H≥0.51時(shí)，坯料中心的壓應(yīng)變才能達(dá)到最大，其最佳砧寬比為0.7。并且研究發(fā)現(xiàn)，只有W/H在0.5～0.9范圍，才能保證鍛件心部充分變形，獲得較高的ε1值。

2.2 FM法拔長(zhǎng)有效壓實(shí)工藝準(zhǔn)則

FM法拔長(zhǎng)使用上平砧、下平臺(tái)(或轉(zhuǎn)臺(tái))，工具和操作都比較簡(jiǎn)單，也是最常用的拔長(zhǎng)方法。尤其是在鋼錠不需要鐓粗或僅需要小鐓粗的情況下，比上下平砧拔長(zhǎng)所需鍛比要小、操作時(shí)間更短。但由于變形方式為不對(duì)稱(chēng)，當(dāng)W/H≥0.4時(shí)，坯料中心的壓應(yīng)變就能達(dá)到最大，其最佳砧寬比為0.6。所以工藝準(zhǔn)則有以下兩點(diǎn)不同：

(1)在主變形過(guò)程中，需要有8趟砧寬比W/H=0.4～0.8之間的有效拔長(zhǎng)變形。

(2)每趟拔長(zhǎng)的壓下量為11%～13%之間?？刹捎梅D(zhuǎn)180°、90°、180°、90°的方式，也可采用連續(xù)拔長(zhǎng)方式。

2.3 超寬砧拔長(zhǎng)有效壓實(shí)工藝準(zhǔn)則

超寬砧拔長(zhǎng)使用上平板、下平臺(tái)(或轉(zhuǎn)臺(tái))，變形方式相當(dāng)于側(cè)鐓粗。既可以對(duì)鋼錠直接拔長(zhǎng)，也可以鐓粗后拔長(zhǎng)(帶鉗把)或下料后拔長(zhǎng)(無(wú)鉗把)，但要考慮各壓機(jī)適用的鋼錠或坯料尺寸、重量大小。該方法的特點(diǎn)是需要的拔長(zhǎng)趟數(shù)少、操作時(shí)間短及有效壓實(shí)效果好。其工藝準(zhǔn)則也有以下兩點(diǎn)不同：

(1)僅需要4趟超寬砧有效拔長(zhǎng)變形。

(2)每趟拔長(zhǎng)的壓下量約為35%～45%。每趟翻轉(zhuǎn)90°，對(duì)于空心厚壁筒類(lèi)鍛件的壓實(shí)，只考慮三趟即可。

3 有效壓實(shí)鍛造法工藝應(yīng)用實(shí)例

3.1 上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)

表1給出了一個(gè)電機(jī)軸鍛造工藝實(shí)例.該鍛件最大直徑?500 mm，如圖1所示。使用500 mm上下平砧拔長(zhǎng)，8 t鋼錠的平均直徑為?750 mm，不用鐓粗，一火成形，鍛比為2.25。按照工藝給出的8趟拔長(zhǎng)程序，首先計(jì)算有效拔長(zhǎng)趟數(shù)。用500 mm乘以0.8倍進(jìn)砧寬度，除以0.5倍有效砧寬比，為800 mm。因此，凡壓下前直徑≤800 mm的趟數(shù)，都為有效趟數(shù)(第一趟的圓直徑和第二趟的扁圓直徑除外，該兩趟可以折算補(bǔ)充到第8趟中，該趟壓下量稍顯不足)?？梢?jiàn)該工藝過(guò)程是完全滿足工藝準(zhǔn)則規(guī)定的6個(gè)有效趟數(shù)的，工藝充分而可靠。

請(qǐng)注意，在8趟拔長(zhǎng)完成時(shí)的坯料截面尺寸為475 mm的極限方[4]，然后壓八方為500 mm，卡臺(tái)、滾圓、成形。

3.2 上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)

對(duì)電機(jī)軸鍛件采用500 mm上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)的實(shí)用程序，見(jiàn)表2。

表1 500 mm上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)電機(jī)軸鍛件的實(shí)用拔長(zhǎng)程序Table 1 Actual traditional stretching processes for motor shaft forging stretchedby 500 mm top and bottom flat anvils

圖1 電機(jī)軸鍛件Figure 1 Motor shaft forging

趟數(shù)翻轉(zhuǎn)壓下前直徑/mm壓下量/mm壓下后直徑/mm變形率123456780°0°90°0°0°90°0°90°75059086068054064051054016012018014011013070655904706805404305104404750.213 30.203 40.209 30.205 90.203 70.203 10.137 30.136 8

表3 FM法拔長(zhǎng)25Cr2N4MoV轉(zhuǎn)子的實(shí)用拔長(zhǎng)程序Table 3 Actual stretching processes for 25Cr2N4MoV rotor stretched by FM method

圖2 25Cr2N4MoV轉(zhuǎn)子Figure 2 25Cr2N4MoV Rotor

圖3 35A電機(jī)轉(zhuǎn)子Figure 3 35A motor rotor

在8趟拔長(zhǎng)完成時(shí)的坯料截面尺寸為475 mm的極限方[4]，然后壓八方為500 mm，卡臺(tái)、滾圓、成形。

從這個(gè)拔長(zhǎng)過(guò)程來(lái)看，由于連續(xù)兩三趟在一個(gè)方向大變形，在前6趟就已經(jīng)達(dá)到了有效壓實(shí)的目的，第7、第8兩趟，只是從成形角度考慮，湊成一個(gè)帶鼓肚的475 mm極限方。

3.3 FM法拔長(zhǎng)

圖2為在60 MN壓機(jī)上鍛造25Cr2N4MoV轉(zhuǎn)子。大身截面?1 000 mm，鍛件重量34 626 kg，使用44 t鋼錠，分三火鍛造成形。第一火壓鐓粗把。第二火加熱1 270℃，保溫均勻后，先鐓粗至?1 550 mm，然后用800 mm上平砧、下平臺(tái)，按照FM法程序拔長(zhǎng)10趟，成扁方1 260 mm×910 mm入爐。第三火換600 mm上下平砧，再按程序拔長(zhǎng)3趟。壓八方為1 000 mm，卡臺(tái)、成形。其拔長(zhǎng)程序見(jiàn)表3。

3.4 超寬砧拔長(zhǎng)

圖3為35A電機(jī)轉(zhuǎn)子。鍛件重量8 727 kg，使用13 t鋼錠，分三火鍛造成形。第一火壓鐓粗把。第二火加熱1 270℃，保溫均勻后，先鐓粗至?1 150 mm，然后用上平板、下平臺(tái)，按照超寬砧程序[5]拔長(zhǎng)4趟，成扁方810 mm×620 mm入爐。第三火換450 mm上下平砧，大變形壓八方為670 mm，卡臺(tái)、成形。其拔長(zhǎng)程序，見(jiàn)表4。

表4 超寬砧拔長(zhǎng)35A電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)用拔長(zhǎng)程序Table 4 Actual stretching processes for 35A motor rotor stretched by ultra-wide anvil

4 結(jié)論

4.1 有效壓實(shí)鍛造法的臨界條件為：(1)在變形過(guò)程中，使鍛件內(nèi)部任意一點(diǎn)的最大壓應(yīng)變≥0.6；(2)在主變形過(guò)程中，應(yīng)保證鍛件心部溫度≥1 050℃，或表面溫度大于850℃。該臨界條件可轉(zhuǎn)化為工藝參數(shù)。

4.2 根據(jù)有效壓實(shí)鍛造法的工藝準(zhǔn)則，本文給出了最常用的上下平砧拔長(zhǎng)、FM法拔長(zhǎng)和超寬砧拔長(zhǎng)三種應(yīng)用實(shí)例。其它鍛造過(guò)程的應(yīng)用以及鍛造工藝手冊(cè)的編制等，將在后續(xù)的論文中詳細(xì)討論。

[1] 任猛，王祖唐，劉莊.有效壓實(shí)鍛造法.中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利第10650號(hào).

[2] 任猛.大型鋼錠內(nèi)部孔洞性缺陷鍛合過(guò)程的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.清華大學(xué)博士論文，1987.

[3] 任猛，金錫鋼，王祖唐.拔長(zhǎng)鍛造時(shí)的展寬值計(jì)算.鍛壓技術(shù)，1989(2)：8.

[4] 任猛，等.極限鍛造成形的原理及工藝應(yīng)用.大型鑄鍛件，1991(1-2)：13.

[5] 任猛，董金雷，王中安.優(yōu)化鍛造工藝手冊(cè).亞洲重工集團(tuán)有限公司技術(shù)文件，2000.