論最小鍛比

任　猛　錢莉麗　杜　錦　江盛龍(亞洲重工集團有限公司，江蘇214128)

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論最小鍛比

任猛錢莉麗杜錦江盛龍
(亞洲重工集團有限公司，江蘇214128)

摘要:鍛比作為一個宏觀指標，只代表鍛件所經歷的截面形狀變化。合理控制砧寬比、壓下量等對內部變形起決定性作用的參數，可以在小鍛比條件下生產合格產品。

關鍵詞:最小鍛比;砧寬比;壓下量;鍛造方法

人們對于鍛比的認識一直是存在爭議的。直到今天，在許多產品標準中，還有對鍛比的相關規(guī)定，比如要求鍛比大于3、大于4，甚至大于6等等。但是在生產實際中卻常常發(fā)現(xiàn)，用同樣鍛比生產的鍛件，有的無損檢測合格，有的卻缺陷嚴重。有時使用同一爐鋼錠，在不同的鍛造廠家、用不同的工藝生產，其無損檢測結果也往往差別很大。顯然，這種情況單純用鍛比這個數據是解釋不清楚的。

圖1粗略示意了一塊坯料在不同砧寬比條件下鍛造時，其內部大變形區(qū)分布的差別。

可以看出，當砧寬比較小時，塑性大變形區(qū)只存在于坯料的表面附近。圖1①的情況有點類似于剁刀，但隨著砧寬比逐漸增大，大變形區(qū)逐漸向坯料的心部移動。研究結果表明，在上下平砧拔長時，只有當砧寬比≥0．51時，坯料心部的變形才能達到整個截面最大。用FM法拔長時，砧寬比≥0．4時，坯料心部的變形最大［1］。所以，對于某一特定截面的鍛件來說，使用不同寬度的砧子和鍛造方法，在同一鍛比條件下，生產的鍛件內部質量效果會差別極大。

舉例說明:用一個平均直徑為?1 000 mm的鋼錠，鍛造一支最大直徑?500 mm的軸類鍛件，若采用直接拔長，其鍛比為4。如果在16 MN快鍛壓機上生產，砧子為320 mm上下平砧。很顯然，鍛比為4時，最大直徑500 mm處的鍛件心部是鍛不透的。而使用砧寬為500mm的上下平

圖1　坯料內部大變形區(qū)分布情況Figure 1　 Distribution of large deformation zones inside billet

砧，在同樣鍛比為4的條件下，不但內部變形非常充分，甚至用平均直徑為?750 mm的鋼錠，按照極限鍛造成形法的程序拔長，也能充分地壓實鍛透［2］，這時的鍛比降為2．25。而如果使用500 mm上平砧、下平臺的FM法鍛造，給出拔長程序，還可以將每趟的第一砧壓在相對最大直徑500 mm處，那么使用平均直徑為?650 mm的鋼錠，也完全可以鍛透，其鍛比僅為1．69(拔長過程如表1所示)。

該過程中，所有8趟拔長皆為有效趟數。其

表1　用500 mm上砧FM法拔長?650 mm鋼錠程序Table 1　FM method drawing process for?650 mm steel ingot by 500 mm top anvil

表2　鍛比為1．87的42CrMoA輥軸鍛造工藝Table 2　Forging process for 42CrMoA roll shaft with forging ratio 1．87

表3　鍛比為1．69的6 MW發(fā)電機轉子鍛造工藝Table 3　Forging process for 6 MW generator rotor with forging ratio 1．69

中有4趟壓下后的坯料高度小于鍛件直徑500 mm，可見其內部變形非常充分。坯料最后的形狀為一向帶鼓肚的480 mm方，然后壓八方500 mm，卡臺、滾圓、成形。

1　極限鍛比的概念

關于鍛比的爭論，實際上在20世紀70年代后期就已基本上有了定論。日本室蘭制作所連續(xù)冶煉出了400 t～570 t的超大型鋼錠，用于生產直徑2 500 mm以上大型發(fā)電機轉子［3］。顯然，這樣大的鋼錠在110 MN壓機上是無法進行鐓粗的，只能通過直接拔長的方法鍛造成形，然而無損檢測和性能都合格了。據報導其實際鍛比為2．7左右，而當時許多電站標準中規(guī)定的轉子鍛比應不小于3．5。德國蒂森公司規(guī)定轉子最小鍛比為3．0，軋輥1．8～2．5［4］。清華大學鐘杰博士的研

表4　拔長鍛比為1．34的實心磁扼鍛造工藝Table 4　Forging process for solid magnetic clutches with forging ratio 1．34

究中，通過采用合理布砧、控制局部壓下量，鍛合內部孔洞的最小鍛比為1．93左右［5］。

那么，鍛比究竟可以小到多少才是臨界值呢?

試想一個非常極端的情況:使用一副無限長、無限寬的上下平砧，拔長一個無限長的圓鋼錠，經過數次較大拔長變形后，鋼錠已經被充分壓實鍛透。但這時候再把鋼錠收回到圓截面時，由于存在表面摩擦和坯料太長的緣故，每次壓下變形時，坯料只是橫截面形狀發(fā)生變化，其長度并不增加。根據體積不變定律，壓實鍛透后的圓截面積仍然與拔長前相同，那么其鍛比就是1。如果按照常規(guī)的理解，鍛比為1相當于沒有鍛造變形，但是該鋼錠確實已經被壓實鍛透了。

當然這只是一種極端情況下的假設。如果考慮到對鋼錠壓合內部孔洞時，鋼錠截面實際上會發(fā)生少許收縮，就算大約2%的收縮量，那么其鍛比為1．041。而這，就可以被看作理想狀態(tài)下鍛比的最小臨界值。有了這個概念，我們的工藝方法就可以朝著這個方向接近。在實際鍛造的過程中，設法使坯料最大截面的心部產生最大變形，保證內部壓實鍛透，而對于鍛件外層，則在成形的過程中，順便就會變形充分。所以通過合理的工藝設計，可以使鍛比達到最小。

2　小鍛比制造鍛件的實例

2．1?1 390 mm軋輥拔長鍛比1．87

表2為一支42CrMoA大型輥軸，重量49 065 kg，長度5 020 mm，用60 MN壓機生產。為了減少鍛造火次、縮短操作時間，并且充分保證壓實鍛透效果，工藝上采用了FM法連續(xù)拔長程序。64．5 t鋼錠本身的平均直徑已接近?1 700 mm，只將其鐓粗至?1 900 mm，拔長9趟。在總共9趟拔長中，有3趟壓下后的高度小于鍛件的最大直徑?1 390 mm，分別為1 300 mm、1 160 mm和1 260 mm。拔長后成扁方1 700 mm×1 260 mm入爐高溫擴散，最終成形的拔長鍛比，按照名義尺寸為1．868。

2．2 6 MW發(fā)電機轉子鍛比1．69

2001年，宏達12．5 MN水壓機承接了10支6 MW發(fā)電機轉子訂貨，材質為34CrMo1A。選用了當時質量較好的無錫鋼廠10 t真空精煉鋼錠。這種轉子，原來在北重和天重，都是用16 t鋼錠，用60 MN水壓機生產，鍛件重量9 t左右，只鍛出5個臺階。我們用小噸位的壓機、使用較小鋼錠，為了提高材料利用率，工藝要求鍛出7個臺階(表3)，鍛件連火耗總計7 500 kg。由于壓機的噸位太小，鋼錠不可能鐓粗，所以只能直接拔長。

由于拔長總共只有6趟，為了保證轉子大身部位壓實鍛透，采取了每趟第一砧滿砧壓中間的措施，加大了鋼錠心部的變形量。10支轉子在超聲檢測時，都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷波顯示。以后幾年，又陸續(xù)生產了幾十支類似的轉子，全部合格交貨。

2．3實心磁扼拔長鍛比1．34

2001年，宏達公司承接了三件實心磁扼鍛件訂貨。該種鍛件，在其它企業(yè)用25 MN或31．5 MN壓機生產，鍛件重量10．5 t，使用15 t鋼錠鍛制。而宏達公司只有12．5 MN壓機和10 t操作機，便將鍛件重量壓縮至9．85 t，用13 t鋼錠生產，操作時采用行車抱鉗配合的辦法。

當時所遇到的難題是:由于壓機噸位太小，不可能進行鐓粗，若直接拔長成形，鍛比又非常小，鍛件內部不可能鍛透?？紤]到磁扼中心有?180 mm左右的通孔無須鍛出，所以其心部的壓實條件可以放寬，只要缺陷體積不大于該范圍即可。工藝采用700 mm上砧FM法拔長4趟下料［6］，在成形過程中又采用兩次壓窩，增大心部變形。壓窩平整后，坯料高度比鍛件高度低了200 mm，然后再滾外圓收回到鍛件實際尺寸。最后，鍛件在超聲檢測時，心部輕微疏松缺陷顯示區(qū)域恰好都位于中心線?120 mm以內，成功合格交貨，創(chuàng)造了小壓機生產較大電站鍛件的先例。

3　結論

( 1)鍛比通常只能作為一個宏觀指標，表示鍛件在鍛造成形過程中的截面尺寸變化。真正對壓實鍛透起決定性作用的是砧寬比、壓下量等工藝參數。

( 2)采用有效壓實鍛造法、極限鍛造成形法和其它輔助方法，充分利用鋼錠和鍛件形狀之間的邊界條件，可以在盡可能小的鍛比條件下，巧妙生產出合格鍛件。

參考文獻

［1］任猛．大型鋼錠內部孔洞性缺陷鍛合過程的數值模擬和實驗研究．清華大學博士論文，1987．

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

［3］Masao Kashihasa．Development of Gigantic Forgings with Ultra －Section Exceeding 2500mm Diameter from Ingots Weighting Over 400 Tons．The 8th International Forgemasters Meeting，1977．

［4］漢斯－彼得·海勒．鋼廠與鍛造廠合作制造優(yōu)質鍛件，大型鑄鍛件文集．

［5］鐘杰．大型軸類鍛件鍛造工藝的云紋法模擬研究．清華大學博士論文，1989．

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

編輯李韋螢

Statement of the Minimum Forging Ratio

Ren Meng，Qian Lili，Du Jin，Jiang Shenglong

Abstract:The forging ratio is just a macro indicator and only shows the shape change of the forging cross section．The determinant parameters such as the anvil width ratio and reduction which influence on the inner deformation will be controlled and the acceptable products will be obtained with minimum forging ratio．

Key words:minimum forging ratio; anvil width ratio; reduction; forging method

收稿日期:2013—06—13

文獻標志碼:B

中圖分類號:TG316