大鍛件不同砧型拔長(zhǎng)工藝的研究進(jìn)展

龔 虎 徐 月

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

大鍛件不同砧型拔長(zhǎng)工藝的研究進(jìn)展

龔 虎 徐 月

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

闡述了大鍛件拔長(zhǎng)工藝的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了不同砧型拔長(zhǎng)工藝的研究現(xiàn)狀及取得的成果，展望了拔長(zhǎng)工藝未來的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

大鍛件；砧型；拔長(zhǎng)

大鍛件是重型裝備制造業(yè)中關(guān)鍵零部件之一，廣泛應(yīng)用于船舶、冶金、電力和石化等重型工業(yè)領(lǐng)域，具有制造技術(shù)難度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)和耗資巨大等特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)鍛造工藝的目的是消除疏松、偏析、夾雜物和孔洞型缺陷等[2]，通過合理有效的鍛造方法將這些致命缺陷最大程度地減少到最低，一直是鍛造工作者關(guān)心和研究的核心問題。拔長(zhǎng)是決定大鍛件最終質(zhì)量的主要鍛造工藝，拔長(zhǎng)效率和拔長(zhǎng)后大鍛件最終的質(zhì)量受砧型、壓下量、送進(jìn)量以及砧寬比等多種因素影響。針對(duì)大型鋼錠的拔長(zhǎng)工藝，需要根據(jù)鋼錠具體尺寸、鋼錠成分和實(shí)際生產(chǎn)條件等，選擇合理有效的砧型進(jìn)行拔長(zhǎng)，以期獲得高性能優(yōu)質(zhì)大鍛件。因此，研究合理有效可行的新型拔長(zhǎng)方法具有非常重要的意義。近十余年來，經(jīng)過不斷探索研究和發(fā)展，在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一系列拔長(zhǎng)理論和不同砧型拔長(zhǎng)方法，取得了一些突破性成果，為大鍛件新拔長(zhǎng)方法的出現(xiàn)提供了一定理論依據(jù)和指導(dǎo)意義。

1 拔長(zhǎng)工藝的出現(xiàn)

拔長(zhǎng)是一種使毛坯橫截面減小而長(zhǎng)度增加的鍛造方法，各國科研工作者對(duì)拔長(zhǎng)方法也展開了大量探索和研究。平砧拔長(zhǎng)是最早出現(xiàn)的一種拔長(zhǎng)工藝，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，一直以來被人們廣泛采用。然而，隨著大鍛件需求量的增多，需求者對(duì)大鍛件的質(zhì)量也提出了更高要求，繼而促使科研工作者系統(tǒng)深入地研究平砧拔長(zhǎng)。對(duì)圓截面毛坯平砧拔長(zhǎng)進(jìn)行受力分析可知，由于砧子和工件之間存在摩擦力，造成垂直鍛打的方向上形成了拉應(yīng)力，且心部達(dá)到最大，因此在砧子與工件接觸附近形成了難變形區(qū)[3]。20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)學(xué)者最早提出了大鍛件平砧拔長(zhǎng)的砧寬比限制條件，建立了軸向拉應(yīng)力分析模型[4]。然而，日本學(xué)者河合正吉等[5]通過不同砧寬比平砧拔長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，得出了當(dāng)砧寬比小于0.9時(shí)，處于砧子下面變形的毛坯中心軸線上將會(huì)產(chǎn)生Mannes-mann效應(yīng)。需要特別指出的是，盡管兩人研究的著眼點(diǎn)不同，但他們的研究成果在很大程度上為大鍛件拔長(zhǎng)制定合理的砧寬比提供了重要的理論依據(jù)。經(jīng)過不斷深入研究，該拔長(zhǎng)方法已成功應(yīng)用于螺旋槳軸的鍛造工序[6]，通過平砧拔長(zhǎng)方法有效地鍛合了鋼錠內(nèi)部縮孔和疏松等冶金缺陷，經(jīng)后續(xù)熱處理獲得了綜合力學(xué)性能較好的螺旋槳軸鍛件，為大型船用軸類鍛件鍛造工藝的發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。后來又逐漸出現(xiàn)了KD鍛造法[7](類似于WHF法)，經(jīng)過科研工作者不斷努力和嘗試，在此基礎(chǔ)上又發(fā)明了超寬平砧拔長(zhǎng)法，此拔長(zhǎng)方法已經(jīng)成功應(yīng)用于圓環(huán)形鍛件[8]的實(shí)際生產(chǎn)，解決了多砧擴(kuò)孔高度中間易產(chǎn)生凹陷的重要問題，為新型拔長(zhǎng)方法的誕生指明了方向。

經(jīng)研究表明，采用平砧拔長(zhǎng)方法以及合理的壓下量和砧寬比能在一定程度上減少甚至是消除孔洞閉合缺陷[9]。盡管平砧拔長(zhǎng)方法能在一定條件下有效解決鋼錠中的某些冶金缺陷問題，但隨著大鍛件質(zhì)量要求的提升，導(dǎo)致制造技術(shù)難度的進(jìn)一步增大以及鋼錠內(nèi)部缺陷無法得到合理有效的控制，科研工作者又逐漸開始對(duì)新拔長(zhǎng)工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前，國內(nèi)外研究者在平砧拔長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析，通過對(duì)砧型合理有效地改進(jìn)，提出了一系列新型拔長(zhǎng)方法。比較成熟的拔長(zhǎng)方法有上平砧下V型砧拔長(zhǎng)、上平砧下梯型砧拔長(zhǎng)、上下V型砧拔長(zhǎng)和水平V型砧拔長(zhǎng)等實(shí)用型新拔長(zhǎng)工藝。而且，部分改進(jìn)后的新拔長(zhǎng)方法已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了良好效果。

2 不同砧型拔長(zhǎng)方法的出現(xiàn)及應(yīng)用

隨著上平砧下V型砧拔長(zhǎng)[10]新方法的出現(xiàn)，科研工作者對(duì)此方法又有了進(jìn)一步深入地考察和研究。提出了一種上平砧下V型砧鍛造階梯軸的新型拔長(zhǎng)方法[11-12]。此方法獲得的鍛件變形區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)和中心區(qū)域鍛透性都很良好，而且鍛件變形部分的軸線偏移量非常小，坯料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)也非常好，橫向無拉應(yīng)力出現(xiàn)，該拔長(zhǎng)方法能獲得中心壓實(shí)的效果。潘品李等[13-14]將數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)分析方法相結(jié)合，運(yùn)用上平砧下V型砧拔長(zhǎng)方法，提出“三壓法”翻轉(zhuǎn)新工藝，有效地提高了鍛件變形區(qū)域的等效應(yīng)變和均勻分布，使最終獲得的鍛件不僅變形均勻，還能起到晶粒細(xì)化的目的。該拔長(zhǎng)方法也成功應(yīng)用于石油化工中某些重要軸類鍛件，例如石油化工主軸生產(chǎn)中采用了上平砧下V型砧鍛造工藝，獲得了力學(xué)性能良好的主軸鍛件[3]。鍛造成形過程中，不僅改變了鍛件的應(yīng)力狀態(tài)，在成形階段嚴(yán)格控制了壓下量，高溫時(shí)采用分散小變形鍛造，很大程度減少了鍛件成形時(shí)容易出現(xiàn)開裂的問題。

經(jīng)過不斷研究與探索，科研工作者在上平砧下V型砧拔長(zhǎng)方法的基礎(chǔ)上發(fā)明了一種上平砧下梯型砧拔長(zhǎng)工藝[15]。與一般上平砧下V型砧拔長(zhǎng)工藝相比，該拔長(zhǎng)方法能夠使鍛件的心部和次表層同時(shí)獲得較大且均勻的變形量，這不僅有助于擴(kuò)大鍛件內(nèi)部孔洞鍛合范圍，還大大改善鍛件內(nèi)部質(zhì)量。但這種拔長(zhǎng)方法的研究進(jìn)程和應(yīng)用成果還比較緊缺，目前報(bào)道較少。而且，這種方法僅在縮比試驗(yàn)中得以應(yīng)用，還未正式提出能真正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，這還需要廣大科研工作者為此做進(jìn)一步深入研究和完善，以期在大鍛件制造中得以應(yīng)用。

由于人們開闊的眼界和勇于打破傳統(tǒng)的想法，鍛造新工藝也越來越多。通過工藝試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的傳統(tǒng)方法，研究了上下V型砧拔長(zhǎng)法[16-19]。最終得到了理想的工藝參數(shù)組合，當(dāng)砧寬比=0.34，雙面壓下率小于7.5%時(shí)，鍛件心部處于較強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，壓實(shí)效果非常顯著。通過試驗(yàn)研究，得出了該V型砧鍛造既能簡(jiǎn)化鍛造工藝[20]，也能改善鍛件質(zhì)量，提高產(chǎn)品的成功率，大大降低生產(chǎn)成本。此V型砧鍛造方法已經(jīng)成功應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子鍛件的實(shí)際生產(chǎn)中，取得了不錯(cuò)的效果。利用V型砧鍛造方法生產(chǎn)出的轉(zhuǎn)子鍛件至今仍運(yùn)轉(zhuǎn)順利。

雖然現(xiàn)有砧型拔長(zhǎng)方法眾多，仍不能滿足實(shí)際生產(chǎn)中不同類型大鍛件的需要。因此，出現(xiàn)了一種水平V型砧拔長(zhǎng)方法，該拔長(zhǎng)方法能夠通過控制金屬流動(dòng)方向和纖維流向降低大型軸類鍛件力學(xué)性能的各向異性，從而提高拔長(zhǎng)效率，最終獲得的軸類大鍛件質(zhì)量比其它鍛造方法好。倪利勇等[21]、張莉萍等[22]針對(duì)方形截面毛坯，通過數(shù)值模擬方法優(yōu)化了拔長(zhǎng)工藝參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)得到了橫截面橫向中心線上橫向應(yīng)力分布規(guī)律。最終結(jié)果表明：當(dāng)砧寬比=1.0和料寬比=0.5時(shí)，鍛件心部處于很強(qiáng)的壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于進(jìn)一步擴(kuò)大工藝參數(shù)范圍。張永軍[23]等對(duì)比了水平V型錐面砧拔長(zhǎng)和上平砧下V型砧拔長(zhǎng)工藝，從橫向和縱向分析了鍛件力學(xué)性能，得出水平V型錐面砧拔長(zhǎng)能有效改善軸類鍛件力學(xué)性能異向性。針對(duì)矩形截面毛坯拔長(zhǎng)研究較多的情況，程小輝等[24]選取了對(duì)圓形截面毛坯，運(yùn)用DEFORM-3D有限元數(shù)值模擬表征了拔長(zhǎng)過程中等效應(yīng)力分布情況，發(fā)現(xiàn)在較小砧寬比條件下也能有效保證鍛件心部處于良好壓應(yīng)力狀態(tài)。不難發(fā)現(xiàn)，無論毛坯截面是矩形還是圓形，通過水平V型砧拔長(zhǎng)方法合理制定工藝參數(shù)都能使成形過程中鍛件心部處于較強(qiáng)壓應(yīng)力狀態(tài)，這不僅改善了鍛件力學(xué)性能的異向性，還提高了拔長(zhǎng)效率。但這仍然需通過軸類大鍛件的實(shí)際生產(chǎn)來確定是否真的能達(dá)到這樣的效果。

絕大部分特殊有效的鍛造方法都是在普通平砧拔長(zhǎng)的基礎(chǔ)上，通過不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和改進(jìn)發(fā)展起來的，如有限元法、寬V型砧大壓下量法等[25-26]。任運(yùn)來[27]等通過分析目前鐓粗和拔長(zhǎng)過程中鍛件變形區(qū)域與應(yīng)力分布情況，提出了一種新的拔長(zhǎng)方法——凹面砧拔長(zhǎng)。通過數(shù)值模擬和物理模擬方法對(duì)比研究了凹面平砧拔長(zhǎng)(CFAF)和凹面V型砧拔長(zhǎng)(CVAF)整個(gè)成形過程，最終得到凹面V型砧拔長(zhǎng)不僅更有利于提升凈水壓力值，而且，在同一變形效果下的壓下量小于凹面平砧拔長(zhǎng)。這兩種凹面砧拔長(zhǎng)方法在孔洞閉合、疏松壓實(shí)效果方面都明顯優(yōu)于其它特殊鍛造方法。與目前其它拔長(zhǎng)方法比較，該方法具備操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用范圍更廣的特點(diǎn)。

3 結(jié)束語

鍛造工作者和科研學(xué)者對(duì)不同砧型拔長(zhǎng)方法進(jìn)行長(zhǎng)期探索研究，取得了非常矚目的成果，推動(dòng)了大鍛件制造技術(shù)的快速發(fā)展，為大鍛件制造提供了重要的技術(shù)支持和依據(jù)。由于目前優(yōu)質(zhì)高端大型鍛件的嚴(yán)重緊缺以及重型行業(yè)對(duì)大鍛件質(zhì)量要求的提高，現(xiàn)階段所擁有的成熟的拔長(zhǎng)方法不足以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高端大鍛件，故需要研究簡(jiǎn)單實(shí)用且有效的新拔長(zhǎng)方法服務(wù)于重型鍛造領(lǐng)域。

從研究現(xiàn)狀和取得的成果來看，不僅要解決大型鋼錠中冶金缺陷，還要防止鍛造過程中出現(xiàn)新問題。根據(jù)不同實(shí)際生產(chǎn)情況制定合理有效的技術(shù)路線和綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)鍛造工藝，以達(dá)到提高效率和節(jié)約能源的目的。金屬材料在不同變形條件下微觀組織演變復(fù)雜導(dǎo)致性能難以控制，且熱力學(xué)參數(shù)對(duì)大鍛件成形過程影響頗大，還需通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法系統(tǒng)深入研究大鍛件成形過程微觀組織演變和性能控制，最好能獲得有一種真實(shí)有效可行的方法來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大鍛件成形過程微觀組織演變和性能的改變，以便采取相應(yīng)的措施。

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編輯 杜青泉

Research Progress of Drawing Process with Different Shape of Anvils in Heavy Forgings

GongHu，XuYue

This paper describes the research progress of drawing process of heavy forgings, it focuses on describing the research status of drawing process with different anvils and the achivements, looks forward to the research direction of drawing process in future and the trend of development.

heavy forgings, anvil shape, drawing

TG316.2

A

2017—03—21

龔虎(1989—)，男，碩士，主要研究方向：大型鍛造理論與新技術(shù)。