大型核電錐形環(huán)鍛件自由鍛造方法

文/張廣森，田子敬，白玉，劉壘·武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司

前言

目前，全球核電已進(jìn)入了一個高速發(fā)展時期，為了改善能源結(jié)構(gòu)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都在積極致力于核電的發(fā)展。2020年前，全球每年至少需要二十多套核電鍛件，核電鍛件的市場前景非常廣闊。但是由于核電項目中對鍛件的品質(zhì)要求高，并且鍛件重量較大，采用現(xiàn)有的鍛造方法無法實現(xiàn)核電設(shè)備錐形筒體的制造。

大型錐形筒體是核電設(shè)備中的重要零件，它是一種兩端直徑不同而壁厚相同的錐形筒體。這種零件由于其尺寸很大，并且對強(qiáng)度和材料都有特殊的要求，因此加工起來極為困難。我公司通過不斷探究和試驗，找到了一種大型核電錐形鍛件自由鍛造的方法。

鍛造方案探究

核電錐形鍛件（圖1）是我公司目前生產(chǎn)最大的錐形鍛件，該鍛件為異形環(huán)鍛件，錐度為20°，鍛件大端外徑為φ3250mm，小端外徑為φ2140mm，高度為1580mm。

該鍛件鍛造生產(chǎn)過程中參數(shù)難以控制，主要存在以下困難：

⑴馬架擴(kuò)孔時保證鍛造錐度較困難。馬架擴(kuò)孔時需要增加一端馬架高度來保證在鍛造過程中的壁厚均勻和錐度，增加了擴(kuò)孔時的操作難度。

⑵錐環(huán)鍛件的同軸度問題成形困難。擴(kuò)孔時，由于兩端直徑不同，翻轉(zhuǎn)時會發(fā)生鍛件扭轉(zhuǎn)，使其軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)而與芯棒不一致，導(dǎo)致鍛件的端面彎曲、直徑橢圓等情況發(fā)生。

⑶生產(chǎn)過程中的測量困難。鍛造過程中只能靠標(biāo)尺、劃線和卡鉗等粗略測量各部分尺寸，準(zhǔn)確測量時需要將鍛件反復(fù)從馬架上拿下來放平來測量錐度和直徑，不僅浪費(fèi)大量時間且大大增加了工人勞動強(qiáng)度。

圖1 錐形鍛件示意圖

針對以上問題和困難，我們準(zhǔn)備從制坯和擴(kuò)孔兩個關(guān)鍵工序入手控制鍛件外形質(zhì)量，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

⑴制坯。制坯是鍛件成形的關(guān)鍵，此次生產(chǎn)制成臺階坯料，在制坯過程中應(yīng)嚴(yán)格控制大、小端的直徑差。

⑵擴(kuò)孔。由于兩端直徑不同，馬杠翻轉(zhuǎn)一定角度后應(yīng)及時糾正鍛件因馬杠翻轉(zhuǎn)帶來的扭轉(zhuǎn)。剛開始擴(kuò)孔時一定要減小轉(zhuǎn)動幅度并采用小壓下量，增加轉(zhuǎn)動次數(shù)進(jìn)行鍛造，在逐步消除壁厚上的斜度差中擴(kuò)出鍛件的正確角度，擴(kuò)孔過程勤轉(zhuǎn)輕壓，壓下量保持一致，保證壁厚均勻，防止出現(xiàn)橢圓、喇叭口等。

⑶測量。制作專用測量工具，使用鋼管制作兩端圓環(huán)截面工裝進(jìn)行測量，鍛造時要勤卡勤量。

鍛造工藝過程

該錐形鍛件工藝實施過程如下。

下料過程

錐形環(huán)零件重量為34t，其鍛件重量為41.8t，采用62t鋼錠為原材料，材料利用率為67.4%，材質(zhì)為35CrMo。鋼錠紅送后進(jìn)加熱爐升溫至850℃保溫一段時間后出爐，利用工裝熱割，去除水口和冒口棄料，然后繼續(xù)進(jìn)爐加熱。

加熱過程

為保證爐溫均勻性，加熱爐采用天然氣爐進(jìn)行加熱，爐窯溫度設(shè)定為700℃，鋼錠500℃紅送進(jìn)爐窯700℃爐溫保溫4h，升溫至850℃，保溫4h，出爐熱割水口和冒口1h，回爐保溫，850℃保溫3h后升溫至1200℃，保溫17h后出爐鍛造，保證高溫保溫時間充分。

鍛造設(shè)備選取

根據(jù)鍛造廠設(shè)備的實際情況，鍛造設(shè)備選取8000t自由鍛造油壓機(jī)，經(jīng)過計算，鍛造能力滿足要求。

鍛造過程

鋼錠鍛造工藝設(shè)計為：拔長→鐓粗→拔長→鐓粗、沖孔→反復(fù)擴(kuò)孔、鐓平、擴(kuò)孔→精整成形。

鍛造溫度選擇

鍛件始鍛溫度1200℃，終鍛溫度850℃，在鍛造過程中當(dāng)溫度接近終鍛溫度時，停止鍛造，進(jìn)行二次加熱，將鍛坯高溫入爐，在1200℃爐溫下保溫4h出爐繼續(xù)鍛造。

成形過程

針對錐形環(huán)鍛件鍛造成形過程中可以預(yù)見的困難，制坯成臺階坯（圖2）。

圖2 臺階坯

⑴擴(kuò)孔。在擴(kuò)孔過程中通過抬高馬杠的方式進(jìn)行大端的擴(kuò)孔，這樣可以避免墊高馬架來調(diào)整擴(kuò)孔錐度，但這增加了操作難度，在擴(kuò)孔過程中要勤轉(zhuǎn)輕壓，及時調(diào)整鍛件扭轉(zhuǎn)情況。擴(kuò)孔步驟見圖3。

⑵平端面。作業(yè)時增加了預(yù)擴(kuò)后的平端面工步，由于在擴(kuò)孔過程中大端部位走料較大，其壁厚變薄較快，需在預(yù)擴(kuò)后進(jìn)行一次平鐓工序。采用上平砧進(jìn)行大端的平端面工作。平端面工步見圖4。

經(jīng)過一系列的工作，最終得到的鍛件成品見圖5。

圖3 擴(kuò)孔步驟

圖4 平端面步驟

圖5 鍛件成品

總結(jié)

此次錐形環(huán)鍛件在擴(kuò)孔過程中采用小壓下量、均勻壓下量、多轉(zhuǎn)動的鍛造方式，保證均勻擴(kuò)孔，避免了小端內(nèi)外圓與大端內(nèi)外圓不同心現(xiàn)象。在鍛件進(jìn)行預(yù)擴(kuò)孔后對兩端面進(jìn)行平鐓，解決了錐形環(huán)鍛件的端面凹心問題，通過技術(shù)人員和操作人員反復(fù)測量控制，最終成功鍛造出該鍛件。此次錐形環(huán)鍛件生產(chǎn)的完成，不僅使我公司鍛造技術(shù)上了一個新臺階，同時也為我公司在核電錐形筒體鍛件生產(chǎn)方面打下了基礎(chǔ)。