32Cr3Mo1V輥套鍛件鍛造工藝優(yōu)化

鄭安雄 徐素鵬 王學(xué)璽 王 文 陳 倩 趙莉莉

(1．河南中原特鋼裝備制造有限公司，河南459000；2．濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金化工系，河南459000)

目前，鋁帶鑄軋技術(shù)是鋁帶材的主要生產(chǎn)方式，其主體設(shè)備鑄軋機(jī)的核心部件鑄軋輥，主要由輥芯和輥套組成，它在鑄軋鋁板帶生產(chǎn)中起著極為重要的作用，輥套外表面要經(jīng)受鋁液的熱沖擊和承受巨大的軋制力，輥套內(nèi)壁要經(jīng)受內(nèi)部循環(huán)水的冷沖擊，所以要求輥套材料具有很好的抗冷熱疲勞性能和較長(zhǎng)的使用壽命，國(guó)內(nèi)使用的輥套材質(zhì)大多為32Cr3Mo1V，并需經(jīng)鍛造成形[1]。

輥套屬于薄壁筒類(lèi)鍛件，在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，一般采用鐓粗、沖孔、擴(kuò)孔、芯軸拔長(zhǎng)和精整成形等工序，但在實(shí)際生產(chǎn)中，采用傳統(tǒng)方法鍛造的輥套存在端面不平、壁厚不均勻、喇叭口、內(nèi)壁凹坑等問(wèn)題，既影響生產(chǎn)效率，又影響出材率，造成加工余量大、生產(chǎn)成本高、合格率低，本文針對(duì)傳統(tǒng)鍛造工藝產(chǎn)生的上述問(wèn)題，對(duì)原有鍛造工藝進(jìn)行分析，提出優(yōu)化改進(jìn)方案，形成新的鍛造工藝，可提升鍛件外觀質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和出材率的目的。

1 輥套鍛件鍛造難點(diǎn)

輥套鍛件常見(jiàn)規(guī)格尺寸如表1所示，由表1可知輥套鍛件主要特點(diǎn)是長(zhǎng)度短、壁厚薄，而這種類(lèi)型的薄壁筒類(lèi)鍛件鍛造難點(diǎn)就是容易出現(xiàn)壁厚不均勻、喇叭口、抱棒和端面不齊(馬蹄形)等鍛造質(zhì)量問(wèn)題[2]，造成合格率低，生產(chǎn)成本居高不下。

表1 輥套鍛件常規(guī)尺寸Table 1 Normal dimensions of roller sleeve forgings 單位：mm

2 傳統(tǒng)鍛造工藝

依據(jù)輥套鍛件形狀特點(diǎn)，傳統(tǒng)鍛造工藝設(shè)計(jì)思路是兩倍尺設(shè)計(jì)鍛坯圖，選擇模鑄錠型，在31.5 MN快鍛油壓機(jī)上鍛造成形，鋼錠經(jīng)過(guò)加熱、剁掉冒口、鐓粗、沖孔、擴(kuò)孔、芯軸拔長(zhǎng)、修整成形和鍛后退火等工序，退火后再按輥套單件長(zhǎng)度尺寸鋸切下料，并將端頭鋸切平齊。

在鐓粗前，一般用剁刀沿冒口線剁掉冒口、錯(cuò)平錠尾，然后采用上平面鐓粗蓋板和下平臺(tái)鐓粗，并選擇合適的沖子沖孔，由于剁凈了冒口，實(shí)際沖孔料芯均為錠身料，約損失鋼錠重量的2%。在沖孔時(shí)，依據(jù)金屬塑性成形原理[3]，孔與端面接觸部位形成拉縮走樣現(xiàn)象，則實(shí)際內(nèi)孔直徑不一致，若拉縮嚴(yán)重，后續(xù)擴(kuò)孔時(shí)易產(chǎn)生變形不均勻而端頭不齊，經(jīng)過(guò)反復(fù)糾正也很難消除。糾正壁厚是從端部找正，需同一位置多次下錘鍛造，產(chǎn)生的局部變形使壁厚均勻一致，此處金屬沿軸向和切向流動(dòng)，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致端部不齊，金屬切向流動(dòng)后內(nèi)徑大于其他部位，在鍛坯端頭呈現(xiàn)喇叭口形狀。

輥套壁厚薄，兩倍尺鍛坯較長(zhǎng)，芯軸拔長(zhǎng)階段需緩沖器輔助鍛造，到拔長(zhǎng)的中后期時(shí)，芯軸在鍛坯中停留時(shí)間較長(zhǎng)，溫度升高，會(huì)使芯軸產(chǎn)生變形和體積膨脹；同時(shí)鍛坯降溫較快，就會(huì)導(dǎo)致鍛坯外徑內(nèi)孔整體收縮；另外鍛坯通長(zhǎng)范圍內(nèi)變形并非完全一致，即鍛坯內(nèi)壁上就會(huì)出現(xiàn)凸起和凹陷部位，上述幾方面原因可能造成芯軸與鍛坯內(nèi)壁咬死抱住，芯軸無(wú)法從鍛坯中取出，屬于抱棒現(xiàn)象，所以實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，芯軸拔長(zhǎng)約20 min則必須強(qiáng)行停止鍛造返爐加熱，最終造成芯軸拔長(zhǎng)火次多、返爐頻繁、內(nèi)孔氧化皮多，且鍛造過(guò)程中無(wú)法及時(shí)清理，積留在鍛坯內(nèi)孔中，繼續(xù)進(jìn)一步拔長(zhǎng)時(shí)芯軸會(huì)將氧化皮壓入鍛坯內(nèi)壁，形成凹坑缺陷。

在借助緩沖器輔助鍛造時(shí)，對(duì)于類(lèi)似輥套這種薄壁鍛件，往往鍛坯壁厚尺寸不一致現(xiàn)象很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)得以修正。視野受緩沖器等輔助工具的影響，在拔長(zhǎng)過(guò)程中鍛坯是否在砧子的正中位置、操作機(jī)與鍛坯是否在一條水平軸線上，都會(huì)影響輥套的外觀尺寸和表面質(zhì)量。

受上述諸多不利因素影響，再加上員工操作水平層次不齊，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，合格率偏低。

3 優(yōu)化后鍛造工藝

為了避免傳統(tǒng)鍛造成型過(guò)程中火次多、內(nèi)壁凹坑、壁厚不均、端面不平、喇叭口和成本居高不下等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)認(rèn)真梳理，對(duì)問(wèn)題點(diǎn)排查，還原鍛造過(guò)程中每一個(gè)細(xì)節(jié)，逐一改進(jìn)，提出優(yōu)化鍛造工藝，優(yōu)化后工藝為：錠型按單件設(shè)計(jì)，即按單倍尺在31.5 MN快鍛油壓機(jī)上鍛造，專用方法剁掉冒口→一火次完成鐓粗+沖孔+擴(kuò)孔→兩火次完成芯軸拔長(zhǎng)、脫棒精整成形等，芯軸拔長(zhǎng)采用上平下V形砧旋壓式拔長(zhǎng)，每一火次返爐前和精整成形前平整端面，精整時(shí)不穿芯軸，在上平砧下V形砧旋壓精整縮孔，退火后不再鋸切兩端面，可直接進(jìn)行粗加工。

第1火：剁掉冒口，加熱升到鍛造爐溫后保溫約1.5～2.5 h，鋼錠出爐錯(cuò)平錠尾、剁掉冒口，其中剁冒口時(shí)，先用剁刀刮掉冒口與錠身接觸的飛邊，再利用上下平砧的圓角處沿錠身與冒口接觸部位輕壓一周，壓完一周后，操作機(jī)后退50 mm，再輕壓一周，使其與上一周鍛造部位無(wú)臺(tái)階接觸，呈一定錐度即可，按此方法操作機(jī)再后退50 mm，重復(fù)上述操作，使冒口與鋼錠錠身連接部位形成約100 mm長(zhǎng)錐臺(tái)，將這100 mm錐臺(tái)保留剁掉冒口(如圖1所示)，剁掉冒口后返爐繼續(xù)加熱，補(bǔ)足加熱時(shí)間。此操作步驟可有效提高利用率，充分利用了錠身與冒口銜接處材料，并結(jié)合后續(xù)沖孔是完全能夠沖掉冒口端中心部位的疏松和縮孔殘余。

圖1 剁切冒口示意圖Figure 1 Schematic diagram of chopping riser

第2火：鐓粗+沖孔+擴(kuò)孔，第一火次已經(jīng)完成鐓粗前的準(zhǔn)備工作，鍛坯出爐后能快速執(zhí)行鐓粗工序，錠尾端朝上放置在下平臺(tái)上，用上球面鐓粗板沿鍛坯軸向鐓粗，鐓粗后上端面中心部位會(huì)高于周?chē)瓮蛊鸬那蛎?，能夠適度減輕沖孔拉縮現(xiàn)象，沖孔時(shí)沖子大頭從鍛坯凸起端面中心沖入，判斷沖入深度以觀察鍛坯下端面與下平臺(tái)接觸部位的邊緣翹起程度，鍛坯下端面中心部位凸起、周?chē)N起約50 mm為宜，然后將鍛坯翻轉(zhuǎn)180°使下端面朝上，并把鍛坯放在漏盤(pán)上，將沖子再?gòu)拇嗣鏇_入沖掉料芯，要保證沖孔料芯小于100 mm。然后進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔直徑按大于芯軸直徑20～30 mm控制，擴(kuò)孔至鍛坯壁厚均勻，應(yīng)注意的是擴(kuò)孔時(shí)及時(shí)調(diào)整鍛坯的旋轉(zhuǎn)角度，保證擴(kuò)孔后的鍛坯壁厚的均勻性，馬杠擴(kuò)孔時(shí)金屬的變形區(qū)域受力較好，不易產(chǎn)生裂紋，金屬的流動(dòng)性良好[4]，這時(shí)的壁厚差很容易控制，擴(kuò)孔結(jié)束平整端面后返爐補(bǔ)溫，注意返爐時(shí)將鍛坯豎直擺放，即內(nèi)孔朝上。

第3火：預(yù)拔長(zhǎng)，鍛坯出爐后磕掉內(nèi)壁氧化皮，在500 mm上平砧下V形砧穿芯軸拔長(zhǎng)，提前在芯軸上劃線標(biāo)記，并檢查芯軸的表面質(zhì)量和直線度，芯軸穿至劃線處，拔長(zhǎng)過(guò)程不能過(guò)線，也不能退棒。初期拔長(zhǎng)按60°角旋轉(zhuǎn)，壓下量60～100 mm，送進(jìn)量約300～350 mm。后期拔長(zhǎng)按30°角旋轉(zhuǎn)，壓下量40～60 mm，送進(jìn)量≤250 mm。拔長(zhǎng)完成每一趟次，抽出芯軸用高壓水槍清理內(nèi)孔氧化皮。由于鍛坯長(zhǎng)度短，較容易實(shí)現(xiàn)抽出芯軸清理內(nèi)孔的氧化皮，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁平整，并且也不需要緩沖器輔助鍛造，操作指揮人員能夠及時(shí)糾正壁厚不均勻等現(xiàn)象，預(yù)拔長(zhǎng)結(jié)束后再次平整兩端面，之后返爐加熱。

第4火：成形、精整尺寸，此階段按22°角旋轉(zhuǎn)，送進(jìn)量50～60 mm。在本火次芯軸拔長(zhǎng)外徑距成品尺寸約20～30 mm時(shí)，退棒反穿芯軸拔長(zhǎng)，以消除內(nèi)壁錐度達(dá)到提高利用率的目的，并適時(shí)進(jìn)棒，適時(shí)測(cè)量操作機(jī)一端鍛坯的內(nèi)徑，若內(nèi)孔大，則外徑需預(yù)留收孔量。成形至鍛坯長(zhǎng)度比成品尺寸短約50 mm、外徑大約10 mm時(shí)，拔出芯軸平整兩端面，得到平整的端面外形，之后在500 mm上平砧下V形砧上拉拔旋壓一到兩趟，完成收孔、校直和精整。

4 工藝方案驗(yàn)證

采用優(yōu)化后的鍛造工藝方案，并嚴(yán)格按照工藝參數(shù)要求操作，外形尺寸、表面和內(nèi)壁質(zhì)量完全符合要求。

5 結(jié)論

(1)采用傳統(tǒng)鍛造工藝出成品一般需要7～8火次完成，外形尺寸、表面和內(nèi)壁質(zhì)量的合格率約70%，工藝優(yōu)化后，出成品可4火次完成，合格率100%。

(2)鋼錠利用率提高，優(yōu)化前利用率約80%，優(yōu)化后利用率提高約5%，一是充分利用了冒口與錠身過(guò)渡銜接處的材料；二是單倍尺鍛造，每一火次平整鍛坯兩端，整個(gè)鍛坯完全利用，省去鋸切兩端工藝棄料；三是反穿芯軸拔長(zhǎng)，消除內(nèi)壁錐度，減少內(nèi)壁工藝余量；四是減少火次，減少火耗損失。

(3)降低制造成本，加快了生產(chǎn)節(jié)湊，優(yōu)化后的鍛造工藝約節(jié)約3火次，利用率提高約5%，省去了鋸床鋸切下料。