風(fēng)機軸鍛件縮孔問題分析及工藝優(yōu)化

姚忠波

(中國一重集團有限公司，黑龍江161000)

風(fēng)機軸作為大型風(fēng)電機組的主要部件，所承受的扭矩較大，性能要求很高。隨著對風(fēng)力資源的開發(fā)，風(fēng)機軸尺寸越來越大，形狀和生產(chǎn)工具都極其特殊，尤其在鍛造流程上，工藝要求較高，需要合適的水壓機載荷和工裝、輔具，生產(chǎn)難度較大。

本文所述的風(fēng)機軸毛坯尺寸見圖1，按EN 10228-3:2016對產(chǎn)品表面100%進行超聲檢測，結(jié)果需符合EN 10228-3:2016 4級，材料為34CrNiMo6，性能要求見表1。該批次產(chǎn)品安排在公司60 MN水壓機上生產(chǎn)制造，鍛造方案采用了壓鉗口鐓粗下料，專用胎模鐓粗法蘭、拔長軸徑出成品的二火次鍛造。而在試制生產(chǎn)中，采用此方案的試制鍛件出現(xiàn)了軸頸冒口端縮孔殘留的質(zhì)量問題。本文針對上述問題，進行鋼錠凝固模擬及鍛造工藝分析，提出新的產(chǎn)品鍛造工藝，改善鍛件質(zhì)量。

1 問題描述

該批風(fēng)機軸鍛件重22 t，凈重17.055 t，材質(zhì)為34CrNiMo6，選用錠型28 t，公司投制了四件試制產(chǎn)品，對成品軸頸端部進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)主軸1端部存在200 mm長縮孔缺陷，主軸2端部存在170 mm長縮孔缺陷，主軸3端部存在90 mm長縮孔缺陷，主軸4端部存在110 mm長縮孔缺陷。

產(chǎn)品端面存在明顯肉眼可見直徑?50～100 mm孔洞，形狀呈喇叭形，直徑由端面至軸身逐漸縮小，從孔洞位置處于冒口端以及外觀形貌可判斷為縮孔，氣割端部多余長度后仍有縮孔殘留。

圖1 毛坯尺寸Figure 1 Blank dimension

表1 性能要求Table 1 Performance requirements

2 原因分析

風(fēng)機軸鍛造工藝規(guī)定鋼錠水口端為產(chǎn)品法蘭端，冒口端為軸頸端，出現(xiàn)縮孔問題的軸頸部位屬于鋼錠錠身近冒口端部分，該產(chǎn)品質(zhì)量問題除了鍛造操作因素外還有所用錠型存在冒口一次縮孔深入錠身的可能，所以對所選用錠型的鋼錠凝固模擬冒口一次縮孔形態(tài)及鍛造工藝參數(shù)兩方面進行原因分析。

2.1 鋼種34CrNiMo6鋼錠凝固模擬

選取風(fēng)機軸典型鋼種34CrNiMo6進行模擬，主要模擬參數(shù)見表2。

從模擬結(jié)果來看，一次縮孔最低點接近錠身，但尚未進入錠身(見表3、圖2)。

表2 模擬鋼種基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of simulated steel grades

表3 澆注溫度1550℃時的模擬結(jié)果Table 3 The simulation result at the pouring temperature of 1550℃

鋼錠澆注后，冒口的鋼水填補錠身鋼水，凝固時產(chǎn)生了體積收縮，同時由于保溫板保溫性能并不理想，冒口端面出現(xiàn)100 mm左右的凹心，但一次縮孔距離錠身仍有179 mm的距離。根據(jù)模擬結(jié)果，對煉鋼的實際過程進行跟蹤檢查，凹心情況及冷卻過程與模擬情況相符，可以排除鋼錠一次縮孔過深造成產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題的因素。

2.2 鍛造工藝分析

結(jié)合公司60 MN水壓機及200 t·m操作機設(shè)備能力，該批次產(chǎn)品鍛造方案采用了壓鉗口鐓粗下料，專用胎模鐓粗法蘭、拔長軸徑出成品的二火次鍛造(見表4)。

表4 風(fēng)機軸鍛造工藝Table 4 Fan shaft forging process

通過對鍛造實際過程跟蹤及上述風(fēng)機軸鍛造工藝分析發(fā)現(xiàn)，鍛件冒口端縮孔問題從第一火次壓鉗口時已經(jīng)出現(xiàn)。我公司壓鉗口火次操作是在冒口根部開始布砧，將冒口壓至操作機便于夾持的直徑作為工藝鉗口。結(jié)合鋼錠凝固模擬結(jié)果及28 t下注鋼錠冒口尺寸分析發(fā)現(xiàn)，壓鉗口方式不合理是造成上述縮孔質(zhì)量問題的根本原因，具體分析如下：

(1)我公司28 t下注鋼錠冒口直徑?1360 mm，高度430 mm，實際鋼錠冒口端存在凹心特征。結(jié)合鋼錠凝固模擬結(jié)果，冒口實心部分有效高度179 mm。

(2)鍛造壓鉗口采用輔具為600 mm寬上平下V砧。壓鉗口操作以冒口根部為基準開始布砧，按照鍛造工藝中針對軸類件端部鍛造相關(guān)規(guī)定，為防止端部出現(xiàn)喇叭口形，端部下料需滿足相對進給(b/h)為0.5～0.85(b為砧寬；h為坯料高度)以及下料長度大于直徑0.3倍的要求，即壓下長度應(yīng)在450 mm左右，而實際冒口實心部分有效長度僅179 mm左右，相對進給量不足導(dǎo)致壓鉗口時冒口端面喇叭口產(chǎn)生，一次縮孔被進一步拉長且逼近錠身。

(3)拔長錠身部位時，通過壓下道次的排布，與冒口相鄰部位拔長時也同樣存在上述下料問題，心部坯料長度方向增長較慢，表層坯料長度方向快速延長，造成縮孔相對被二次拉長，從而進入產(chǎn)品本體。

3 優(yōu)化后的制造方案

通過上述原因分析，對風(fēng)機軸制造方案進行如下改進優(yōu)化：

(1)加強冒口保溫板質(zhì)量管理，避免出現(xiàn)冒口補縮不好時縮孔進一步下潛的情況發(fā)生。

(2)壓鉗口時，上錠身200～250 mm開始鍛造，確保滿足相對進給量。

(3)嚴格控制軸頸各部鍛造余量，盡量將冒口端縮孔排出。

4 結(jié)語

通過加強過程管理、調(diào)整壓鉗口操作方法，在實際生產(chǎn)中采用改進后的工藝方案，軸頸端部縮孔質(zhì)量問題得以解決，并得出以下結(jié)論：

(1)受鋼錠凝固規(guī)律及冒口保溫板保溫性能影響，鋼錠冒口存在一次縮孔及端面凹心。

(2)對于風(fēng)機軸產(chǎn)品需考慮壓鉗口操作對鋼錠一次縮孔的影響。

(3)通過工藝改進，錠身可利用部位得到擴展，材料利用率提高1%。