大型水電主軸鍛造方法研究

王利忠

(中國(guó)一重集團(tuán)有限公司，黑龍江161042)

水電主軸鍛件是水力發(fā)電站設(shè)備中的重要部件，對(duì)于超大超長(zhǎng)尺寸的主軸鍛件，由于整體鍛件制造難度大、成本高等原因，通常采用鍛焊結(jié)構(gòu)，將主軸分成兩段或者三段，最終焊接成一體的方法，此種方法對(duì)于主軸的性能參數(shù)以及服役周期有較大影響，本文將通過(guò)優(yōu)化現(xiàn)有輔具、調(diào)整鍛造方法來(lái)達(dá)到大型水電主軸整鍛成形的目的。

1 主軸技術(shù)要求

某大型主軸材質(zhì)為20SiMn，端部法蘭直徑?2890 mm，總長(zhǎng)度10700 mm，最終精加工交貨重量150 t，鍛件驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 1270—2014，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1，鍛件形狀如圖1所示。

表1 主軸力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical properties requirements of spindle

2 鍛造工藝方案分析

此鍛件屬于大直徑空心超長(zhǎng)件，最終成形采用芯棒拔長(zhǎng)，鍛件重量超過(guò)250 t。以往中小型空心主軸鍛造工藝過(guò)程為：接錠氣割水冒口棄料→鐓粗、沖孔→芯棒拔長(zhǎng)下料→芯棒拔長(zhǎng)精整各部出成品。此工藝過(guò)程對(duì)于此次大型空心主軸鍛件不能完全適用，首先大型空心主軸壁厚和拔長(zhǎng)量較大，芯棒拔長(zhǎng)過(guò)程中兩端面極容易出現(xiàn)喇叭口和長(zhǎng)短不齊，造成材料浪費(fèi)；其次現(xiàn)有芯棒最大直徑?1380 mm，有效使用長(zhǎng)度5500 mm，鍛件長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出芯棒長(zhǎng)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次性從一端向另一端順次芯棒拔長(zhǎng)成形，而重新投產(chǎn)一根接近鍛件長(zhǎng)度的芯棒不僅生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且新投產(chǎn)超長(zhǎng)芯棒后期使用率極低，會(huì)使生產(chǎn)成本大大增加，無(wú)法滿(mǎn)足此產(chǎn)品成本和交貨期需求。

圖1 主軸鍛件示意圖Figure 1 Schematic diagram of spindle forgings

此次空心主軸需要利用現(xiàn)有工輔具鍛造成形。根據(jù)超長(zhǎng)主軸形狀特點(diǎn)，為了避免端面長(zhǎng)短不齊和喇叭口，芯棒拔長(zhǎng)前增加鐓粗平整端面工序。芯棒有1∶100的錐度，頭部和根部直徑相差55 mm，從一端插入拔長(zhǎng)后，內(nèi)孔與芯棒貼合，另一端內(nèi)孔變小無(wú)法插入芯棒，增加了擴(kuò)孔工序。針對(duì)芯棒較短的問(wèn)題，采用分兩火次分別從兩端插入芯棒進(jìn)行拔長(zhǎng)，特制訂如下工藝過(guò)程：

(1)接錠氣割水冒口棄料；

(2)鐓粗、沖孔；

(3)芯棒拔長(zhǎng)至整體長(zhǎng)度5500 mm；

(4)鐓粗平整端面喇叭口和長(zhǎng)短面，輕擴(kuò)內(nèi)孔至?1450 mm；

(5)一端插入芯棒拔長(zhǎng)；

(6)另一端插入芯棒拔長(zhǎng)成形。

3 生產(chǎn)中存在的問(wèn)題

(1)分別從兩端插入芯棒拔長(zhǎng)出成品時(shí)，首先從一端插入芯棒后，為了有效利用芯棒長(zhǎng)度，從芯棒中部向端部依次拔長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)孔和芯棒貼合，隨著坯料逐步變長(zhǎng)，中部坯料超出芯棒長(zhǎng)度無(wú)法鍛造，而另一端插入芯棒時(shí)，由于此處內(nèi)孔直徑變小芯棒無(wú)法完全插入，也無(wú)法進(jìn)行拔長(zhǎng)，造成鍛件中間部位無(wú)法成形。

(2)該主軸鍛件重量超過(guò)250 t，芯棒拔長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)需要操作機(jī)和天車(chē)同時(shí)配合，當(dāng)坯料長(zhǎng)度超出芯棒長(zhǎng)度時(shí)，此時(shí)操作機(jī)夾持芯棒鉗口，另一端法蘭部位需要天車(chē)翻轉(zhuǎn)機(jī)吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致芯棒中心軸線(xiàn)和坯料中心軸線(xiàn)不平行，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)使靠近端面內(nèi)孔處產(chǎn)生喇叭口，坯料中間內(nèi)孔被芯棒端頭硌出尖角坑，芯棒拔長(zhǎng)時(shí)會(huì)形成折疊傷，另外鍛件超重超長(zhǎng)，高溫出爐后，內(nèi)孔氧化鐵皮無(wú)法完全清理干凈，鍛件成形后內(nèi)孔會(huì)出現(xiàn)氧化鐵皮坑，而且本次主軸鍛件內(nèi)孔鍛造余量為單邊60 mm，以上情況會(huì)造成內(nèi)孔尺寸不足。

(3)由于鍛件出成品變形量較大，成品火次分為兩火次，第一火次冒口端成形，第二火次冒口端經(jīng)過(guò)高溫加熱后沒(méi)有變形量，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，本次20SiMn材質(zhì)主軸最終熱處理為正回火，經(jīng)過(guò)最終熱處理仍無(wú)法完全細(xì)化，會(huì)導(dǎo)致鍛件力學(xué)性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)鍛件變形量較大，坯料長(zhǎng)度超過(guò)芯棒長(zhǎng)度時(shí)，無(wú)法正常過(guò)水冷卻，芯棒長(zhǎng)時(shí)間和高溫坯料接觸，導(dǎo)致芯棒變形彎曲，出現(xiàn)抱芯棒，會(huì)導(dǎo)致坯料和輔具報(bào)廢。

4 解決措施

(1)為了有效利用芯棒長(zhǎng)度，工藝中明確出成品時(shí)的布砧和拔長(zhǎng)順序，鍛件靠近冒口端的各圓成品直徑比水口端大，相對(duì)拔長(zhǎng)量較小，首先從冒口端插入芯棒，從端頭依次向中部拔長(zhǎng)成形，保證鍛壓區(qū)域不超出芯棒長(zhǎng)度，下一火次從水口端插入芯棒，從坯料中部依次拔長(zhǎng)至水口端出成品。

(2)出成品時(shí)，法蘭外圓直徑留量150 mm，軸頸外圓整體留量100 mm，鍛件長(zhǎng)度整體成形后，抽出芯棒，用1200 mm上下寬平砧整體收口拔長(zhǎng)至成品尺寸，此時(shí)坯料溫度接近終鍛溫度，鍛件長(zhǎng)度基本不增加，內(nèi)孔直徑變小，能有效解決內(nèi)孔折傷、鐵皮坑和端部喇叭口導(dǎo)致的內(nèi)孔尺寸不足等問(wèn)題，另外此措施能夠增加終鍛前的鍛比，使得鍛件晶粒度和性能有所改善。

(3)成品第二火次爐溫從1250℃降至1150℃，最后一火爐溫過(guò)高會(huì)導(dǎo)致提前成形的冒口端晶粒粗大，但鍛件噸位較大，加熱溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致鍛造溫度區(qū)間過(guò)小增加鍛造火次，研究決定降溫至1150℃較為合適，如因其他原因增加鍛造火次，根據(jù)實(shí)際剩余變形量進(jìn)一步適當(dāng)降低爐溫。

(4)在芯棒端頭焊接空心鋼管，將冷卻水管通過(guò)空心鋼管注入到芯棒內(nèi)部進(jìn)行過(guò)水冷卻，有效解決了芯棒過(guò)熱變形的問(wèn)題。

該水電主軸最終鍛造變形過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 大型水電主軸鍛造變形過(guò)程示意圖Figure 2 Forging process of large hydropower spindle

5 效果

(1)經(jīng)過(guò)改進(jìn)和細(xì)化工藝和現(xiàn)場(chǎng)操作，最終主軸鍛件采用420 t鋼錠鍛造成形，順利發(fā)往機(jī)加工序，鍛造過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)芯棒抱死等問(wèn)題，各部位尺寸經(jīng)過(guò)交檢均合格。

(2)經(jīng)過(guò)鍛后熱處理進(jìn)行性能取樣檢測(cè)，鍛件性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議要求。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于超大型水電空心主軸，通過(guò)利用現(xiàn)有輔具，細(xì)化鍛造工藝及操作規(guī)程，增加平整端面、擴(kuò)孔、出成品從兩端分別插入芯棒的方式，解決了超長(zhǎng)空心主軸鍛造成形問(wèn)題，通過(guò)細(xì)化各火次變形量，最后留量進(jìn)行鍛造。根據(jù)實(shí)際情況降低加熱爐溫，能夠有效避免高晶粒粗大導(dǎo)致的性能不合等問(wèn)題。另外此次大型空心水電大軸的成功生產(chǎn)為公司日后生產(chǎn)類(lèi)似超長(zhǎng)、超重空心鍛件提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。