盾構(gòu)機(jī)用H13E滾刀刀圈鍛造成形工藝研究

鄭祿鵬，李志瑤，何 冰，任永海

(貴陽安大宇航材料工程有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 引言

盾構(gòu)機(jī)在城市地鐵、鐵路公路交通、能源運(yùn)輸、地下通道等重大工程中的應(yīng)用日益廣泛，具有開挖速度快、施工質(zhì)量高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)盾構(gòu)刀具產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近二十年的發(fā)展，在刀具材料、刀具集成制造等方面獲得重要的技術(shù)突破，目前基本實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)刀具的國產(chǎn)化，并形成了一定產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

盾構(gòu)機(jī)用滾刀刀圈最初一直采用的是模鍛成形的方式，但模鍛成形對(duì)鍛造設(shè)備、模具要求較高，鍛造工序復(fù)雜、鍛造火次多，導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高且成本上升。我公司認(rèn)為改變刀圈的鍛造成形方式是很有必要的。本文針對(duì)某型盾構(gòu)機(jī)用滾刀刀圈，通過新舊鍛造工藝的對(duì)比研究，從設(shè)備、模具、工藝等方面對(duì)刀圈的生產(chǎn)進(jìn)行了改變，最后通過預(yù)備熱處理(球化退火)制度研究，保證了用戶要求的交付狀態(tài)。

1 使用原材料介紹

H13E鋼是在國產(chǎn)4Cr5MoSiV1基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種全新特鋼，H13E鋼采用了較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)，鋼質(zhì)純凈、組織均勻、偏析輕微、等向性好，具有更高的韌性及熱疲勞性能。

鍛件用原材料規(guī)格為Φ160 mm，冶煉方法為電爐+LF+VD+電渣重熔，并且經(jīng)過均質(zhì)化處理，化學(xué)成分如表1所示。

表1 生產(chǎn)用鋼的化學(xué)成分(wt%)

2 鍛造成形工藝研究

2.1 原成形工藝方案存在的問題

模鍛成形的方式對(duì)設(shè)備的要求較高，需使用專業(yè)的高精度模鍛設(shè)備。模鍛成形的方式，基本工序?yàn)橹婆鳌ｅ懗尚巍羞叀瞪?，鍛造火次?～5火次，火次較多且成形后的工序繁雜，影響生產(chǎn)效率。模鍛成形不僅對(duì)設(shè)備要求高，同時(shí)對(duì)模具的精度要求也很高，導(dǎo)致模具的生產(chǎn)成本高、制作周期長，同時(shí)模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度相較于普通的胎模也要大很多。

2.2 新成形工藝方案的研究

2.2.1 對(duì)加熱方案的確定

H13E鋼碳含量明顯比4Cr5MoSiV1高，而且合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，共晶溫度又較低，易引起過燒。因此，加熱時(shí)要控制好爐溫，且加熱要緩慢均勻。[3]鍛造加熱溫度按1180 ℃控制，保溫時(shí)間按0.3～0.4 min/mm進(jìn)行計(jì)算。裝爐時(shí)，爐溫要低于500 ℃，如果爐溫過高，坯料裝爐后，坯料表面與心部溫差大，容易造成內(nèi)應(yīng)力過大產(chǎn)生裂紋。嚴(yán)格控制始鍛溫度和終鍛溫度，當(dāng)鍛造溫度降至850 ℃時(shí)必須停止鍛打，要返爐重新加熱，若低于850 ℃進(jìn)行鍛造，鋼的變形抗力增大，強(qiáng)行打擊易產(chǎn)生裂紋。

2.2.2 新成形方案的確定

新的鍛造成形方案為軋制成形方法，基本工序?yàn)橹婆鳌愋沃鬏佨堉疲懺旎鸫谓档椭?火次完成。

在鍛造生產(chǎn)前，所有在鍛造過程中需要用到的工裝模具需要提前進(jìn)行預(yù)熱，溫度在150～250 ℃為宜，目的在于防止溫度變化過大，造成模具損壞，以及因?yàn)槟＞邷囟鹊?，造成鍛件成形困難、粘模。所以，模具使用前的預(yù)熱非常重要。另外，鍛造時(shí)由于坯料棱角處溫度降低快，塑性降低使其變形抗力增大，易在棱角周圍產(chǎn)生裂紋，因此原材料坯料在下料后必須對(duì)端面尖角進(jìn)行倒圓角。

為保證鍛件組織性能，坯料在鍛造時(shí)應(yīng)先進(jìn)行鐓粗，以增大變形量，鐓粗的變形量宜大于30%。以上兩種成形方法在鐓粗工序均一致，滿足了變形量大于30%的要求。鐓粗工序過后將坯料放入預(yù)熱好的制坯模具中進(jìn)行壓制成型，坯料形狀如圖1所示。緊接著轉(zhuǎn)入沖孔模具中進(jìn)行沖孔，坯料形狀如圖2所示，此過程火次控制在1火完成。模具在使用時(shí)可涂抹潤滑劑，以防止坯料與模具之間粘黏。

圖1 制坯后形狀 圖2 沖孔后形狀

鍛件的最終成形為碾環(huán)軋制成形，單獨(dú)1火完成，目的在于保證鍛件在軋制成形時(shí)有較好的塑性變形。鍛件的碾環(huán)軋制為異形軋制，需要主輥異形模具的配合(如圖3所示，主輥模具采用的是1輥2模的設(shè)計(jì)理念，一套模具可滿足2個(gè)尺寸不同圖號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)，可謂一舉兩得，既滿足了生產(chǎn)需要又降低了公司成本)，通過環(huán)軋機(jī)與主輥模具將鍛件最終成型，鍛件的最終形狀如圖4所示。

圖3 主輥模具 圖4 軋制后刀圈形狀

與最初的模鍛成形方案相比，新的成形方案采用普通的鍛造設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，降低了鍛造設(shè)備的要求。通過成形方式的改變，降低了鍛造的火次，減少了工序，提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。新的成形方式對(duì)模具的要求大幅降低，模具制造的成本隨之減少。

3 鍛后處理及冷卻方式

鍛造結(jié)束后，如果鍛件冷卻速度過快，鍛件的表面和心部產(chǎn)生的溫差大，由于鍛造后組織應(yīng)力和溫度應(yīng)力疊加，造成內(nèi)應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋。所以，鍛造結(jié)束后不能直接放置在地面上空冷，要趁熱轉(zhuǎn)移進(jìn)行緩冷[1]。

H13E鋼常規(guī)預(yù)備熱處理工藝為球化退火，目的是均勻組織、降低硬度、改善切削性能(圖5為經(jīng)粗加工后的H13E滾刀刀圈)。由于合金元素的影響，H13E鋼本質(zhì)上為過共析鋼，一般采用等溫球化退火。H13E鋼的球化退火工藝為：加熱至930 ℃保溫1 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h爐冷至820 ℃保溫2 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h隨爐冷至500 ℃以下出爐空冷，組織為球狀珠光體(見圖6)，硬度≤230 HB[2]。H13E鋼通過球化退火，能消除一次碳化物，改善偏析，使二次碳化物呈球狀均勻分布在鐵素體基體上，能顯著提高鋼的橫向沖擊韌性。

圖5 經(jīng)粗加工后的H13E滾刀刀圈 圖6 H13E球化退火組織

4 結(jié)語

通過鍛造成形方法的比照研究，最終確定異形軋制成形方法為最優(yōu)鍛造成形方法。在不增加生產(chǎn)成本的前提下既滿足了鍛件質(zhì)量要求，又提高了鍛造生產(chǎn)效率。

該材料采用合適的鍛造溫度(1180～850 ℃)、較大的變形(≥30%)，鍛后進(jìn)行緩冷，以及合適的預(yù)備熱處理(加熱至930 ℃保溫1 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h爐冷至820 ℃保溫2 h+1.5 min/mm，以30 ℃/h隨爐冷至500 ℃以下出爐空冷)，可保證用戶鍛件交付技術(shù)要求。