大法兰侧轴锻件热加工工艺研究.pdf

模具工业 2023年第49卷第9期大法兰侧轴锻件热加工工艺研究秦红付1，2，金明1，2，李光1，2，徐航涛1，2，王继业1，2，张博1，2（1.中信重工机械股份有限责任公司，河南 洛阳 471039；2.河南省大型铸锻件工程技术研究中心，河南 洛阳 471039）摘要：针对大法兰大截面差电机侧轴锻件，分析了整体自由锻工艺的弊端，通过研究锻件成形机理及锻造过程，采用胎模锻+自由锻成形相结合的工艺方案，使锻件具有更优良的锻造流线，提高了原材料利用率、避免了自由锻产生的锻造缺陷问题；合理选择材料的热加工工艺控制参数，锻件生产检验各项指标优异。关键词：大型法兰轴；自由锻；胎模锻；锻造工艺中图分类号：TG316.3 文献标识码：B 文章编号：1001-2168（2023）09-0065-05 DOI：10.16787/ki.1001-2168.dmi.2023.09.013Study on hot working process of large flange side shaft forgingsQIN Hongfu1,2,JIN Ming1,2,LI Guang1,2,XU Hangtao1,2,WANG Jiye1,2,ZHANG Bo1,2(1.CITIC Heavy Industries Co.,Ltd.,Luoyang,Henan 471039,China;2.Henan Province Engineering Research Center for Large Scale Castings Forings,Luoyang,Henan 471039,China)Abstract:It analyzed the drawbacks of the integral free forging process for the motor side shaft forgings with large flange and large section difference.By studying the forming mechanism and forging process of the forgings,a forming process plan combining loose tooling forging and free forging was adopted,which made the forgings obtain better forging flow lines.The process plan improved raw material utilization,and avoided forging defects caused by using free forging.The hot working process control parameters of materials were reasonably selected,and the forging production inspection indexes were excellent.Key words:large flange shaft;free forging;loose tooling forging;forging process1锻件主要技术指标冶金轧机设备用驱动电机转子为三段轴结构，2个侧轴与中空轴通过大型销钉连接传递扭矩，电机转速为45100 r/min，功率为6 500 kW，额定转速工作状态下，要求侧轴能承受 2.5 倍的过载负荷。侧轴锻件材料一般采用欧标C55E或日标SF590，成分相当于国标 55 钢，主要化学成分：C 为 0.52%0.60%；Si0.40%；Mn 为 0.50%0.80%；要求正火性能：屈服强度300 MPa，抗拉强度620 MPa。图 1 所示侧轴锻件，最大截面尺寸为 2 200 mm315 mm，小轴直径为750 mm，总长度为2 160 mm，锻件属于大法兰大截面差T形短轴。其主要技术指标：锻后正火+回火工艺保证力学性能，要求检测两端切向和纵向力学性能；超声波探伤要求满足起始灵敏度 1.6 mm，不允许存在当量直径3.0 mm的缺陷，同时底波衰减不允许3dB；法兰与轴径过渡R角为高应力集中区，图2所示为最大载荷下数值模拟等效应力分布。减少大R角位置加工余量，尽可能保持锻件锻造纤维流线连续性，延长锻件的使用寿命。2锻造工艺分析2.1自由锻工艺分析采用传统自由锻工艺：镦粗拔长，制造难度收稿日期：2023-05-06。基金项目：国家重点研发计划资助项目（2020YFB2008400）。作者简介：秦红付（1983-），男（汉族），河南新乡人，工程师，主要从事大型锻件工艺技术研究工作。65模具工业 2023年第49卷第9期大且存在质量风险。（1）若选用小钢锭生产，下料长度尺寸小，拔长小圆质量风险大，如图3所示；若选用大钢锭，加大下料长度尺寸，原材料实际利用率低。锻件质量约2.1104 kg，自由锻工艺若采用3.2104 kg钢锭，镦粗至直径2 200 mm，坯料长度780 mm，按图3分料拔出小圆，卡台分料长度L只有400 mm，拔长为局部镦粗，即拔长时的高宽比（2 200/400）达到5.5，按拔长条件 L0.3D 核算1，最小分料长度应700 mm。此时坯料心部不能鼓出，产生缩孔折叠缺陷（见图3），同时钢锭水口沉积堆不能有效挤出，造成锻件探伤密集缺陷当量超标报废，故采用自由锻工艺必须用更大的钢锭生产，原材料利用率降低至40%50%，实际经济效益差。（2）在过渡圆角处大量放料，锻件实际尺寸超出工艺要求上偏差。因法兰和轴径台阶差大，自由锻工艺卡台分料后，拔长锻出小圆，台阶过渡处受拉应力大，大量坯料堆积到法兰大过渡角位置，且因为变形不均匀，法兰内端面凹凸不平，影响后续加工尺寸，需要加大长度方向加工余量，导致锻件毛坯的实际质量超出工艺要求 20%以上，经济效益差。（3）锻件形状控制难度大。自由锻拔长小圆时，若操作不当，小圆和法兰易产生严重的偏心，造成后续加工需要直径方向多次找正，甚至因不能满足尺寸要求而报废。（4）若小圆无法在一次加热内完成锻造，需要返炉加热，此时法兰直径已不具备修整余量，反复装炉加热造成法兰部位晶粒粗化，超声波探伤在晶界位置产生大量回波反射，达不到超声波探伤起始灵敏度和底波降低量要求，因组织和晶粒粗大造成的回波干扰导致无法区分缺陷波。2.2胎模锻工艺分析轴类件自由锻工艺的锻造过程是各外圆台阶由大向小逐段拔长，法兰部位的锻造流线是轴向为主，机加工后，法兰内侧的机加工切除量较大且锻造流线被切断，锻造纤维的连续性被破坏。而采用模锻工艺成形法兰，法兰部位不仅有在制坯时拔长过程产生的轴向流线，而且有后续模锻成形时产生的周向流线，因此，法兰部位的性能和组织的各向同性明显优于自由锻成形工艺；再者，法兰内侧的切除量少于自由锻，加工后能保留法兰部的锻造纤维连续性，相比自由锻成形的纤维流线更加完整2。3优化工艺方案通过以上分析，锻件拟采用“自由锻+胎模锻”的复合锻造成形技术，可以有效改善锻件毛坯表面质量并获得完整的锻造纤维流线，避免自由锻拔长图3自由锻拔长缺陷图1侧轴锻件图2最大载荷下等效应力分布66模具工业 2023年第49卷第9期过程中出现的缺陷，整体热加工工艺方案：冒口压钳把手钢锭镦粗宽砧拔长主变形滚圆拔长、制坯、去除冒口头部镦粗与滚圆修整小圆、出成品锻后（性能）热处理，如表1所示。热加工关键工序控制要点如下。（1）钢锭冶炼。55钢化学成分中添加0.03%的微量元素Nb，降低钢的过热敏感性、提高锻造温度，生成高度分散的碳化物NbC，阻止晶粒长大，提高锻件的锻后热处理配炉温度。钢锭冶炼工艺：EBT偏心底出钢电弧炉初炼钢水LF炉精炼VD真空处理脱气、提高钢水纯净度VC真空浇注3。（2）钢锭镦粗、宽砧拔长。大锻件的锻造过程包括变性和变形两部分，其中前道火次镦粗和拔长主变形属于变性过程，是锻造的关键控制工序，镦粗锻造比应2，目的是破碎钢锭中的铸态组织；镦粗后采用宽砧强压法拔长，要求拔长锻比2.0，工艺控制拔长砧宽比在0.50.8、压下量为压前高度的20%，确保坯料心部始终处于三向压应力状态，达到锻透压实的目的，拔长过程要求连续2次锤压之间有10%砧宽的搭接，防止变形死角和避免漏压4。（3）滚圆拔长、制坯。制坯工序是确保锻件得到理想形状的关键环节，法兰部坯料应保证模锻后法兰尺寸合适；而小轴应避免在制坯时就拔长至要求尺寸，因镦粗是在高温状态下进行，小轴应留有一定的变形量，利用剩余锻比和锻件动态再结晶的原理5，最后修整小轴尺寸至工艺要求，可以得到细小的锻后晶粒组织。（4）头部镦粗与滚圆。镦粗应在高温下完成，应注意控制镦粗速率，减少外圆拉应力产生的裂纹，镦粗一半高度后，采取局部镦粗、旋压的方法，周围先旋压一圈然后镦粗中心位置，最后镦粗时，由于外圈的约束作用，使坯料中心具有较高的静水压力，心部压实效果好6。镦粗过程注意观察锻件是否始终处于胎模的中心位置，避免镦偏。（5）修整小圆、出成品。锻件脱模后，由于小圆包裹在胎模内仍保持较高的锻造温度，夹持法兰，在高温状态下修整小圆至锻件要求尺寸。（6）终锻温度控制。55钢的相变温度点 Ac1约720，Ac3约760，终锻温度选择750，降低终锻温度有利于获得更为细小的铁素体晶粒和组织，锻后采取鼓风等加速冷却措施，使锻件以较快的冷却速度通过A1A3区，外圆冷至400450，心部获得均匀的珠光体+铁素体组织。锻件尺寸大，心部直径300 mm范围冷却速度慢，若长时间在高温停留，晶界大量析出块状铁素体，形成粗大的铁素体网状组织，造成超声波探伤底波衰减，不能满足起始灵敏度要求7。（7）锻件热处理工艺。奥氏体化加热温度应保证力学性能和细化晶粒，工艺选择加热温度为790830，正火后采取鼓风冷却至室温，加快冷却速度减少铁素体析出、长大，增加珠光体含量和提高力学性能强度指标，回火加热温度为540570，获得匹配的强韧性指标。4胎模设计按照锻件形状，设计了图4（a）所示的胎模成形模具，运用Forge软件对法兰进行锻造模拟分析，模锻压力曲线如图5所示。当锻造结束时，坯料未充满型腔，存在图6所示椭圆区域的空隙，分析可能是由于坯料与模具零件接触面温度降低速度快、局部温度低于750，且最低温度达到475，导致这些区域塑性降低，金属流动困难，同时多余的坯料被挤压到模具零件与镦粗盖板之间，模具零件的周向约束作用也导致锻造力直线上升。图4（a）所示的成形模具对法兰尺寸限制过于严格，由于锻坯采用人工划线、剁刀切割或乙炔气割下料，下料精度差，下料尺寸小则无法将坯料充满胎模，下料尺寸大则会将多余料挤到胎模外缘出现2个台阶，此外，在成形法兰过程中模具存在较大的胀形力，易造成开裂报废；且由于外圆台阶的束缚，锻件不易脱模。图4（b）所示的优化后的模具结构设计简单，法兰成形效果好，胎模成形时胀形力小且存在大锥角便于脱模，使用寿命长。图7所示为模拟锻造计算的锻造流线。5生产实践按照以上工艺方案进行锻件生产，图8所示为侧轴锻件毛坯实物，锻件法兰端面规整、法兰和小圆无偏心、法兰大斜面过渡处有较大仿形角度。在法兰部内侧取横向和纵向力学性能试样，性能实测值如表2所示，横向和纵向性能无明显波动。锻件超声波探伤满足起始灵敏度 1.6 mm，未发现粗晶波。67模具工业 2023年第49卷第9期表1侧轴锻件锻造工艺设计加热火次1234工序过程冒口压钳把手钢锭镦粗宽砧拔长滚圆拔长、制坯、去除冒口头部镦粗与滚圆修整小圆、出成品图 示锻 比-镦比2.0拔比2.9-镦比2.1-（a）优化前（b）优化后图4胎模设计优化方案68模具工业 2023年第49卷第9期6结束语针对大法兰侧轴锻件形状特点，提出了采用自由锻+胎模锻成形相结合的锻造工艺方案，运用计算机仿真软件模拟法兰成形过程，合理优化胎模结构，获得理想的锻造流线。新的锻造工艺方案能有效保证锻件尺寸、外观形状和内部质量，同时降低毛净比、提高锻件原材料利用率，取得了较好的经济效益。参考文献：1 姚泽坤.锻造工艺学与模具设计M.西安:西北工业大学出版社,2007.2 孙统辉,李昌义,庞庆海,等.液压锤锤砧胎膜锻成型模拟及应用J.模具工业,2015,41(10):56-58.3 胡振志,郭卫东,董文斐,等.特大型吊钩胎模锻造成形技术J.模具工业,2018,44(4):61-63.4 曹起骧,谢冰,杜学刚,等.WHF法错砧锻造效果模拟研究J.大型铸锻件,1988(3):18-24.5 饶广.55钢热形变再结晶行为研究与晶粒度预报D.镇江:江苏大学,2017:13-26.6 徐树森,史宇麟,黄国军,等.大型管板锻造工艺研究J.矿山机械,2002(4):64-66.7 牛东亮.大锻件生产过程中的晶粒控制J.装备机械,2016(1):23-25.图5模锻压力曲线图6锻造模拟图7模拟计算的锻造流线图8锻件毛坯实物表2锻件力学性能实测值性 能法 兰横 向纵 向Rp0.2/MPa360357368366354353Rm/MPa650647648658654654A/%28.025.526.022.025.526.5Z/%514750494648Kv2/J23.823.223.2-69