大鍛件 第7部分 大型鍛件的特殊鍛造方法

1、第七部分 大型鍛件的特殊鍛造方法大型鍛件鍛造的目的之一,在于通過壓力將鋼錠凝固過程中形成的疏松、空洞等缺陷鍛合。近年來,由于石油、化工、電力等領(lǐng)域的需求,鍛件尺寸越來越大,相應的鋼錠規(guī)格也越來越大型化,且遠遠超過鍛造設(shè)備大型化的進程。如何利用現(xiàn)有設(shè)備能力通過工具和鍛造方法的改進實現(xiàn)上述目的即成為新的課題。另外,鋼錠內(nèi)部的缺陷集中在其心部,希望通過特殊的工具形狀在心部形成較大變形,并形成大的靜水應力。因而出現(xiàn)了一系列新的鍛造方法。一. FM 鍛造法1. 概念z Free From Mannesmann effect避免產(chǎn)生“曼內(nèi)斯曼”效應,即心部不產(chǎn)生軸向拉應力的鍛造方法。 z 不對稱的上下砧,

2、上為普通平砧,下為大平臺。 2. 機理z 普通平砧對稱拔長時沿高度方向的軸向應力分布5.0/=h w %20=h 時的等效應變和靜水應力分布。見下圖,a 為等效應變,b 為靜水應力/m 。由圖可見: 沿高度方向軸向變形分布:變形以軸向中心線上、下對稱砧下-微小變形區(qū)過渡區(qū)-較大變形區(qū)中心-較大變形區(qū)。沿高度方向軸向應力分布:應力以軸向中心線上、下對稱砧下-大靜水應力過渡區(qū)-小靜水應力中心-靜水應力為正值,軸向、橫向均為拉應力。缺陷集中的中心區(qū)應變強度不大,且存在較大軸向拉應力(平均應力為正,即存在Mannesmann effect ,易使缺陷擴展。若要不出現(xiàn)拉應力,則需加大砧寬至9.08.0/

3、=h w ,但所需壓力很大,對于大鋼錠很難用現(xiàn)有的壓機實現(xiàn)。z FM 鍛造法原理上下砧不對稱,上小下大(見圖。鍛造力(主作用力的作用面積沿高度方向逐步增大,垂直應力,即主應的絕對值逐漸減小,因此上部金屬容易滿足屈服條件。這必將導致上部金力3屬先變形,且變形量大,下部金屬后變形,且變形量小或不變形的結(jié)果。上砧下為剛性區(qū),其軸向變形小于中部。下砧上亦為難變形區(qū),沿軸向的變形更小或完全不變形,于是形成了軸向變形上部較小,下部極小,中部軸心區(qū)很大的分布(圖。因中部金屬沿軸向或橫向的流動必然受到下部金屬的牽制,軸心部為軸向壓應力,下部為軸向拉應力(圖。 沿高度方向軸向變形分布:變形以軸向中心線上、下不對

4、稱上砧下-較小變形中心線-大變形下平臺上-微小變形或不變形。沿高度方向軸向應力分布:應力以軸向中心線上、下不對稱上砧下-微小拉應力中心線-壓應力下平臺上-拉應力。相對于普通平砧拔長,因軸向拉應力層下移至缺陷較少的鋼錠外層(圖,有利于孔洞缺陷焊合。z實驗驗證用網(wǎng)格法對試件進行變形實驗。采用多種砧寬比和不同的壓下量組合。當砧寬比5.0/=h w ,壓下率%21=h 時,軸向應變分布見圖。圖中顯示,上部應變較小,中部大,下部微小。上下部的馬鞍型分布為砧下難變形區(qū)的影響。 缺陷孔洞的焊合結(jié)果及于普通平砧的比較見照片。全部實驗結(jié)果見下表。 3.工藝參數(shù)z 當砧寬比取6.0/3.0h w 時,不出現(xiàn)曼內(nèi)斯

5、曼效應。所需壓機載荷是同參數(shù)(h h w ,/普通平砧拔長的1.4倍。但若在同參數(shù)下使同尺寸孔洞閉合,FM 法所需壓機載荷小。 z 當 6.0/h w 時,FM 法與普通平砧拔長區(qū)別不很大。z 適于在小進給量下拔長大型鋼錠,以解決壓機能力不足的問題。 z 較佳參數(shù)匹配:6.0/=h w %1514=h 7.0/=h w %22=h (壓機可提供大壓力z 采用180°翻轉(zhuǎn),雙面等壓下量,以防止因上下不對稱變形導致中心線偏移。z 采用180°翻轉(zhuǎn),錯半砧工藝,當6.0/=h w ,心部H/5區(qū)域內(nèi)孔洞完全閉合的臨界壓下量(雙面為22.5%,臨界鍛比約為1.5。使孔洞閉合的臨界等

6、效應變?yōu)?.35。z 我國在生產(chǎn)中已采用。德國梯森·亨利希公司1981年即用435噸錠,以FM 法5火拔長鍛出直徑為1849、粗加工重量為200噸的發(fā)電機軸。3. 對FM 鍛造法的發(fā)展無橫向拉應力鍛造法z FM 鍛造中,在無軸向拉應力的條件下,仍可能存在橫向拉應力。 z 引入新的工藝參數(shù)料寬比h b /=z 較小時,由于沿高度方向的橫向(展寬變形不均勻,心部變形較小, 在心部將產(chǎn)生橫向拉應力。z 當雙面%22=h ,48.042.0/=h w ,2.183.0/=h b 時,可保證心部處于 三向壓應力狀態(tài)。4.問題非對稱鍛造,易造成鍛件中心偏移,缺陷難以通過打中心孔等方法去除。二.

7、中心壓實(JTS 鍛造法1. 概念z 1958年由日本(Japan 制鋼所室蘭工廠的館野萬吉(Tateno 和鹿野昭一(Shikano發(fā)明。z用噴霧或吹風使坯料表面冷卻,在表面和心部形成溫差,利用內(nèi)外不同的變形抗力在表面施壓,使變形集中于心部的缺陷鍛合方法。 z又稱:硬殼鍛造法,降溫鍛造法。2.工藝要點和原理z工藝要點將鋼錠首先鍛成方坯。方坯的加熱溫度應比一般鍛造時的始端溫度略高。充分均溫熱透,盡量提高心部溫度。出爐后,在水壓機上吹風或噴霧冷卻,使鍛坯內(nèi)外溫差達到250°350°C。采用上窄砧、下平臺。上砧長度方向與坯料軸線一致。上砧寬度小于坯料寬度(圖。既可有效減少坯料伸

8、長,又可避免壓住兩側(cè)的低溫立邊,集中施力于中心。 由冒口端至水口端順序壓下。翻轉(zhuǎn)90°再用同樣的方法壓另一面。直至將坯料壓成圖示斷面形狀。將圖示斷面鍛成八方。JTS工藝結(jié)束。z原理要點外層溫度低,心部溫度高,外層變形抗力大,心部變形抗力小。形成一個用硬殼包裹的高溫金屬(圖,這部分金屬恰為缺陷集中的鋼錠心部。用寬度小于坯料寬度的窄砧順坯料方向壓下,其變形集中于心部(圖。由于心部周圍全部是“硬殼”,必然為三向壓應力狀態(tài)。 該方法使鍛件心部在高溫、三向壓應力狀態(tài)下獲得充分、均勻的大變形。比較理想地同時滿足了孔洞焊合的三個條件。因此,孔洞缺陷焊合效果良好。z實驗用87噸34CrNi3Mo鋼錠

9、做JTS工藝實驗。先將鋼錠鍛成1260*1260mm方坯。加熱后表面降溫至750°C。用上窄砧、下平臺實施JTS工藝。用超聲探傷檢測10個缺陷的尺寸和分布。比較中心壓實前后缺陷的變化情況。單邊壓下量為10%。檢測結(jié)果見下表。由表可見,4、6、7疏松全部壓實。1為疏松區(qū),缺陷較多,壓實后僅余5個。9為純夾雜性缺陷,無法改變。其余各檢測區(qū)的缺陷引有夾雜存在,不可能完全閉合,但尺寸均大幅縮小。實驗表明:JTS 法對于疏松型或夾雜疏松型缺陷確有明顯的壓實效果。JTS 法對夾雜型缺陷無能為力,要求鋼錠必須具有良好的冶金質(zhì)量。 JTS 法的鍛透效果是其它鍛造方法難以達到的,可顯著提高轉(zhuǎn)子等高級鍛

10、件的成品率。本實驗中的鍛比為y=2.44,用如此小的鍛比鍛出合格的轉(zhuǎn)子,說明JTS 法的缺陷鍛合效果不僅優(yōu)于其它鍛造方法,而且橫向性能也可得到保證,可省去鐓粗工序。 3. 工藝參數(shù)z 壓下量h :單面壓下=h 10%13%,最佳值為13%。雙面壓下,單側(cè)%8%7=h 。z 內(nèi)外溫差250°350°C ,最佳值為230°-270°C。z 上砧寬度為坯料寬度的55%70%。z 上砧長高比為7.0/00=H B 。z 上砧應有足夠大的圓角,或做成斜面(圖,防止鍛八方時折疊, 4. 工藝特點z 能以小鍛比達到普通鍛造法高鍛比才能達到的效果。鍛制大型電站轉(zhuǎn)子需三次

11、鐓粗、三次以上的拔長,總鍛比達7.0以上。用JTS 法可不鐓粗,總鍛比僅23。有效降低了壓機負荷及鍛造火次。z因上砧長度方向與坯料軸向一致,坯料的伸長變形不大,變形的方向性不強,雖然不鐓粗,其切向性能仍可達到要求。各項異性輕微。z變形對稱性較好,鍛件中心線與鋼錠中心線基本重合,鋼錠中心區(qū)的夾雜可通過打中心孔去除。z壓下量小。當JTS法的壓下量為14%16%時,其壓實效果與上、下平砧鍛造時的18%20%及上、下窄砧鍛造時的21%23%相當。z我國應用JTS后,轉(zhuǎn)子等重要鍛件的成品率由60%提高到92%。見下表。 z生產(chǎn)中已普遍采用,并已與其它鍛造方法聯(lián)合使用。日本已用該方法鍛造50噸以上鋼錠30

12、0個。我國也在轉(zhuǎn)子等重要鍛件中普遍采用。5.問題噴霧降溫,工作條件和環(huán)境較差。JTS法需要數(shù)套專用砧子,投資較大。三. WHF(寬砧強力壓下鍛造法1.概念和原理z上下寬平砧,砧寬大。z大壓下量壓下。z砧下剛性區(qū)大,軸心部變形量大且變形均勻,鍛透性好(圖。 z 因心部變形大,周圍變形小,心部的軸向和橫向應力均為壓應力,提高了心部的三向壓應力水平。具備了高溫、大變形和三向壓應力的孔洞焊合熱力學條件。z 有利于心部缺陷鍛合。2.工藝參數(shù)z 砧寬比 9.068.0/=h w 。z 壓下量 %25%20=h 。z 送進量 (w 9.07.03.工藝特點z 心部孔洞沿“圓-橢圓-縫-線”的規(guī)律逐漸閉合。z

13、 應用WHF 法拔長,只有在77.068.0/=h w ,壓下量為%20=h 時,才可有效鍛合內(nèi)部的孔洞缺陷。z 砧的兩側(cè)外緣有30%區(qū)域的孔洞不能閉合。滿砧送進時,需在兩砧間保持10%的搭接量,以減少邊緣的不閉合區(qū)。z 需采用錯半砧鍛造方法。每遍拔長有效砧寬需覆蓋全長。只有這樣,才能將H/5范圍內(nèi)的孔洞缺陷鍛合。z 同普通平砧鍛造相比較,WHF 法因需大砧寬和大壓下量,因此需要更大的壓力,即需要更大參數(shù)的水壓機。其使用受到限制。z 寬砧鍛造導致拔長中展寬過大,拔長效率低。4.應用日本制鋼所(JSW 用WHF 法及500噸鋼錠成功鍛造出了2400的最大支撐輥. 我國的第一, 第二重機廠將 WH

14、F 法與其他特殊鍛造方法聯(lián)合應用鍛造出了, 600MW 汽輪機低壓轉(zhuǎn)子. 目前 WHF 法已成為重點大鍛件生產(chǎn)企業(yè)常用和必用的方法之一. 四,其它特殊鍛造方法 1.KD 鍛造法 第一種重機廠 1966 年提出.是用高溫擴散加熱, "上平下 V"寬砧,大壓下 量拔長圓坯的方法. . 1975 年改用"上下 V 砧" 高溫擴散加熱使鍛件具有很好的塑性. "上下 V 砧"可提高鍛件表面的塑性. 因砧寬大,心部軸向變形大于砧下區(qū)的軸向變形,心部軸向為壓應力. "上 下 V 砧"增加了軸心部其它兩向的壓應力水平.是較理想的三

15、向壓應力狀 態(tài). "上下 V 砧"使中心變形區(qū)增大,變形均勻.綜合前兩條及高溫條件,表 明 KD 法使中心區(qū)具備了孔洞缺陷焊合的三個熱力學條件.有利于孔洞缺 陷焊合. 當 w / D = 0.6 時,臨界拔長壓下量為 h = 14.6% ,此時可完全鍛合 D/5 范圍 內(nèi)的孔洞缺陷.達到同樣的效果,砧寬比和壓下量均小于 WHF 法. 與 WHF 法相比,KD 法展寬變形極小,拔長效率比 WHF 法高 1.3 倍. 不會產(chǎn)生中心偏移現(xiàn)象. V 型砧的最佳角度為 135°. 與 WHF 法相比,KD 法所需的壓機噸位大. 11 一重已用 KD 法成功鍛造了多種轉(zhuǎn)子,軋

16、輥.已與 FM 等其它鍛造法聯(lián)合 使用. 2. TER 鍛造法 上世紀 70 年代, 由德國梯森 亨利希公司提出. 稱之為 "梯森極限矩形法" . 采用上寬平砧,在一個方向以大于 30%的壓下量拔長.再用小于 50%的相 對壓下量,采用錯砧工藝反復拔長,使坯料內(nèi)部產(chǎn)生最大的變形,并使內(nèi)部 疏松,孔洞充分鍛合. 翻轉(zhuǎn) 90°繼續(xù)拔長,使寬高比 b / h 2.0 . TER 法的鍛比一般應為 2.03.0,特殊情況(探傷要求特別嚴格可大于 3.0. TER 法鍛造時間短,火次少,燃料消耗少,成本較低. 梯森亨利希公司將 TER 法和 FM 法并用,成功鍛造了 210

17、 噸大鋼錠,取得 了滿意效果. 3. SUF 鍛造法 1981 年由 JSW 提出,是 Side Upset Forging 的縮寫. 利用調(diào)整砧寬比 w / h 可鍛合內(nèi)部疏松, 孔洞的性質(zhì), 將坯料高度充分減小, 12 并鍛成矩形斷面的方法. 用寬平砧將坯料充分壓扁(圖 ,增加材料在軸心處流動區(qū)域的寬度 A,增 大心部的變形.因此,更易鍛合心部的疏松,孔洞. 實驗表明:用 SUF 法,當 w / h =0.52 時即可達到疏松孔洞鍛合的目的. 用 SUF 法鍛造大型鋼錠的實例及其檢驗結(jié)果見下表. 鍛造工序簡單,火次少,可降低成本 14%. 1981 年,JSW 首次用 SUF 法將 250 噸鋼錠鍛成1720 的轉(zhuǎn)子鍛件.1987 年又將 SUF 法與 WHF, JTS 法聯(lián)合應用, 600 噸級鋼錠鍛出了目前世界 用 最大的2800 轉(zhuǎn)子鍛件,重量達 325 噸. 4.AVO 鍛造法 由日本提出,是 Asymmetrc V-shaped Octagon 的縮寫. AVO 法是用不對稱的上下砧拔長八角形