門正興 孫燕飛 王海英 高曉宏

(中國二重集團公司，四川618013)

大型筒體是重大技術(shù)裝備如核電用高壓容器、電力工業(yè)中發(fā)電機護環(huán)、石化工業(yè)中加氫反應器等的主要組成部分。筒體工作環(huán)境惡劣，其質(zhì)量直接影響到設備的可靠性和安全性，因此不僅要求其冶金質(zhì)量好，還要求具有高強度、高韌性、耐熱疲勞性好、晶粒細小、組織均勻等性能[1]。目前，大型筒體的主要鍛造成形工藝為芯軸擴孔鍛造法，其工藝流程如下：拔長切除水冒口—鐓粗沖孔—芯軸拔長—芯軸擴孔。部分廠家采用先進的空心鋼錠—芯軸拔長—芯軸擴孔工藝，由于省去了鐓粗、沖孔兩道工序，大大提高了圓筒形鍛件的生產(chǎn)效率，但該技術(shù)還不完全成熟，目前無法廣泛應用。

筒體鍛造過程質(zhì)量控制的目的在于保證筒體質(zhì)量符合鍛件的技術(shù)標準，以滿足產(chǎn)品的設計和使用要求。筒體質(zhì)量包括鍛件尺寸、形狀、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量等幾個方面。鍛造過程中產(chǎn)生的外觀方面不符合鍛件技術(shù)標準的缺陷，如鍛件尺寸、形狀、表面質(zhì)量等缺陷是本文的主要研究對象，由于缺陷的產(chǎn)生及發(fā)展可以直接觀察，因此及時的發(fā)現(xiàn)和解決問題對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)周期等有著重要的影響。在明確鍛件缺陷原因的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)實際、鍛造工藝理論和有限元數(shù)值模擬技術(shù)三者相結(jié)合，提出預防措施及解決方法，并通過生產(chǎn)

實踐加以驗證。不斷提高現(xiàn)場操作人員、工藝人員及設計人員對缺陷的認識，將質(zhì)量意識貫徹到整個產(chǎn)品周期中，最終達到防止鍛件產(chǎn)生缺陷和提高鍛件質(zhì)量的目的。

1 端面缺陷

筒體端面的缺陷主要表現(xiàn)為端面開裂和邊緣不規(guī)則(馬蹄)。如果筒體端面裂紋沒有得到及時的清除，很可能會向基體內(nèi)部延伸導致鍛件可利用長度減小，甚至報廢。端面不齊導致成形后端部大量的材料被切除，使材料利用率下降及加工生產(chǎn)時間延長。產(chǎn)生端面裂紋的主要原因有：1)鍛件沖孔過程中，最后金屬從鍛件上撕裂，在下端面形成撕裂帶，表面質(zhì)量差，如不處理會在芯軸拔長及擴孔過程中形成裂紋；2)鐓粗沖孔過程中，坯料下端始終與平臺接觸，溫度較低。在沖孔的拉應力作用下，坯料下端面會產(chǎn)生小裂紋，如不及時處理會在后續(xù)鍛造過程中產(chǎn)生大的裂紋；3)在芯軸拔長和擴孔過程中，筒體端面溫度最低，如果成形時間過長或終鍛溫度太低，在大變形情況下，端面會出現(xiàn)裂紋[2]；4)以上平下V型砧芯軸拔長時，應力狀態(tài)不良，環(huán)形坯料顯橢圓型變形，引起附加應力。當旋轉(zhuǎn)鍛壓時，坯料受該應力交變作用，結(jié)果造成端面開裂[3]； 5)芯軸拔長后端面缺陷較多，在未對端面進行處理的情況下直接進行芯軸擴孔，導致芯軸擴孔過程中裂紋較多。

產(chǎn)生端面邊緣不規(guī)則的主要原因是芯軸拔長前鍛件加熱不均勻，導致溫度高的部分變形大，溫度低的地方變形小，最終形成鍛件壁厚不均和筒體邊緣不規(guī)則，如果未對端面進行處理而直接進行芯軸擴孔，則形成馬蹄。

減少和預防端面缺陷的措施有：1)認真作好每火次后的吹氧清傷工作，特別注意沖孔后端面龜裂及金屬撕裂帶；2)鐓粗沖孔前注意平臺及模具的預熱，鐓粗沖孔后對鍛件進行端面平整，減少微小裂紋的產(chǎn)生；3)芯軸拔長過程中，先拔兩端后拔中間，避免端面在低于鍛造溫度的情況下成形；4)改用上、下V型砧芯軸拔長，由于變形和應力狀態(tài)得到改善，附加應力減小，可以大大降低開裂的傾向而且生產(chǎn)率也得到提高；5)芯軸拔長后采用氣割方式將端面找齊后再進行芯軸擴孔工序。6)嚴格控制芯軸拔長時及拔長前的加熱溫度和加熱的均勻性，避免陰陽面的產(chǎn)生；7)芯軸拔長及擴孔過程中，依據(jù)材料、溫度等具體情況，選擇合理的壓下量和翻轉(zhuǎn)角度。

2 外表面缺陷

筒體外表面缺陷主要有外表面折傷、裂紋、凹坑、黑皮及外表面質(zhì)量差等。產(chǎn)生外表面折傷的主要原因是砧子截面窄，下壓量太大。凹坑的產(chǎn)生可能是運輸過程中夾鉗和筒體的接觸區(qū)域，也可能是吹氧清傷留下的痕跡，還可能是筒體在運輸過程中從夾鉗上脫落與其他工件碰撞造成的。鍛件高溫長時間加熱或反復多次加熱時，氧化脫碳鋼表面銅析出、表面晶粒粗大，鍛件表面出現(xiàn)較淺的龜狀裂紋。以上問題導致鍛件表面質(zhì)量差、塑形低，容易產(chǎn)生裂紋。

減少和預防端面缺陷的措施有：1)選擇合理的鍛造壓下量及旋轉(zhuǎn)角度；2)盡量縮短鍛件成形時間，減少火次；3)采用上下弧砧對長筒進行芯軸拔長, 可以克服產(chǎn)生外表面裂紋現(xiàn)象和因大壓下量造成的折疊缺陷。

3 內(nèi)表面缺陷

筒體內(nèi)表面缺陷主要表現(xiàn)為內(nèi)表面折傷、裂紋和凹坑。產(chǎn)生的原因可能是：1)在鍛件沖孔后底部連皮沒有清除干凈的情況下進行芯軸擴孔，連皮折疊進入內(nèi)表面形成夾傷；2)沖孔時筒體內(nèi)壁存在毛刺和微裂紋, 如果未經(jīng)處理直接拔長和擴孔，會在內(nèi)壁形成裂紋[4]； 3)芯軸拔長時，壓下量過大，內(nèi)孔容易產(chǎn)生裂紋。

解決辦法： 1)建議鐓粗后將坯料回爐加熱后再沖孔；2)對內(nèi)孔氧化渣等及時清理；2)芯軸拔長及擴孔過程中選擇適當壓下量。

4 筒體外觀缺陷

筒體外觀缺陷主要表現(xiàn)有喇叭口、鍛件截面圓度不夠及內(nèi)外直徑超差。喇叭口即鍛后筒體兩端直徑不一致。

(1)喇叭口

可能的形成原因是：1)由于芯軸未放置水平，因而導致上砧在下壓過程中，在芯軸較高端下壓量較大，而芯軸較低端下壓量小，最終形成錐形截面，該結(jié)果也導致筒體兩側(cè)壁厚不一致，直徑較小一端壁厚較大；2)鍛件鐓粗沖孔后直接芯軸擴孔，沖孔導致鍛件下端直徑大于上端，在芯軸擴孔過程中導致喇叭口形成。

具體的解決辦法是：1)鍛件鐓粗沖孔后，采用芯軸擴孔對鍛件兩端直徑進行調(diào)節(jié)；2)成形前認真檢查芯軸支架擺放情況，對工作臺進行及時清理；3)芯軸支架不水平的情況是難以避免的，應對設備情況做詳細記錄，擴孔過程中采用調(diào)頭成形的方式減少喇叭口。4)在成形過程中及時觀察兩端直徑的變化情況，在喇叭口不嚴重時及時修復。

(2)鍛件截面圓度不夠

具體表現(xiàn)為鍛件截面為橢圓或不規(guī)則形狀，產(chǎn)生原因可能有：1)鍛件沖孔偏心，導致鍛件壁厚不均勻；2)鍛件芯軸拔長過程中，由于溫度不均或操作不當導致鍛件壁厚不均勻。在擴孔過程中，由于上砧每次下壓量固定，因而導致壁厚較大處變形較大，金屬徑向流動大；3)芯軸擴孔過程中，下壓量變化大，導致變形不均勻。

解決辦法：1)采用特定測量工具確定沖孔中心[5]，減小沖孔偏心對芯軸擴孔的影響；2)嚴格控制芯軸拔長前加熱過程，避免加熱不均和陰陽面的產(chǎn)生；3)對已出現(xiàn)圓度不夠的鍛件，將鍛件放置在工作臺上，用上砧點壓鍛件最高點，逐漸將鍛件校圓。

(3)內(nèi)外直徑超差

具體表現(xiàn)為由于內(nèi)外表面缺陷的存在(裂紋修復后的凹坑、黑皮等)，導致鍛件實際加工尺寸小于要求尺寸，包括鍛件內(nèi)徑達標的情況下外徑小于要求尺寸和鍛件外徑達標的情況下內(nèi)徑大于要求尺寸兩種情況。本文分析的各種缺陷在處理不當?shù)那闆r下，都會導致鍛件內(nèi)外直徑超差，最終

使得鍛件不能滿足加工要求，從而報廢。

解決辦法：1)對于內(nèi)徑達標的情況下外徑小于要求尺寸的鍛件，如果鍛件長度較短，壁厚較厚，可以采用鐓粗的辦法，采用減少鍛件高度的辦法增加鍛件壁厚，再經(jīng)過拔長過程來達到要求的尺寸。值得注意的是，在鐓粗過程中容易出現(xiàn)內(nèi)凹的情況。2)對于外徑達標的情況下內(nèi)徑大于要求尺寸的鍛件，可以采用V砧縮孔來減小鍛件內(nèi)外徑，但目前該方面研究較少，只能依靠經(jīng)驗操作。

5 結(jié)論

筒體鍛件質(zhì)量是依靠整個鍛造工藝過程保證的，某一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的疏忽或工藝不當就可能導致鍛件質(zhì)量下降，生產(chǎn)周期延長。針對以上筒體鍛件鍛造過程缺陷分析，對于整個筒體的鍛造過程，應注意以下幾點：

(1)重視鐓粗沖孔后鍛件質(zhì)量，將裂紋及其他缺陷消除在源頭；

(2)監(jiān)督筒體成形整個過程，發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理；

(3)嚴格控制鍛件加熱溫度，保證筒體溫度均勻性；

(4)芯軸拔長后采用氣割方式進行端面找齊；

(5)采用數(shù)值模擬等方法設計合理的壓下量、旋轉(zhuǎn)角等工藝參數(shù)。

[1] 董嵐楓，鐘約先，馬慶賢，等.大型筒體鍛件的成形制造技術(shù)[J].鍛壓工藝，2007(3)：1-6.

[2] 張曉芳，馬建平，劉宏斌.A350 LF2大型筒體鍛造工藝[J]. 大型鑄鍛件，2011(2)：29-32.

[3] 《鍛件質(zhì)量分析》編寫組.鍛件質(zhì)量分析.北京：機械工業(yè)出版社[M].1983.

[4] 柳永宏，陳國昌.大型長筒鍛造經(jīng)驗.大型鑄鍛件，1998(2)：25-26.

[5] 楊曉禹.大型空心環(huán)類鍛件沖孔用十字對中量規(guī)設計[J].大型鑄鍛件，2011(2)：25-28.