文／張曉旭，郭海萍，肜鵬，楊兵·沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司

帶臺(tái)階內(nèi)孔中間軸的鍛造工藝研究

文／張曉旭，郭海萍，肜鵬，楊兵·沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司

本文闡述利用特殊帶臺(tái)階芯軸，采用拔長收孔工藝，鍛造帶臺(tái)階內(nèi)孔的中間軸鍛件的工藝方法及操作要點(diǎn)，鍛造的帶臺(tái)階內(nèi)孔的中間軸鍛件外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

應(yīng)用在汽輪機(jī)上的中間軸鍛件，在工作過程中，承受較大的扭矩、彎矩及交變熱應(yīng)力載荷，因此對(duì)鍛件的內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，尤其帶臺(tái)階內(nèi)孔的中間軸，其制造難度更大，對(duì)鍛造技術(shù)水平提出更高要求。我公司為某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的中間軸，零件尺寸如圖1所示。

根據(jù)零件輪廓形狀，進(jìn)行工藝分析。由于臺(tái)階內(nèi)孔的一端孔精加工尺寸為φ295mm，按照傳統(tǒng)工藝方案，應(yīng)鍛成實(shí)心軸鍛件；否則因鍛空心通孔，孔小軸長，細(xì)小芯棒因?yàn)槭軣釥顟B(tài)下受壓變形，與坯料內(nèi)孔咬合抱死，不能脫離。所以傳統(tǒng)鍛造工藝方案根據(jù)鍛件重量及內(nèi)孔長徑比，該類小孔空心件都鍛成實(shí)心軸類鍛件，鍛件圖如圖2所示。

圖1 中間軸零件圖

鍛成實(shí)心軸鍛件雖然鍛造成形容易，但存在以下制造缺點(diǎn)：

⑴材料利用率低，工藝廢料多；

⑵后續(xù)加工出內(nèi)孔難度大，浪費(fèi)機(jī)加臺(tái)時(shí)，加工成本費(fèi)用高；

⑶由于主有效截面直徑為φ740mm，保證達(dá)到超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)要求難度大；由于該鍛件材料30Cr2Ni4MoV鋼種白點(diǎn)敏感性強(qiáng)、組織遺傳性強(qiáng)，而且又是大截面鍛件，因此鍛后正火及擴(kuò)氫退火時(shí)間長，浪費(fèi)能源及設(shè)備使用效率，熱加工費(fèi)用高。

⑷從鍛件的使用角度來看，機(jī)加內(nèi)孔后的軸內(nèi)孔壁遠(yuǎn)不如芯軸拔長成形后的內(nèi)孔壁的綜合理化性能。

該中間軸孔徑小的一端，內(nèi)孔直徑為φ295mm，長度為512mm；另外一端孔徑尺寸大，直徑為φ447mm，長度達(dá)1787mm，因此主變形內(nèi)孔應(yīng)為φ350mm，按照長筒件內(nèi)孔鍛出條件，可以鍛成通孔，而局部在較短范圍內(nèi)可以通過收孔拔長工藝，由于芯軸與熱坯接觸時(shí)間短，芯軸受熱受壓不容易變形，因此可以考慮鍛成帶臺(tái)階中心孔的中間軸。如能鍛造成功，可減少原材料成本，減少鍛造火次，便于機(jī)械加工，并且由于采用筒類件拔長工藝，鍛件變形充分，有利于保證調(diào)質(zhì)熱處理后的性能指標(biāo)。

圖2 傳統(tǒng)鍛造工藝方案鍛件圖

本文針對(duì)該帶臺(tái)階內(nèi)孔的中間軸的鍛造工藝進(jìn)行深入研究，確定合理工藝參數(shù)，改變傳統(tǒng)兩次鐓粗拔長鍛成實(shí)心軸工藝方案，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，采用如下工藝方案：拔長下料→鐓粗沖孔→芯軸拔長收孔工藝，同時(shí)確定了每一火次的鍛造量及操作控制要點(diǎn)。

技術(shù)要求

化學(xué)成分

30Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分要求如表1所示。

表1 30Cr2Ni4MoV的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能指標(biāo)

屈服強(qiáng)度Rp0.2≥655N/mm2，抗拉強(qiáng)度Rm≥790N/mm2，延伸率A4≥16%，斷面收縮率Z≥45%，V型缺口沖擊功Akv≥68J，硬度為230～280HB，韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50≤-73℃，斷口韌性區(qū)面積（試驗(yàn)溫度-73℃）50%。試樣均為切向試樣。

超聲波探傷

不允許有密集缺陷區(qū)存在；不允許有當(dāng)量直徑大于等于φ5mmFBH的缺陷存在；當(dāng)量直徑大于或等于φ2mmFBH的缺陷應(yīng)記錄，包括其軸向、徑向和周向位置并報(bào)告需方；當(dāng)量直徑小于φ2mmFBH的單個(gè)分散缺陷忽略不計(jì)，但雜波幅度應(yīng)低于當(dāng)量直徑φ2mmFBH反射波波高的50%。這里單個(gè)分散缺陷是指兩個(gè)缺陷之間的距離大于其中較大缺陷當(dāng)量直徑5倍。

鍛造工藝方案的確定

傳統(tǒng)鍛造工藝方案

傳統(tǒng)鍛造工藝方案按實(shí)心軸類件進(jìn)行鍛造，因鍛件有效截面尺寸較大，為保證鍛透壓實(shí)效果，在我公司32MN水壓機(jī)上鍛造，需采用兩次鐓粗和拔長工序。根據(jù)零件圖繪制出鍛件圖，如圖2所示。

圖3 新鍛造工藝方案鍛件圖

鍛件重9900kg，采用真空精煉14t錠型鍛造，鍛造溫度范圍1220～750℃。變形過程操作步驟如下：

⑴一火。壓鉗口，倒棱，錯(cuò)水口。

⑵二火。鐓粗至φ1600mm。

⑶三火。采用SUF法，用800mm寬砧走扁方拔長至φ900mm。

⑷四火。鐓粗至φ1600mm，用800mm寬砧走扁方拔長至φ1050mm。

⑸五火。拔長至八方1050mm后分料，拔長出成品。

新鍛造工藝方案

新鍛造工藝方案按鍛出臺(tái)階內(nèi)孔筒類件鍛造出成品，鍛件重8150kg。采用真空精煉12t錠型鋼錠，鍛造溫度范圍1220～750℃。鍛件圖如圖3所示。

變形過程操作步驟如下：

⑴一火。壓鉗口，拔長下料重量9200 kg。

⑵二火。鐓粗至高900mm，用φ600 mm沖子在坯料中心壓窩深100mm，開邊至800mm高，翻轉(zhuǎn)后再次在坯料中心壓窩深100mm，開邊至700mm高，滾圓，沖孔φ400mm。

⑶三火。用φ380mm芯棒拔長至外圓φ1050mm，用上平砧平整至兩端頭外圓達(dá)φ1150mm，以保證鍛出左右兩端最大法蘭。

⑷四火。用φ380mm芯棒預(yù)拔出鍛件圖左端部分。

⑸五火。用專用芯棒，下用V型砧拔長收孔，壓鍛件圖右端頭400mm長，收孔至外圓φ1030mm，上三角分料壓印，拔長出成品。

鍛造過程工藝操作要點(diǎn)

帶臺(tái)階內(nèi)孔的鍛件為我公司首次鍛造，新鍛造工藝方案針對(duì)小孔徑端收孔時(shí)長度的較難控制，因此必須確定好每一火次的鍛造工藝參數(shù)及操作控制要點(diǎn)。首先為了保證壓實(shí)效果，鐓粗壓實(shí)過程中鐓粗至900mm高后，雙面用φ600mm沖子壓窩深100mm。收孔時(shí)，根據(jù)最小阻力定律，尤其鍛造右端收孔拔長部位，確定坯料分料長度400mm較為合適，同時(shí)按斜臺(tái)45°方向防止外緣折疊產(chǎn)生。其次，在收孔前增加一火，先把大孔徑端預(yù)拔到接近鍛件尺寸，再用專用的帶臺(tái)階的芯棒收孔拔長，避免出成品時(shí)拔長時(shí)間過長，芯棒不易拔出。

結(jié)論

⑴新工藝方案的鍛造工藝參數(shù)科學(xué)合理，能夠保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量及外觀工藝尺寸。

⑵新工藝方案較傳統(tǒng)工藝方案相比具有節(jié)約原材料，節(jié)約熱鍛臺(tái)時(shí)，縮短鍛后熱處理時(shí)間 ，節(jié)約機(jī)械加工臺(tái)時(shí)，提升鍛件質(zhì)量，取得較高的綜合經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

⑶通過局部收孔拔長鍛出帶臺(tái)階內(nèi)孔細(xì)長筒類鍛件取得的技術(shù)成果對(duì)今后突破傳統(tǒng)工藝思路，技術(shù)創(chuàng)新具有啟發(fā)意義。