李 雪 秦紅付 宋現(xiàn)洲

(1.中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471039；2.洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河南471039)

大型水輪機(jī)主軸鍛件是水利發(fā)電機(jī)組中重要零部件，其工作環(huán)境差，技術(shù)要求十分嚴(yán)格。公司簽訂了1套大型水輪機(jī)主軸上、下法蘭鍛件，其中上法蘭鍛件零件重量37.7 t，零件尺寸如圖1所示。該鍛件法蘭直徑3210 mm，總高2305 mm，屬于帶法蘭薄壁高圈，單一地按照傳統(tǒng)高圈鍛造，鍛件毛凈比非常大。因此，針對(duì)此件上法蘭鍛件尺寸，結(jié)合現(xiàn)有的工裝輔具，采用芯棒拔長+臺(tái)階精擴(kuò)的鍛造方法，成功鍛造出端部帶法蘭的高圈鍛件，零件的毛凈比低至1.48。

1 技術(shù)要求

水輪機(jī)主軸用上法蘭鍛件，材質(zhì)為20Mn5，化學(xué)成分及取樣要求均按照EN 10250-2標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。因此，主軸上法蘭鍛件需兩端取樣，法蘭端在螺栓孔套取縱向試棒，另一端套取切向試樣，距端面90 mm處取一拉三沖試樣。其具體技術(shù)要求如下：

(1)化學(xué)成分要求見表1，為保證鍛件力學(xué)性能，同時(shí)結(jié)合其取樣深度，在材料的合金成分及碳當(dāng)量上進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

(2)鍛件的超聲檢測按EN 10228-3:2016標(biāo)準(zhǔn)3級(jí)驗(yàn)收，鍛件不允許有裂紋、夾層、白點(diǎn)、疏松等缺陷。

(3)力學(xué)性能要求需符合表2規(guī)定。

圖1 主軸上法蘭鍛件零件尺寸圖Figure 1 Dimension drawing of flange forgings on spindle

表1 20Mn5鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of20Mn5 steel (mass fraction, %)

表2 鍛件力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirements of forgings

2 主軸上法蘭鍛件鍛造工藝分析及優(yōu)化

2.1 傳統(tǒng)鍛造工藝方案

從圖1分析，主軸上法蘭鍛件的法蘭直徑較大，總高度低于法蘭直徑，根據(jù)環(huán)圈類鍛件的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通常采用包絡(luò)法鍛造，主要工序流程是：

熱送鋼錠、氣割下料→鐓粗沖孔→芯棒拔長、平整端面→預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔→精擴(kuò)、出成品。

圖2 主軸上法蘭的鍛件圖Figure 2 Forging drawing of flange on spindle

圖5 性能熱處理工藝Figure 5 Performance heat treatment process

表3 主軸上法蘭鍛件力學(xué)性能實(shí)測值Table 3 Measured value of mechanical properties of flange forgings on spindle

采用包絡(luò)法鍛造，外徑3210 mm法蘭處將鍛造成直段，大大的增大了零件毛凈比，且后續(xù)機(jī)械加工余量非常大。

2.2 優(yōu)化后鍛造工藝方案

為減輕主軸上法蘭鍛件的毛坯重量，公司對(duì)鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整鍛造工序，提出利用芯棒拔長+精擴(kuò)內(nèi)孔相結(jié)合的鍛造方法，將端部帶法蘭的高圈鍛件鍛造出來，鍛件尺寸如圖2所示，工藝步驟如下：

第Ⅰ火次，鋼錠熱送車間后，氣割下料。保溫后，坯料出爐鐓粗，沖孔?800 mm。這時(shí)鐓粗高度應(yīng)盡量低，沖孔直徑適當(dāng)減小，以增大下一火次的變形量。

第Ⅱ火次，保溫后，坯料預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔，平整端面，注意法蘭端(Ⅱ部)的起角，避免局部缺肉，此火次的鍛比約為1.3。前2火次變形主要是使得鋼錠內(nèi)部柱狀晶等鑄態(tài)組織經(jīng)變形后破碎成細(xì)小晶粒，同時(shí)為后面成型變形做好尺寸的鋪墊。

鍛件出成品后，進(jìn)行鍛后熱處理，工藝如圖4所示。經(jīng)過正火+高溫回火的預(yù)備熱處理，鍛件內(nèi)部組織均勻性得到了明顯改善，為最終熱處理做準(zhǔn)備。鍛件出爐后尺寸檢查滿足工藝要求，毛凈比約1.48，對(duì)比同類型鍛件，毛凈比已降至最低，機(jī)械加工量明顯減少。但是，因臺(tái)階高圈鍛件擴(kuò)孔時(shí)，各部金屬流動(dòng)的不一致性，易形成端部喇叭口。所以，這種芯棒拔長+精擴(kuò)出成品的鍛造方法，適用于后續(xù)精擴(kuò)量不大的臺(tái)階高圈鍛件。

3 性能熱處理

根據(jù)EN 10250-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料20Mn5的力學(xué)性能要求，對(duì)主軸上法蘭鍛件進(jìn)行了性能熱處理，工藝如圖5所示，并在工件兩端按要求取樣。在法蘭端螺栓孔套取縱向試棒，在另一端距端面90 mm，距熱處理表面t4處取切向試樣。工件的兩端力學(xué)性能檢驗(yàn)全部滿足技術(shù)要求，見表3。

4 結(jié)論

大型水輪機(jī)主軸上法蘭鍛件，屬于端部帶法蘭的高圈鍛件，公司采用芯棒拔長+精擴(kuò)相結(jié)合的方法，成功地鍛造出水輪機(jī)主軸上法蘭鍛件。