王光明，張紅穎，宋嘉瑋

內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油工程、發(fā)電設(shè)備、交通運輸業(yè)及新能源領(lǐng)域和重型裝備中，其產(chǎn)品質(zhì)量直接影響整臺設(shè)備的性能。在大型筒體臺階內(nèi)孔加工過程中，鍛造工藝通常是以內(nèi)孔臺階中最小直徑為基準(zhǔn)設(shè)置鍛造余量，鍛造成內(nèi)、外孔徑一致的直筒體，再通過機(jī)械加工獲得臺階內(nèi)孔。這種方案不但增加材料損耗及機(jī)械加工量，而且質(zhì)量較好的鍛造層被完全加工掉，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量及壽命。近些年，直接鍛造成形帶臺階內(nèi)孔的近凈成形工藝逐步成為主流[1～4]。如在鍛造筒體臺階內(nèi)孔時，在完成初步內(nèi)孔鍛造后，在常規(guī)芯棒上套接專用變徑套筒，鍛造出符合設(shè)計要求的大型筒體內(nèi)孔臺階；采用帶錐形支撐的專用組合芯棒，預(yù)拔長成形帶外法蘭的預(yù)制鍛件，經(jīng)收口得到臺階內(nèi)孔筒體[1～5]。

上述方法多用于成形內(nèi)孔內(nèi)凹臺階的薄壁長筒體，以及近凈成形內(nèi)孔內(nèi)凹臺階的厚壁短筒體鍛件，但在成形內(nèi)孔臺階落差較大時，經(jīng)常出現(xiàn)局部缺肉等缺陷。本文根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗提出一種成形內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體方法，利用數(shù)值模擬對內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體成形過程及影響因素進(jìn)行分析。

1 成形過程分析

某產(chǎn)品是內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體（見圖1）。該鍛件具有以下特點：（1） 內(nèi)孔內(nèi)凹臺階落差大，達(dá)到200 mm；（2） 最大壁厚930 mm；（3） 筒體高度較矮。

圖1 內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體形狀尺寸示意圖

考慮該厚壁短筒體的結(jié)構(gòu)特點，初定其主要鍛造流程：鋼錠下料→鐓粗→拔長下料→鐓粗沖孔→芯棒拔長→馬杠擴(kuò)孔→單側(cè)平整鐓粗→芯棒拔長(內(nèi)孔成形凸臺) →馬杠擴(kuò)孔出成品。

1.1 單側(cè)平整鐓粗

單側(cè)平整鐓粗輔具上模采用寬平砧，下模采用回轉(zhuǎn)臺。數(shù)值仿真采用deform-3D 軟件進(jìn)行模擬（見表1）。

表1 單側(cè)平整鐓粗?jǐn)?shù)值仿真邊界條件設(shè)置

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)平整量ΔH=300 時，平整一側(cè)端部外徑由?3 750 mm 增長到? 4 050 mm，內(nèi)徑基本不變；非平整一側(cè)端部外徑由?3 750 mm增長到?3 800 mm，內(nèi)徑也基本不變；當(dāng)平整量ΔH=600 時，平整一側(cè)外徑由?3 750 mm 增長到?4 450 mm，內(nèi)徑由?2 100 mm 減小到?2 050 mm；非平整一側(cè)端部外徑由?3 750 mm 增長到?3 900 mm，內(nèi)徑由?2 100 mm 增長到?2 200 mm（見圖2）?？傊?，平整量較小時，鍛坯內(nèi)孔尺寸減小不明顯。當(dāng)平整量較大時，僅在靠近平整側(cè)端面約400 mm 范圍內(nèi)的內(nèi)孔減小，而非平整側(cè)內(nèi)孔增大。非平整側(cè)與平整側(cè)外徑都增大，但平整側(cè)外徑增大更加明顯，筒體截面呈現(xiàn)“Y”型。因此，為避免芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺時的變形量過大，在單側(cè)平整鐓粗前，對鍛坯內(nèi)徑應(yīng)適當(dāng)控制，保證能夠?qū)⒊尚问张_套順利放入鍛坯；此外，平整量也應(yīng)適當(dāng)增加。

圖2 單側(cè)平整鐓粗前后對比

1.2 芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺

單側(cè)平整鐓粗后，進(jìn)行芯棒拔長，期望在此工序預(yù)成形內(nèi)孔臺階。芯棒拔長時，輔具采用上模上平砧，下模V 型砧；通過數(shù)值模擬可知，鍛坯內(nèi)孔臺階過渡區(qū)域容易出現(xiàn)缺肉缺陷（見圖3“A部”）。

圖3 芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺數(shù)值模擬

因此，需要研究在不同工藝參數(shù)條件下內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體鍛件在單側(cè)平整鐓粗過程和芯棒拔長階段的金屬流動規(guī)律，設(shè)計合理的鍛坯形狀，提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 成形過程影響因素分析

2.1 鍛造溫度

選取950 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃、1 250 ℃五個溫度，分別對坯料芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺過程進(jìn)行數(shù)值模擬。從數(shù)值模擬結(jié)果可知，在坯料不發(fā)生熱傳導(dǎo)的前提下，芯棒拔長收內(nèi)孔凸臺時，缺肉量不會因鍛造溫度變化而出現(xiàn)明顯差別（見圖4），但成形力隨鍛造溫度的降低而急速增大，尤其是當(dāng)鍛造溫度低于1 100 ℃以后，成形力急劇上升，當(dāng)鍛造溫度高于1 100 ℃后，成形力變化趨緩（見圖5）。

圖4 鍛造溫度對芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺的影響

圖5 鍛造溫度對成形力的影響

2.2 寬平砧寬度對鍛件成形的影響

分別選取850 mm、1 200 mm、1 500 mm 寬平砧對單側(cè)平整鐓粗過程進(jìn)行數(shù)值模擬。從模擬結(jié)果可知，采用850 mm 窄寬度平砧進(jìn)行單側(cè)平整鐓粗時，鍛坯內(nèi)孔縮小至約?1 850 mm，外徑增大至約?4 650 mm；而采用1 200 mm 和1 500 mm 寬平砧進(jìn)行單側(cè)平整鐓粗時，鍛坯內(nèi)孔縮小至約?2 050 mm，外徑增大至約?4 450 mm（見圖6）?？梢?，采用寬度較窄的平砧對坯料單側(cè)平整鐓粗時，金屬更容易往徑向流動。

圖6 寬平砧寬度對鍛件成形的影響

3 結(jié) 語

（1） 內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體采用單側(cè)平整鐓粗成形內(nèi)孔時，僅在靠近平整側(cè)端面附近的內(nèi)孔有減小趨勢，而非平整側(cè)內(nèi)孔有增大趨勢；采用寬度較窄的平砧對坯料單側(cè)平整鐓粗時，金屬更容易往徑向流動。

（2） 采用專用芯棒成形內(nèi)孔，在收口時鍛坯內(nèi)孔臺階過渡區(qū)域容易出現(xiàn)缺肉缺陷。為避免芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺時變形量過大，在單側(cè)平整鐓粗前，應(yīng)該適當(dāng)控制鍛坯的內(nèi)徑，保證成形收臺套能夠順利放入鍛坯。

（3） 在不考慮熱傳導(dǎo)的情況下，鍛造溫度與缺陷部位的缺肉量不會因鍛造溫度變化而出現(xiàn)明顯差別，但成形力隨鍛造溫度的降低急速增大，尤其當(dāng)鍛造溫度低于1 100 ℃以后，成形力急劇上升，鍛造溫度高于1 100 ℃后，成形力變化趨勢明顯變緩。因此，筆者建議芯棒拔長內(nèi)孔成形凸臺時的鍛造溫度大于1 100 ℃。

經(jīng)過工藝參數(shù)優(yōu)化，成功解決內(nèi)孔內(nèi)凹臺階厚壁短筒體局部嚴(yán)重缺肉問題，生產(chǎn)出合格鍛件。