大型筒體鍛造成形缺陷分析及預防

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裝備如核電用高壓容器、電力工業中發電機護環、石化工業中加氫反應器等的主要組成部分。筒體工作環境惡劣，其質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效率，但該技術還不完全成熟，目前無法廣泛應用。

筒體鍛造過程質量控制的目的在于保證筒體質量符合鍛件的技術標準，以滿足產品的設計和使用要求。筒體質量包括鍛件尺寸、形狀、表面質量和內部質量等幾個方面。鍛造過程中產生的外觀方面不符合鍛件技術標準的缺陷，如鍛件尺寸、形狀、表面質量等缺陷是本文的主要研究對象，由于缺陷的產生及發展可以直接觀察，因此及時的發現和解決問題對產品質量、生產周期等有著重要的影響。在明確鍛件缺陷原因的基礎上，將生產實際、鍛造工藝理論和有限元數值模擬技術三者相結合，提出預防措施及解決方法，并通過生產

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

1 端面缺陷

筒體端面的缺陷主要表現為端面開裂和邊緣不規則(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時間延長。產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，坯料下端面會產生小裂紋，如不及時處理會在后續鍛造過程中產生大的裂紋；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，端面會出現裂紋[2]；4)以上平下V型砧芯軸拔長時，應力狀態不良，環形坯料顯橢圓型變形，引起附加應力。當旋轉鍛壓時，坯料受該應力交變作用，結果造成端面開裂[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。

產生端面邊緣不規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，避免陰陽面的產生；7)芯軸拔長及擴孔過程中，依據材料、溫度等具體情況，選擇合理的壓下量和翻轉角度。

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、黑皮及外表面質量差等。產生外表面折傷的主要原因是砧子截面窄，下壓量太大。凹坑的產生可能是運輸過程中夾鉗和筒體的接觸區域，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，鍛件表面出現較淺的龜狀裂紋。以上問題導致鍛件表面質量差、塑形低，容易產生裂紋。

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, 可以克服產生外表面裂紋現象和因大壓下量造成的折疊缺陷。

3 內表面缺陷

筒體內表面缺陷主要表現為內表面折傷、裂紋和凹坑。產生的原因可能是：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，連皮折疊進入內表面形成夾傷；2)沖孔時筒體內壁存在毛刺和微裂紋, 如果未經處理直接拔長和擴孔，會在內壁形成裂紋[4]； 3)芯軸拔長時，壓下量過大，內孔容易產生裂紋。

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有喇叭口、鍛件截面圓度不夠及內外直徑超差。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，該結果也導致筒體兩側壁厚不一致，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節；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

具體表現為鍛件截面為橢圓或不規則形狀，產生原因可能有：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生；3)對已出現圓度不夠的鍛件，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)內外直徑超差

具體表現為由于內外表面缺陷的存在(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的情況下，都會導致鍛件內外直徑超差，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內凹的情況。2)對于外徑達標的情況下內徑大于要求尺寸的鍛件，可以采用V砧縮孔來減小鍛件內外徑，但目前該方面研究較少，只能依靠經驗操作。

5 結論

筒體鍛件質量是依靠整個鍛造工藝過程保證的，某一生產環節的疏忽或工藝不當就可能導致鍛件質量下降，生產周期延長。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量，將裂紋及其他缺陷消除在源頭；

(2)監督筒體成形整個過程，發現缺陷及時處理；

(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)采用數值模擬等方法設計合理的壓下量、旋轉角等工藝參數。

[1] 董嵐楓，鐘約先，馬慶賢，等.大型筒體鍛件的成形制造技術[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] 《鍛件質量分析》編寫組.鍛件質量分析.北京：機械工業出版社[M].1983.

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

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