型砧幾何尺寸對大鍛件鍛造孔隙閉合的影響

上海交通大學 （200240） 王以華

上海樺廈實業(yè)有限公司 （201405） 吳振清 陳修琳 徐 銘

1.鍛造軸類鍛件主要工藝方案

制造軸類鍛件主要的變形工序是拔長。此工序在很大程度上決定鍛件質(zhì)量，因此優(yōu)化選擇砧塊幾何形狀、拔長規(guī)范、變形工步就變得非常迫切。

在制造壓力機上的鍛件時，鍛造的鑄錠在圓截面上首先經(jīng)過壓縮和鐓粗工步。故隨后的拔長圓截面毛坯是原始坯料的主要變形形式。

在實際生產(chǎn)中，鋼錠鍛軸采取如下變形工序：方案1：“圓－圓”用組合型砧拔長，上砧為平面，下砧為菱形。方案2：“圓－圓”上下砧均為菱形，對劇烈變形過程使用專用型砧。方案3：“圓－扁方（或方）－方－八邊形”在平砧上拔長并隨后在組合砧或菱形砧滾圓。方案4：“圓－方－八邊形－圓”在平砧上拔長。

2.各工藝方案中所鍛軸件的密實性

用上述所列出的工藝方案鍛造出的鍛件，在鑄錠中最大缺陷部位對應軸的區(qū)域壓縮后的非密實性進行仔細研究。

方案1用組合砧的拔長是最常用形式，能夠?qū)崿F(xiàn)具有大鍛造比拔長 y＝A0/A1（式中，A0為原始毛坯的截面積，A1為與原始毛坯相對應部分拔長后截面積），不需更換砧塊，隨后切頭。

但此工序效率低，在鑄錠的軸向區(qū)域存在收縮缺陷閉合不足，在變形中心存在橫向拉應力，上砧沒有側向支撐，致使沿橫截面變形不均勻。因此，在實際生產(chǎn)中，方案1不能滿足高質(zhì)量要求。

在組合型砧上能夠改善金屬的鍛透性，在鍛造過程中如果毛坯能夠以某一角度（與下砧缺口角度有關）翻轉，則每一次翻轉之后在截面上保留了任意多邊形。在此條件下，每一次壓縮過程中砧塊的工作表面與毛坯表面有最大的接觸面積。由于變形集中在毛坯軸向區(qū)域，促使金屬在這個區(qū)域壓縮缺陷的閉合。

如圖1所示，用于實際生產(chǎn)中的下砧開口角度為90°～135°。如在下砧開口角90°鍛造時，最佳翻轉角為90°和45°，保持沿毛坯八面體的3個面與型砧接觸，沿軸向孔閉合試驗證明，如果拔長以90°或45°翻轉，則相對閉合程度ΔV/V0（原始軸向孔隙V0）最大（見圖2中曲線3）。

拔長時翻轉角為51.4°，下砧開口角為128.6°鍛成7面體；翻轉角為72°，下砧開口角為108°，鍛成5面體，保證獲得更好孔隙閉合指標（見圖2曲線1、2），在這兩種鍛造工藝條件下保持了規(guī)定的多面體形狀。在所有條件下的最差結果是翻轉角＜36°，而最佳翻轉角為90°。而隨后毛坯截面條件接近方形，改善了孔隙的閉合條件。

為改善金屬在組合型砧上的鍛透性，提出許多鍛造方法。所有這些方法都是以毛坯大變形量為特征，也就是在鍛造的初始階段用大壓下量，首先翻轉180°得到近板坯形狀，然后再翻轉90°得到近方形形狀。圖3為用此鍛造方法的案例之一。

圖3接近“板－方”之間截面，其優(yōu)點為：按方案2在菱形砧塊中鍛造研究具有小的壓下量與翻轉角，在大開口（＞105°）下砧上，當截面形狀壓縮到接近圓形時，出現(xiàn)水平方向拉應力，這將使鍛件軸向區(qū)域惡化并使其內(nèi)部孔隙不能閉合。當增加毛坯與型砧工作表面接觸面積的大壓下量時，則增加了起支撐作用的摩擦力，導致毛坯軸向區(qū)域壓縮應力的出現(xiàn)，從而改善孔隙的閉合條件。如果按照規(guī)定多邊形以一定角度接觸，則同樣能夠增加接觸面積。對于滾圓鍛件，八邊形（頂角135°）理論上符合這個條件，在具有開口 135°菱形砧上每次壓縮90°，然后45°、22.5°。用于有八邊形截面和未閉合孔隙模型研究的結論中表明，在上述型砧上，第一次壓縮時能夠較好閉合。用軸向鉆孔形式取樣分析，該工藝路線所得鍛件軸向孔隙閉合快于其他鍛造方案。

用滑移線法對圓毛坯開口90°、105°、120°和135°菱形砧的中心變形研究中指出，塑性變形沿著橫截面的深度最大值在型砧開口角135°中。

在帶有開口角型砧方案2中，對應的毛坯半徑RP和型砧開口半徑RZ如圖所示。

從拔長系數(shù)和生產(chǎn)效率理想觀點看來，當RP＝RZ（見圖4b），此時毛坯被包角為60°～75°。在此條件下，變形中心受到高的壓縮應力。但此理想條件在實踐中難以實現(xiàn)，因為實際中常按RP＜RZ更換型砧。

在鍛造大鍛件時，為避免常換型砧，采用型砧的開口角遠小于毛坯被包角，關系式為RP/RZ＝2。因為應力狀態(tài)接近平砧上的圓鍛件，在鍛件的軸向區(qū)域有非常大的拉應力存在，方案RP＜RZ（見圖4c）不能采納。此條件下小的壓下量就能產(chǎn)生軸向疏松。經(jīng)驗指出，按照方案1和2，在組合型砧特別在菱形型砧中，隨著鍛件截面尺寸的減小，孔隙也在減小，這是提高零件使用壽命的最好方案。

其他幾個孔隙閉合機理，在平砧上經(jīng)過板形或方形變形（方案3）。在大壓下量時，孔隙轉變?yōu)榱芽p，存在有利條件時鍛合。這些裂縫能否被全部焊合與高的溫度、高的壓應力有關，以此力和反作用的大摩擦力甚至軸向大的變形為條件。

制造軸類軋制鍛件的多年實踐經(jīng)驗表明，經(jīng)過板形或方形鍛造通常能獲得滿意結果，鍛件經(jīng)超聲波檢測，內(nèi)部孔隙完全鍛合。獲得板形或方形截面形狀后，必須按照該方案在平砧上鍛成八邊形，隨后在組合砧或菱形砧上滾圓。在所研究的方案中會產(chǎn)生一些缺陷，因為在鍛造八邊形截面時軸向區(qū)域產(chǎn)生了拉應力。如用鉛做試驗，橫截面的結合處，圓截面的直徑恰好等于毛坯直徑的一半。通過板形或方形鍛造后的圓形獲得其要求的形狀甚至維持完全圓的毛坯形狀，如圖5所示。這個情況能夠獲得軸件只經(jīng)板坯鍛造的某些各向異性。

平砧上按方案4鍛造能夠保證高質(zhì)量鍛件，在獲得方形截面鍛件的條件下，只有在限制工藝過程時才能達到要求。如果在平砧上鍛造圓截面，在軸向區(qū)域不可避免地產(chǎn)生疏松。

3.砧塊幾何形狀對孔隙閉合影響試驗

（1）鉛試樣 為了評價砧塊幾何形狀對孔隙閉合的影響，做鉛試樣直徑D0=50mm，軸向鉆出孔徑φ2.8mm（d0/D0=0.056），分別在平砧、組合砧（下砧開口角為105o）以及在開口砧上相對送進量l/D0依次為0.3、0.6、1.0。拔長時保留進給邊界，一個工步壓下量約為10%，總變形程度約為30%。

用同樣毛坯和變形條件確定鍛件變形的位置，在試樣縱向剖開的平面上沿著拉長的坐標網(wǎng)格確定其變形位置。試驗結果（見圖6）表明，變形處的鍛造比必須滿足軸向孔隙的閉合，在平砧上壓縮的最小值要比組合砧上多幾倍。在開口砧上拔長時，在毛坯體積內(nèi)盡管存在大壓縮應力，但也需最大鍛造比。隨著相對送進量從0.3增大到1.0，孔隙閉合所需的鍛造比數(shù)值減少，內(nèi)部缺陷的消除更加順暢。

經(jīng)證實，相對送進量對毛坯缺陷消除有益。如圖7所示，拔長鍛造比為1.56，相對送進量由0.3增加到1，軸向孔隙閉合度由0.47增加到0.92～0.93。相對送進量為0.8時是最佳送進量。當送進量超過0.8時，在鍛件的軸向產(chǎn)生變形不均勻性，會惡化孔隙的閉合條件。

為評價在各種幾何形狀型砧上變形時軸向孔隙度的閉合效果，用Dφ=51～58mm，軸向鉆孔d0=6mm（d0/D0=0.1～0.11）鉛試樣模擬缺陷。鍛造時相對送進量為0.6，用兩個工步可移動邊界送給。選擇鍛造比1.44～1.46，為便于計算，取孔隙閉合體積為V0。孔隙的閉合程度ΔV/V0在上述試驗的蒸餾水中分別稱重鍛前與鍛后試樣。

試驗結果中（見附表），同樣鍛造比中，孔隙的最好閉合度ΔV/V0=0.91，鍛件是方形截面，平砧上鍛造，甚至在兩個開口135°菱形砧中鍛造也達同樣結果，這是毛坯在拔長寬展時與型砧工作表面接觸面積增加，在毛坯體積內(nèi)存在壓縮應力。

在平砧上鍛造圓坯（方案“圓－方－圓”）有幾個結果差些（ΔV/V0=0.64），這是因為毛坯在平砧上滾圓時出現(xiàn)軸向拉應力而造成孔隙裂開。

軸向孔隙閉合試驗結果

（2）工廠實際試驗 在某機器制造企業(yè)的30MN壓力機上，用圖8所示的菱形砧，一火鍛出軋軸的鍛坯。為分析這些砧塊，用9Cr2MoV重15.2t鑄錠做軸類鍛件批量試驗。為比較質(zhì)量水平，研究了兩個鍛件，一個按照常規(guī)鍛造工藝生產(chǎn)，另一個按照試驗要求工藝制造。常規(guī)工藝經(jīng)過“方－八邊形”變形后，隨后在組合砧上倒圓；按照試驗工藝的毛坯在開口角為135°菱形砧上經(jīng)過“菱形－八邊形”變形后的鍛件，在同樣組合砧上滾圓后，于輥身和軸頸上取樣。

對常規(guī)工藝鍛造的鍛件進行熱處理。為確定鍛件的力學性能，用直徑為30mm空心鉆取出鍛件軸向心部試樣。試樣淬火、回火后，經(jīng)過破壞和沖擊試驗。此外，還研究了試樣的微觀和宏觀組織。確定按兩種方案鍛造的兩種不同形式熱處理后的鍛件，沒有看見宏觀組織缺陷，原始鑄錠的孔隙完全閉合。

輥軸經(jīng)工業(yè)試驗、超聲波檢測結果，使用帶有135°開口角的型砧鍛造，結果在輥軸上沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。試驗輥軸的力學性能足夠高（見圖9），相比常規(guī)工藝鍛件有許多優(yōu)異性能。

圖8 用于鍛造軋輥軸的具有開口角135°菱形砧

圖9 輥軸由9Cr2MoV合金鋼按傳統(tǒng)工藝與在開口角135°菱形砧上鍛造的力學性能

用改進后的錠子進行試驗，鑄錠重11.1t，比標準鍛造錠高度H與平均直徑Dp之比小（H/Dp=1.5），且增加了錐度（11%）。由于提高了鑄錠的質(zhì)量并增大了直徑，沒有研究鍛件中間鐓粗，僅對拔長或平砧上經(jīng)過“板形－方－八邊形”工藝成形，隨后在組合砧上滾圓（見方案1），或在開口135°菱形砧上經(jīng)過“菱形－八邊形”（見方案2）變形。

每個方案鍛造3根軸，按照常規(guī)工藝進行如下操作：①加熱鑄錠→在組合砧上拔出鉗夾頭，勻整錠體→砧用平面砧代替菱形砧→在平砧上鍛造，經(jīng)“板形－方”，成形八邊形→隨后在平砧上滾圓→鍛造獲得八邊形→再按“八邊形－十邊形”工藝方案成形，期間需30～39min。②加熱鑄錠→按傳統(tǒng)工藝，在組合砧上滾圓八邊形到鍛件規(guī)定尺寸。③加熱鑄錠→開口135°菱形砧上拔出鉗夾頭，勻整鑄錠體→獲得菱形截面壓扁鑄錠（兩次完成）→鍛造出八邊形并在同一型砧上翻轉90°滾圓，依次為45°、22.5°→經(jīng) 6個工步完成，需12～16min。

超聲波檢測，軸內(nèi)外均未發(fā)現(xiàn)缺陷。在開口135°型砧上試驗鍛件與常規(guī)工藝鍛件比較有如下優(yōu)點：①全部鍛造、壓實過程到獲得鍛件無需更換型砧就能完成，加熱次數(shù)最少，生產(chǎn)率提高1～1.5倍。②在此工序中，鍛件的軸向區(qū)域形成了拉應力，消除了在平砧上由“方－八邊形”工序。③在菱形砧中壓扁鑄錠時，在有利的應力狀態(tài)下，鍛件金屬的劇烈變形和缺陷閉合得到保證。④由于型砧上大的切口，當剁刀表面形狀與鍛件相適應時，鍛后能在型砧上實現(xiàn)料頭的切去。

使用菱形砧工藝已做了幾個批次工業(yè)試驗的輥軸。按規(guī)定包括存在內(nèi)部缺陷的軸經(jīng)超聲波檢測，全部合格。

4.結語

（1）由鑄錠鍛成軸類鍛件的最好工藝為：在平砧上經(jīng)過“扁方－方”，再在組合砧上由八邊形隨后滾圓；經(jīng)過“菱形砧－八邊形”，在帶有135°開口角和翻轉角90°、45°和22.5°菱形砧上，且在相應開口角的菱形砧上滾圓。

（2）在開口角135°的菱形砧上鍛造是最可取的，因鍛造過程中不必更換型砧。該鍛造工藝在更高生產(chǎn)率下保證了鍛件的質(zhì)量要求，在許多情況下可以減少加熱火次。

（3）為保證每次壓下時砧塊工作表面與毛坯接觸面積的最大化，在組合型砧上鍛造軸類鍛件時，合理選擇型砧的幾何形狀、翻轉角度及壓下量。

（4）坯料更好地鍛透和閉合內(nèi)部缺陷的必要條件是拔長時每次要有足夠大的相對送進量（0.6～0.8）。

（20121114）