帶臺階內孔中間軸的鍛造工藝研究

文／張曉旭，郭海萍，肜鵬，楊兵·沈陽鑄鍛工業有限公司鍛造分公司

帶臺階內孔中間軸的鍛造工藝研究

文／張曉旭，郭海萍，肜鵬，楊兵·沈陽鑄鍛工業有限公司鍛造分公司

本文闡述利用特殊帶臺階芯軸，采用拔長收孔工藝，鍛造帶臺階內孔的中間軸鍛件的工藝方法及操作要點，鍛造的帶臺階內孔的中間軸鍛件外觀質量和內部質量均符合標準要求。

應用在汽輪機上的中間軸鍛件，在工作過程中，承受較大的扭矩、彎矩及交變熱應力載荷，因此對鍛件的內部質量要求極其嚴格，尤其帶臺階內孔的中間軸，其制造難度更大，對鍛造技術水平提出更高要求。我公司為某汽輪機廠生產的中間軸，零件尺寸如圖1所示。

根據零件輪廓形狀，進行工藝分析。由于臺階內孔的一端孔精加工尺寸為φ295mm，按照傳統工藝方案，應鍛成實心軸鍛件；否則因鍛空心通孔，孔小軸長，細小芯棒因為受熱狀態下受壓變形，與坯料內孔咬合抱死，不能脫離。所以傳統鍛造工藝方案根據鍛件重量及內孔長徑比，該類小孔空心件都鍛成實心軸類鍛件，鍛件圖如圖2所示。

圖1 中間軸零件圖

鍛成實心軸鍛件雖然鍛造成形容易，但存在以下制造缺點：

⑴材料利用率低，工藝廢料多；

⑵后續加工出內孔難度大，浪費機加臺時，加工成本費用高；

⑶由于主有效截面直徑為φ740mm，保證達到超聲波探傷標準要求難度大；由于該鍛件材料30Cr2Ni4MoV鋼種白點敏感性強、組織遺傳性強，而且又是大截面鍛件，因此鍛后正火及擴氫退火時間長，浪費能源及設備使用效率，熱加工費用高。

⑷從鍛件的使用角度來看，機加內孔后的軸內孔壁遠不如芯軸拔長成形后的內孔壁的綜合理化性能。

該中間軸孔徑小的一端，內孔直徑為φ295mm，長度為512mm；另外一端孔徑尺寸大，直徑為φ447mm，長度達1787mm，因此主變形內孔應為φ350mm，按照長筒件內孔鍛出條件，可以鍛成通孔，而局部在較短范圍內可以通過收孔拔長工藝，由于芯軸與熱坯接觸時間短，芯軸受熱受壓不容易變形，因此可以考慮鍛成帶臺階中心孔的中間軸。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，有利于保證調質熱處理后的性能指標。

圖2 傳統鍛造工藝方案鍛件圖

本文針對該帶臺階內孔的中間軸的鍛造工藝進行深入研究，確定合理工藝參數，改變傳統兩次鐓粗拔長鍛成實心軸工藝方案，進行技術創新，采用如下工藝方案：拔長下料→鐓粗沖孔→芯軸拔長收孔工藝，同時確定了每一火次的鍛造量及操作控制要點。

技術要求

化學成分

30Cr2Ni4MoV鋼的化學成分要求如表1所示。

表1 30Cr2Ni4MoV的化學成分（質量分數，%）

調質后力學性能指標

屈服強度Rp0.2≥655N/mm2，抗拉強度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，韌脆轉變溫度FATT50≤-73℃，斷口韌性區面積（試驗溫度-73℃）50%。試樣均為切向試樣。

超聲波探傷

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

鍛造工藝方案的確定

傳統鍛造工藝方案

傳統鍛造工藝方案按實心軸類件進行鍛造，因鍛件有效截面尺寸較大，為保證鍛透壓實效果，在我公司32MN水壓機上鍛造，需采用兩次鐓粗和拔長工序。根據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階內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φ1150mm，以保證鍛出左右兩端最大法蘭。

⑷四火。用φ380mm芯棒預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

帶臺階內孔的鍛件為我公司首次鍛造，新鍛造工藝方案針對小孔徑端收孔時長度的較難控制，因此必須確定好每一火次的鍛造工藝參數及操作控制要點。首先為了保證壓實效果，鐓粗壓實過程中鐓粗至900mm高后，雙面用φ600mm沖子壓窩深100mm。收孔時，根據最小阻力定律，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，同時按斜臺45°方向防止外緣折疊產生。其次，在收孔前增加一火，先把大孔徑端預拔到接近鍛件尺寸，再用專用的帶臺階的芯棒收孔拔長，避免出成品時拔長時間過長，芯棒不易拔出。

結論

⑴新工藝方案的鍛造工藝參數科學合理，能夠保證鍛件的內部質量及外觀工藝尺寸。

⑵新工藝方案較傳統工藝方案相比具有節約原材料，節約熱鍛臺時，縮短鍛后熱處理時間 ，節約機械加工臺時，提升鍛件質量，取得較高的綜合經濟效益及社會效益。

⑶通過局部收孔拔長鍛出帶臺階內孔細長筒類鍛件取得的技術成果對今后突破傳統工藝思路，技術創新具有啟發意義。