型砧幾何尺寸對(duì)大鍛件鍛造孔隙閉合的影響

上海交通大學(xué) （200240） 王以華

上海樺廈實(shí)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(zhǎng)。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(zhǎng)規(guī)范、變形工步就變得非常迫切。

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

在實(shí)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(zhǎng)，上砧為平面，下砧為菱形。方案2：“圓－圓”上下砧均為菱形，對(duì)劇烈變形過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)。

2.各工藝方案中所鍛軸件的密實(shí)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(duì)應(yīng)軸的區(qū)域壓縮后的非密實(shí)性進(jìn)行仔細(xì)研究。

方案1用組合砧的拔長(zhǎng)是最常用形式，能夠?qū)崿F(xiàn)具有大鍛造比拔長(zhǎng) y＝A0/A1（式中，A0為原始毛坯的截面積，A1為與原始毛坯相對(duì)應(yīng)部分拔長(zhǎng)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(yīng)力，上砧沒(méi)有側(cè)向支撐，致使沿橫截面變形不均勻。因此，在實(shí)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(guò)程中如果毛坯能夠以某一角度（與下砧缺口角度有關(guān)）翻轉(zhuǎn)，則每一次翻轉(zhuǎn)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(guò)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(gè)區(qū)域壓縮缺陷的閉合。

如圖1所示，用于實(shí)際生產(chǎn)中的下砧開(kāi)口角度為90°～135°。如在下砧開(kāi)口角90°鍛造時(shí)，最佳翻轉(zhuǎn)角為90°和45°，保持沿毛坯八面體的3個(gè)面與型砧接觸，沿軸向孔閉合試驗(yàn)證明，如果拔長(zhǎng)以90°或45°翻轉(zhuǎn)，則相對(duì)閉合程度ΔV/V0（原始軸向孔隙V0）最大（見(jiàn)圖2中曲線3）。

拔長(zhǎng)時(shí)翻轉(zhuǎn)角為51.4°，下砧開(kāi)口角為128.6°鍛成7面體；翻轉(zhuǎn)角為72°，下砧開(kāi)口角為108°，鍛成5面體，保證獲得更好孔隙閉合指標(biāo)（見(jiàn)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(jié)果是翻轉(zhuǎn)角＜36°，而最佳翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)180°得到近板坯形狀，然后再翻轉(zhuǎn)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(diǎn)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(zhuǎn)角，在大開(kāi)口（＞105°）下砧上，當(dāng)截面形狀壓縮到接近圓形時(shí)，出現(xiàn)水平方向拉應(yīng)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(dāng)增加毛坯與型砧工作表面接觸面積的大壓下量時(shí)，則增加了起支撐作用的摩擦力，導(dǎo)致毛坯軸向區(qū)域壓縮應(yīng)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(duì)于滾圓鍛件，八邊形（頂角135°）理論上符合這個(gè)條件，在具有開(kāi)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(jié)論中表明，在上述型砧上，第一次壓縮時(shí)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(duì)圓毛坯開(kāi)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(kāi)口角135°中。

在帶有開(kāi)口角型砧方案2中，對(duì)應(yīng)的毛坯半徑RP和型砧開(kāi)口半徑RZ如圖所示。

從拔長(zhǎng)系數(shù)和生產(chǎn)效率理想觀點(diǎn)看來(lái)，當(dāng)RP＝RZ（見(jiàn)圖4b），此時(shí)毛坯被包角為60°～75°。在此條件下，變形中心受到高的壓縮應(yīng)力。但此理想條件在實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷?shí)際中常按RP＜RZ更換型砧。

在鍛造大鍛件時(shí)，為避免常換型砧，采用型砧的開(kāi)口角遠(yuǎn)小于毛坯被包角，關(guān)系式為RP/RZ＝2。因?yàn)閼?yīng)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(yīng)力存在，方案RP＜RZ（見(jiàn)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(yàn)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(gè)孔隙閉合機(jī)理，在平砧上經(jīng)過(guò)板形或方形變形（方案3）。在大壓下量時(shí)，孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)榱芽p，存在有利條件時(shí)鍛合。這些裂縫能否被全部焊合與高的溫度、高的壓應(yīng)力有關(guān)，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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)板形或方形鍛造通常能獲得滿意結(jié)果，鍛件經(jīng)超聲波檢測(cè)，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(huì)產(chǎn)生一些缺陷，因?yàn)樵阱懺彀诉呅谓孛鏁r(shí)軸向區(qū)域產(chǎn)生了拉應(yīng)力。如用鉛做試驗(yàn)，橫截面的結(jié)合處，圓截面的直徑恰好等于毛坯直徑的一半。通過(guò)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(gè)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(guò)程時(shí)才能達(dá)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(duì)孔隙閉合影響試驗(yàn)

（1）鉛試樣 為了評(píng)價(jià)砧塊幾何形狀對(duì)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(kāi)口角為105o）以及在開(kāi)口砧上相對(duì)送進(jìn)量l/D0依次為0.3、0.6、1.0。拔長(zhǎng)時(shí)保留進(jìn)給邊界，一個(gè)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(kāi)的平面上沿著拉長(zhǎng)的坐標(biāo)網(wǎng)格確定其變形位置。試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)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(kāi)口砧上拔長(zhǎng)時(shí)，在毛坯體積內(nèi)盡管存在大壓縮應(yīng)力，但也需最大鍛造比。隨著相對(duì)送進(jìn)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(shí)，相對(duì)送進(jìn)量對(duì)毛坯缺陷消除有益。如圖7所示，拔長(zhǎng)鍛造比為1.56，相對(duì)送進(jìn)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(duì)送進(jìn)量為0.8時(shí)是最佳送進(jìn)量。當(dāng)送進(jìn)量超過(guò)0.8時(shí)，在鍛件的軸向產(chǎn)生變形不均勻性，會(huì)惡化孔隙的閉合條件。

為評(píng)價(jià)在各種幾何形狀型砧上變形時(shí)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(shí)相對(duì)送進(jìn)量為0.6，用兩個(gè)工步可移動(dòng)邊界送給。選擇鍛造比1.44～1.46，為便于計(jì)算，取孔隙閉合體積為V0?？紫兜拈]合程度ΔV/V0在上述試驗(yàn)的蒸餾水中分別稱重鍛前與鍛后試樣。

試驗(yàn)結(jié)果中（見(jiàn)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(gè)開(kāi)口135°菱形砧中鍛造也達(dá)同樣結(jié)果，這是毛坯在拔長(zhǎng)寬展時(shí)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(yīng)力。

在平砧上鍛造圓坯（方案“圓－方－圓”）有幾個(gè)結(jié)果差些（ΔV/V0=0.64），這是因?yàn)槊髟谄秸枭蠞L圓時(shí)出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力而造成孔隙裂開(kāi)。

軸向孔隙閉合試驗(yàn)結(jié)果

（2）工廠實(shí)際試驗(yàn) 在某機(jī)器制造企業(yè)的30MN壓力機(jī)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(yàn)。為比較質(zhì)量水平，研究了兩個(gè)鍛件，一個(gè)按照常規(guī)鍛造工藝生產(chǎn)，另一個(gè)按照試驗(yàn)要求工藝制造。常規(guī)工藝經(jīng)過(guò)“方－八邊形”變形后，隨后在組合砧上倒圓；按照試驗(yàn)工藝的毛坯在開(kāi)口角為135°菱形砧上經(jīng)過(guò)“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(duì)常規(guī)工藝鍛造的鍛件進(jìn)行熱處理。為確定鍛件的力學(xué)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(guò)破壞和沖擊試驗(yàn)。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(méi)有看見(jiàn)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(yàn)、超聲波檢測(cè)結(jié)果，使用帶有135°開(kāi)口角的型砧鍛造，結(jié)果在輥軸上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷。試驗(yàn)輥軸的力學(xué)性能足夠高（見(jiàn)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(kāi)口角135°菱形砧

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

用改進(jìn)后的錠子進(jìn)行試驗(yàn)，鑄錠重11.1t，比標(biāo)準(zhǔn)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(méi)有研究鍛件中間鐓粗，僅對(duì)拔長(zhǎng)或平砧上經(jīng)過(guò)“板形－方－八邊形”工藝成形，隨后在組合砧上滾圓（見(jiàn)方案1），或在開(kāi)口135°菱形砧上經(jīng)過(guò)“菱形－八邊形”（見(jiàn)方案2）變形。

每個(gè)方案鍛造3根軸，按照常規(guī)工藝進(jìn)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(kāi)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(zhuǎn)90°滾圓，依次為45°、22.5°→經(jīng) 6個(gè)工步完成，需12～16min。

超聲波檢測(cè)，軸內(nèi)外均未發(fā)現(xiàn)缺陷。在開(kāi)口135°型砧上試驗(yàn)鍛件與常規(guī)工藝鍛件比較有如下優(yōu)點(diǎn)：①全部鍛造、壓實(shí)過(guò)程到獲得鍛件無(wú)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(yīng)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(shí)，在有利的應(yīng)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(dāng)剁刀表面形狀與鍛件相適應(yīng)時(shí)，鍛后能在型砧上實(shí)現(xiàn)料頭的切去。

使用菱形砧工藝已做了幾個(gè)批次工業(yè)試驗(yàn)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(cè)，全部合格。

4.結(jié)語(yǔ)

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

（2）在開(kāi)口角135°的菱形砧上鍛造是最可取的，因鍛造過(guò)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(shí)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(shí)，合理選擇型砧的幾何形狀、翻轉(zhuǎn)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(zhǎng)時(shí)每次要有足夠大的相對(duì)送進(jìn)量（0.6～0.8）。

（20121114）