大型轴类锻件的特殊锻造法.pdf

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1、大型轴 类锻 件的特殊锻造 法 一 刘助柏 倪利勇 刘国晖等 大型轴类锻件的特殊锻造法 支 4 助柏 倪奔 4 勇 1 燕 山大学， 秦皇 岛， 0 6 6 0 0 4 刘 国晖 张勇军 2 北京科技 大学 ， 北京 ， 1 0 0 0 8 3 摘要： 利用水平 V形砧锻造法， 通过有效控制锻件的纤维流向， 改善轴类锻件力学性能的 异向性 。 实现轴类锻件的等向锻造， 创造普通锻造法无法达到的特殊锻造效果。定性物理模拟 实验证 明了水平 V 形砧锻造法是控制轴类锻件力学性能的有效工艺手段 。 关键词 ： 锻造 ； 水平 V形砧； 轴类锻件 ； 异 向性 ； 纤维流向 中图分 类号 ： T G3

2、 1 6 文章编 号 ： 1 0 0 4 1 3 2 X( 2 O 0 6 ) O 8 一O 8 7 7 O 3 S p e c i a l Fo r g i ng M e t ho d f o r He a v y Ax i a l Fo r g i ng s I i u Z h u h a i Ni Li y o n g Li u Gu o h u i Z h a n g Yo n g j u n l _ Ya n s h a n Un i v e r s i t y，Qi n h u a n g d a o， He b e i ， 0 6 6 0 0 4 2 Un i v e r s i

3、 t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g ， 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t ： Th e f o r g i n g me t h o d wi t h h o r i z o n t a l Vs h a p e d a n v i l we r e u s e d t O c o n t r o l f i b r o u s t i s s u e f l o w d i r e c t i o n，t O i mp r o v e t h e a n

4、 i s o t r o p y o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f a x i a l f o r g i n g s ，t O r e a l i z e u n i f o r m f o r g i n g，r e s u l t i n g i n t h e u n i q u e e f f e c t s t h a t c o n v e n t i o n a l f o r g i n g me t h o d s c a n n o t l e a d t O Qu a l i t a t i v e p h y

5、 s i c a l mo d e l i n g v e r i f i e s t h e f a c t t h a t t h e f o r g i n g me t h o d wi t h h o r i z o n t a l V s h a p e d a n v i l i s a n e f f e c t i v e p r o c e s s t o c o n t r o I t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f a x i a l f o r g i n g s Ke y w o r d s ： f o

6、r g i n g； h o r i z o n t a l V s h a p e d a n v i l ； a x i a l f o r g i n g； a n i s o t r o p y； t i s s u e f l o w d i r e c t i o n 0 引言 大型锻件一般用钢锭直接锻造成形， 由于钢 锭 内存在大量铸造缺陷， 如偏析 、 疏松、 夹杂等， 而 且钢锭越大， 缺陷越严重 ， 这给锻造生产带来了极 大的困难 在这种情况下 。 如何保证锻件 的质量 和性能则是这类锻件生产的关键。因此 ， 大锻件 锻造的任务不仅是要 得到一定形状 和尺寸的锻 件 ， 更

7、重要的是通过锻造工艺破碎钢锭 的铸态组 织， 焊合钢锭内部的疏松 、 裂纹 、 气孔等缺陷， 改善 第二相化合物及非金属夹在物在钢 中的分布， 以 提高其力学性能l 1 j 。 对于大型轴类锻件 ，首先要锻合 内部空洞型 缺陷，防止新的裂纹产生，以满足超声波探伤的 技术要求；其次要 满足锻件对力学性 能的不同 要求 。 对于前者 ， 许多学者已经就其缺陷产生机理 和防止措施进行了充分研究 ， 并提 出了许多锻造 工艺理论和技术 ； 至于后者 ， 大部分研究者 只 研究 _r常用锻造工序对锻件力学性能的影响 利 用锻造方法来控制锻件力学性能在不同方向上分 布的研究却还未见公开报道。 收稿 日期

8、： 2 0 0 5 0 6 0 6 基金项 目： 国家 自然科学基金资助重点项 目( 5 9 2 3 5 1 0 1 ) 1 锻 造变形对锻 件力 学性 能异 向性 的 影响 锻造钢锭时， 当树枝 晶沿着主变形方 向变形 的同时 ， 晶界上夹杂物和化合物的形态也随着发 生变化。其中脆性的硅酸盐、 氧化物 、 碳化物和氮 化物等在变形时被破碎 ， 顺着金属主变形方 向伸 长， 呈带状分布 ， 形成纤维组织( 或称流线) 。大多 数类型的杂质和化合物再结晶后 ， 沿主变形流动 方向的分布不发生改变 ， 而使金属组织具有一定 的方 向性 - 5 J 。 形成金属纤维组织的内因是金属内存在杂质 和化合

9、物等， 外 因是金 属沿某一方 向有 足够大的 变形程度( 锻 比) 。当只有拔长操作 时， 在锻 比大 于 2时便 可能出现纤维组织 。如先镦粗后拔长 ， 锻 比要达到 4以后才能出现纤维组织。变形程度 越大， 纤维方 向越明显 。 纤维组织的出现 ， 使金属 的性能在不 同方 向 上有明显的差异 ， 即各向异性 一般地 ， 沿着纤维 方 向的力学性能优于垂直纤维方 向的力学性能。 钢锭镦粗时， 由于金属沿径 向流动， 结果形成径向 纤维。随着镦粗 比的增大， 沿纤维 方向( 即径 向) 的力学性能得到提高 ， 而垂直纤维方 向( 即轴向) 所有性能降低 。 8 7 7 维普资讯 http:

10、/ 中国机械工程第 1 7卷第 8期 2 0 0 6年 4月下半月 所以 ， 纵 向性能要求较高的锻件， 最好采取直 接拔长成形 。如果锻件纵向和横向性能都要求较 高， 则应采取镦粗和拔K结合的工艺成形 。 即先镦 粗 5 O ， 然后进行拔 长。与单一拔长相 比， 虽然 纵向性能指标自 些下降 ， 但横向性能提高， 结果锻 件的异向性减小 。如果锻 比大于指定范嗣， 随着 拔长锻比增大 ， 镦粗提高横 向力学性能的效果将 逐渐消失。当钢锭拔长锻比已经大于 5时， 想通 过镦粗来提高t U 向力学性能是徒劳的 。对于同一 轴类锻件而言 ， 镦粗只会使拔长锻 比增大 ， 其结果 是锻造纤维组织更

11、加明显 ， 造成切 向性能进一步 恶化 。一般情况下 ， 镦粗锻比和拔长锻 比大致相 等时， 镦粗可以明显地提高轴类锻件的切向性能。 由此可见， 流线在锻件中的分布状况 ， 直接影 响着力学性能 的异 向性 。而锻件的流线分布又取 决于锻造的变形工艺 。因此， 在制订锻件 的锻造 变形工艺时， 应根据零件的受力和破坏情况， 止确 控制锻件的流线分布。 对以轴向受载为主的锻件， 如水压机立柱 ， 在 锻造时， 要形成以轴向纤维为主的纤维流向； 对 以 切向受载为主的锻件 ， 如扭力轴， 在锻造 时， 要形 成以径向纤维 为主 的纤维 流向； 对 于受力 比较复 杂的锻件 ， 如汽轮机转子、 电机

12、主轴等， 考虑到它 们对各方向的性能都有要求， 冈此锻件 不能形成 明显的纤维流向。 2 水平 V形砧锻 造 大型轴 类锻 件 的特 殊 作 用 在现行的大型轴类锻件锻造工艺 中， 由于影 响金属塑性变形流动的主要因素一工具与坯料 的关系， 即锻件变形的边界条件没有改变， 工具是 以普通平砧或者 V形砧为主 ， 所 以， 大型轴类锻 件在锻造变形时， 轴 向的单向变形程度大， 轴 向纤 维明显。在这种情 况下 ， 若要得到切 向性能较高 的锻件， 只有通 过反复镦粗、 拔长。但是 ， 在锻 比 大于一定范围以后 ， 随着拔长锻 比增大 ， 镦粗对提 高横向力学性能的效果将逐渐消失 。这可以由文

13、 献 6 对碱性平炉 3 5钢电机轴力学性能统计结果 得 到 证实 。 水平 V形砧锻造 法可以通 过控制锻件 的纤 维流向来控制锻件 力学性能在不 同方 向上的分 布， 进而改善轴类锻件横 向力学性能。水平 v形 砧锻造新工艺的砧子如图 1所示 ， 由 4个外 凸锥 i f Ii 组成， 前后外凸锥面与水平面夹角 a 和 。 ： 可以 相等 ， 也可以不相等。 锥 面棱线成 V形 ， 其夹角 的取值范围是 0 1 8 0 。 。 当 一 1 8 0 。 时， 4个外凸 87 8 锥面变成 2 个外凸锥面， 砧子成为横 向锥面砧 ； 当 口一 0 。 时， 4个外 凸锥而变成 2个外 凸锥面，

14、 砧子 成为纵向锥面砧 。 上述 3 种砧型， 其上下砧可采用 一 种外凸锥面砧 ， 也可以相互交换使用 ， 也可以 和普通平砧 、 普通 V形砧及大平台交换使用。 用 水平 V 形砧进行拔 长， 一是控制了金属的流 向， 二是变形金属与砧子相接触 的先是一条 线， 随着 压下量的增加， 整个变形体( 包括平砧拔长时的难 变形 区)金属都 产生变形。 用这种特殊工艺锻制 的轴类锻件可取得特殊的效果 。 图 1 水 平 V形 砧 三视 图 为了考察水平 V形砧锻 造法和普通平砧锻 造法的不同作用， 本文对它们进行 了“ 塞棒法”物 理模拟对 比。 2 1 物理 模拟 的设 计 “ 塞棒法”物理模

15、拟的基本设想如下 ： 在拔长 锻造时， 设想在砧子下落方向， 与砧子相接触坯料 的中心区域有一细缝 ， 细缝的宽度近似等于零。 轴 孔之问的间隙作为坯料的显微裂纹源。 坯料在拔 长变形时， 若间隙表面作用有拉应力 。 则间隙会张 开 ， 形成宏观裂纹 ； 若间隙表面没有拉应力 ， 甚至 作用有压砬力， 则随着压下量的增大 ， 间隙表面会 越压越紧， 高温下还可能焊合在一起 ， 裂纹消失 。 本物理模拟 中所用 的上下水 平 V形 砧均 由 1 2 5 0 t 水压机专用平砧改制而成 一 a 。一 a= = = 1 0 。 ， = l 2 o 。 。 平砧选用 1 2 5 0 t 水压机专用平砧

16、 ， 为 长方体。 水平 V形砧和平砧 总体尺寸一样 ， 均为 长 1 0 4 5 mm、 宽 3 0 0 mm、 高 4 5 0 mm。 根据平砧拔长矩形截面毛坯新理论 ， 在砧宽 比 H 0 9 、 料宽 比B H 0 9 ，料 宽 比 B H 一 1 5 0 3 0 00 5 1 Cy l i n d e r s 1 5 t h l n t e r n a t lo n a l Fo r g e ma s t e r s Me e t i n g ，Ko b e ，J a p a n，2 0 0 3 4 刘助柏 倪利勇， 梁晨， 等 普通 板镦粗岛圆什体 的拉应力理论的模 拟 中国机械

17、工稃 ， 2 0 0 5 ， i1 6 ( 1 ) ： 7 4 7 7 E 5 3 吕炎 锻件成形理沦与上艺 北京： 机械 I 出版 礼 ， 1 9 91 E 6 大锻什的牛产 编写组编 大锻件的生产 J E 京： 机 械 1 = 业出版社 ， 1 9 7 8 E 7 刘助柏 ， 张勇军 ， 刘 国晖 ， 等 水 平 V 型锥面砧 锻造 新 上艺 中国 号利 Z I 9 7 1 0 1 4 9 L 4 ， 1 9 9 8 1 0 1 4 ( 编辑 郭 伟) 作者简介 ： 刘助柏。 男， 1 9 3 6年生 。燕 l h大学机械 工程学院 教授 、 博士研究生 导师。研究 方向为塑性成形新理 沦、 新工 岂及质量 控 制 、 知识创新思维与方法 获 国家科 技进步 等奖 1 项 ， 省科技 进步 等奖 2项 、 二 等奖 3项 。发表论 文 1 3 0余 篇， 出版专 苫 3 部 倪利 勇， 男 ， l 9 7 7年生 。燕 山大学 机械 工 程学 院博 十研 究 生 。刘闻晖， 男 ， 1 9 7 0年生 燕 山大学 机械 工 程学 院高 级 实验 师。张采羊。 男 ， 1 9 6 9生。北京科技 大学 与首钢技术 研究院联 合 招收博 士后研究 人员、 高级工程师。 87 9 维普资讯 http:/