文／于爽·遼寧金鋼重型鍛造有限公司

弧形板的新型自由鍛工藝

文／于爽·遼寧金鋼重型鍛造有限公司

節(jié)省原材料、降低能耗、降低生產(chǎn)成本是自由鍛企業(yè)的生存之本。對(duì)于一部分中小批量、形狀較為復(fù)雜的鍛件，可利用胎模鍛來(lái)節(jié)省原材料，提高生產(chǎn)效率。但對(duì)于一些單件或少量生產(chǎn)的鍛件，如按最大輪廓尺寸加余量自由鍛生產(chǎn)，則既浪費(fèi)原材料，又為后續(xù)的加工帶來(lái)了麻煩；若采用胎模鍛生產(chǎn)，則由于數(shù)量少反而會(huì)增加生產(chǎn)成本。如何解決這一問(wèn)題一直是各自由鍛企業(yè)的研究課題。

我公司承接了一批燒結(jié)機(jī)排礦部鏈輪弧形板，品種多，數(shù)量少，若采用胎模鍛生產(chǎn)，會(huì)增加生產(chǎn)成本；若鍛成長(zhǎng)方形板再氣割成弧形，則不僅浪費(fèi)原材料，同時(shí)由于切斷了一部分金屬纖維，對(duì)于零件的使用壽命也有一定的影響。經(jīng)過(guò)分析研究，我們根據(jù)金屬的塑性變形特點(diǎn)計(jì)算出弧形板成形所需的階梯厚度差，科學(xué)地設(shè)計(jì)了工裝，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了模擬計(jì)算。經(jīng)過(guò)多次模擬計(jì)算，反復(fù)修正數(shù)據(jù)，最終采用3150t自由鍛壓機(jī)，利用上、下平砧及大平臺(tái)，成功鍛造出了合格的弧形板。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，外形尺寸完全符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)尺寸，比常規(guī)鍛造節(jié)省了30%多的原材料，希望此新工藝對(duì)這類產(chǎn)品的生產(chǎn)能起到借鑒作用。

產(chǎn)品技術(shù)要求及工藝難點(diǎn)分析

技術(shù)要求

弧形板鍛件圖如圖1所示，冶煉工藝為L(zhǎng)F＋VD，澆注錠型4t，材料為45Mn，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

從表1中可以看出，45Mn與45鋼化學(xué)成分接近，只是Mn含量略高一點(diǎn)，其工藝過(guò)程可參考45鋼制定。

產(chǎn)品超聲波探傷要求：JB/T 5000.15—2007Ⅲ級(jí)。

工藝難點(diǎn)分析

鍛件寬度B=810mm，厚度H=140mm，料寬比B/H≈5.8，遠(yuǎn)大于鍛造坯料變形區(qū)中心無(wú)橫向拉應(yīng)力作用的料寬比0.83～1.20，容易出現(xiàn)橫向裂紋；鍛件太薄，鍛造變形抗力較大；在寬度B方向拔長(zhǎng)時(shí)坯料容易產(chǎn)生彎曲。

保證弧度成形及角度準(zhǔn)確在實(shí)際生產(chǎn)操作中難度較大。鍛件只能一次鍛造成形，成形后弧度及角度尺寸難以再修改。

圖1 弧形板鍛件圖

■ 表1 弧形板鍛件材料的化學(xué)成分

前期準(zhǔn)備工作

鍛造方法的選擇

鍛造板類及模塊類產(chǎn)品，通常采用普通平砧鍛造法(上、下均用普通平砧）和FM鍛造法(上用普通平砧、下用大平臺(tái)）。采用普通平砧鍛造法鍛造，保證毛坯變形區(qū)中心無(wú)軸向拉應(yīng)力的砧寬比須滿足W/H≥0.8，無(wú)橫向拉應(yīng)力的料寬比須滿足B/H＝0.85～1.18。但此弧形板鍛件，當(dāng)毛坯厚度H與壓機(jī)作用力方向一致時(shí)，砧寬比W/H與料寬比B/H遠(yuǎn)不能滿足上述條件，在毛坯變形區(qū)中心位置極易形成二向拉應(yīng)力。

采用FM鍛造法鍛造，保證毛坯變形區(qū)中心無(wú)軸向拉應(yīng)力的砧寬比須滿足W/H≥0.4，無(wú)橫向拉應(yīng)力的料寬比須滿足B/H＝0.83～1.20。采用FM鍛造法鍛造寬板類鍛件可以滿足無(wú)軸向拉應(yīng)力的砧寬比條件，雖然無(wú)橫向拉應(yīng)力的料寬比條件不能滿足，但是可以通過(guò)壓下率來(lái)控制。FM鍛造法每次的壓下量比普通平砧鍛造法小一半，故在變形過(guò)程中形成橫向拉應(yīng)力裂紋源的可能性要比普通平砧鍛造法小得多。

采用FM鍛造法鍛造寬板類鍛件比普通平砧鍛造法也要省力，如圖2所示，采用FM鍛造法鍛造時(shí)，砧寬比W/H＝0.4時(shí)所需的鍛壓力平均為普通平砧鍛造法砧寬比W/H＝0.9時(shí)的67%。

FM鍛造法使用的是下平臺(tái)而非下平砧，這就使坯料與工具的接觸面積大大增加，減少了在厚度方向壓下時(shí)彎曲的產(chǎn)生，同時(shí)也便于隨時(shí)對(duì)坯料進(jìn)行檢測(cè)，即時(shí)觀察坯料的變形情況是否與工藝要求相符。

根據(jù)上述分析，此產(chǎn)品適合采用FM鍛造法鍛造。FM鍛造法采用先180°后90°翻轉(zhuǎn)，上、下砧花錯(cuò)開(kāi)的方式進(jìn)行鍛造。

預(yù)制坯料截面厚度差的計(jì)算

坯料在鍛壓時(shí)變形比較復(fù)雜，難以計(jì)算求出通解。在生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體情況及經(jīng)驗(yàn)，將工步的變形狀態(tài)加以簡(jiǎn)化并計(jì)算。

圖2 45鋼不同鍛造方法及砧寬比的鍛壓力與壓下率的關(guān)系曲線

采用自由鍛的方法鍛造弧形板的工藝是先將坯料截面預(yù)制出厚度階梯差，弧形板成形時(shí)再利用厚度階梯差使金屬變形也呈階梯分布。根據(jù)金屬塑性變形的流動(dòng)特點(diǎn)，厚度大的一側(cè)沿長(zhǎng)度方向變形大，形成弧形板的外側(cè)；厚度小的一側(cè)沿長(zhǎng)度方向變形小，形成弧形板的內(nèi)側(cè)。工藝的關(guān)鍵是計(jì)算出弧形板成形前坯料的厚度差。在實(shí)際生產(chǎn)中，采用4t錠型，每支錠出兩件產(chǎn)品，鋼錠成材率為75%。計(jì)算時(shí)忽略鍛件厚度各端面產(chǎn)生的圓頭和弧形板成形時(shí)內(nèi)弧弧長(zhǎng)及寬度方向的少量變化，不計(jì)燒損量，將弧形板成形前、后的坯料簡(jiǎn)化成規(guī)則的矩形及圓環(huán)的一部分。

根據(jù)坯料鍛造過(guò)程中體積不變的原理，經(jīng)計(jì)算，最終得到弧形板成形前坯料厚度差ΔH的計(jì)算公式為：

式中 ΔH——弧形板成形前的坯料厚度差(mm）；

ΔL——弧形板成形后的外弧伸長(zhǎng)量(mm）；

R1——弧形板成形后的外弧半徑(mm）；

H——弧形板成形后的厚度(mm）；

B——弧形板成形后的寬度(mm）；

L——弧形板成形前的坯料長(zhǎng)度(mm）。

工藝參數(shù)的制定

FM鍛造法的3個(gè)重要參數(shù)為：砧寬比W/H、料寬比B/H、壓下率η。坯料展寬鍛造時(shí)工藝參數(shù)可參照?qǐng)D3并綜合考慮各參數(shù)的最佳匹配來(lái)制定，但同時(shí)也要注意坯料在主要展寬變形時(shí)的送進(jìn)量不能小于0.7W。鍛造此弧形板時(shí)工藝參數(shù)的制定比較復(fù)雜，可利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)制定各參數(shù)。實(shí)際在鍛出弧形的操作過(guò)程中厚度是一次鍛壓至成品厚度的，坯料送進(jìn)量在50～80mm之間。

圖3 45鋼的展寬率與壓下率的關(guān)系曲線

生產(chǎn)準(zhǔn)備工裝

上、下平砧(寬度500mm）；大平臺(tái)(寬度2000mm）；鐓粗漏盤；樣板；斜鐵；半圓形墊鐵；標(biāo)尺；樣桿。

工藝過(guò)程的實(shí)施

鍛前加熱

鍛前加熱工藝曲線如圖4所示，t1、t2根據(jù)原料及爐況確定。

鍛造過(guò)程

⑴第一火：壓冒口，錯(cuò)水口，如圖5所示。

⑵第二火：鐓粗，在鍛坯上端面中間預(yù)成凹形(圖6），展寬毛坯拔扁方(圖7）。

⑶第三火：預(yù)制坯料，壓出弧形板成形所需的截面階梯厚度(圖8），校正因截面厚度差產(chǎn)生的彎曲；鍛出弧形，修整毛坯表面至平整(圖9）。

鍛后熱處理

鍛后熱處理工藝曲線如圖10所示，t1、t2、t3根據(jù)毛坯有效截面尺寸及爐況確定。

圖4 鍛前加熱工藝曲線

圖5 壓冒口，錯(cuò)水口

圖6 鐓粗，在鍛坯上端面中間預(yù)成凹形

圖7 展寬毛坯拔扁方

生產(chǎn)操作中的注意事項(xiàng)

⑴鐓粗時(shí)在上端面中間預(yù)制出凹形，可大大減少拔長(zhǎng)時(shí)端部圓頭的產(chǎn)生，提高材料利用率。

⑵預(yù)制弧形板成形坯料時(shí)，因截面存在厚度差，故會(huì)使坯料在寬度方向產(chǎn)生彎曲，此時(shí)一定要及時(shí)校正，否則會(huì)影響最終產(chǎn)品的變形分布。

圖8 壓出截面階梯厚度

圖9 鍛出弧形，修整毛坯表面至平整

圖10 鍛后熱處理工藝曲線

⑶鍛造時(shí)要嚴(yán)格控制每一次的送進(jìn)量及壓下量，使坯料變形均勻并按預(yù)定的工藝變形要求分布。

最終檢測(cè)結(jié)果

鍛件外形與樣板外形完全吻合，鍛件尺寸符合設(shè)計(jì)尺寸；鍛件粗車后進(jìn)行超聲波檢測(cè)，判定標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 5000.15—2007，起始靈敏度為φ2.0mm，檢測(cè)頻率為2.0MHz，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，鍛件完全合格。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械工業(yè)的發(fā)展對(duì)鍛造行業(yè)提出了更高的要求，為了適應(yīng)行業(yè)發(fā)展的需求，自由鍛企業(yè)必須在實(shí)際生產(chǎn)中不斷探索研究如何減小自由鍛件余量，提高鍛造精度，降低能耗，減少燒損，改進(jìn)工藝與技術(shù)，提高產(chǎn)品使用壽命。企業(yè)只有練好內(nèi)功，才能更好地應(yīng)對(duì)日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

于爽，工程師，主要從事自由鍛造工藝的制定與審核工作，研究方向?yàn)槟＞咪摰腻懺旒板懞鬅崽幚砉に嚒?/p>