張曉旭 郭海萍 肜 鵬 楊 兵

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司，遼寧110142)

汽輪機30Cr2Ni4MoV窄凹檔中間軸的鍛造工藝研究

張曉旭 郭海萍 肜 鵬 楊 兵

(沈陽鑄鍛工業(yè)有限公司鍛造分公司，遼寧110142)

闡述了汽輪機30Cr2Ni4MoV窄凹檔中間軸的一種新的鍛造成型方法。通過設(shè)計專用組合漏盤工具，把不符合臺階鍛出條件的中間凹檔部分鍛出，以便于機械加工。同時工具對鍛件心部附加有壓應(yīng)力約束，有利于中心壓實，保證鍛件內(nèi)部質(zhì)量。

30Cr2Ni4MoV；中間軸；鍛造工藝

汽輪機上的中間軸在巨大的交變載荷下工作，承受較大的扭距、彎距，對零件的內(nèi)部質(zhì)量要求極其嚴(yán)格，超聲檢測不允許有密集性缺陷區(qū)存在。我公司為某汽輪機廠生產(chǎn)的中間軸，見圖1，屬于窄凹檔中間軸，中間凹檔狹窄，不符合臺階鍛出條件。傳統(tǒng)鍛造工藝為簡化鍛件外形尺寸以便于鍛造，需在凹檔處填充金屬，作為鍛造余塊進行鍛造。

傳統(tǒng)鍛造工藝方法為：鐓粗→拔長下料→鐓粗成形。由于凹檔處填充金屬，作為鍛造余塊進行鍛造，鍛件有效截面尺寸大，鍛后滿足超聲檢測及相應(yīng)技術(shù)條件要求難度非常大，主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)截面大中心壓實效果差，一次性檢測合格率低。

(2)停鍛溫度高，晶粒容易粗大，鍛后熱處理需采用雙重正回火。

(3)原材料利用率低。

(4)加工工藝廢料大，浪費大量加工臺時。

(5)凹檔處冶金質(zhì)量好的部分材料被加工掉，工藝性差。

圖1 中間軸零件圖

為了解決傳統(tǒng)鍛造工藝方法一次性檢測合格率低、晶粒粗大的問題，本文研究了一種新的鍛造成形方法，利用工具把中間凹檔部分鍛出，可以大大降低窄凹檔中間軸的有效截面尺寸，且工具對鍛件心部附加有壓應(yīng)力約束，有利于中心壓實，保證鍛件在整個制造過程中具有良好穩(wěn)定的內(nèi)部質(zhì)量。

表1 30Cr2Ni4MoV的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 力學(xué)性能要求

1 技術(shù)要求

1.1 30Cr2Ni4MoV化學(xué)成分

30Cr2Ni4MoV鋼的化學(xué)成分要求如表1所示。

1.2 力學(xué)性能指標(biāo)

力學(xué)性能要求見表2。

1.3 超聲檢測要求

不允許有密集缺陷區(qū)存在。不允許有當(dāng)量直徑大于等于?5 mm FBH的缺陷存在。當(dāng)量直徑大于或等于?2 mm FBH的缺陷應(yīng)記錄，包括其軸向、徑向和周向位置，并報告需方。當(dāng)量直徑小于?2 mm FBH的單個分散缺陷忽略不計，但雜波幅度應(yīng)低于當(dāng)量直徑?2 mm FBH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(dāng)量直徑的5倍。

2 鍛造工藝方案

2.1 傳統(tǒng)鍛造工藝方案

(1)傳統(tǒng)工藝方案采用漏盤內(nèi)對坯料整體鐓粗成形，鍛件圖如圖2。

圖2 傳統(tǒng)工藝方案鍛件圖

(2)鍛件重5350 kg，采用15 t真空精煉鋼錠鍛造，鍛造溫度范圍1220～750℃。

(3)技術(shù)方案、原理分析過程：根據(jù)零件形狀，如果按照軸類件鍛造成形，其工藝流程應(yīng)該為兩次鐓粗和拔長。但由于其截面較大，在我公司32 MN水壓機上鍛造，要保證內(nèi)部質(zhì)量完全達到技術(shù)條件要求，難度很大，而且終鍛后切頭廢料處理困難。從圖2看，它又可以看成典型的大型厚餅類鍛件，按照餅類件鍛造成型。采用鐓粗后拔長下料，然后坯料鐓粗，滾圓，平整出成品。該工藝方案對達到以傳遞扭距為主的中間軸的力學(xué)性能指標(biāo)比較有利。但是，如果按照餅類鍛件單純做鐓粗成形，對于如此厚的餅類鍛件，要保證鍛件內(nèi)部不產(chǎn)生密集缺陷，難度也相當(dāng)大。為了保證鍛件質(zhì)量，傳統(tǒng)工藝方案采用在漏盤內(nèi)對坯料整體鐓粗成形，使鍛件呈三向壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高鍛件的中心壓實效果，使中間軸的內(nèi)部質(zhì)量達到技術(shù)條件要求。

(4)具體鍛造變形過程為：一火：壓鉗口，倒棱，錯水口。鋼錠加熱要燒均勻，壓鉗口時要保證鉗口不要偏心，以避免鋼錠在后續(xù)拔長變形過程中鋼錠軸心發(fā)生偏斜。二火：鋼錠鐓粗最大圓?1600 mm。三火：走扁方拔長下料5460 kg(?750 mm×1570 mm)。四火至五火：將坯料置于鐓粗漏盤內(nèi)鐓粗成形，將漏盤充滿，平整出成品。

采用在漏盤內(nèi)對坯料整體鐓粗成形，具有較好的中心壓實效果。即使這樣，對于如此厚的餅類鍛件，要保證鍛件一次性檢測合格，難度也相當(dāng)大。此外，坯料整體在漏盤內(nèi)鐓粗，鍛件的截面尺寸較大，停鍛溫度高，容易晶粒粗大。2012年，我公司生產(chǎn)的該圖號的兩件中間軸均因檢測不合格返修二次和三次。對于材質(zhì)為30Cr2Ni4MoV的鍛件，因合金含量高，變形抗力大，白點敏感性和組織遺傳性強，鍛后熱處理難度也大，處理不好，會加劇零件內(nèi)部質(zhì)量問題的發(fā)生。面對上述制造難度，本文研究了一種新的工藝方案來鍛造生產(chǎn)該種窄凹檔中間軸。

2.2 新鍛造工藝方案

(1)新工藝方案：利用專用組合漏盤工具把不符合臺階鍛出條件的中間狹窄凹檔鍛出。該組合漏盤由外套和內(nèi)套組成，外套為一個整環(huán)(圖3)，內(nèi)套為兩個半環(huán)(圖4)，外套套在內(nèi)套上組成組合漏盤。鍛造過程中需預(yù)先制坯后把組合漏盤套在凹檔處鐓粗成形，滾圓出成品后先用墊塊將外套漏盤分離，再用工具將內(nèi)套漏盤與鍛件分開，從而實現(xiàn)“線轱轆”形窄凹檔中間軸的鍛造成形。新工藝方案鍛件圖如圖5。

圖3 組合漏盤的外套

圖4 組合漏盤的內(nèi)套

圖5 新工藝方案鍛件圖

(2)鍛件重4700 kg，采用15 t真空精煉鋼錠鍛造，鍛造溫度范圍1220～750℃。

(3)具體鍛造變形過程：一火：壓鉗口，倒棱，錯水口。二火：鐓粗至?1550 mm，用800 mm寬砧拔扁走方至□900 mm，入爐加熱。三火：拔長下料(下料尺寸規(guī)格為?800 mm×610 mm+?560 mm×1210 mm)，平整兩端面，滾圓后，入爐加熱。四火：用?600 mm漏盤，將Ⅰ部分預(yù)鐓粗，平整至尺寸?1000 mm×370 mm，入爐短時間加熱。五火：將組合漏盤套在坯料上進行鐓粗，將漏盤上端坯料鐓粗至高450 mm，開邊鐓粗至350 mm高，然后夾持底部，將Ⅲ部分滾圓平整，然后翻轉(zhuǎn)將Ⅰ部分鐓粗，開邊，夾持Ⅲ部分滾圓平整。待Ⅰ、Ⅲ部分基本接近工藝尺寸時再上下開邊，平整至工藝尺寸。用墊塊將外套漏盤分開，將內(nèi)套漏盤從鍛件分開。新工藝方案鍛造變形過程如表3所示。

表3 新工藝方案鍛造變形過程

3 分析與討論

新工藝方案大大降低了中間軸的有效截面尺寸，保證鍛件在整個制造過程中具有良好穩(wěn)定的內(nèi)部質(zhì)量，更有效利用中心壓實，可縮短鍛后熱處理時間10 h。最后一火次，外圓鍛比3.5，利于晶粒細(xì)化，為滿足性能熱處理指標(biāo)做好了充足的準(zhǔn)備。同時，利用工具把中間凹檔部分鍛出，鍛件毛坯更接近零件尺寸，便于機械加工，節(jié)約原材料和生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

生產(chǎn)實踐證明采用在組合漏盤內(nèi)把中間凹擋鍛出的成形工藝，中心壓實效果優(yōu)于傳統(tǒng)工藝方案，可以保證該中間軸鍛件的內(nèi)部質(zhì)量要求。超聲檢測及力學(xué)性能均一次性合格，具有較高的可靠性及穩(wěn)定性。

[1] 劉助柏. 塑性成形新技術(shù)及其力學(xué)原理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 康大韜. 葉國斌.大型鍛件材料及熱處理[M]. 北京：龍門書局.

[3] 張志文. 鍛造工藝學(xué)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社.

編輯 杜青泉

Research on the Forging Process of 30Cr2Ni4MoV Intermediate Shaft with a Short Neck of Steam Turbine

Zhang Xiaoxv，Guo Haiping，Rong Peng，Yang Bing

A new forging method of 30Cr2Ni4MoV intermediate shaft with a short neck of steam turbine is described in this paper. Through the design of combination drain cap, the short neck can be forged，which can not be forged using the traditional method in order to convenient for machining. Meanwhile, the tools have the compressing stress to the center of the forgings which is advantage to the center compaction and guarantees the internal quality of forgings.

30Cr2Ni4MoV, intermediate shaft, forging process

2017—04—11

張曉旭(1982—)，男，工程師，主要從事鍛造工藝及鍛后熱處理工藝研究。

TG316

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