带台阶内孔中间轴的锻造工艺研究

文／张晓旭，郭海萍，肜鹏，杨兵·沈阳铸锻工业有限公司锻造分公司

带台阶内孔中间轴的锻造工艺研究

文／张晓旭，郭海萍，肜鹏，杨兵·沈阳铸锻工业有限公司锻造分公司

本文阐述利用特殊带台阶芯轴，采用拔长收孔工艺，锻造带台阶内孔的中间轴锻件的工艺方法及操作要点，锻造的带台阶内孔的中间轴锻件外观质量和内部质量均符合标准要求。

应用在汽轮机上的中间轴锻件，在工作过程中，承受较大的扭矩、弯矩及交变热应力载荷，因此对锻件的内部质量要求极其严格，尤其带台阶内孔的中间轴，其制造难度更大，对锻造技术水平提出更高要求。我公司为某汽轮机厂生产的中间轴，零件尺寸如图1所示。

根据零件轮廓形状，进行工艺分析。由于台阶内孔的一端孔精加工尺寸为φ295mm，按照传统工艺方案，应锻成实心轴锻件；否则因锻空心通孔，孔小轴长，细小芯棒因为受热状态下受压变形，与坯料内孔咬合抱死，不能脱离。所以传统锻造工艺方案根据锻件重量及内孔长径比，该类小孔空心件都锻成实心轴类锻件，锻件图如图2所示。

图1 中间轴零件图

锻成实心轴锻件虽然锻造成形容易，但存在以下制造缺点：

⑴材料利用率低，工艺废料多；

⑵后续加工出内孔难度大，浪费机加台时，加工成本费用高；

⑶由于主有效截面直径为φ740mm，保证达到超声波探伤标准要求难度大；由于该锻件材料30Cr2Ni4MoV钢种白点敏感性强、组织遗传性强，而且又是大截面锻件，因此锻后正火及扩氢退火时间长，浪费能源及设备使用效率，热加工费用高。

⑷从锻件的使用角度来看，机加内孔后的轴内孔壁远不如芯轴拔长成形后的内孔壁的综合理化性能。

该中间轴孔径小的一端，内孔直径为φ295mm，长度为512mm；另外一端孔径尺寸大，直径为φ447mm，长度达1787mm，因此主变形内孔应为φ350mm，按照长筒件内孔锻出条件，可以锻成通孔，而局部在较短范围内可以通过收孔拔长工艺，由于芯轴与热坯接触时间短，芯轴受热受压不容易变形，因此可以考虑锻成带台阶中心孔的中间轴。如能锻造成功，可减少原材料成本，减少锻造火次，便于机械加工，并且由于采用筒类件拔长工艺，锻件变形充分，有利于保证调质热处理后的性能指标。

图2 传统锻造工艺方案锻件图

本文针对该带台阶内孔的中间轴的锻造工艺进行深入研究，确定合理工艺参数，改变传统两次镦粗拔长锻成实心轴工艺方案，进行技术创新，采用如下工艺方案：拔长下料→镦粗冲孔→芯轴拔长收孔工艺，同时确定了每一火次的锻造量及操作控制要点。

技术要求

化学成分

30Cr2Ni4MoV钢的化学成分要求如表1所示。

表1 30Cr2Ni4MoV的化学成分（质量分数，%）

调质后力学性能指标

屈服强度Rp0.2≥655N/mm2，抗拉强度Rm≥790N/mm2，延伸率A4≥16%，断面收缩率Z≥45%，V型缺口冲击功Akv≥68J，硬度为230～280HB，韧脆转变温度FATT50≤-73℃，断口韧性区面积（试验温度-73℃）50%。试样均为切向试样。

超声波探伤

不允许有密集缺陷区存在；不允许有当量直径大于等于φ5mmFBH的缺陷存在；当量直径大于或等于φ2mmFBH的缺陷应记录，包括其轴向、径向和周向位置并报告需方；当量直径小于φ2mmFBH的单个分散缺陷忽略不计，但杂波幅度应低于当量直径φ2mmFBH反射波波高的50%。这里单个分散缺陷是指两个缺陷之间的距离大于其中较大缺陷当量直径5倍。

锻造工艺方案的确定

传统锻造工艺方案

传统锻造工艺方案按实心轴类件进行锻造，因锻件有效截面尺寸较大，为保证锻透压实效果，在我公司32MN水压机上锻造，需采用两次镦粗和拔长工序。根据零件图绘制出锻件图，如图2所示。

图3 新锻造工艺方案锻件图

锻件重9900kg，采用真空精炼14t锭型锻造，锻造温度范围1220～750℃。变形过程操作步骤如下：

⑴一火。压钳口，倒棱，错水口。

⑵二火。镦粗至φ1600mm。

⑶三火。采用SUF法，用800mm宽砧走扁方拔长至φ900mm。

⑷四火。镦粗至φ1600mm，用800mm宽砧走扁方拔长至φ1050mm。

⑸五火。拔长至八方1050mm后分料，拔长出成品。

新锻造工艺方案

新锻造工艺方案按锻出台阶内孔筒类件锻造出成品，锻件重8150kg。采用真空精炼12t锭型钢锭，锻造温度范围1220～750℃。锻件图如图3所示。

变形过程操作步骤如下：

⑴一火。压钳口，拔长下料重量9200 kg。

⑵二火。镦粗至高900mm，用φ600 mm冲子在坯料中心压窝深100mm，开边至800mm高，翻转后再次在坯料中心压窝深100mm，开边至700mm高，滚圆，冲孔φ400mm。

⑶三火。用φ380mm芯棒拔长至外圆φ1050mm，用上平砧平整至两端头外圆达φ1150mm，以保证锻出左右两端最大法兰。

⑷四火。用φ380mm芯棒预拔出锻件图左端部分。

⑸五火。用专用芯棒，下用V型砧拔长收孔，压锻件图右端头400mm长，收孔至外圆φ1030mm，上三角分料压印，拔长出成品。

锻造过程工艺操作要点

带台阶内孔的锻件为我公司首次锻造，新锻造工艺方案针对小孔径端收孔时长度的较难控制，因此必须确定好每一火次的锻造工艺参数及操作控制要点。首先为了保证压实效果，镦粗压实过程中镦粗至900mm高后，双面用φ600mm冲子压窝深100mm。收孔时，根据最小阻力定律，尤其锻造右端收孔拔长部位，确定坯料分料长度400mm较为合适，同时按斜台45°方向防止外缘折叠产生。其次，在收孔前增加一火，先把大孔径端预拔到接近锻件尺寸，再用专用的带台阶的芯棒收孔拔长，避免出成品时拔长时间过长，芯棒不易拔出。

结论

⑴新工艺方案的锻造工艺参数科学合理，能够保证锻件的内部质量及外观工艺尺寸。

⑵新工艺方案较传统工艺方案相比具有节约原材料，节约热锻台时，缩短锻后热处理时间 ，节约机械加工台时，提升锻件质量，取得较高的综合经济效益及社会效益。

⑶通过局部收孔拔长锻出带台阶内孔细长筒类锻件取得的技术成果对今后突破传统工艺思路，技术创新具有启发意义。