大法兰侧轴锻件热加工工艺研究

秦红付， 金明， 李光， 徐航涛， 王继业， 张博

（1.中信重工机械股份有限责任公司， 河南 洛阳 471039；2.河南省大型铸锻件工程技术研究中心， 河南 洛阳 471039）

1 锻件主要技术指标

冶金轧机设备用驱动电机转子为三段轴结构，2个侧轴与中空轴通过大型销钉连接传递扭矩，电机转速为45~100 r/min，功率为6 500 kW，额定转速工作状态下，要求侧轴能承受2.5倍的过载负荷。侧轴锻件材料一般采用欧标C55E或日标SF590，成分相当于国标55钢，主要化学成分：C为0.52%~0.60%；Si≤0.40%；Mn为0.50%~0.80%；要求正火性能：屈服强度≥300 MPa，抗拉强度≥620 MPa。

图1所示侧轴锻件，最大截面尺寸为φ2 200 mm×315 mm，小轴直径为φ750 mm，总长度为2 160 mm，锻件属于大法兰大截面差T形短轴。其主要技术指标：①锻后正火+回火工艺保证力学性能，要求检测两端切向和纵向力学性能；②超声波探伤要求满足起始灵敏度φ1.6 mm，不允许存在当量直径≥3.0 mm的缺陷，同时底波衰减不允许≥3dB；③法兰与轴径过渡R角为高应力集中区，图2所示为最大载荷下数值模拟等效应力分布。减少大R角位置加工余量，尽可能保持锻件锻造纤维流线连续性，延长锻件的使用寿命。

图1 侧轴锻件

图2 最大载荷下等效应力分布

2 锻造工艺分析

2.1 自由锻工艺分析

采用传统自由锻工艺：镦粗→拔长，制造难度大且存在质量风险。

（1）若选用小钢锭生产，下料长度尺寸小，拔长小圆质量风险大，如图3所示；若选用大钢锭，加大下料长度尺寸，原材料实际利用率低。锻件质量约2.1×104kg，自由锻工艺若采用3.2×104kg钢锭，镦粗至直径φ2 200 mm，坯料长度780 mm，按图3分料拔出小圆，卡台分料长度L只有400 mm，拔长为局部镦粗，即拔长时的高宽比（2 200/400）达到5.5，按拔长条件L≥0.3D核算[1]，最小分料长度应≥700 mm。此时坯料心部不能鼓出，产生缩孔折叠缺陷（见图3），同时钢锭水口沉积堆不能有效挤出，造成锻件探伤密集缺陷当量超标报废，故采用自由锻工艺必须用更大的钢锭生产，原材料利用率降低至40%~50%，实际经济效益差。

图3 自由锻拔长缺陷

（2）在过渡圆角处大量放料，锻件实际尺寸超出工艺要求上偏差。因法兰和轴径台阶差大，自由锻工艺卡台分料后，拔长锻出小圆，台阶过渡处受拉应力大，大量坯料堆积到法兰大过渡角位置，且因为变形不均匀，法兰内端面凹凸不平，影响后续加工尺寸，需要加大长度方向加工余量，导致锻件毛坯的实际质量超出工艺要求20%以上，经济效益差。

（3）锻件形状控制难度大。自由锻拔长小圆时，若操作不当，小圆和法兰易产生严重的偏心，造成后续加工需要直径方向多次找正，甚至因不能满足尺寸要求而报废。

（4）若小圆无法在一次加热内完成锻造，需要返炉加热，此时法兰直径已不具备修整余量，反复装炉加热造成法兰部位晶粒粗化，超声波探伤在晶界位置产生大量回波反射，达不到超声波探伤起始灵敏度和底波降低量要求，因组织和晶粒粗大造成的回波干扰导致无法区分缺陷波。

2.2 胎模锻工艺分析

轴类件自由锻工艺的锻造过程是各外圆台阶由大向小逐段拔长，法兰部位的锻造流线是轴向为主，机加工后，法兰内侧的机加工切除量较大且锻造流线被切断，锻造纤维的连续性被破坏。而采用模锻工艺成形法兰，法兰部位不仅有在制坯时拔长过程产生的轴向流线，而且有后续模锻成形时产生的周向流线，因此，法兰部位的性能和组织的各向同性明显优于自由锻成形工艺；再者，法兰内侧的切除量少于自由锻，加工后能保留法兰部的锻造纤维连续性，相比自由锻成形的纤维流线更加完整[2]。

3 优化工艺方案

通过以上分析，锻件拟采用“自由锻+胎模锻”的复合锻造成形技术，可以有效改善锻件毛坯表面质量并获得完整的锻造纤维流线，避免自由锻拔长过程中出现的缺陷，整体热加工工艺方案：冒口压钳把手→钢锭镦粗→宽砧拔长主变形→滚圆拔长、制坯、去除冒口→头部镦粗与滚圆→修整小圆、出成品→锻后（性能）热处理，如表1所示。热加工关键工序控制要点如下。

表1 侧轴锻件锻造工艺设计

（1）钢锭冶炼。55钢化学成分中添加0.03%的微量元素Nb，降低钢的过热敏感性、提高锻造温度，生成高度分散的碳化物NbC，阻止晶粒长大，提高锻件的锻后热处理配炉温度。钢锭冶炼工艺：EBT偏心底出钢电弧炉初炼钢水→LF炉精炼→VD真空处理脱气、提高钢水纯净度→VC真空浇注[3]。

（2）钢锭镦粗、宽砧拔长。大锻件的锻造过程包括变性和变形两部分，其中前道火次镦粗和拔长主变形属于变性过程，是锻造的关键控制工序，镦粗锻造比应≥2，目的是破碎钢锭中的铸态组织；镦粗后采用宽砧强压法拔长，要求拔长锻比＞2.0，工艺控制拔长砧宽比在0.5~0.8、压下量为压前高度的20%，确保坯料心部始终处于三向压应力状态，达到锻透压实的目的，拔长过程要求连续2次锤压之间有10%砧宽的搭接，防止变形死角和避免漏压[4]。

（3）滚圆拔长、制坯。制坯工序是确保锻件得到理想形状的关键环节，法兰部坯料应保证模锻后法兰尺寸合适；而小轴应避免在制坯时就拔长至要求尺寸，因镦粗是在高温状态下进行，小轴应留有一定的变形量，利用剩余锻比和锻件动态再结晶的原理[5]，最后修整小轴尺寸至工艺要求，可以得到细小的锻后晶粒组织。

（4）头部镦粗与滚圆。镦粗应在高温下完成，应注意控制镦粗速率，减少外圆拉应力产生的裂纹，镦粗一半高度后，采取局部镦粗、旋压的方法，周围先旋压一圈然后镦粗中心位置，最后镦粗时，由于外圈的约束作用，使坯料中心具有较高的静水压力，心部压实效果好[6]。镦粗过程注意观察锻件是否始终处于胎模的中心位置，避免镦偏。

（5）修整小圆、出成品。锻件脱模后，由于小圆包裹在胎模内仍保持较高的锻造温度，夹持法兰，在高温状态下修整小圆至锻件要求尺寸。

（6）终锻温度控制。55钢的相变温度点Ac1约720 ℃，Ac3约760 ℃，终锻温度选择750 ℃，降低终锻温度有利于获得更为细小的铁素体晶粒和组织，锻后采取鼓风等加速冷却措施，使锻件以较快的冷却速度通过A1~A3区，外圆冷至400~450 ℃，心部获得均匀的珠光体+铁素体组织。锻件尺寸大，心部直径φ300 mm范围冷却速度慢，若长时间在高温停留，晶界大量析出块状铁素体，形成粗大的铁素体网状组织，造成超声波探伤底波衰减，不能满足起始灵敏度要求[7]。

（7）锻件热处理工艺。奥氏体化加热温度应保证力学性能和细化晶粒，工艺选择加热温度为790~830 ℃，正火后采取鼓风冷却至室温，加快冷却速度减少铁素体析出、长大，增加珠光体含量和提高力学性能强度指标，回火加热温度为540~570 ℃，获得匹配的强韧性指标。

4 胎模设计

按照锻件形状，设计了图4（a）所示的胎模成形模具，运用Forge软件对法兰进行锻造模拟分析，模锻压力曲线如图5所示。当锻造结束时，坯料未充满型腔，存在图6所示椭圆区域的空隙，分析可能是由于坯料与模具零件接触面温度降低速度快、局部温度低于750 ℃，且最低温度达到475 ℃，导致这些区域塑性降低，金属流动困难，同时多余的坯料被挤压到模具零件与镦粗盖板之间，模具零件的周向约束作用也导致锻造力直线上升。图4（a）所示的成形模具对法兰尺寸限制过于严格，由于锻坯采用人工划线、剁刀切割或乙炔气割下料，下料精度差，下料尺寸小则无法将坯料充满胎模，下料尺寸大则会将多余料挤到胎模外缘出现2个台阶，此外，在成形法兰过程中模具存在较大的胀形力，易造成开裂报废；且由于外圆台阶的束缚，锻件不易脱模。图4（b）所示的优化后的模具结构设计简单，法兰成形效果好，胎模成形时胀形力小且存在大锥角便于脱模，使用寿命长。图7所示为模拟锻造计算的锻造流线。

图4 胎模设计优化方案

图5 模锻压力曲线

图6 锻造模拟

图7 模拟计算的锻造流线

5 生产实践

按照以上工艺方案进行锻件生产，图8所示为侧轴锻件毛坯实物，锻件法兰端面规整、法兰和小圆无偏心、法兰大斜面过渡处有较大仿形角度。在法兰部内侧取横向和纵向力学性能试样，性能实测值如表2所示，横向和纵向性能无明显波动。锻件超声波探伤满足起始灵敏度φ1.6 mm，未发现粗晶波。

表2 锻件力学性能实测值

图8 锻件毛坯实物

6 结束语

针对大法兰侧轴锻件形状特点，提出了采用自由锻+胎模锻成形相结合的锻造工艺方案，运用计算机仿真软件模拟法兰成形过程，合理优化胎模结构，获得理想的锻造流线。新的锻造工艺方案能有效保证锻件尺寸、外观形状和内部质量，同时降低毛净比、提高锻件原材料利用率，取得了较好的经济效益。