一种核电凸缘轮毂的自由锻锻造方法

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     本文通过对核电凸缘轮毂锻件的分析，从理论上对核电凸缘轮毂锻件的锻造可行性进行探讨。结合锻造厂的生产实际，制定锻造工艺。从下料、加热、锻造、锻后处理、检验进行规范，分析锻造变形过程的可行性。确保锻出形状，保证锻件力学性能，提高锻件的质量，为高质量的核电凸缘轮毂提供质量保证。

     我公司是集自由锻、模锻、机械加工为一体的综合性企业。现拥有5吨电液锤、6500mm辗环机组、5000t油压机等设备，具有CCS、ABS船级社认证，生产应用于风电、航天、船舶、工程机械的精密模锻件，同时生产各种大型自由锻件。

工艺分析

凸缘轮毂是我公司为国内某公司供应的一种核电配件。数量少，质量要求高，对锻件的力学性能及无损探伤都有很高的要求。锻造是改善锻件内部质量的关键工序，锻件质量直接影响凸缘轮毂的整体重量。我们从下料、加热、锻造过程、锻后正火、冷却等方面进行全方位的控制，锻出了质量合格，外形满足用户要求的优质锻件。

凸缘轮毂的形状如图1所示，它的形状为大圆盘带一个凸起的小圆盘，中间一个孔。产品质量要求高，锻造难度大。以往的工艺是锻成圆饼，目前，客户提出更高的要求，要求我们锻出凸缘，并且不承担模具费用。为了满足用户要求，提高锻件质量，我们经过分析对凸缘轮毂的锻造提出了三种方案。



图1 零件图

方案一：锻一个圆饼，中间冲一个孔，锻件为一个圆盘。该锻造过程简单，有利于成形。但是锻件重量需要达到10964kg，不符合用户要求。

方案二：设计制作一个锻造漏盘模具，利用模具成形凸缘，这需要加工一个模具。锻造过程比方案一略复杂，锻件重量7333kg，节约3631kg。但需要制作一个漏盘模具，模具重3600kg。

方案三：利用自由锻的方法，通过一定的锻造过程，锻出凸缘，节约了模具费用。锻造过程比方案一和方案二都复杂，重量与方案二相仿。此方案既达到减轻重量的目的，又不需要模具，但对锻造技术要求高，需要制定完备的工艺方案。

根据零件形状对产品的锻造可行性进行分析，制定一种凸缘轮毂的自由锻工艺方法，采用方案三，解决了方案一中存在的不合理、不科学的工艺而导致成品材料利用率低的问题。省去了方案二中需要的模具加工。

锻造工艺的原理是，利用一些简单的锻造辅助工具，采用独特的工艺方法进行锻造加工。所制备的凸缘轮毂锻件沿成品外形成形，能够保持锻件的完整流线；其力学性能指标优于方块进行机械加工件；节省原材料，降低成本提高质量。

凸缘轮毂所用材料为45钢。由于锻件形状独特，自由锻锻出凸缘难度大。根据本体的零件特点，结合锻造厂的生产实际情况，研究制定锻造工艺方案，研究锻造的可行性。

进行锻造工艺设计，锻件最大限度接近零件形状。编制锻造工艺锻件图、锻造工序工步图，选择锻造工艺参数：下料规格、重量、锻造温度、设备、冷却、锻后处理等。严格按工艺执行，保证锻造顺利进行，满足锻造工艺要求。

生产工艺流程

计算锻件重量、下料重量

根据锻造工艺锻件图(图2)计算锻件重量，就是密度乘以体积，并考虑锻件的过渡部分的不平等因素，考虑冲孔芯料等。综合考虑计算出锻件重量为6793kg；下料为7333kg。由于冲孔会产生芯料损失，芯料重量为60kg。6793+60=6853kg。按三火次锻造，火耗为1.07。
6853×1.07=7333kg。而锻造圆饼的重量为10187kg，加上冲孔芯料和火耗下料重量为10964kg。新的锻造工艺方法比较以往的工艺方法单件节约原材料10964-7333=3631kg 。

下料规格的选取
采用10.5吨钢锭为原材料，材料为45钢，锯切下料并充分切除水口及冒口，重量约7340kg，利用率为70%。一般的工艺方法是采用工装热切，我们采用加热前进行锯切，用锯床将水口、冒口锯除，留下锭身，进炉加热。注意观察钢锭表面有无缺陷，若发现缺陷立即磨除。


设备与加热
根据锻造设备的锻造能力，锻件需要的锻造吨位和锻造厂的实际情况，并考虑锻造工人的素质，选取5000吨压力机。加热设备选取天然气室式炉，根据锻件材料(45钢)始锻温度为1200℃，终锻温度为850℃。


根据锻造工艺锻件图2，考虑到零件的复杂程度和变形过程，选取锻造火次为3火次。根据锻件材料(45钢)，原材料形式(钢锭)和锻件的有效散热面积，锻后冷却采用锻后控制处理。


图2 锻件图

加热前锭身在加热炉门口静置5小时，然后再进炉加热。为了避免冷热钢锭同时加热，将炉内其他锻坯加热完毕后，清炉降温，保证凸缘轮毂用料独自一炉加热。钢锭直径大头约φ970mm，小头φ910mm，首先，设定炉温为700℃，钢锭进炉保温3小时；经过1.5小时升温，炉温升到850℃，保温2小时；最后经2小时升温达到炉温1250℃，保温4小时，总加热时间12.5小时。钢锭应充分加热透，方可出炉进行锻造。当温度低于终锻温度850℃时，必须停锻，入炉重新加热方可出炉进行锻造。
坯料出炉，操作机夹持钢锭，进行倒棱，倒去棱角后焊合钢锭皮下缺陷，此步骤可防止锻件开裂。


锻造工艺过程
钢锭整个锻造过程如下，成品锻件如图3所示。


图3 成品锻件图

⑴钢锭倒棱角后尺寸为φ900mm×1430mm，镦粗到φ1300mm×685mm，锻造比为2。
⑵然后将钢锭拔长到φ900mm，锻造比为2。
⑶再次镦粗到φ1300mm，锻造比为2。
⑷然后将钢锭拔长到φ1000mm，锻造比为1.7。
⑸再次镦粗到φ1780mm，锻造比为3.1。仅镦粗锻造比达到7.1时，锻造比满足要求，锻件技术协议要求锻造比大于6，钢锭充分锻透。
⑹用φ350mm冲头冲制φ350mm内孔。
⑺用φ25mm圆钢焊一个内径为φ780mm的圆环。图4为压痕圆环，将压痕圆环夹持放在圆饼上，调整好中心，轻压深度约为10mm,目的是为随后的锻造定一个压制基准。


图4 压痕圆环

⑻操作机夹持圆盘侧边一边，以压痕为基准轻压一下。然后转动圆盘约30°依次以压痕为基准轻压转动一圈后，开始转圈压制。
⑼将边缘一圈压到厚度222mm，操作机夹持中间凸起，将圆盘立起，滚圆。
⑽修正到工艺尺寸。
锻后处理
一般钢锭锻造完成后，由于钢锭中含有有害气体，需要进行锻后处理。为了防止白点的产生，锻后采用等温退火进行去氢处理。白点是锻件冷却过程中产生的一种内部缺陷，钢锭中的氢在锻造过程中来不及逸出，而残留在材料中从而产生应力，与锻件冷却过程中组织相变应力共同作用使锻件产生内部缺陷，同时锻造残余应力和温度热应力对锻件也有一定影响。因此，锻造后首先要进行去氢处理。
锻件锻后要保持600℃以上入炉，炉温控制在600℃。等待本批锻件全部锻完，都装入退火炉后，进行正式去氢处理。炉温升至(640±20)℃,此温度下等温保温30小时，充分进行去氢处理，最后升温到870℃进行正火处理。


结束语
本批产品交付用户，经随后的一系列尺寸检验、磁粉探伤、超声波探伤、锻件的力学性能检验，结果显示锻件完全符合用户要求。说明我们设计的工艺过程是合理可行的，我公司采用自由锻锻造凸缘轮毂，合理利用工艺锻出凸缘，节约了大量的原材料，降低了用户的成本。使我公司在核电锻件锻造上迈上一个新的台阶，极大地提高了企业竞争力。

文/胡兆明·常州市双强机械制造有限公司

钱云杰·江苏恒立液压股份有限公司

王平怀·宝鸡石油机械有限责任公司