大型筒体锻造成形缺陷分析及预防

2011-03-31门正兴孙燕飞王海英高晓宏

大型铸锻件 2011年5期

门正兴孙燕飞王海英高晓宏

(中国二重集团公司，四川618013)

大型筒体是重大技术装备如核电用高压容器、电力工业中发电机护环、石化工业中加氢反应器等的主要组成部分。筒体工作环境恶劣，其质量直接影响到设备的可靠性和安全性，因此不仅要求其冶金质量好，还要求具有高强度、高韧性、耐热疲劳性好、晶粒细小、组织均匀等性能[1]。目前，大型筒体的主要锻造成形工艺为芯轴扩孔锻造法，其工艺流程如下：拔长切除水冒口—镦粗冲孔—芯轴拔长—芯轴扩孔。部分厂家采用先进的空心钢锭—芯轴拔长—芯轴扩孔工艺，由于省去了镦粗、冲孔两道工序，大大提高了圆筒形锻件的生产效率，但该技术还不完全成熟，目前无法广泛应用。

筒体锻造过程质量控制的目的在于保证筒体质量符合锻件的技术标准，以满足产品的设计和使用要求。筒体质量包括锻件尺寸、形状、表面质量和内部质量等几个方面。锻造过程中产生的外观方面不符合锻件技术标准的缺陷，如锻件尺寸、形状、表面质量等缺陷是本文的主要研究对象，由于缺陷的产生及发展可以直接观察，因此及时的发现和解决问题对产品质量、生产周期等有着重要的影响。在明确锻件缺陷原因的基础上，将生产实际、锻造工艺理论和有限元数值模拟技术三者相结合，提出预防措施及解决方法，并通过生产

实践加以验证。不断提高现场操作人员、工艺人员及设计人员对缺陷的认识，将质量意识贯彻到整个产品周期中，最终达到防止锻件产生缺陷和提高锻件质量的目的。

1 端面缺陷

筒体端面的缺陷主要表现为端面开裂和边缘不规则(马蹄)。如果筒体端面裂纹没有得到及时的清除，很可能会向基体内部延伸导致锻件可利用长度减小，甚至报废。端面不齐导致成形后端部大量的材料被切除，使材料利用率下降及加工生产时间延长。产生端面裂纹的主要原因有：1)锻件冲孔过程中，最后金属从锻件上撕裂，在下端面形成撕裂带，表面质量差，如不处理会在芯轴拔长及扩孔过程中形成裂纹；2)镦粗冲孔过程中，坯料下端始终与平台接触，温度较低。在冲孔的拉应力作用下，坯料下端面会产生小裂纹，如不及时处理会在后续锻造过程中产生大的裂纹；3)在芯轴拔长和扩孔过程中，筒体端面温度最低，如果成形时间过长或终锻温度太低，在大变形情况下，端面会出现裂纹[2]；4)以上平下V型砧芯轴拔长时，应力状态不良，环形坯料显椭圆型变形，引起附加应力。当旋转锻压时，坯料受该应力交变作用，结果造成端面开裂[3]； 5)芯轴拔长后端面缺陷较多，在未对端面进行处理的情况下直接进行芯轴扩孔，导致芯轴扩孔过程中裂纹较多。

产生端面边缘不规则的主要原因是芯轴拔长前锻件加热不均匀，导致温度高的部分变形大，温度低的地方变形小，最终形成锻件壁厚不均和筒体边缘不规则，如果未对端面进行处理而直接进行芯轴扩孔，则形成马蹄。

减少和预防端面缺陷的措施有：1)认真作好每火次后的吹氧清伤工作，特别注意冲孔后端面龟裂及金属撕裂带；2)镦粗冲孔前注意平台及模具的预热，镦粗冲孔后对锻件进行端面平整，减少微小裂纹的产生；3)芯轴拔长过程中，先拔两端后拔中间，避免端面在低于锻造温度的情况下成形；4)改用上、下V型砧芯轴拔长，由于变形和应力状态得到改善，附加应力减小，可以大大降低开裂的倾向而且生产率也得到提高；5)芯轴拔长后采用气割方式将端面找齐后再进行芯轴扩孔工序。6)严格控制芯轴拔长时及拔长前的加热温度和加热的均匀性，避免阴阳面的产生；7)芯轴拔长及扩孔过程中，依据材料、温度等具体情况，选择合理的压下量和翻转角度。

2 外表面缺陷

筒体外表面缺陷主要有外表面折伤、裂纹、凹坑、黑皮及外表面质量差等。产生外表面折伤的主要原因是砧子截面窄，下压量太大。凹坑的产生可能是运输过程中夹钳和筒体的接触区域，也可能是吹氧清伤留下的痕迹，还可能是筒体在运输过程中从夹钳上脱落与其他工件碰撞造成的。锻件高温长时间加热或反复多次加热时，氧化脱碳钢表面铜析出、表面晶粒粗大，锻件表面出现较浅的龟状裂纹。以上问题导致锻件表面质量差、塑形低，容易产生裂纹。

减少和预防端面缺陷的措施有：1)选择合理的锻造压下量及旋转角度；2)尽量缩短锻件成形时间，减少火次；3)采用上下弧砧对长筒进行芯轴拔长, 可以克服产生外表面裂纹现象和因大压下量造成的折叠缺陷。

3 内表面缺陷

筒体内表面缺陷主要表现为内表面折伤、裂纹和凹坑。产生的原因可能是：1)在锻件冲孔后底部连皮没有清除干净的情况下进行芯轴扩孔，连皮折叠进入内表面形成夹伤；2)冲孔时筒体内壁存在毛刺和微裂纹, 如果未经处理直接拔长和扩孔，会在内壁形成裂纹[4]； 3)芯轴拔长时，压下量过大，内孔容易产生裂纹。

解决办法： 1)建议镦粗后将坯料回炉加热后再冲孔；2)对内孔氧化渣等及时清理；2)芯轴拔长及扩孔过程中选择适当压下量。

4 筒体外观缺陷

筒体外观缺陷主要表现有喇叭口、锻件截面圆度不够及内外直径超差。喇叭口即锻后筒体两端直径不一致。

(1)喇叭口

可能的形成原因是：1)由于芯轴未放置水平，因而导致上砧在下压过程中，在芯轴较高端下压量较大，而芯轴较低端下压量小，最终形成锥形截面，该结果也导致筒体两侧壁厚不一致，直径较小一端壁厚较大；2)锻件镦粗冲孔后直接芯轴扩孔，冲孔导致锻件下端直径大于上端，在芯轴扩孔过程中导致喇叭口形成。

具体的解决办法是：1)锻件镦粗冲孔后，采用芯轴扩孔对锻件两端直径进行调节；2)成形前认真检查芯轴支架摆放情况，对工作台进行及时清理；3)芯轴支架不水平的情况是难以避免的，应对设备情况做详细记录，扩孔过程中采用调头成形的方式减少喇叭口。4)在成形过程中及时观察两端直径的变化情况，在喇叭口不严重时及时修复。

(2)锻件截面圆度不够

具体表现为锻件截面为椭圆或不规则形状，产生原因可能有：1)锻件冲孔偏心，导致锻件壁厚不均匀；2)锻件芯轴拔长过程中，由于温度不均或操作不当导致锻件壁厚不均匀。在扩孔过程中，由于上砧每次下压量固定，因而导致壁厚较大处变形较大，金属径向流动大；3)芯轴扩孔过程中，下压量变化大，导致变形不均匀。

解决办法：1)采用特定测量工具确定冲孔中心[5]，减小冲孔偏心对芯轴扩孔的影响；2)严格控制芯轴拔长前加热过程，避免加热不均和阴阳面的产生；3)对已出现圆度不够的锻件，将锻件放置在工作台上，用上砧点压锻件最高点，逐渐将锻件校圆。

(3)内外直径超差

具体表现为由于内外表面缺陷的存在(裂纹修复后的凹坑、黑皮等)，导致锻件实际加工尺寸小于要求尺寸，包括锻件内径达标的情况下外径小于要求尺寸和锻件外径达标的情况下内径大于要求尺寸两种情况。本文分析的各种缺陷在处理不当的情况下，都会导致锻件内外直径超差，最终

使得锻件不能满足加工要求，从而报废。

解决办法：1)对于内径达标的情况下外径小于要求尺寸的锻件，如果锻件长度较短，壁厚较厚，可以采用镦粗的办法，采用减少锻件高度的办法增加锻件壁厚，再经过拔长过程来达到要求的尺寸。值得注意的是，在镦粗过程中容易出现内凹的情况。2)对于外径达标的情况下内径大于要求尺寸的锻件，可以采用V砧缩孔来减小锻件内外径，但目前该方面研究较少，只能依靠经验操作。