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一种核电凸缘轮毂的自由锻锻造方法

2021-11-12胡兆明常州市双强机械制造有限公司

锻造与冲压 2021年21期
关键词:压痕锻件轮毂

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

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。

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