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一种大型十字轴锻件自由锻造工艺

2020-06-05
肖广帅 王玉杰 杨后雷
(通裕重工股份有限公司)
  近来,随着经济的快速发展,大型十字轴锻件作为传动系统的关键部件,能够很好的适应传动轴间的较大角位移,而且具有传递扭矩范围大、结构紧凑、传动效率高、维修保养方便等特点,因此广泛应用于起重、工程运输、矿山、石油、船舶、煤炭及其他重机行业。
  形状分析
  我公司生产一种大型十字轴产品,采用20CrNi2Mo材质。该十字轴产品属于复杂型锻件,其大批量生产主要采用胎模锻造,小批量件采用自由锻造,其产品交货尺寸如图1所示。正回火后单边留5mm粗加工(保证精加工尺寸)去应力后黑皮交货,锻比≥4。钢锭采用电炉冶炼+钢包精炼+真空脱气。拉伸试样端头检测化学成分,按GB/T3077-2006控制成品化学成分允许偏差。
  锻造难点
  本工艺中大型十字轴锻件批量小,采用胎模锻模具成本高且大型十字轴胎模锻需要的压力巨大,现有压机无法实现,故使用自由锻。此件在自由锻造生产中成形极其困难、工序繁杂、生产效率低、制造成本高。自由锻时切肩不足,无法正常拔长,为此工艺编制人员对此锻件进行了技术分析讨论,并制订了详细的锻造工艺(图2),我们采用了横向展宽拔长的方法,巧妙地解决了切肩不足的问题。
  具体工艺过程
  ⑴钢锭冶炼。电炉精炼+钢包精炼+真空脱气。采用10~13吨钢锭模浇铸,钢锭脱模后热转至锻压车间装炉加热。
  ⑵钢锭加热。钢锭热转至锻压车间,热转钢锭冒口温度≥600℃,水口温度≥500℃,有良好的塑性,不论是组织应力还是热应力都能得到良好的释放,不会造成钢锭加热缺陷,加热曲线如图3所示。
图1 十字轴产品交货图
图2 十字轴锻造图
图3 钢锭加热曲线
  ⑶锻造过程。钢锭重达12.25t,在3150吨压机上锻造完成。第一火需要在1250℃保温11h。钢锭冒口端压钳把、倒棱、挫水口,镦粗至直径φ1500mm,采用WHF锻造法拔长,拔至直径φ950mm。倒棱时在高温下进行,单边压下量30~50mm,防止在后续的大变形中开裂;镦粗时保证坯料和钢锭中心线垂直,防止产生弯曲;拔长时采用合理工装,严格按WHF锻造法参数控制,如果坯料有裂伤出现应及时清理。
  第二火在1250℃保温10h。镦粗至直径φ1500mm,采用WHF锻造法拔长至1000mm×1000mm,压肩如图4(a)所示,拔长至图4(b)尺寸。此火次镦粗时仍要保证坯料和钢锭中心线垂直,防止产生弯曲,切肩时要测量准尺寸,刻印要清晰,防止切肩错误。由于第二火仍要进行镦粗,故第二火始锻温度为1250℃,保温时间≥11小时。
图4 十字轴锻造过程变形过程及压肩图
  第三火在1200℃保温12h。横向展宽至图4(c)尺寸,锻至图4(d)尺寸,精整各部至锻件尺寸,出成品(图5)。此火次主要目的是成形。整体锻造时间不长,故始锻温度为1200℃,锻造完成后空冷至≥600℃装炉执行锻后热处理工艺。
图5 锻件成品
  工艺要点解析
  ⑴本工艺主变形采用WHF锻造法,以打碎钢锭粗大树枝晶,压实锻合钢锭内部缺陷,保证十字轴探伤要求,保证其内在质量。
  ⑵本工艺采用横向展宽拔长的方法成形,节约了切肩余料,大幅降低了生产成本,提高了此类产品的市场竞争力,为此类产品开拓市场打下基础。
  ⑶本工艺锻造出和成品一致的形状,保证了十字轴完整的纤维流线,使其在使用过程中具有较好的力学性能,保证了其使用寿命。
  ⑷本工艺第一、第二火始锻温度采用1250℃,保温10~11h,以保证主变形在高温下进行,确保压实焊合钢锭内部缺陷,第三火根据锻造实际变形量设计始锻温度1200℃,使锻件终锻温度控制在800℃左右,从而保证了锻件的晶粒度,使十字轴达到更好的机械性能,最终达到延长其实际使用寿命的目的。
  ⑸本工艺采用两次镦粗拔长,第一次镦粗拔长的目的是压实锻合钢锭内部缺陷,保证其探伤要求,第二次镦粗拔长的目的,一方面是进一步压实锻合缺陷,另一方面是为了实现锻件成形。
  锻后热处理
  该十字轴要求正回火后粗加工去应力退火后交货,由于后续还需渗碳及调质等工序,因此交货态没有性能及硬度要求。但由于该材质易产生粗晶,导致最终热处理后开裂,在锻后热处理时需注意晶粒度的控制。
  ⑴等温退火。锻后经300℃左右过冷待料,然后以≤60℃/h的速度升温至670℃均温,防止工件内外温差过大,并能为后续快速加热提供便利。再以满功率升温至910~930℃,促进奥氏体晶核快速大量的生成以便细化晶粒,保温后封炉冷至690℃长时间保温,确保组织完全转变为珠光体和铁素体,用以消除组织残余。然后继续炉冷至300℃左右。
  ⑵正火。类似于上一步等温退火,将工件加热至910℃,再次细化奥氏体晶粒,保温后空冷至300℃左右。
  ⑶高温回火。将工件加热至620~650℃长时间保温,以充分消除应力,降低硬度、降低H含量。
  经过三步锻后热处理,为机械加工提供适宜的硬度,同时消除锻造时产生的内部应力,细化晶粒,改善锻件内部的化学成分和组织不均匀性,降低H含量。粗加工完成后对锻件进行超声波探伤,各部位探伤均合格,符合客户要求。
  结束语
  通过此十字轴的锻造工艺设计和锻造过程跟踪,对此类锻件的锻造生产有了更加深刻的认识,为十字轴类锻件工艺设计和改进积累了经验。对大型、小批量十字轴锻件无法进行胎模锻而采用自由锻时具有较大的借鉴价值。
来源:《锻造与冲压》2019年19期
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