沖孔前工藝方案對大型筒體鍛造過程的影響

文/孫嫘，門正興，趙剛，毛闖·二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司

沖孔前工藝方案對大型筒體鍛造過程的影響

文/孫嫘，門正興，趙剛，毛闖·二重集團（德陽）重型裝備股份有限公司

本文對三種大型筒體類鍛件沖孔前工藝方案進行了有限元分析，采用節點逆向跟蹤方法對鍛件金屬流動進行了研究。通過對比不同工藝方案對金屬流動、鍛比、晶粒度、生產周期及火耗因素的影響，認為鋼錠直接鐓粗沖孔工藝既能滿足大型筒體類鍛件質量要求又能大幅降低鍛件生產成本。

長期以來，由于大型自由鍛件生產周期長以及生產工藝復雜的特點，大型鑄鍛件生產企業往往以鍛件一次合格率和產品準時交付作為鍛件生產的主要考核目標，而常常忽略了鍛件成本的控制，其造成的負面效應是鍛件生產工藝趨于保守、鍛件加工余量增加以及生產周期延長。隨著國內外大型鍛件需求的疲軟以及各生產企業業務同質化嚴重，企業間的技術優勢日益模糊，價格優勢成為企業爭取訂單的關鍵因素，但是訂單并不代表著盈利，因此如何在保證質量的情況下控制成本成為企業是否能在需求疲軟、競爭激烈的市場中長期生存的關鍵。

鍛造工藝直接影響著鍛件最終質量以及鍛件成本，一份好的工藝方案應該在保證鍛件質量的情況下達到工序成本最優化，即材料利用率高、鍛造火次少、操作過程簡單等目標。目前，大型自由鍛件成本最優化工藝方案的評判還沒有統一的標準，小比例試驗無法真實反映大型鋼錠缺陷，而等比例試驗在費用和周期上企業無法承受。相比之下，數值模擬分析方法在分析成本、分析周期、標準化以及準確程度方面有較大的優勢，而且該方法可以和實際生產互相驗證，從而不斷提高預測的準確性。

鍛造工藝

大型筒體類自由鍛成形的基本工藝流程為：鋼錠鐓粗沖孔→芯棒拔長→馬杠擴孔。在實際生產過程中，不同的工藝人員結合各自的產品特點會制定出不同的工藝方案，典型的沖孔前工藝方案見表1?？紤]到大型筒體的鍛比遠遠大于其他自由鍛零件，出于減少鍛造工序、降低鍛造成本的目的，可以采用鋼錠切除水冒口后直接鐓粗沖孔的方案（方案1）；參照實心鍛件鍛造工藝，出于消除大型鋼錠內部鑄態組織、提高最終鍛件質量的考慮，增加鍛件鐓粗沖孔前的鍛比，即鐓粗沖孔前，增加一次拔長（方案2）或增加一次鐓粗+拔長（方案3）。

成形過程數值模擬

選擇某大型筒體為研究對象，成形用300t大型鋼錠，鐓粗后鍛件高度為2000mm，沖孔直徑1300mm。采用Deform軟件對鍛件沖孔前的三種工藝方案進行模擬，重點分析不同工藝方案對大型鋼錠金屬流動的影響，具體的方法是：對每個工藝方案進行沖孔前工藝全過程模擬；對鍛件進行沖孔過程有限元模擬，在沖孔邊界上布置若干跟蹤點，采用節點逆向跟蹤方法分析沖孔過程金屬流動規律；將沖孔前跟蹤點位置導入三種方案中，跟蹤各點在鍛件成形過程中的變化規律。

表1 大型筒體沖孔前鍛造工藝方案

沖孔過程節點追蹤分析

采用直徑1300mm空心沖子對鐓粗后鍛件進行沖孔過程模擬，如圖1所示，其中點畫線為鍛件中心線，圖1b中黑實線為鍛件沖孔邊界通過反向跟蹤得到的鍛件本體金屬與沖孔金屬的分界線，即黑實線之間的鍛件金屬將采用沖孔的方式去除，而黑實線以外的其余金屬將通過后續馬杠拔長及擴孔工序成形最終的筒體鍛件。圖1a為沖孔后，鍛件中心部分金屬即將被沖掉前的模擬結果，20個跟蹤點均勻分布在沖孔邊界；圖1b為沖孔前，沖孔邊界各跟蹤點相對位置，從圖中可以發現，鍛件沖孔后的直線邊界在沖孔前為兩端大中間小的弧形，其中最小直徑出現在鍛件中心附近。直徑在660mm，僅為沖孔直徑的50%左右。

圖1 沖孔過程金屬流動示意圖

沖孔前鍛造過程點追蹤分析

圖2為方案1節點逆向跟蹤的結果。從圖2中可以發現，在鋼錠狀態下沖孔邊界仍為弧形，只是沖孔區域更加細長，最小直徑為428mm，為沖孔直徑1300mm的32.9%。在大型筒體的成形過程中，沖孔正好切除了鋼錠中質量最差的區域，即冒口鋼錠最后凝固區、中心縮孔縮松區以及鋼錠水口端的沉積端，這也是筒體鍛件合格率較其他自由鍛件質量好的原因之一。

圖2 方案1金屬流動示意圖

圖3和4分別為方案2和方案3節點逆向跟蹤的結果。從圖3、4中可以發現，在鋼錠狀態下沖孔邊界隨之鍛比的增加最小直徑在不斷減小，方案2和方案3的最小直徑分別為320mm和280mm，為沖孔直徑1300mm的24.6%和21.5%。

圖3 方案2金屬流動示意圖

圖4 方案3金屬流動示意圖

沖孔前鍛造過程對金屬變形的影響

圖5為各方案沖孔前等效應變分布，各方案最大等效應變依次為0.75、1.75和3.25，其對應的鍛比分別為1.5、3.7和6.1。

圖5 不同方案沖孔前等效應變分布示意圖

沖孔前不同方案對鍛件性能的影響

沖孔前方案對金屬流動的影響

在實際生產中，無論采用哪種方案成形，筒體類鍛件的合格率都較其他類鍛件高，很少發現夾渣缺陷，其主要原因是筒體類鍛件的大鍛比和鋼錠心部缺陷區去除。從三個方案的模擬分析可以發現，方案1在鋼錠狀態下沖孔區域直徑最大，可以認為對鋼錠心部缺陷區去除最為徹底。

沖孔前方案對金屬變形的影響

從圖4中可以看出，在鋼錠狀態下的鐓拔過程主要作用是增加鍛件心部變形能力，從而鍛合鋼錠心部缺陷及打碎鍛件內部鑄態組織，是大型實心類鍛件必須的鍛造工序，但是對于大型筒體鍛件來說，該部分金屬最終將被沖掉，因此，在沖孔前增加鐓拔次數對空心鍛件意義不大。另外，筒體類鍛件為薄壁類鍛件，沖孔后的拔長及擴孔工序鍛比在4左右，而實心類鍛件的鍛比要求也只有4.5左右，因此，大型筒體鍛件沖孔后的拔長及擴孔工序完全可以達到鍛件設計要求，沖孔前鍛造工藝對鍛件最終質量影響很小，空心鋼錠直接鍛造大型筒體技術的廣泛應用就從另一個角度證明了這種觀點。

沖孔前方案對鍛件晶粒度的影響

避免混晶和晶粒粗大是大型筒體類鍛件鍛造工藝的重要任務，但沖孔前鍛造工藝對筒體鍛件最終晶粒分布的影響幾乎可以忽略，主要的原因是筒體鍛件在沖孔后的多火次鍛造中，鍛件的晶粒會在高溫加熱過程中快速長大到0級以上，而主要影響最終鍛件晶粒度大小和分布的是鍛造最后兩個火次加熱溫度、鍛造時間及下壓量的總體控制。空心鋼錠直接鍛造大型筒體技術也可以驗證這種觀點。

沖孔前方案對生產周期的影響

在鍛造過程中，由于初始鍛件直徑較大需要長時間加熱才能熱透等因素，鍛件前幾火次加熱成本較后續火次高，但是為了計算方便，假設鍛件每火次生產成本相同。表2為3種工藝方法綜合數據的對比，該筒體沖孔后鍛造火次為4次，因此采用三種工藝方案成形大型筒體鍛件的工藝成本比例為1∶1.2∶1.8。另外，增加鍛造火次會導致鍛件火耗的增加，以每火次火耗占鍛件總體質量1%計算，方案3將比方案1多浪費金屬12噸。從表中可以發現，采用方案3的工藝成本是方案1的2倍，生產周期是方案1的3.5倍，火耗是方案1的5倍。

表2 不同方案對比

結束語

通過以上數值模擬以及各方案綜合對比分析認為，采用鋼錠直接鐓粗的大型筒體沖孔前鍛造工藝方案既能夠滿足大型筒體類鍛件質量要求，又能有效降低大型筒體鍛件生產成本，主要的依據有：對比三種方案，鋼錠直接鐓粗沖孔方案去除鋼錠心部缺陷最為有效；大型筒體類鍛件沖孔后變形足以滿足鍛件要求，沖孔前工藝方案應盡量簡化；大型筒體類鍛件沖孔前工藝對鍛件最終晶粒尺寸影響幾乎可以忽略不計；采用鋼錠直接鐓粗沖孔方案大幅降低大型筒體鍛件工藝成本、生產周期以及火耗。