風電軸承鋼球毛坯的高速鐓鍛工藝研究與開發(fā)

文/楊偉·浙江五洲新春集團股份有限公司富盛精密鍛造廠

風電軸承是風力發(fā)電機的關鍵部件之一，因其使用環(huán)境惡劣、維護成本高，通常要求有20 年以上的使用壽命。因此，對于軸承鋼球等配件的質(zhì)量要求也較高。鋼球毛坯以優(yōu)質(zhì)軸承鋼為原材料，采用熱鍛工藝、鍛后控制冷卻及球化退火工藝，保證了球坯心部及表面的網(wǎng)狀、帶狀和液析組織等符合質(zhì)量要求，有效提升成品鋼球的可靠性，為保證風電軸承的使用壽命奠定了堅實的基礎。

高速鐓鍛機生產(chǎn)鋼球毛坯

風電軸承鋼球毛坯的需求量大，質(zhì)量要求高，直徑范圍為45～70mm，適合在高速鐓鍛機上進行生產(chǎn)。AMP50XL 高速熱鐓機是由瑞士哈特貝爾研制的先進自動化多工位精密熱鍛設備，如圖1 所示，總成形噸位為8000 kN，集成了剪切下料模塊及4 個成形工位，生產(chǎn)速度為每分鐘60 ～100 件，生產(chǎn)鍛件的最大直徑為104mm，特別適合于精密鍛件的大批量生產(chǎn)。風電軸承鋼球毛坯基于AMP50XL 進行工藝開發(fā)，實現(xiàn)了大批量生產(chǎn)。

工藝流程

鋼球毛坯的原材料是優(yōu)質(zhì)軸承鋼，一般需進行定制，按照原材料質(zhì)量協(xié)議進行檢驗，檢驗合格后入庫。鍛造時，圓棒料自動送料，經(jīng)中頻感應加熱爐進行加熱，然后由剪切機構進行下料。鍛造工藝如圖2 所示，首先進行鐓粗，去除氧化皮，然后進行預鍛，兩端成形為球形；再進行終鍛成球形。

模具裝配圖如圖3 所示，熱剪切下料后料段由料段夾持器夾持送往第一工位鐓粗成形、去除氧化皮。鐓粗成形結束后，由四點接觸式機械手將鐓粗后的工件送至第二工位進行預鍛成形，第三工位由半球形的凸、凹模進行合模終鍛成形。高速鐓鍛機模具采用組合式結構設計，參與成形的易損件模具尺寸在滿足模具使用壽命需求的前提下盡可能減小，這將大大降低模具的材料成本。生產(chǎn)速度快，工件和模具的接觸時間極短，生產(chǎn)過程中成形模具直接用水進行冷卻，這大大降低了模具的表面工作溫度，從而提高了模具的使用壽命。

鋼球毛坯在鍛后需進行快速控制冷卻，然后進行球化退火，出廠前再對球坯進行外觀缺陷及內(nèi)部金相組織檢驗。

關鍵技術

鍛造溫度控制

考慮到鋼球的鍛后組織，鋼球毛坯的始鍛溫度范圍為1050 ～1080℃，終鍛溫度一般為950 ～980℃。在棒料加熱后，由固定式雙測溫槍進行實時溫度監(jiān)測并將相關信息傳輸至高速鐓鍛機控制系統(tǒng)。對于不在設定溫度范圍內(nèi)的棒料，由剪切機構下料后丟入廢料槽，避免產(chǎn)生不合格鍛件。

球坯出料改進

AMP50XL 的四個工位為臥式水平布置，在第四工位凹模側下方設有出料口。球坯從第三工位凹模型腔頂出后，有時球坯會出現(xiàn)滾動現(xiàn)象，現(xiàn)有機械手為四點接觸方式夾持（圖4），球面和機械手鉗指之間是點接觸，接觸面積較小，在傳送時可能出現(xiàn)夾持不穩(wěn)，影響工藝穩(wěn)定性。因此，自行設計了球坯接料槽，將第三工位成形后的球坯通過接料槽順暢地移至出料口。通過生產(chǎn)驗證，球坯出料平穩(wěn)，生產(chǎn)穩(wěn)定性好。

鍛后控制冷卻

高碳鉻軸承鋼在熱鍛成形后的冷卻過程中，隨著碳在奧氏體中的溶解度降低，過飽和碳以碳化物的形式從奧氏體中沿奧氏體的晶界析出，形成碳化物網(wǎng)狀組織，這些網(wǎng)狀碳化物在后續(xù)的球化退火中也不能消除。而網(wǎng)狀碳化物的存在，嚴重影響軸承鋼性能，將直接影響到軸承鋼球成品的使用壽命，因此，網(wǎng)狀碳化物級別的控制是鋼球鍛件關鍵的指標之一。一般情況下，鍛件出料后可在傳送帶上進行控制冷卻。但是，鋼球毛坯這種實心鍛件表面冷卻快、心部冷卻慢，容易析出網(wǎng)狀碳化物，造成質(zhì)量缺陷。因此，對于鋼球鍛后控制冷卻工藝進行優(yōu)化改善，采用分段冷卻方式，各個區(qū)段控制的鋼球毛坯表面溫度變化趨勢如圖5 所示，先進行水冷，然后風冷，再進行噴霧冷卻，最后空冷至室溫。

經(jīng)過多次試驗和工藝驗證，經(jīng)過球化退火后的鋼球毛坯網(wǎng)狀組織可達到2 級以下，鍛造流線連續(xù)、分布合理，如圖6 所示，滿足質(zhì)量要求。

結束語

通過以上技術攻關，最終實現(xiàn)了風電鋼球毛坯在AMP50XL 高速鐓鍛機上的批量化生產(chǎn)，圖7 為生產(chǎn)的部分鋼球毛坯。現(xiàn)在8 小時單班平均可生產(chǎn)2 萬～3萬件。通過測試，此工藝生產(chǎn)的鋼球毛坯大大提升了軸承的質(zhì)量，達到了使用壽命要求。