一種核電凸緣輪轂的自由鍛鍛造方法

文/胡兆明·常州市雙強機械制造有限公司

錢云杰·江蘇恒立液壓股份有限公司

王平懷·寶雞石油機械有限責任公司

本文通過對核電凸緣輪轂鍛件的分析，從理論上對核電凸緣輪轂鍛件的鍛造可行性進行探討。結合鍛造廠的生產實際，制定鍛造工藝。從下料、加熱、鍛造、鍛后處理、檢驗進行規范，分析鍛造變形過程的可行性。確保鍛出形狀，保證鍛件力學性能，提高鍛件的質量，為高質量的核電凸緣輪轂提供質量保證。

我公司是集自由鍛、模鍛、機械加工為一體的綜合性企業。現擁有5噸電液錘、6500mm輾環機組、5000t油壓機等設備，具有CCS、ABS船級社認證，生產應用于風電、航天、船舶、工程機械的精密模鍛件，同時生產各種大型自由鍛件。

工藝分析

凸緣輪轂是我公司為國內某公司供應的一種核電配件。數量少，質量要求高，對鍛件的力學性能及無損探傷都有很高的要求。鍛造是改善鍛件內部質量的關鍵工序，鍛件質量直接影響凸緣輪轂的整體重量。我們從下料、加熱、鍛造過程、鍛后正火、冷卻等方面進行全方位的控制，鍛出了質量合格，外形滿足用戶要求的優質鍛件。

凸緣輪轂的形狀如圖1所示，它的形狀為大圓盤帶一個凸起的小圓盤，中間一個孔。產品質量要求高，鍛造難度大。以往的工藝是鍛成圓餅，目前，客戶提出更高的要求，要求我們鍛出凸緣，并且不承擔模具費用。為了滿足用戶要求，提高鍛件質量，我們經過分析對凸緣輪轂的鍛造提出了三種方案。

圖1 零件圖

方案一：鍛一個圓餅，中間沖一個孔，鍛件為一個圓盤。該鍛造過程簡單，有利于成形。但是鍛件重量需要達到10964kg，不符合用戶要求。

方案二：設計制作一個鍛造漏盤模具，利用模具成形凸緣，這需要加工一個模具。鍛造過程比方案一略復雜，鍛件重量7333kg，節約3631kg。但需要制作一個漏盤模具，模具重3600kg。

方案三：利用自由鍛的方法，通過一定的鍛造過程，鍛出凸緣，節約了模具費用。鍛造過程比方案一和方案二都復雜，重量與方案二相仿。此方案既達到減輕重量的目的，又不需要模具，但對鍛造技術要求高，需要制定完備的工藝方案。

根據零件形狀對產品的鍛造可行性進行分析，制定一種凸緣輪轂的自由鍛工藝方法，采用方案三，解決了方案一中存在的不合理、不科學的工藝而導致成品材料利用率低的問題。省去了方案二中需要的模具加工。

鍛造工藝的原理是，利用一些簡單的鍛造輔助工具，采用獨特的工藝方法進行鍛造加工。所制備的凸緣輪轂鍛件沿成品外形成形，能夠保持鍛件的完整流線；其力學性能指標優于方塊進行機械加工件；節省原材料，降低成本提高質量。

凸緣輪轂所用材料為45鋼。由于鍛件形狀獨特，自由鍛鍛出凸緣難度大。根據本體的零件特點，結合鍛造廠的生產實際情況，研究制定鍛造工藝方案，研究鍛造的可行性。

進行鍛造工藝設計，鍛件最大限度接近零件形狀。編制鍛造工藝鍛件圖、鍛造工序工步圖，選擇鍛造工藝參數：下料規格、重量、鍛造溫度、設備、冷卻、鍛后處理等。嚴格按工藝執行，保證鍛造順利進行，滿足鍛造工藝要求。

生產工藝流程

計算鍛件重量、下料重量

根據鍛造工藝鍛件圖(圖2)計算鍛件重量，就是密度乘以體積，并考慮鍛件的過渡部分的不平等因素，考慮沖孔芯料等。綜合考慮計算出鍛件重量為6793kg；下料為7333kg。由于沖孔會產生芯料損失，芯料重量為60kg。6793+60=6853kg。按三火次鍛造，火耗為1.07。

6853×1.07=7333kg。而鍛造圓餅的重量為10187kg，加上沖孔芯料和火耗下料重量為10964kg。新的鍛造工藝方法比較以往的工藝方法單件節約原材料10964-7333=3631kg 。

下料規格的選取

采用10.5噸鋼錠為原材料，材料為45鋼，鋸切下料并充分切除水口及冒口，重量約7340kg，利用率為70%。一般的工藝方法是采用工裝熱切，我們采用加熱前進行鋸切，用鋸床將水口、冒口鋸除，留下錠身，進爐加熱。注意觀察鋼錠表面有無缺陷，若發現缺陷立即磨除。

設備與加熱

根據鍛造設備的鍛造能力，鍛件需要的鍛造噸位和鍛造廠的實際情況，并考慮鍛造工人的素質，選取5000噸壓力機。加熱設備選取天然氣室式爐，根據鍛件材料(45鋼)始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為850℃。

根據鍛造工藝鍛件圖2，考慮到零件的復雜程度和變形過程，選取鍛造火次為3火次。根據鍛件材料(45鋼)，原材料形式(鋼錠)和鍛件的有效散熱面積，鍛后冷卻采用鍛后控制處理。

圖2 鍛件圖

加熱前錠身在加熱爐門口靜置5小時，然后再進爐加熱。為了避免冷熱鋼錠同時加熱，將爐內其他鍛坯加熱完畢后，清爐降溫，保證凸緣輪轂用料獨自一爐加熱。鋼錠直徑大頭約φ970mm，小頭φ910mm，首先，設定爐溫為700℃，鋼錠進爐保溫3小時；經過1.5小時升溫，爐溫升到850℃，保溫2小時；最后經2小時升溫達到爐溫1250℃，保溫4小時，總加熱時間12.5小時。鋼錠應充分加熱透，方可出爐進行鍛造。當溫度低于終鍛溫度850℃時，必須停鍛，入爐重新加熱方可出爐進行鍛造。

坯料出爐，操作機夾持鋼錠，進行倒棱，倒去棱角后焊合鋼錠皮下缺陷，此步驟可防止鍛件開裂。

鍛造工藝過程

鋼錠整個鍛造過程如下，成品鍛件如圖3所示。

圖3 成品鍛件圖

⑴鋼錠倒棱角后尺寸為φ900mm×1430mm，鐓粗到φ1300mm×685mm，鍛造比為2。

⑵然后將鋼錠拔長到φ900mm，鍛造比為2。

⑶再次鐓粗到φ1300mm，鍛造比為2。

⑷然后將鋼錠拔長到φ1000mm，鍛造比為1.7。

⑸再次鐓粗到φ1780mm，鍛造比為3.1。僅鐓粗鍛造比達到7.1時，鍛造比滿足要求，鍛件技術協議要求鍛造比大于6，鋼錠充分鍛透。

⑹用φ350mm沖頭沖制φ350mm內孔。

⑺用φ25mm圓鋼焊一個內徑為φ780mm的圓環。圖4為壓痕圓環，將壓痕圓環夾持放在圓餅上，調整好中心，輕壓深度約為10mm,目的是為隨后的鍛造定一個壓制基準。

圖4 壓痕圓環

⑻操作機夾持圓盤側邊一邊，以壓痕為基準輕壓一下。然后轉動圓盤約30°依次以壓痕為基準輕壓轉動一圈后，開始轉圈壓制。

⑼將邊緣一圈壓到厚度222mm，操作機夾持中間凸起，將圓盤立起，滾圓。

⑽修正到工藝尺寸。

鍛后處理

一般鋼錠鍛造完成后，由于鋼錠中含有有害氣體，需要進行鍛后處理。為了防止白點的產生，鍛后采用等溫退火進行去氫處理。白點是鍛件冷卻過程中產生的一種內部缺陷，鋼錠中的氫在鍛造過程中來不及逸出，而殘留在材料中從而產生應力，與鍛件冷卻過程中組織相變應力共同作用使鍛件產生內部缺陷，同時鍛造殘余應力和溫度熱應力對鍛件也有一定影響。因此，鍛造后首先要進行去氫處理。

鍛件鍛后要保持600℃以上入爐，爐溫控制在600℃。等待本批鍛件全部鍛完，都裝入退火爐后，進行正式去氫處理。爐溫升至(640±20)℃,此溫度下等溫保溫30小時，充分進行去氫處理，最后升溫到870℃進行正火處理。

結束語

本批產品交付用戶，經隨后的一系列尺寸檢驗、磁粉探傷、超聲波探傷、鍛件的力學性能檢驗，結果顯示鍛件完全符合用戶要求。說明我們設計的工藝過程是合理可行的，我公司采用自由鍛鍛造凸緣輪轂，合理利用工藝鍛出凸緣，節約了大量的原材料，降低了用戶的成本。使我公司在核電鍛件鍛造上邁上一個新的臺階，極大地提高了企業競爭力。