任　猛　錢(qián)莉麗　杜　錦　江盛龍(亞洲重工集團(tuán)有限公司，江蘇214128)

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論最小鍛比

任猛錢(qián)莉麗杜錦江盛龍
(亞洲重工集團(tuán)有限公司，江蘇214128)

摘要:鍛比作為一個(gè)宏觀指標(biāo)，只代表鍛件所經(jīng)歷的截面形狀變化。合理控制砧寬比、壓下量等對(duì)內(nèi)部變形起決定性作用的參數(shù)，可以在小鍛比條件下生產(chǎn)合格產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞:最小鍛比;砧寬比;壓下量;鍛造方法

人們對(duì)于鍛比的認(rèn)識(shí)一直是存在爭(zhēng)議的。直到今天，在許多產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，還有對(duì)鍛比的相關(guān)規(guī)定，比如要求鍛比大于3、大于4，甚至大于6等等。但是在生產(chǎn)實(shí)際中卻常常發(fā)現(xiàn)，用同樣鍛比生產(chǎn)的鍛件，有的無(wú)損檢測(cè)合格，有的卻缺陷嚴(yán)重。有時(shí)使用同一爐鋼錠，在不同的鍛造廠家、用不同的工藝生產(chǎn)，其無(wú)損檢測(cè)結(jié)果也往往差別很大。顯然，這種情況單純用鍛比這個(gè)數(shù)據(jù)是解釋不清楚的。

圖1粗略示意了一塊坯料在不同砧寬比條件下鍛造時(shí)，其內(nèi)部大變形區(qū)分布的差別。

可以看出，當(dāng)砧寬比較小時(shí)，塑性大變形區(qū)只存在于坯料的表面附近。圖1①的情況有點(diǎn)類(lèi)似于剁刀，但隨著砧寬比逐漸增大，大變形區(qū)逐漸向坯料的心部移動(dòng)。研究結(jié)果表明，在上下平砧拔長(zhǎng)時(shí)，只有當(dāng)砧寬比≥0．51時(shí)，坯料心部的變形才能達(dá)到整個(gè)截面最大。用FM法拔長(zhǎng)時(shí)，砧寬比≥0．4時(shí)，坯料心部的變形最大［1］。所以，對(duì)于某一特定截面的鍛件來(lái)說(shuō)，使用不同寬度的砧子和鍛造方法，在同一鍛比條件下，生產(chǎn)的鍛件內(nèi)部質(zhì)量效果會(huì)差別極大。

舉例說(shuō)明:用一個(gè)平均直徑為?1 000 mm的鋼錠，鍛造一支最大直徑?500 mm的軸類(lèi)鍛件，若采用直接拔長(zhǎng)，其鍛比為4。如果在16 MN快鍛壓機(jī)上生產(chǎn)，砧子為320 mm上下平砧。很顯然，鍛比為4時(shí)，最大直徑500 mm處的鍛件心部是鍛不透的。而使用砧寬為500mm的上下平

圖1　坯料內(nèi)部大變形區(qū)分布情況Figure 1　 Distribution of large deformation zones inside billet

砧，在同樣鍛比為4的條件下，不但內(nèi)部變形非常充分，甚至用平均直徑為?750 mm的鋼錠，按照極限鍛造成形法的程序拔長(zhǎng)，也能充分地壓實(shí)鍛透［2］，這時(shí)的鍛比降為2．25。而如果使用500 mm上平砧、下平臺(tái)的FM法鍛造，給出拔長(zhǎng)程序，還可以將每趟的第一砧壓在相對(duì)最大直徑500 mm處，那么使用平均直徑為?650 mm的鋼錠，也完全可以鍛透，其鍛比僅為1．69(拔長(zhǎng)過(guò)程如表1所示)。

該過(guò)程中，所有8趟拔長(zhǎng)皆為有效趟數(shù)。其

表1　用500 mm上砧FM法拔長(zhǎng)?650 mm鋼錠程序Table 1　FM method drawing process for?650 mm steel ingot by 500 mm top anvil

表2　鍛比為1．87的42CrMoA輥軸鍛造工藝Table 2　Forging process for 42CrMoA roll shaft with forging ratio 1．87

表3　鍛比為1．69的6 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛造工藝Table 3　Forging process for 6 MW generator rotor with forging ratio 1．69

中有4趟壓下后的坯料高度小于鍛件直徑500 mm，可見(jiàn)其內(nèi)部變形非常充分。坯料最后的形狀為一向帶鼓肚的480 mm方，然后壓八方500 mm，卡臺(tái)、滾圓、成形。

1　極限鍛比的概念

關(guān)于鍛比的爭(zhēng)論，實(shí)際上在20世紀(jì)70年代后期就已基本上有了定論。日本室蘭制作所連續(xù)冶煉出了400 t～570 t的超大型鋼錠，用于生產(chǎn)直徑2 500 mm以上大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子［3］。顯然，這樣大的鋼錠在110 MN壓機(jī)上是無(wú)法進(jìn)行鐓粗的，只能通過(guò)直接拔長(zhǎng)的方法鍛造成形，然而無(wú)損檢測(cè)和性能都合格了。據(jù)報(bào)導(dǎo)其實(shí)際鍛比為2．7左右，而當(dāng)時(shí)許多電站標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的轉(zhuǎn)子鍛比應(yīng)不小于3．5。德國(guó)蒂森公司規(guī)定轉(zhuǎn)子最小鍛比為3．0，軋輥1．8～2．5［4］。清華大學(xué)鐘杰博士的研

表4　拔長(zhǎng)鍛比為1．34的實(shí)心磁扼鍛造工藝Table 4　Forging process for solid magnetic clutches with forging ratio 1．34

究中，通過(guò)采用合理布砧、控制局部壓下量，鍛合內(nèi)部孔洞的最小鍛比為1．93左右［5］。

那么，鍛比究竟可以小到多少才是臨界值呢?

試想一個(gè)非常極端的情況:使用一副無(wú)限長(zhǎng)、無(wú)限寬的上下平砧，拔長(zhǎng)一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的圓鋼錠，經(jīng)過(guò)數(shù)次較大拔長(zhǎng)變形后，鋼錠已經(jīng)被充分壓實(shí)鍛透。但這時(shí)候再把鋼錠收回到圓截面時(shí)，由于存在表面摩擦和坯料太長(zhǎng)的緣故，每次壓下變形時(shí)，坯料只是橫截面形狀發(fā)生變化，其長(zhǎng)度并不增加。根據(jù)體積不變定律，壓實(shí)鍛透后的圓截面積仍然與拔長(zhǎng)前相同，那么其鍛比就是1。如果按照常規(guī)的理解，鍛比為1相當(dāng)于沒(méi)有鍛造變形，但是該鋼錠確實(shí)已經(jīng)被壓實(shí)鍛透了。

當(dāng)然這只是一種極端情況下的假設(shè)。如果考慮到對(duì)鋼錠壓合內(nèi)部孔洞時(shí)，鋼錠截面實(shí)際上會(huì)發(fā)生少許收縮，就算大約2%的收縮量，那么其鍛比為1．041。而這，就可以被看作理想狀態(tài)下鍛比的最小臨界值。有了這個(gè)概念，我們的工藝方法就可以朝著這個(gè)方向接近。在實(shí)際鍛造的過(guò)程中，設(shè)法使坯料最大截面的心部產(chǎn)生最大變形，保證內(nèi)部壓實(shí)鍛透，而對(duì)于鍛件外層，則在成形的過(guò)程中，順便就會(huì)變形充分。所以通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)，可以使鍛比達(dá)到最小。

2　小鍛比制造鍛件的實(shí)例

2．1?1 390 mm軋輥拔長(zhǎng)鍛比1．87

表2為一支42CrMoA大型輥軸，重量49 065 kg，長(zhǎng)度5 020 mm，用60 MN壓機(jī)生產(chǎn)。為了減少鍛造火次、縮短操作時(shí)間，并且充分保證壓實(shí)鍛透效果，工藝上采用了FM法連續(xù)拔長(zhǎng)程序。64．5 t鋼錠本身的平均直徑已接近?1 700 mm，只將其鐓粗至?1 900 mm，拔長(zhǎng)9趟。在總共9趟拔長(zhǎng)中，有3趟壓下后的高度小于鍛件的最大直徑?1 390 mm，分別為1 300 mm、1 160 mm和1 260 mm。拔長(zhǎng)后成扁方1 700 mm×1 260 mm入爐高溫?cái)U(kuò)散，最終成形的拔長(zhǎng)鍛比，按照名義尺寸為1．868。

2．2 6 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛比1．69

2001年，宏達(dá)12．5 MN水壓機(jī)承接了10支6 MW發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子訂貨，材質(zhì)為34CrMo1A。選用了當(dāng)時(shí)質(zhì)量較好的無(wú)錫鋼廠10 t真空精煉鋼錠。這種轉(zhuǎn)子，原來(lái)在北重和天重，都是用16 t鋼錠，用60 MN水壓機(jī)生產(chǎn)，鍛件重量9 t左右，只鍛出5個(gè)臺(tái)階。我們用小噸位的壓機(jī)、使用較小鋼錠，為了提高材料利用率，工藝要求鍛出7個(gè)臺(tái)階(表3)，鍛件連火耗總計(jì)7 500 kg。由于壓機(jī)的噸位太小，鋼錠不可能鐓粗，所以只能直接拔長(zhǎng)。

由于拔長(zhǎng)總共只有6趟，為了保證轉(zhuǎn)子大身部位壓實(shí)鍛透，采取了每趟第一砧滿(mǎn)砧壓中間的措施，加大了鋼錠心部的變形量。10支轉(zhuǎn)子在超聲檢測(cè)時(shí)，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷波顯示。以后幾年，又陸續(xù)生產(chǎn)了幾十支類(lèi)似的轉(zhuǎn)子，全部合格交貨。

2．3實(shí)心磁扼拔長(zhǎng)鍛比1．34

2001年，宏達(dá)公司承接了三件實(shí)心磁扼鍛件訂貨。該種鍛件，在其它企業(yè)用25 MN或31．5 MN壓機(jī)生產(chǎn)，鍛件重量10．5 t，使用15 t鋼錠鍛制。而宏達(dá)公司只有12．5 MN壓機(jī)和10 t操作機(jī)，便將鍛件重量壓縮至9．85 t，用13 t鋼錠生產(chǎn)，操作時(shí)采用行車(chē)抱鉗配合的辦法。

當(dāng)時(shí)所遇到的難題是:由于壓機(jī)噸位太小，不可能進(jìn)行鐓粗，若直接拔長(zhǎng)成形，鍛比又非常小，鍛件內(nèi)部不可能鍛透?？紤]到磁扼中心有?180 mm左右的通孔無(wú)須鍛出，所以其心部的壓實(shí)條件可以放寬，只要缺陷體積不大于該范圍即可。工藝采用700 mm上砧FM法拔長(zhǎng)4趟下料［6］，在成形過(guò)程中又采用兩次壓窩，增大心部變形。壓窩平整后，坯料高度比鍛件高度低了200 mm，然后再滾外圓收回到鍛件實(shí)際尺寸。最后，鍛件在超聲檢測(cè)時(shí)，心部輕微疏松缺陷顯示區(qū)域恰好都位于中心線(xiàn)?120 mm以?xún)?nèi)，成功合格交貨，創(chuàng)造了小壓機(jī)生產(chǎn)較大電站鍛件的先例。

3　結(jié)論

( 1)鍛比通常只能作為一個(gè)宏觀指標(biāo)，表示鍛件在鍛造成形過(guò)程中的截面尺寸變化。真正對(duì)壓實(shí)鍛透起決定性作用的是砧寬比、壓下量等工藝參數(shù)。

( 2)采用有效壓實(shí)鍛造法、極限鍛造成形法和其它輔助方法，充分利用鋼錠和鍛件形狀之間的邊界條件，可以在盡可能小的鍛比條件下，巧妙生產(chǎn)出合格鍛件。

參考文獻(xiàn)

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［6］任猛，董金雷，王中安．優(yōu)化鍛造工藝手冊(cè)．亞洲重工集團(tuán)有限公司技術(shù)文件，2000．

編輯李韋螢

Statement of the Minimum Forging Ratio

Ren Meng，Qian Lili，Du Jin，Jiang Shenglong

Abstract:The forging ratio is just a macro indicator and only shows the shape change of the forging cross section．The determinant parameters such as the anvil width ratio and reduction which influence on the inner deformation will be controlled and the acceptable products will be obtained with minimum forging ratio．

Key words:minimum forging ratio; anvil width ratio; reduction; forging method

收稿日期:2013—06—13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TG316