大型锻件

大型锻件（共7篇）

大型锻件 篇1

0 引言

镦粗是大型锻件锻造的基本工序,除作为饼类、环类锻件的成形工序外,拔长前进行镦粗以增大锻比也是常见的工艺。对于大型锻件,镦粗前虽有压钳口、倒棱、去锭底等工序,但镦粗毛坯的组织仍是铸造组织,一般认为:它对打碎铸态组织,修复内部空隙性缺陷,提高大型锻件强度、韧性都有良好作用,在大型锻件锻造生产中起着至关重要的作用[1,2]。

镦粗过程中侧表面开裂是常见的缺陷之一,多数情况下,一旦可见裂纹产生,为防止其进一步发展,镦粗停止,吹氧清除,然后返炉重新加热。由于开裂,一般要增加火次,加大能源耗费,打乱正常工艺的执行,使大型锻件的组织性能难以得到保证。

镦粗过程中锻坯的表面开裂,既和镦粗工艺下的应力状态、应变速率大小有关,又和锻坯的化学成分、高温下的组织性能有关。目前还没有见到综合上述几个因素研究镦粗过程中锻坯表面开裂的文献[3]。

材料的塑性变形是线缺陷的运动,也是缺陷的累积过程,包含微裂纹的形核与发展,塑性变形过程伴随着材料的损伤。本文借助损伤力学的研究方法和结论,研究镦粗过程中锻坯侧表面的开裂,建立以工艺参数为变量的条件,满足实际生产的需要。

1 临界空穴扩张比理论

金属材料的塑性断裂是大塑性变形的结果。大变形情况下,有效应力可能没有显著变化,而有效应变的数值则会有极大的不同。通常用有效塑性应变表达塑性破断的临界条件[4],即

$\overline{\epsilon }{}_{\text{p}}=\overline{\epsilon }{}_{\text{f}}(1)$

式中,$\overline{\epsilon }{}_{\text{p}}$为作用载荷下的有效塑性应变;$\overline{\epsilon }{}_{\text{f}}$为材料破断时的临界有效塑性应变。

式(1)不是独立参数判据,因为材料的有效塑性破坏应变εf是与应力状态有关的。在准静态、常温、比例加载条件下,得

$\epsilon {}_{\text{f}}=f{}_1(\frac{J{}_1}{J^{\prime }{}_2})=f{}_2(\frac{\sigma {}_{\text{m}}}{\overline{\sigma }{}_{\text{p}}})=f{}_2(R{}_{\sigma })(2)$

$R{}_{\sigma }=\frac{\sigma {}_{\text{m}}}{\overline{\sigma }{}_{\text{p}}}$

式中,J1为应力张量第一不变量;J′2为应力偏量第二不变量;σm为平均应力或静水应力分量;Rσ为应力三轴度;$\overline{\sigma }{}_{\text{p}}$为塑性等效应力;f1、f2为用实验方法求得的某函数形式。

塑性断裂判据应明确写为

$\overline{\epsilon }{}_{R{}_{\sigma }}=\overline{\epsilon }{}_{\text{f}}(R{}_{\sigma })(3)$

式中,$\overline{\epsilon }{}_{R{}_{\sigma }}$为应力三轴度Rσ下的有效塑性应变;$\overline{\epsilon }{}_{\text{f}}(R{}_{\sigma })$为应力三轴度Rσ下的有效断裂应变。

式(3)要求事先求得材料在不同应力三轴度下的断裂应变值,不仅实测量大,也不便于比较材料的相对韧度,作为一种理论上的判据,它能适用于不同的应力状态,所以可以将式(3)改为

$\overline{\epsilon }{}_{\text{f}}f(R{}_{\sigma })=\text{c}\text{o}\text{n}\text{s}\text{t}(4)$

f(Rσ)=1/f2(Rσ)

式中,const表示常数值。

设式(4)的常数值为

$V{}_{\text{G}\text{C}}=\overline{\epsilon }{}_{\text{f}}f(R{}_{\sigma })(5)$

VGC称为临界空穴扩张比。这就意味着式(5)完全可以作为一个宏观形式的临界空穴扩张比参数(实验证明,VGC是不敏感于Rσ的常数)。

所以当工作条件下的空穴扩张比

$V{}_{\text{G}}=\overline{\epsilon }{}_{\text{p}}f(R{}_{\sigma })(6)$

达到材料的VGC值,即VG=VGC时,材料就出现微观破坏,这样式(6)就代表了新的塑性断裂判据——临界空穴扩张比判据。

实验研究证实,式(5)中的函数f(Rσ)可取为

f(Rσ)=exp(3Rσ/2) (7)

2 镦粗变形不均匀的参数描述

2.1 相对直径比

镦粗过程中,由于端面摩擦的影响,毛坯产生不均匀变形,其明显标志是侧表面产生鼓形。不均匀变形导致轴向、周向产生附加应力,鼓形的大小决定附加应力的大小。文献[5]使用相对直径比来表示镦粗工序中毛坯产生鼓形的大小,即

K=(Dg-D0)/D0 (8)

式中,Dg为镦粗后坯料中部最大直径;D0为镦粗前坯料初始直径。

大型锻件的镦粗工序前,通常要进行压钳口、倒棱、去水口工序,倒棱后的钢锭毛坯接近于圆柱形,因此,大型锻件的镦粗在理论上和实际操作中都非常接近圆柱体不均匀压缩,大型锻件的镦粗都是在高温下进行的,镦粗过程中,毛坯各质点的应力大小取决于毛坯瞬时几何形状尺寸、应变速率大小、材料常数、加载历史等,毛坯瞬时几何形状尺寸是最要的因素,由于式(8)中不含毛坯瞬时高度和端部直径,不能描述毛坯的瞬时尺寸形状,为此,本文引入瞬时鼓形系数的概念。

2.2 瞬时鼓形系数

瞬时鼓形的大小与圆柱坯母线上最大直径差和高度有关,最大直径差愈大,则瞬时鼓形愈大,在最大直径差不变的情况下,高度愈大,瞬时鼓形愈小。因此,定义瞬时鼓形系数k如下:

k=(dmax-dmin)/h (9)

式中,dmax为镦粗毛坯鼓形处瞬时最大直径;dmin为镦粗毛坯两端部瞬时平均直径;h为镦粗毛坯瞬时高度。

如图1所示,瞬时鼓形系数k=tanα,显然,α角愈大,镦粗变形愈不均匀,瞬时鼓形系数k也愈大。

2.3 影响瞬时鼓形系数的因素

端面摩擦是镦粗工序中产生鼓形的直接原因,在端面摩擦不变的的情况下,鼓形的大小与相对压下量的大小有关。瞬时鼓形系数k与摩擦因数μ、相对压下量εh的关系见图2。

由图2可知:摩擦因数愈大,瞬时鼓形系数愈大;当摩擦因数小于0.3时,瞬时鼓形系数随摩擦因数的增大表现为迅速增大;摩擦因数在0.3～0.5之间时,瞬时鼓形系数均匀增大且增大幅度小。在摩擦因数不变的条件下,瞬时鼓形系数随相对压下量线性增大,其关系可用下式表示:

k=z(μ)εh (10)

其中,z(μ)由摩擦因数确定,其值见表1。相对压下量εh的表达式为

εh=(h0-h)/h0 (11)

式中,h0为镦粗毛坯的原高度。

3 应力三轴度与鼓形系数的关系

工作条件下的空穴扩张比是表示塑性变形质点随塑性变形的进行其自身损伤程度的变量,其大小由式(6)计算,函数f(Rσ)依赖于应力三轴度Rσ,对空穴扩张比的计算主要是应力场的计算,用解析方法计算钢锭镦粗的应力场仍有相当的困难,借助数值方法计算,分析应力三轴度Rσ与瞬时鼓形系数k的关系。

3.1 有限元模型

钢锭镦粗可看作轴对称性问题,

采用Deform软件进行分析。有限元模型如图3所示,为便于与实验对比,高径比为1.6,材料为45碳钢,大型锻件镦粗变形中,由于钢锭质量大,热容量大,毛坯内温度梯度不大,略去温度场变化的影响。

3.2 经向压应力随瞬时鼓形系数的变化

图4所示为端面不同摩擦因数下,鼓形顶点处的经向应力系数随瞬时鼓形系数的变化情况,由于经向、纬向应力系数分别能表征径向、纬向应力的大小,因此,从图4可以看出:尽管镦粗毛坯侧面鼓形的出现是由端面摩擦引起的,但鼓形出现后,端面摩擦的状况基本不影响瞬时经向应力的大小,除材料物理性能外,瞬时几何形状是影响经向应力最主要的因素;经向应力的大小(代数值)随瞬时鼓形系数的增大,几乎按线性增大。当瞬时鼓形系数等于0.3时,经向应力仅为初始屈服应力的1/4。

3.3 纬向拉应力随瞬时鼓形系数的变化

图5所示为端面不同摩擦因数下,鼓形顶点处的纬向应力系数随鼓形系数变化的变化情况,其变化趋势与经向应力系数基本一致,所不同是一旦镦粗毛坯侧面鼓形,纬向即出现拉应力。当瞬时鼓形系数等于0.3时,纬向应力几乎等于初始屈服应力。在端面摩擦因数一定的情况下,随相对压下量的增大,瞬时鼓形系数单调增大,鼓形顶点处应力状态,逐渐由以压为主变为以拉为主,当瞬时鼓形系数大于0.3时,鼓形顶点处应力接近单向拉应力。

3.4 应力三轴度与鼓形系数的关系

图6所示为端面不同摩擦因数下,鼓形顶点处的应力三轴度随鼓形系数变化的变化情况,两者具有较好的线性关系,几乎与不受端面摩擦状况的影响,其线性关系为

Rσ=Ak+B (12)

式中,A、B为常数。

4 极限相对压下量的计算

镦粗出现鼓形后,鼓形环处纬向为拉应力、经向为压应力,是两向应力状态,但经向应力的绝对值远小于纬向应力的绝对值,式(6)中的塑性等效应变$\overline{\epsilon }{}_{\text{p}}$可取为[6]

$\overline{\epsilon }{}_{\text{p}}=\ln (d{}_{\max }/d{}_0)(13)$

式中,d0为镦粗前钢锭直径。

将式(9)代入式(12),得

Rσ=A[(dmax-dmin)/h]+B (14)

将式(14)代入式(7)得

$f(R{}_{\sigma })=\exp \{\frac{3}{2}[A[(d{}_{\max }-d{}_{\min })/h]+B]\}(15)$

将式(13)、式(15)代入式(6)可求得

$V{}_{\text{G}}=\ln (\frac{d{}_{\max }}{d{}_0})\exp \{\frac{3}{2}[A[(d{}_{\max }-d{}_{\min })/h]+B]\}(16)$

镦粗过程中,毛坯体积不变,采用近似计算,假设镦粗产生鼓形后,毛坯侧壁为双圆台形,则有

$h{}_{0}d{}_0^2=\frac{h}{3}(d{}_{\max }^2+d{}_{\max }d{}_{\min }+d{}_{\min }^2)(17)$

联立式(9)、式(10)得

$z(\mu )\frac{h{}_0-h}{h{}_0}=(d{}_{\max }-d{}_{\min })/h(18)$

式(18)中,对于确定端面摩擦状态,z(μ)为常数。联立式(17)、式(18),再考虑到εh=(h0-h)/h0,可将空穴扩张比VG表示为相对压下量εh的函数即

VG=VG(εh) (19)

图7所示为空穴扩张比VG随相对压下量εh的变化情况。

式(19)中,随着镦粗相对压下量εh的增大,侧面鼓形处的空穴扩张比VG随之增大,当空穴扩张比VG之值达到临界空穴扩张比VGC时,有

VG(εh) =VGC (20)

由式(20)确定的相对压下量称为镦粗的极限相对压下量,用εhc表示

εh<εhc (21)

式(21)称为大型锻件锻造镦粗表面无开裂条件。

5 实验验证

实验材料为45碳钢,其物理性能和临界空穴扩张比VGC见表2[7]。

为便于理论计算与实验比较,试件几何尺寸为ϕ15mm×24mm,与数值计算模型的几何尺寸相同。变形前后试样对比如图8所示。实验测得的极限压下量见表3。

式(20)计算的极限相对压下量εhc=0.48,实验测得的极限压下量为12.63mm,极限相对压下量εhc=0.53。两者约差10%,表明该条件是正确的。

6 结论

(1)定义了描述镦粗变形不均的变量—瞬时鼓形系数,端面摩擦和相对压下量大小决定其大小。

(2)侧表面鼓形顶点处的经向应力、纬向应力仅是瞬时鼓形系数的函数。

(3)利用损伤力学空穴扩张比理论和塑性力学方程建立的镦粗侧表面无开裂条件是正确的。

参考文献

[1]Valery.Simulation of Forging in Flat and V-ShapeDies[C]//The 14th International Forging Meeting.Wiesbaden,Germany,2000:449-457.

[2]Zimin Y A.The System of Forging Processes andDvelopment of Material Working by Pressure.Ger-man Ironand Steel Institute[C]//The 14th Interna-tional Forgemasters Meeting.Wiesbaden,Germany,2000:63-64.

[3]Yang D Y.Process Desigh of Defect-free Coggingfor Large Rotor Forgings[C]//The 13th Interna-tional Forgemaster Meeting.Pusan,Korea,1999:103-113.

[4]余寿文,冯西桥.损伤力学[M].北京:清华大学出版社,1997.

[5]张志文.锻造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1998.

[6]李国琛,耶纳.塑性大应变微结构力学[M].北京:科学出版社,1998.

[7]郑长卿.裂纹体与无裂纹体统一损伤理论研究文集[M].西安:西北工业大学出版社,1991.

大型锻件 篇2

从动齿圈环形锻件产品生产资质申请

报告

张家港海陆环形锻件有限公司

二〇〇四年六月十四日

目录

第一章总论

§1.1齿圈产品现状…………………………………………………………………

2§1.2海陆公司优势…...……………………………………….…………………………2

§1.3产品试制结论……………………...……………….…………………………2

第二章公司基本情况..……………………………….…………………………2

§2.1企业能力状况……………………………………………………………………………2

§2.1.1技术能力…………………………………………………….……………………2

§2.1.2生产能力………………………………………………………….………………2

§2.1.3试验、检测能力……………………………………………………….…………

2§2.1.4产品质量控制能力…………………………………………………….…………2

§2.1.5企业销售后服务能力……….……………………………………………………2

§2.2企业ISO9001质量体系运行情况………………………………………………………2

第三章产品试制情况……..…………………………….………………………2

§3.1产品试制依据…………………………………………………….………………………2

§3.1.1技术标准依据…………………………………………………….………………2

§3.1.2现行产品图纸………………………………………………………….…………2

§3.1.3用户提出的特殊要求………………………………………………….…………2

§3.1.4生产纲领……………………………………………………………….…………2

§3.2产品试制工艺方案………………………...……….……………………………………2

§3.2.1基本工艺流程…………………………………………………….………………2

§3.2.1.1工艺方案特点…………………………………….………...……………2

§3.2.1.2关键工序质量控制措施…………………………………………………2

§3.2.1.3工艺参数验证情况..…………………………….…………….…………2

§3.2.2生产中试情况………………………………………………………….…………2

§3.2.2.1主要生产设备运行情况……………………….…………...……………2

§3.2.2.2产品质量可追溯性情况…………………………………………………2

§3.2.2.3工艺参数验证情况..…………………………….…………….…………2

§3.2.3环件试制标准化审查结论…………………………………………….…………2

§3.2.4益阳齿轮厂SS3型齿圈加工及检测……………………….……………………2

§3.2.4.1齿圈环件检测……………………………….………...…………………2

§3.2.4.2齿圈轮芯检测……………………………………………………………2

§3.2.4.3齿圈加工、装配参数验证..………………………………………..……

2第四章试制结论…………………………………………...…………….…………2

§4.1产品质量可追溯性情况……………………………………….…….….………………2

§4.2现行产品图纸…………………..…………………………………………….…………2

第五章附件………………………………………………..…….…..……….…………2

§5.1张家港海陆环形锻件公司工商执照影印件……………………………………………2

§5.2张家港海陆环形锻件公司企业代码影印件……………………...….…………………2

§5.3益阳齿轮厂齿圈环件图纸及技术条件……………………………...………….………2

§5.3产品质量可追溯性情况………………………………………………....………………2

§5.4产品质量可追溯性情况…………………………………………………………………2

§5.5产品质量可追溯性情况……………………………………………….…...……………2

§5.6产品质量可追溯性情况……………………………………………….……...…………2

§5.7产品质量可追溯性情况…………………………...…………………….………………2

§5.8产品质量可追溯性情况……………………………...………………….………………2

§5.9产品质量可追溯性情况………………………………...……………….………………2

§5.10产品质量可追溯性情况……………………………….……………….………………2

 

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第一章总论

从动齿圈环形锻件产品系指为铁路干线牵引电力机车（从动）齿轮生产企业提供的齿圈坯产品（简称“齿圈产品”下同）。张家港海陆环形锻件有限公司（简称“海陆公司”下同），是目前国内拥有数控精轧环件设备的少数企业之一，为铁路基础关键零部件的质量升级和推进齿圈产品实现市场化提供了可能。

§1.1齿圈产品的现状

自1960年代以来，齿圈产品一直由马鞍山钢铁公司（简称“马钢”下同）独家垄断生产、经营。由于马钢长期上述产品，其生产设备、工艺装备和工艺设计落后。根据用户反映，目前马钢在产品质量、交货数量和供货时间等方面，均不能满足齿轮加工企业的要求，齿圈产品的价格，不能按照市场规律运作，加大了铁路基础零部件的生产成本。

在生产设备和工艺装备方面，马钢现行的轧制设备、装备和工艺设计尚处于上世纪五十年代的水平。一直处于手工控制轧制设备进行生产的“原始”作业状态，因此产品质量受“人为”因素影响严重，型式尺寸波动大，易造成齿圈内径折叠、产生“飞边”等质量问题，不仅给齿轮生产企业的后续加工带来很大困难，而且在机加工时发生过“飞边”伤人事故。

在产品内部质量控制方面，由于马钢提供齿圈产品为粗轧毛坯件，不具备实施超声波内部探伤检验的条件，也不能进行调质热处理，而齿轮加工企业一般不具备超声波探伤设备，也仅对成品局部表面进行磁粉探伤，因此无法预防和排除产品内部组织缺陷，给铁路机车运行安全带来事故隐患。

市场与产品质量的相互关系表明，只有引进市场竞争机制才会不断推动铁路产品的质量升级，垄断生产、经营将难于改变几十年一贯制的产品落后局面。为此，引入海陆公司的高品质产品，无疑对提高铁路关键基础件的质量等级起到积极作用。

§1.2海陆公司在行业中的地位和优势

海陆公司是国内专业化从事环形锻件生产的主要企业。自1992年投产以来，环形锻件累积产品质量居全国第二位，其产品广泛用于航空、航天、石油、化工、冶金、重机、汽车、造船、核电等行业。公司技术力量较强，不断开发高质量的新产品以满足市场要求，并取得较好的经济和社会效益。

海陆公司长期从事航空、航天和核电设备等特殊行业产品的加工，其生产设备、工艺和检验设备的装备水平较高，专业化程度属于国内先进水平。企业注重对产品生产过程质量的全面控制，将ISO9001质量管理体系严格地落实到每个生产环节，确保产品的内在质量处于无缺陷状态。因此，该公司在上述特殊行业中已树立起良好的企业信誉。海陆公司主要优势体现在以下方面：

1、采用高品质原材料

重要机械产品50％的质量取决于原材料的基本质量水平，上海钢铁公司第五特钢厂是国内著名的合金钢生产企业，产品质量长期处于国内领先地位。海陆公司与上钢五厂建立了长期良好的合作关系，在试制铁路电力机车齿圈产品时仍然采用上钢五厂生产的42CrMoA材料。经试验验证，上述材料无论是化学成分、综合机械性能还是钢的内部组织和纯净度，是其他合金钢厂不可相提并论的。

2、装备先进

（1）轧制设备

生产齿圈产品的主要关键设备涉及环件轧制、调质处理和材料内部组织检验设备。目前海陆公司使用的环件轧制设备可轧制3m直径的全自动数控设备，轧制精度可达到±1mm，由于脱离了“人为”因素的影响其产品质量稳定可靠。

（2）热处理设备

涉及齿圈产品质量的另一个重要工艺环节是调质处理。海陆公司采用井式热处理设备，其温控误差±5℃，保证了材料内部组织性能的一致性，因此经热处理后的材料主要力学指标的波动性很校

（3）排除内部缺陷

材料的内部缺陷是影响机械部件性能和可靠性的重要因素之一。长期以来上述问题一直未能得到妥善解决。海陆公司根据齿轮加工企业的要求，为用户提前完成毛坯件的机加工，然后采用超声波探伤设备对齿圈产品进行全探伤处理，彻底排除了齿圈产品的潜在质量隐患，避免了产品经过大量加工组装后发现内部缺陷所带来的损失，受到用户的青睐。

3、满足用户的各种要求

海陆公司的企业方针始终以满足用户的要求为目标，以市场需求作为企业持续改进的努力方向。在齿圈产品试制过程中，全部采纳了益阳齿轮厂提出的：“代用户进行机加工和调质热处理、材料内部探伤、按照用户的需求量、时间供货、应用户要求开展售后服务”等各项建议。

§1.3齿圈产品的试制结论

～年6月益阳齿轮厂完成了由海陆公司提供的12件（左、右旋各6件）SS3型电力机车从动齿圈产品的齿轮加工和装配工作。为确保上述产品达到铁道部所规定的质量要求，益阳齿轮厂对齿圈产品的冶金指标、理化（含综合力学）指标、型式尺寸、齿轮加工参数、轮芯检验及加工参数、齿轮及轮芯装配参数等重要质量记录进行了严格的检验，确认上述12件齿圈试制品，全部符合铁道部《SS3型电力机车从动齿轮产品》的相关技术标准和要求（见第五章附件目录）。

第二章海陆公司基本情况

海陆公司系经现代化企业制度改造的股份制企业，成立于1992年，位于江苏省张家港市技术开发区，厂区占地面积21300平方米，在册员工100名，专业从事环形锻件产品的加工与服务，在环形锻件加工行业中享有良好的企业声誉和质量信誉。企业内部管理制度健全、执行严格和规范，企业具有强烈的质量意识，从未发生过产品质量事故，赢得了航空、航天及核电设备等特殊行业用户的高度评价和信任。

§2.1企业能力状况

海、降薪、处罚和辞退的主要依据。

§2.1.5.2质量控制方式

企业对产品质量的控制分为四种方式。第一，严格执行工艺规程；第二，按照检验制度对实物产品生产过程进行抽样检验；第三，定期进行产品质量分析；第四，根据ISO9001质量管理体系规定，每年开展1~2次质量管理评审工作。

海陆公司将严格执行工艺规程视为保证产品质量的前提和基础，企业针对不同产品的质量要求，制定相应的工艺流程、操作规范，并严格地落实到每一工序。

实物产品分为工序和出厂两级检验，均由专职检验人员负责。工序检验主要设置在原材料复检、环件成型、热处理、机加工、超声探伤工序；出厂检验由企业质检中心对入库前的成品进行全项检验。抽样方案和检验方法，由技术部根据产品批量做出具体规定并写入操作指导书。

产品质量分析是针对具体产品的质量记录，进行工程能力指数测算，对于Cpk≤1的质量指标采用QC质量分析方法，找出质量指标波动的具体原因，及时调正工艺参数予以纠正。

负责企业质量体系的综合管理部，按照ISO9001质量体系要求，每年开展1~2次全面质量检查工作，对职能和相关部门的质量控制工作进行审查，由管理者代表对企业质量职能部门做出系统性的工作评价，问题责任部门将依据企业质量管理和赏罚制度进行处理。

§2.2质量体系运行情况

执行ISO9001质量管理体系的认真程度，可反映出企业基础性管理工作的质量。海陆公司在每年的外审检查中，从未出现过严重不合格项，对于出现的个别一般不合格项，企业责成责任部门及时关闭，并制定行之有效的纠正和预防措施。根据每次的外审检查结论，证明企业的质量管理体系运行受控和有效。

第三章齿圈产品试制情况

～年6月益阳齿轮厂（简称“益齿厂”下同）根据近几年齿圈产品在质量、价格和供货等方面出现的问题，向海陆公司提出齿圈产品的试制和供货事宜，并要求海陆公司在满足国家和铁道、冶金行业相关现行标准的基础上，为进一步提高齿圈产品质量，确保铁路运输安全，增加了企业对齿圈产品质量的特殊要求。

§3.1标准依据

海陆公司在齿圈产品试制过程中主要采用了以下标准：

1、国家标准

（1）GB/T3077-1999《合金结构钢》

（2）GB/T222-1984《钢的化学成分取样方法及允许偏差》

（3）GB/T226-1991《钢的低倍组织及酸蚀检验法》

（4）GB/T228-1987《金属拉伸试验方法》

（5）GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》

（6）GB/T231-1984《金属布氏硬度试验方法》

（7）GB/T1979-1980《结构钢低倍组织缺陷评级图》

（8）GB/T2975-1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》

（9）GB/T4336-1984《碳素钢和中低钢的光电发射光谱分析方法》

（10）GB/T7736-1987《钢的低倍组织及缺陷超声波检查法》

（11）GB/T10561-1989《钢中非金属夹杂物显微评定方法》

（12）GB/T17505-1998《钢及钢产品交货一般技术条件》

2、铁道行业标准

TB/T2566-1995《机车牵引齿轮渗碳、淬火、回火强化技术条件》

3、冶金行业标准

（1）YB4068-1991《合金结构钢供货技术条件》

（2）YB/T5148-1993《金属平均晶粒度测定法》

§3.2齿圈产品图纸

益齿厂提供的齿圈产品图纸，包括了机加工和产品技术条件（见附件1）。

§3.3用户提出的特殊要求

1、齿圈坯试制采购规范（见附件2）。

2、毛坯正火后进行调质热处理。

3、代益齿厂对毛坯件进行机加工，并符合产品图纸要求。

4、齿圈产品在交货前逐一进行超声波探伤检验，排除内部组织缺陷。

§3.4主要工艺流程

原材料进厂复检锯切下料抽查重量（▲1）室式炉加热（▲2）水压机制坯碾环机轧制（▲3）聚冷正火

型式尺寸和外观质量检查（▲4）粗车机加工超声波探伤（▲5）

调质热处理（▲6）硬度检查（▲7）精车机加工型式尺寸检查（▲8）取样理化检验（▲9）打印标识包装入库。

注：▲表示重要工序质量控制点

▲1─坯重控制检查

▲2─坯料加热温度与时间控制检查

▲3─环件碾制终轧温度控制

▲4─型式尺寸检查

▲5─超声波逐件内部组织缺陷检查

▲6─控制调质热处理加热温度、时间、淬火、水温和淬火时间

▲7─检查调质热处理后的环件硬度

▲8─成品型式尺寸检查

▲9─成品理化指标检验

§3.4.1原材料进厂检验

齿圈产品采用了上钢五厂生产的42CrMoA钢坯，钢坯特点：有害元素和非金属夹杂物含量远远低于GB/T3077-1999《合金结构钢》和YB4068-1991《合金结构钢供货技术条件》规定值。

§3.4.1.1主要冶金指标检验结论（见表1）

42CrMo

A钢坯主要冶金指标检验结果表

1高低倍检测

高倍组织检验

低倍组织检验

（级）

晶粒度（级）

非金属夹杂物检测（级）

塑性夹杂

脆性夹杂

检测结果

10.5一般疏松<1；中心疏松<1；偏析0

§3.4.1.2化学成分检验（见表2）

化学成分检验记录由上钢五厂钢坯出厂质检证明和海陆公司进厂复检证明组成（见附件3、4）。

42CrMoA钢坯化学成分检验结果（%）表

2化学成分

C

Si

Mn

Cr

Mo

p

S

标准值

0.38~0.4

50.17~0.37

0.50~0.80

0.90~1.20

0.15~0.25

≤0.025

≤0.025

检验值

0.40

0.27

0.6

31.03

0.18

0.013

0.002

§3.4.1.3综合力学、工艺性能复检

海陆公司根据上钢五厂提供的热处理工艺参数，§3.4.2原材料

§3.1产品试制依据…………………………………………………….………………………

2§3.1.1技术标准依据…………………………………………………….………………2

§3.1.2现行产品图纸………………………………………………………….…………2

§3.1.3用户提出的特殊要求………………………………………………….…………2

§3.1.4生产纲领……………………………………………………………….…………2

§3.2产品试制工艺方案………………………...……….……………………………………2

§3.2.1基本工艺流程…………………………………………………….………………2

§3.2.1.1工艺方案特点…………………………………….………...……………2

§3.2.1.2关键工序质量控制措施…………………………………………………2

§3.2.1.3工艺参数验证情况..…………………………….…………….…………2

§3.2.2生产中试情况………………………………………………………….…………2

§3.2.2.1主要生产设备运行情况……………………….…………...……………2

§3.2.2.2产品质量可追溯性情况…………………………………………………2

§3.2.2.3工艺参数验证情况..…………………………….…………….…………2

§3.2.3环件试制标准化审查结论…………………………………………….…………2

§3.2.4益阳齿轮厂SS3型齿圈加工及检测……………………….……………………2

§3.2.4.1齿圈环件检测……………………………….………...…………………2

§3.2.4.2齿圈轮芯检测……………………………………………………………2

§3.2.4.3齿圈加工、装配参数验证..………………………………………..……

21．张家港海陆环形锻件有限公司具备试制、生产条件：企业有一条从坯

料准备、加热、制坯、轧制、热处理完整的流水生产线，有粗加工机

床、超声波探伤检验能力和一套生产管理和质量保证体系，有满足产

品理化检验和售后服务能力。

2．试制产品全面达到益阳齿轮有限公司所有要求。

3．原材料由上钢五厂供应，冶金质量稳定可靠。轧机由计算机程序控制，尺寸控制较好；可以粗加工供货并可粗加工后调质供货，逐件超声波

检查。(二)企业基本情况

一．行业中的地位：

张家港

二．企业能力状况：

1．企业不仅能批量生产供应重型机械的齿圈、大型汽车轮胎模具环件、汽轮机隔板内外环件、混凝土搅拌机滚道环件、轴承圈、大型法兰等

环锻件。近年来与上钢五厂、上海钢研所联合，依托其技术及原材料

质控优势，为航天、航空成功轧制成不锈钢、高温合金等高难度、高

要求的高品质环件。同时近年来，为节约锻件金属材料，还开发研制

成功异形截面环形锻件，深受市场欢迎。

2．为有较大的发展，2002年搬迁到合兴镇新址，现占面积约21300m2，生产厂房6700m2，试验、检验设施380m2，办公及生活区3300m。，尚有发展余地。

3．企业有一整套的环形锻件生产流水线，其主要生产设备状况见表1。

序

号

设备名称

型号或规格

台套

数

卧式带锯床

GZ4080最大锯切直径800毫米

卧式带锯床

GZ4050最大锯切直径500毫米

卧式带锯床

GZ4040最大锯切直径400毫米

煤气发生炉

①2200mm

室式加热炉(燃油)

7m3

5T锻造操作机

DS-5000

1600T锻造水压机

3000mm数控辗环机

D53—200／125

3T锻造操作机

DS-3000

3T蒸汽锤

ll

台车式加热炉(热处理炉)

2.7×3.5×1.7m3

台车式热处理炉

3×2.8×5m3

井式电加热热处理炉

①1.9×2m。600Kw

淬火水槽

普通立式车床

2000mm

普通车床

CWll25

普通车床

C6263

普通车床

C6140

普通横臂钻床

Z3080

桥式吊车

15T／3T

桥式吊车

30T／5T

龙门式吊车

5T

4．试验检验室有整套的机械性能试验检验仪器设备，见表2。

序

号

名称．

型号

台数

超声波探伤仪

CTS-22

电脑超声波探伤仪

ST-88

材料试验机

WE-60A

冲击试验机

JB-30

金相显微镜

XJG-3.0

光谱仪

投影仪

STT

1，8

双管定碳炉

SK-2,5.15／S

维氏，布氏，洛氏，里氏硬度机

HVA-1，HLS．11等

各1台

5．年生产能力6000吨。

6．资金状况：

固定资产：流动资金：

2800万元600万元。

7．～年环形锻件产品销售定额：4000万元

大型锻件几种常见缺陷的防止方法 篇3

锻件质量与原材料质量(对大型锻件来说即钢锭质量)、锻造工艺及热处理工艺有着密切关系。2006年12月以来,我公司对生产的大型锻件中的628件进行了超声波探伤,其中有120件存在不同的缺陷,占探伤件数的19%。这些缺陷主要有:内部组织偏析、夹杂60件,占50%;白点10件,占8.3%;粗晶31件,占26%;表裂7件,占5.8%,其余还有因折叠、内裂、龟裂、钢锭沿横断面裂或者因组织不合要求而报废的。此外,轴承钢因网状碳化物超级等也造成一些锻件报废。

2 非金属夹杂物

这种缺陷的比例最大。主要是原材料带来的硫化物、硅酸盐及其他氧化物。即在冶炼浇注过程中化学反应形成的夹杂物及在金属熔炼和浇注时耐火材料或砂子等外来夹杂物落入钢液中。钢锭中非金属夹杂物的含量、分布与冶炼钢锭有关,锻造只能使其分散,即分布趋于均匀细小,而不能减少其数量。

(1)非金属夹杂物除了使锻件性能降低之外,也会引起锻件裂纹。如35Cr Mo(5t)在锻造中间工序产生裂纹,这在很大程度上是由于在晶界上分布低熔点夹杂(如硫化物等)过多,锻造时引起热脆现象,致使断裂而降低了钢锭的锻造性能。

(2)在夹杂的含量、种类、大小、分布状况诸因素中以夹杂的大小和分布对锻件性能影响最大。从锻件断裂处分析多呈链状或团状存在。

(3)夹杂物在钢锭中的分布是不均匀的,危害最大的是分布在钢锭底部的负偏析区,在锭身和冒口的交界处。

根据以上分析,减少夹杂物的根本途径是在冶炼浇注过程中尽量减少夹杂物的来源,对钢液中已形成的夹杂应尽量使其浮到冒口区。在锻造过程中虽不能消除钢中夹杂,但可利用合理的锻造工艺使粗大的夹杂减少,使密集的夹杂分散,即减少其危害。具体做法是:

(1)加热:钢锭加热时,对重要零件进行高温扩散退火,实际上是有效的(夹杂多伴随着偏析);

(2)变形过程中采用满砧送料,大压下量锻造,使有利于钢锭中心夹杂产生变形而后空隙焊合,可能时作“宽砧”锻造;

(3)造成有利于锻合缺陷的压应力状态;

(4)根据零件的受力情况及纤维分布要求,采用相应的锻造工艺,譬如同时要求轴向和切向性能时,需要镦粗-拔长工序;

(5)水口端、冒口端要有足够的切除量;

(6)镦粗量:尽量使镦粗比增大,最好为i=2;

(7)选择适当的锻造比。

3 粗晶

通过对2561-29主轴的剖析看:在断口上肉眼就能看到粗大晶粒,遍及全部断口。金属材料的晶粒大小不是一成不变的,由于经受的工艺过程不同,晶粒大小与形状可在很大范围内变化,因此,对材料力学性能带来很大影响。一般情况下,随着晶粒细化,可以提高钢的屈服强度、疲劳强度,同时钢具有很高的塑性和冲击韧性,特别是塑性。在发现粗晶的锻件中从材料实验的结果看,强度指标下降不多,而塑性指标明显下降,尤其是冲击韧性,由4.5~4.0kg·m/cm2下降至1.5kg·m/cm2左右。

对热加工过程来说,变形温度、保温时间和变形程度是影响晶核生成速度和长大速度的基本参数。在加热条件下,原子的活动能力增加,随着加热温度升高,原子的扩散能力就不断增加,晶粒长大的趋势加剧,细晶粒极易变为粗晶粒,即加热温度愈高,粗晶愈严重;高温保温时间愈长,粗晶现象愈容易出现,并较严重,但没有加热温度影响大;粗晶可以热变形消除,原始加热温度愈高,所需变形程度愈大,一旦发现粗晶,对于有相变的钢可以用相应的热处理予以改善。

面对粗晶可以采取以下措施:

(1)关于锻造前加热温度和保温时间:严格控制在平衡图固相线AE以下150℃~250℃。由于钢锭凝固时,得到的原始晶粒组织比较稳定,过热倾向少,其始锻温度比同种钢坯及钢材高20℃~50℃。保温时间不宜过长,要根据锭型决定,不应超过最大温度时间。

(2)锻造变形可以打碎粗大的奥氏体晶粒,细化组织,消除粗晶,因此,锻造时大的变形量是消除粗晶的有效措施。在生产中应注意的几个问题:

(1)锻造过程中应尽量避免出现锻件上只有加热而不变形的部分(这种现象比较常见)。

(2)在决定最后一次的加热温度时,要根据剩余变形量(剩余锻比)大小决定,以免由于终锻温度过高,引起晶粒长大;或者变形程度过小,锻造变形力过小传递不到锻件中心。一般认为:锻比在1.3~1.5时最高加热温度1150℃~1120℃;锻比在1.1~1.3时最高加热温度1050℃~1000℃;锻比在≤1.1时最高加热温度1000℃~950℃。

(3)在锻造变形时,避免小压下量变形工艺。

(3)锻件检验中,发现粗晶时,由于已经达到要求的尺寸和要求外形,可采用热处理方法消除。对探伤发现粗晶的锻件进行再次正火处理晶粒度都可有明显的改善。采用高温正火或正常正火温度下进行一次或二次热处理。

4 白点

白点是由于钢中的氢气和组织应力共同作用下产生的。产生白点缺陷的锻件材质主要是合金结构钢,从发现白点的情况看是偶然的,情况比较复杂,虽然数量不多,也值得对锻后冷却工艺进行分析。但是,如何在保证锻件不产生白点的前提下,尽量缩短扩氢时间是亟待解决的问题。要防止白点就应设法除氢和消除组织应力。除氢的根本措施是从冶炼工艺开始,如冶炼过程中氢含量超过2ppm,就要在锻后制定去氢的冷却规范,决不允许锻后直接冷却到室温。

综上所见,出现白点的原因有:

(1)过冷温度控制不当,因为产生白点多在150℃~300℃之间;

(2)热处理工艺是针对一般的含氢量制定的,而有些钢在冶炼过程中含氢量就较高,致使原热处理工艺不能满足去氢的需要;

(3)不应过分强调缩短热处理周期,而缩短回火保温时间,从统计资料看,白点多发生在锻件的中心部位,原因是去氢时间不足。

为有效防止白点,对热处理工艺作如下改进:

(1)适当延长过冷温度保温时间,氢在该温度扩散速度最大,效果最好,原则是3h/100mm。

(2)等温保温时间在过冷的基础上可以缩短,一般取5h~6h/100mm。因为从实践和资料上看,在这一阶段扩散出的氢并不多,主要目的是消除由于过冷而产生的组织应力。

5 其他缺陷

5.1 裂纹

裂纹是短粗的裂口,不规则的密布于表面,裂纹内有氧化现象,两侧脱碳严重,晶粒也很粗大。

(1)因过烧产生的裂纹:过烧是在晶粒边界出现熔化。一般在氧化气氛中加热的钢由于高温状态氧化更剧烈,以及氧化过程中的放热,使钢锭表面温度比炉温高,从而产生过烧。生产中曾偶尔发生,但如果在加热过程中使炉内温度尽量均匀,特别是不使火焰直接喷向钢锭表面,是完全可以避免的。现行的措施是:

(1)注意装炉位置合理;

(2)改造加热炉体机构,改变烧嘴高低位置,喷出火焰分散。

(2)因铜脆产生的裂纹:如钢中含铜量过高(>0.2%)时,在高温锻造时,极易在表面产生网状裂纹。这是由于铜较铁难以氧化,而且扩散过程很慢,因此,在氧化铁皮下形成一层富铜的金属层,当加热温度超过1100℃时,富铜的金属熔化并渗到钢的晶粒边界,使晶粒之间联系减弱,在热变形时金属表面便产生网状裂纹。

5.2 网状碳化物

对轧辊钢和轴承钢,在锻造过程中应尽量避免产生严重的网状碳化物,尤其是轴承钢用来制作轴承圈时。因为轴承圈在工作时承受着点或线的高度集中的周期变化载荷,容易产生疲劳和磨损,所以要求有高的均匀的强度和硬度。这就必须使轴承钢的组织均匀,不应有网状碳化物,网状碳化物使强度、韧性、耐疲劳性和耐磨性降低,易使局部金属剥落,大大缩短使用寿命。

我厂轴承钢的锻造工艺和热处理规范中都特别强调尽量避免网状碳化物超级。

网状碳化物是在锻造和冷却过程中形成的,所以,首先控制终锻温度,从实际结果看,终锻温度在900℃以上时没有网状碳化物析出,而大量析出的温度范围是800℃~750℃。我厂生产的轴承圈尺寸较大,若900℃以上终锻,一是终锻温度过高不利于成形,另外需要快冷,使操作不便,所以都严格控制在800℃~750℃终锻,并在这个温度下,使锻件整体上都有变形。按这样生产后,经试验,锻件网状碳化物均为2级,全部合格。其次,一旦出现网状碳化物超级,采用高温正火处理,也有效果,但不理想。

参考文献

[1]中国机械工程学会塑性工程学会.锻压手册(锻造)第一卷第3版.北京:机械工业出版社,2008.

大型锻件 篇4

大型钢锭作为大型锻件锻造成形的主要原材料,其内部不可避免地存在各种缺陷,诸如孔洞、 非金属夹杂物等。这些缺陷的存在,严重破坏了金属材料的连续性,对材料及其制品的力学性能和服役性能有重要的影响,因此,该类缺陷应当在锻造过程中得以修复或改善［１］。

针对大型锻件生产工艺优劣进行分析时,很难通过1∶1比例的物理实验研究缺陷的演化规律,这样的实验耗资巨大,因此,有限元模拟提供了一个较好的平台［２］。例如,Tanaka等［３］利用有限元模拟分析了大锻件不同部位的孔洞闭合情况,研究结果表明,孔洞周围的等效应变和静水应力是孔洞闭合的关键因素。Hamzah等［４－５］用热力耦合有限元法研究了含孔洞的护环锻造过程, 并据此制定了护环锻造工艺,全尺度实验结果表明新工艺能较好地压实内部孔洞。崔振山等［６－７］模拟了大锻件热锻过程中,内部不同位置、形状和大小的孔洞闭合情况。Ervasti等［８］利用数值模拟技术,研究了钢板热轧时夹杂物的形貌演变及附近空隙的形成规律,分析了热轧工艺参数、工装尺寸、夹杂物位置等因素对不同类型夹杂物缺陷演化的影响。黄华贵等［９］采用在钢锭内部分别预置球形塑性夹杂物和硬质夹杂物的方法,建立了大型钢锭高温锻造过程的非线性有限元模型,分析了夹杂物的演变规律及夹杂性裂纹缺陷的形成机理。然而,上述研究中设定的缺陷-基体的比例关系与大型锻件中的实际情况相差甚远,给出的缺陷过大或基体尺寸太小。主要是因为大型锻件与缺陷的体积相差巨大,网格划分时单元数量极大,不仅建模、计算耗时太长,且因网格畸变、重划分等问题将导致计算失败。在现有的计算机能力条件下,难以实现大型锻件内部缺陷真实尺度下变形演化的计算分析。

本文提出了一种新的可用于解决大锻件、小缺陷跨尺度数值模拟问题的方法,即“体胞模型法”。以大型锻件内部孔洞缺陷为例,论述体胞模型法的原理及应用思路,并利用该方法对某具体锻件的内部孔洞缺陷进行数值模拟计算,分析孔洞缺陷的演变规律及其周围应力分布情况,设计相应的物理实验,以验证体胞模型法的准确程度。

1体胞模型法原理

在利用有限元法对结构物进行静力分析时, 常采用子模型方法得到模型部分区域的精确解。 子模型方法是从整个较粗糙的模型中分割出关心区域,进行网格细化处理,以建立子模型;整体模型切割边界的计算位移值作为子模型的边界条件,经求解计算获得关心区域的精确解［１０－１１］。

大型锻件内部的孔洞缺陷尺寸较小,与其本体尺寸相差较为悬殊。将大型锻件或钢锭的尺寸与孔洞尺寸分别视为宏观尺寸、细观尺寸,而孔洞所在的局部区域看作一个点元。借鉴子模型方法及细观力学方法,将含有孔洞的大型锻件视为具有连续介质性质的基体和稀疏分布的微小孔洞的集合体,包含单个孔洞的小区域宏观材料为所关心区域,称之为体胞。将这种处理策略称为体胞模型法,其原理示意图见图1。体胞的体积为VＴ, 外表面SＴ上受宏观位移s、应力σ、应变速率ε·的作用,nＴ为体胞外表面SＴ的单位外法向矢量。孔洞的体积为VＫ,孔洞表面SＫ上无应力。大型锻件锻造成形过程中,宏观变量作为孔洞的远场变量, 将点元处的宏观力学状态(宏观位移s、应力σ、应变速率ε·)加载到体胞边界SＴ上,而体胞内部的速度场决定孔洞的演变。

大型锻件在受载变形时,其材料、边界、几何均为非线性。在该类问题中,当载荷增量足够小时,每次增量内的过程相关量可看作不变,此时可将任何一个非线性加载视为多个线性加载的叠加［１２］。体胞模型法是将大锻件的锻造成形和内部孔洞缺陷的演变分别在宏观与细观尺度上进行独立分析。在不考虑孔洞影响的基础上,宏观模型通过坯料的每一个单元计算其变形历史。包含孔洞的体胞模型以宏观模型的变形历史作为边界条件,构造一个微型的单元格模型以分析孔洞的演变行为。这样就将一个算题拆为两个子算题,在现有的计算机能力条件下,减少了每个子算题的网格单元数量,提高了计算效率,实现了大型锻件内部缺陷真实尺度下演变的计算分析。

2体胞模型法有限元模型的建立

基于体胞模型法的有限元模型包含宏观、细观两个层次的模型,宏观层次的模型称之为宏观模型,细观层次的模型称之为体胞模型。

2.1宏观模型

利用有限元法,模拟坯料受载变形的工艺过程。可设定坯料为边长a、b、c的方料,忽略内部孔洞缺陷,采用六面体单元对其进行网格划分。图2所示为宏观模型有限元网格单元划分情况。在坯料整个变形过程中,追踪选定的单元(宏观单元), 将其节点(1,2,3,4-5,6,7,8)每一迭代步的位移信息存储,这些信息被应用到下一阶段带有孔洞缺陷的体胞模型中。

需要说明的是,孔洞、夹杂物等缺陷主要位于大型锻件轴心区域,锻件变形时该区域的温度可视为恒定,故宏观模型中只存储了节点位移信息, 并以此获得节点的应变、应力等信息。

2.2体胞模型

将宏观模型中所选定的宏观单元(图3)作为含有孔洞缺陷的体胞单元(1′,2′,3′,4′-5′,6′, 7′,8′),且缺陷位于体胞单元的内部。为了简化计算,孔洞缺陷的形状设为球形,位于体胞单元几何中心处。采用四面体单元对体胞单元进一步网格划分,要求体胞单元六个面上的节点规则分布,且球形孔洞缺陷的表层划分精细网格。

经过一个传递过程后,从宏观模型直接输入八个顶点(1′,2′,3′,4′-5′,6′,7′,8′)的位移信息。通过八个顶点的线性内插计算,获得体胞单元外表面的其他节点所需的信息。

2.3模型间信息传递策略

宏观模型到体胞模型的单元节点信息传递是连接两层次模型的关键。当坯料开始变形时,坯料与孔洞发生变形,体胞单元的形状随之变化。宏观模型中,宏观单元每个迭代步的节点位移场信息全部被存储。宏观模型计算完毕后,提取宏观单元八个节点(1,2,3,4-5,6,7,8)在全部迭代步中的位移信息,将其直接加载到体胞单元的八个顶点(1′,2′,3′,4′-5′,6′,7′,8′)上。然后,通过几何顶点的线性内插计算,获得体胞单元棱边及表面上节点所需的信息。所以,体胞模型的边界条件为该处宏观单元的力学状态,内部孔洞演变亦受其控制。

3计算过程

基于体胞模型法的锻件缺陷演变的有限元分析求解,主要分为三个部分:宏观模型、体胞模型及信息传递,如图4所示。

在宏观模型部分(图2),当坯料开始变形时, 选定单元的节点位移、几何坐标等信息,在每一迭代步的计算结果均被储存。宏观模型在坯料变形工艺过程中仅作一次计算,其工况时间与变形工艺相关。

在体胞模型部分(图3),体胞单元在宏观模型中的边界条件和时间增量 Δt的作用下开始变形,一个缺陷位置处的体胞模型也仅作一次计算, 其工况时间与宏观模型迭代步数有关。

在信息传递部分,为实现多个缺陷位置处体胞模型的模拟计算,需将不同缺陷位置处的位移信息进行传递,其传递时间与缺陷数量、宏观模型迭代步数有关。

4仿真与实验

4.1数值模拟算例

基于MSC.Marc有限元软件,采用体胞模型法,对某一具体尺寸坯料的变形进行数值模拟,讨论其内部孔洞缺陷的演变规律。

宏观模型中,设定方坯料尺寸a、b、c均为180mm。 选用六面体网格划分,单元边长为10mm。坯料为弹塑性体,材质为45钢。锻造温度设为1200℃,不考虑温度场的影响。镦粗砧为刚性体,与坯料间摩擦按剪切摩擦模型处理,摩擦因数设为0.3(当摩擦因数为0.3时,坯料模拟计算的最终形状与后续实验结果基本相同)。上砧压下速度为10mm/s,相对变形量为24%。在与镦粗砧运动方向垂直方向上的两个相对平面上设置固定约束,使坯料金属仅沿另一方向流动。在坯料镦粗变形中,坯料内部因变形程度不同而存在三个变形区,即大变形区、小变形区及难变形区。因此,在坯料对称面上,选择4个不同位置处的单位作为预内置孔洞的宏观单元,图5为孔洞在坯料内部位置示意图。

体胞模型中,体胞单元为边长10mm的正方体,在其几何中心处设置直径为2mm的孔洞。 选用四面体划分网格,体胞单元六个面上的节点规则分布,且球形孔洞缺陷的表层划分精细网格。 材料、温度等参数与宏观模型相同。

基于MSC.Marc有限元软件的Python二次开发功能,编写应用程序,实现宏观、体胞模型间信息的传递。即运用Python二次开发功能中的PyPost模块,提取宏观模型选定单元八个节点(1,2,3,4-5,6,7,8)在全部迭代步中的位移信息;运用Python二次开发功能中的PyMentat前处理模块,将上述所提取的位移信息直接加载到体胞模型体胞单元的八个顶点(1′,2′,3′,4′-5′, 6′,7′,8′)上,体胞棱边上节点信息由相应两顶点线性插值计算获得,而面上节点信息由相应两平行棱边线性插值计算获得。

4.2物理实验

设计物理实验,以检验体胞模型法计算结果的准确性。大量实验结果表明,铅的常温塑性性能与高温态钢的塑性性能极为相似［９］。对两块等体积铅料进行简单锻造变形,以防止其内部存有气孔。然后将其机械加工成尺寸为180mm×180 mm×90mm的方坯,分别在两块铅料180mm× 180mm平面的相对位置人工预置4个半球孔洞, 孔洞位置示意如图5所示。设计一套夹紧装置, 夹紧两块铅料以避免两块铅料之间发生错移,尽量保证对应的半球孔洞贴合。图6为夹紧装置夹紧铅料的示意图及实物照片。该实验在315t液压机上进行,压下速度约为10mm/s,相对变形量为24%,上下砧与铅料间涂抹液压油。

5结果与讨论

为了验证宏观、体胞模型间数据传递方法的正确性,从数值模拟结果中,分别提取宏观、体胞模型中1号位置处体胞(宏观)单元顶点的等效应变,并进行对比,其对比结果如图7所示。由图可知,从两个模型获得了相同的等效应变,这证明宏观模型到体胞模型传递数据的方法是正确的。

相对变形量为24%时,1号位置处孔洞附近的等效应变云图见图8。由图可知,在孔洞附近, 等效应变对称分布,其对称轴分别为孔洞长轴与短轴。孔洞长轴两端处的等效应变值较大,而短轴两端处金属的等效应变值较小。

图9为锻件相对变形量e不同时,锻件心部1号孔洞的演变示意图。由图可知,随着锻件相对变形量的增大,孔洞沿横向延长,其形状逐渐由圆形变为椭圆形;当e约为20%时,靠近椭圆形孔洞横向长轴端部的两侧金属开始贴合,且贴合区域向孔洞心部逐渐扩展,直至e=24% 时孔洞基本闭合。

当e=24%时,分别对比4个特殊位置孔洞形貌演变情况,如图10所示。此时,1号孔洞位于锻件心部大变形区,变形程度大,孔洞基本闭合;2号、3号孔洞分别位于锻件小变形区、难变形区,2号孔洞纵向高度要略大于3号孔洞;4号孔洞位于锻件难变形区与小变形区的结合区域,孔洞闭合程度大于2号、3号孔洞闭合程度,且孔洞椭圆形状发生扭转。表明锻件较大的变形程度有利于孔洞缺陷的闭合。

在物理实验中,由于孔洞尺寸与铅块试件相比极其微小,其体积约占铅块试件的7.18× 10－５%,故先切割下孔洞周围的铅料,利用大型工具显微镜(JGX-2),放大30倍后取像,并测量孔洞的长、短轴尺寸。将物理实验及数值模拟结果进行对比,如图11所示,并将物理实验和数值模拟的4组孔洞长短轴尺寸列于表1中。

两块铅料在预置孔洞和装配时,不可避免地会出现微小错位现象,致使孔洞边缘形状不规整。 e=24%时,坯料1号至4号孔洞的物理实验形貌结果与数值模拟结果吻合度较高。将物理实验、 数值模拟的结果进行对比分析,相对误差均在8%以内。

综上分析,基于体胞模型法的数值模拟结果与物理实验结果具有较高的吻合度,表明体胞模型法能够较为准确地预测孔洞演变规律,较好地解决了大型锻件内部孔洞缺陷跨尺度数值模拟的问题。考虑到孔洞缺陷与夹杂物缺陷在大型锻件中的尺寸特点,也可将体胞模型法应用到夹杂物缺陷在大型锻件中真实比例下的跨尺度模拟分析中。

6结论

(1)基于体胞模型法的有限元模型,由宏观、 体胞模型两部分构成,单元节点的数据信息从宏观模型传递到体胞模型是联系这两层模型的关键,编写应用程序,可实现宏观、体胞模型间信息的快速传递。

(2)利用体胞模型法,分析了坯料不同位置处孔洞的演变规律。随变形量的增大,孔洞截面形状由圆形变为椭圆形,直至闭合。锻件内部不同位置的孔洞形状演变情况不同,坯料相对变形量相同时,锻件大变形区的孔洞易变形,难变形区内的孔洞闭合困难。

(3)借助于人工设置孔洞的铅块变形实验,观察相对变形量为24%时不同位置孔洞的演变情况。实验结果与体胞模型法的数值模拟结果吻合度较高, 孔洞长短轴的相对误差均在8%以内,表明体胞模型法能够较为准确地预测孔洞演变规律。

(4)体胞模型法可以用于镦粗、拔长等工序的孔洞缺陷演变研究,亦可应用于预测夹杂物缺陷的演变行为。

参考文献

[1]Ma Qingxian,Wang Zhicheng,Zhong Yuexian.The Mechanism of Faults Originating from Inclusions in the Plastic Deformation Processes of Heavy Forging[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,123(1):61-66.

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大型锻件 篇5

1961年, 由上重和江南造船厂联合制造的12000吨水压机是我国自主研发设计制造的第一台大型自由锻造水压机, 结束了我国大型锻件只能依赖进口的局面。此后, 由中国一重集团公司自主研发制造的12500吨自由锻造水压机, 于1964年正式投产运行。

2006年12月30日, 由一重自行设计、制造的当时世界上吨位最大、技术最先进的1.5万吨重型自由锻造水压机一次热负荷试车成功, 标志着我国重型锻造设备的设计制造水平已跨入当今国际领先行列, 同时也标志着我国已具备自主生产高端大型锻造机械的能力。

2009年8月, 当前世界上最大的1.65万吨自由锻造油压机、250吨/630吨·米锻造操作机、450吨三相三摇臂双极串联电渣重熔炉三大装备在上海重型机器厂有限公司全面投运, 标志着我国大型铸锻件极端制造能力跻身世界一流水平。

1.65万吨自由锻造油压机由中国重型机械研究院与上海重型机器厂有限公司联合设计, 上海重型机器厂有限公司制造, 主要用于锻造重大装备所需的大型锻件。它集聚了自主创新的先进技术, 是目前世界上最大跨距的自由锻造油压机, 能满足目前国际上最新技术的百万级核电及其他筒体类产品的锻造需要。

450吨电渣重熔炉是目前世界上最大的电渣炉, 是上海重型机器厂有限公司自主设计、自行制造, 拥有完全自主知识产权的设备。能生产覆盖当前世界上最大吨位的锻件用钢锭, 为生产第二、三代百万千瓦核电机组的汽轮机低压转子、发电机转子、蒸发器管板等核电大锻件及5.5米宽厚板轧机支承辊等创造了条件。

250吨/630吨·米锻造操作机与1.65万吨油压机配套, 实现压机与操作机联动完成锻造工序, 大大提高了锻造生产效率、锻件精度和质量。同时, 由于减少了锻件加热次数, 降低了能源消耗, 实现了节能减排。

日前, 中国二重正在研制的800MN大型模锻压机 (8万吨水压机) 已取得阶段性成果。800MN模锻压力机是当今世界上最大的模锻压机, 其压力超过了此前世界上最大的俄罗斯750MN模锻压机, 其主要功能是对铝合金、钛合金、高温合金、粉末合金等难变形材料进行热模锻和等温超塑性成形。

中国一重成功锻造国内最大核电低压转子

经过中国第一重型机械集团公司铸锻钢公司水锻分厂全体职工历经一个多月的日夜拼搏, 在公司有关部门的大力支持和配合下, 采用580吨钢锭锻造、目前国内最大、具有国际先进水平的核电常规岛低压转子日前在水锻分厂15000吨水压机上锻造成功。核电常规岛低压转子锻造的难度非常大, 对锻造设备和锻造技术都有极高的要求。

这次锻造的核电常规岛低压转子采用钢锭重量580吨, 是中国第一重型机械集团公司有史以来锻造的最大吨位钢锭, 无论重量和尺寸, 都创下了一重乃至国内锻造业之最, 证明了一重雄厚的锻造实力, 对建设世界一流铸锻钢基地具有积极的推进作用。

水泵钳楔横轧制坯调试一举成功

2009年10月21日, 北京机电研究所的姚万贵高级工程师和石一磬工程师到江苏省姜堰大华工具有限公司进行楔横轧水泵钳制坯调试, 整个过程只用了两个小时, 一举成功, 得到我厂领导和工人的一致赞许。使用楔横轧制坯周期很短, 只需3~4秒就可以轧制一根坯料, 在水泵钳制坯生产线上, 一台楔横轧机可代替三台空气锤制坯。材料利用率比拔长制坯提高了10%。

为了减轻工人劳动强度、改善工作环境, 公司引进楔横轧代替空气锤拔长制坯工序, 是国内极少数生产工具而使用楔横轧制坯的企业之一。我公司的产品主要包括鲤鱼钳、水泵钳、鹰嘴钳、夹管钳等等, 年生产各类扳钳1000万把。公司部分产品已通过GS国际质量体系认证。

我公司所购买的楔横轧设备型号为D-46-25×300, 是目前北京机电所设计制造的国内最小的定型楔横轧设备。北京机电研究所生产的楔横轧型号多、性能好, 已在国内建成生产线30多条并向韩国等亚洲国家出口。

该轧机容易维护, 轧辊中心距调节简单, 模具安装方便, 相位调整和楔形模的中心线对中性好。在调试过程中能够根据所出现的问题, 迅速提出决策并解决。

该轧机的主要技术参数如下:

规格:D46-25×300

轧辊中心距 (mm) :400

轧辊工作部分尺寸:直径 (mm) 320, 长度 (mm) 360

工件最大尺寸:直径 (mm) 25, 长度

轧辊中心距调整量 (mm) :±8

轧辊转速 (rpm) :20

轧辊相位调整量:±3°

电机功率 (k W) :11~15

大型锻件 篇6

关键词：大型多向模锻件,重型装备,工程设计

1 项目简介

中冶精锻大型多向模锻件及重型装备产业基地 (以下简称产业基地, 鸟瞰图见图1) 是中国第一个自主研制生产多向模锻件和重型装备的产业基地, 由中国二十二冶集团有限公司 (以下简称二十二冶集团) 出资建设, 是河北省重点建设工程, 也是二十二冶集团延伸自身产业链、从冶金向机械制造业转型的标志性工程。

产业基地占地240 751 m2, 建筑面积121 444 m2;地块长556m, 宽339m。规划分三期建设。本设计为一期工程设计, 包括联合厂房、办公楼、技术研发中心、倒班宿舍及食堂及全厂性公用配套设施, 建筑面积67 713 m2, 年产大型模锻件55 000t, 重型装备6 300t。

2 项目特点及难点

大型模锻件和重型装备产品技术具有国际先进水平, 研制生产所需占地面积大, 耗能设备多, 对生产工艺技术、厂房起重等级和公用配套设施要求高。一期工程涉及全厂性生产、办公和公用辅助设施建设, 生产设施包括重型装备和模具制造、热处理和模锻中试生产。

本项目建设厂址地处唐山市, 自然条件恶劣, 属地震多发地带, 冬季寒冷, 夏季降水集中, 日最大降水量大。受厂区地块、自然和市政配套条件的限制, 厂区雨水工程只能与其东侧的市政管线相接, 雨水排放管线较长, 一期工程设计既要满足当期产品研制生产需要, 又要统筹兼顾发展, 需预留与后续工程建设的接口。若按传统的设计方式, 会存在建设占地多, 厂房吊车等级高、能源和材料消耗大, 运行费用高, 厂区雨水排放管线难与市政管线顺利相接等问题。本项目对工程设计技术要求高、难度大。

根据地块形状、生产工艺流程, 为了达到物流短捷和节约用地的目的, 本设计将全部生产功能集中于一座联合厂房内, 所需燃料动力品种多达10余种, 各种站房齐全, 工程设计复杂, 难度极大。

3 工程设计创新点及亮点

本工程设计在国际上无成熟经验可借鉴的情况下, 遵循科学合理、先进适用、解决当前、兼顾发展、经济可行的原则, 在总图布局、厂房建筑功能组合、结构形式、生产工艺布局和制造工艺选择、动力站房及辅助设施集成等方面进行创新设计, 采用多项国际先进、国内首创的设计技术, 解决诸多关键设计难点, 满足了项目建设目标。工程设计创新点及亮点有以下几个方面。

3.1 创新工艺设计

3.1.1 在国内首创多向模锻成线生产工艺

联合厂房内配置自制的在国内甚至世界上首台套的40MN和120MN多向模锻液压机、机器人、加热装置、高压水除磷装置及锻后处理设备等, 组成国内第一条以阀门多向模锻件为主的中试生产线。该生产线具有精密、高效、节能、安全、环保、适应性强的特点, 既能满足模锻件新产品中试需要, 为大型多向模锻件制造工艺提供试验数据和技术保障, 又可用于定型产品的批量生产。线上配置高压水除磷系统, 自动去除模锻件表面氧化皮, 保证了锻件质量;除磷系统配置水处理装置, 实现了水的循环使用;在多向模锻液压前后配置机器人, 既保证产品质量、效率高, 又减轻了操作人员劳动强度。该生产线也是世界上技术最为先进的多向模锻生产线 (见图2) 。

3.1.2 采用创新性的原位缠绕和安装工艺技术

采用原位安装工艺方法 (见图3) , 即利用国内首创的液压顶升翻转装置, 使本工程设计的联合厂房在最大起重能力只有75t的情况下, 实现了方便快速完成质量高达300t的多向模锻液压机机架的制造和安装 (本工程中制造和使用的40MN和120MN多向模锻液压机机架质量分别为90t和300t) 。采用预应力钢丝预缠绕技术 (见图4) , 提高了重型装备产品的工艺性能, 使机架结构简化, 瘦身减重, 节约占地, 厂房起质等级从300t降至75t, 厂房高度降低, 基础及梁柱截面变小, 使厂房用钢量降低, 同时使厂房体量变小, 减少了通风量和供热量, 降低联合厂房造价, 减少运行费用。采用原位缠绕安装工艺技术与常规工艺后, 厂房造价及能耗对比如表1所示。

3.2 创新设计方法

3.2.1 计算机模拟与缩比样机试验相结合

在多向模锻工艺方案的制定过程中, 利用计算机模拟软件系统, 对3~12in (1in=25.4mm) 阀门阀体进行的多向模锻工艺模拟分析和比较, 并通过1∶2.7缩比样机进行多向模锻成型实验研究, 制定出稳定、可靠的大型多向模锻件生产工艺, 实现了多型腔、复杂零件的锻造成型目标。

通过模拟和试验证明, 采用多向模锻工艺制造的阀体锻造毛坯与开式模锻工艺相比 (见表2) , 性优质好, 尺寸精度高, 节能节材。

通过在加氢阀门和核电阀门行业的实际应用证明, 高端阀门阀体采用多向模锻毛坯与采用铸件和锻焊结构件毛坯相比具有不可比拟的优点, 能有效提高阀门的制造质量和使用性能, 节能、节材效果显著, 可替代进口高端锻件。

3.2.2 采用技术先进的三维设计软件

本工程采用BIM三维设计软件进行三维可视化设计, 多向模锻液压机及附属设备三维设计模拟图如图5所示。各专业通过建立三维设计模型, 实现了在设计过程中随时、精确地进行碰撞检测, 可以有效地检测出机、电、水、暖通及动力等专业管道之间碰撞以及管道与结构构件和设备的碰撞问题, 从而优化设计方案, 保证设计质量, 避免了后续现场施工过程中的管线调整, 加快了施工进度, 降低了施工投资, 也方便后期运行期间设备和各种管线的维护和保养。

3.3 创新建筑功能组合和结构形式

3.3.1 创新生产建筑功能组合

根据产品生产工艺要求、各生产车间物流联系, 将多种生产功能通过创新性组合, 集中设置在一座联合厂房内, 包括:重型装备制造 (下料、焊接和装配) 、模具制造 (特种加工、机械加工、模具装配调试) 、热处理、多向模锻件制造及各种公用配套站房 (变配电所、液压站、高压除磷泵房、空压站、汇流排间等10多种动力站房) 、4层辅助生产及办公用房, 厂房功能多样和复杂程度超过一个传统的机械工厂, 在国内机械制造业中前所未有。采用联合厂房, 不仅节省用地, 而且使多向模锻件和重型装备的生产工序紧凑、物流顺畅, 运距短, 利于安全生产;各种公用配套站房置于负荷中心, 管线短, 线损小, 节能节材, 运行费用低。

联合厂房功能组成如表3所示。

3.3.2 创新联合厂房建筑结构形式

将模锻压机基础与厂房钢柱基础联合布置和上部结构尽量脱开的形式, 将结构变形沉降差控制在合理安全的范围内, 解决了两种不同结构形式的变形协调问题, 也降低了厂房用钢量。本厂房与同行业和二十二冶集团在曹妃甸建设的同类厂房相比用钢量分别低14.5%和27.5%。

液压站半地下及外推布置形式, 既将液压站房一半置于厂房内, 一半置于露天库, 并采用半地下设计方案, 在24m跨厂房内既解决了工艺设备布置要求与厂房空间小的矛盾, 又可以利用自然通风和采光条件, 有利于液压站房自然散热, 降低了因采用机械散热带来的能耗, 很好地解决了复杂的通风、降噪和安全等诸多问题。

3.4 采用先进适用雨水收集、回用和排放方案

本工程位于唐山市, 夏季降水集中, 日最大降水量为184mm, 年均降雨量623mm, 最大降水量1140mm。由于厂区东西方向较长, 一期工程只能向东面学院路排水, 而此路上的市政预留接口底标高较浅 (26.77m) , 厂区雨水设计若采用重力流, 按采用国家标准最低管道坡度设计末端雨水管道底标高为26.10m, 低于市政预留接口标高, 导致无法排至市政管网。

本工程采用雨水收集与传统重力流雨水排放相结合, 在重力流能够直接排至市政管网的区域, 仍采用重力流方式;而在联合厂房及周边绿地采用雨水收集利用方式, 有效解决了采用常规雨水排放设计方案使厂区雨水管线无法与市政预留接口相接的难题;采用环保型PE渗透式雨水井与PP模块化的储存净化一体化雨水利用构筑物相结合的设计方案, 具有便于施工修护和后期雨水收集系统扩容的特点, 同时通过雨水厂区回用系统管网, 将收集的雨水用于厂区景观、道路浇洒和绿化, 实现每年节约水源300m3以上。

本工程雨水收集方案经过2年多的运行考验证明, 达到了设计要求。特别是投运第一年恰逢唐山汛期强降雨, 日最大降水量接近历史最高水平 (当年7月20日最大降雨量168mm) , 厂区经雨水收集后, 多余的雨水也能快速有效排至市政雨水管网。

3.5 采用系统工程方法, 统筹优化动力设施及供应系统设计方案

联合厂房内生产功能齐全, 包括下料、焊接、加工、装配、热处理和锻造, 相当一个工种齐全的机械制造厂, 生产动力需求品种繁多庞杂 (据不完全统计达12种) , 包括:天然气 (2种参数) 、压缩空气、二氧化碳、混合气、氧气 (2种参数) 、甲醇、丙酮、氨气、液氧、液氮等, 在国内外机械制造业中罕见。各气体的制备必须由本项目自行解决, 设计难度极大。本设计贯彻节能环保理念, 采用系统工程方法, 统筹布置站房, 使其靠近负荷中心, 实现分区分品种入户计量, 有效降低能耗, 方便能源管理。通过三维设计方法布线, 既满足生产工艺要求, 又保证了各种管线布置井然有序, 合理安全, 有效降低施工周期, 减少施工费用。

3.6 取得多项技术成果效益斐然

本项目于2010年5月中标, 于2011年12月竣工验收投产。

本工程设计采用的创新设计技术, 保证了大型多向模锻件及重型装备制造产业化基地一期工程建设按期顺利完成, 并形成了一些独具特色的技术成果, 部分已应用或拟在同类工厂设计中应用:建成了国内第一条大型多向模锻件生产线, 现已成功研制生产出多向模锻件, 应用于核电、加氢等高端阀门阀体, 是填补国内空白、替代进口的高端阀门锻件;成功研制生产出的世界首台套应用预应力缠绕和原位安装技术的40MN和120MN多向模锻液压机已应用于本工程大型多向模锻件生产线上;正在研制的300MN多向模锻液压机已被列入国家重点支持和国产化的重大技术装备目录, 拟应用于本项目二期工程。

产业基地建设对促进自主研发的大型多向模锻件和重型装备产业化具有重大贡献, 在国内装备制造业影响很大。中冶集团、二十二冶集团在唐山主持召开的“大型多向模锻设备及工艺研讨会[1]” (见图6) 上, 与会的国内驰名的20多位老领导、专家、院士、学者经研讨, 并观看40MN多向模锻液压机的热试之后一致认为, 该产业基地是一个填补国内空白的项目。

该基地是以预应力缠绕和原位安装技术为核心建立的国内第一个大型多向模锻及重型装备产业化基地, 项目建设实现多项技术创新, 关键工艺技术达到国际先进水平, 制造技术属世界一流。该基地已成为国家和河北省示范工程和技术推广基地, 对带动阀门等相关行业产品结构升级和技术进步具有划时代、革命性的意义。

创新技术成果推广应用后, 大型多向模锻件的生产节材37%以上, 节约燃料40%以上, 后续加工节能20%以上, 制造周期短、成本降低30%以上。采用本工程设计技术, 使重型装备制造和用户厂房用钢量节省50%以上, 综合造价降低的30%以上, 运行电能消耗降低近50%, 已取得显著的经济效益和社会效益。

本设计成果荣获2014年机械工业优秀工程勘察设计奖三等奖。

参考文献

大型锻件 篇7

大型自由锻造设备是衡量一个国家工业发展水平的标志, 其生产的大型锻件在国民经济、国防装备和现代尖端科技重大装备中发挥着非常重要的作用[1]。相应地, 对大型锻件内部质量的要求也越来越高。

对大型板类锻件, 有关文献定义其尺寸待征是:L/B≥1, B/H≥1.3, H≥300mm, 其中L、B、H分别为锻件的长度、宽度、高度方向尺寸[2]。按照此定义, 我们把模块、轴承座、扇形板等产品锻件归入大型板类锻件。对于这种大型板类锻件, 采用8MN水压机进行锻造, 之后经超声波探伤, 发现对于高度大于200mm板类锻件, 时有不合格品产生, 锻件常见缺陷主要出现在锻件中心部位, 其分布示意图如图1所示。

2 板类锻件缺陷分析

经过对缺陷件的分析, 此类锻件的缺陷主要有疏松、夹杂 (严重时为夹杂性裂纹) 和其他冶金缺陷、白点等。其中后两类缺陷出现的几率和数量较少, 一般均因没有严格执行相关工艺规范、标准和工艺文件等造成。因此通过加强工艺完整性及增强各级人员责任心、执行力, 可避免或减少这类缺陷产生。另据有关文献资料认为, 还存在一种内部层状裂纹缺陷[3]。

2.1 疏松缺陷产生原因分析

疏松缺陷较多出现在模块、轴承座等宽厚板类锻件中。这些锻件尺寸L/B与B/H相对较小, 高度H较大, 其整体截面尺寸较大, 如锻造工艺不合理, 可能因变形量不足导致锻件不能锻透, 即钢锭中的孔洞、疏松、粗大的树枝晶等常见缺陷不能消除, 造成超声波探伤时超标。为此, 要求必须对该类锻件进行毛坯探伤, 发现缺陷后制订修复工艺。修复工艺主要是依据锻件外形尺寸及缺陷性质来对缺陷锻件进行改锻:将经过高温保温后的锻件进行镦粗, 采用满砧、大压下量拔长, 变形示意图如图2所示。

近年来, 已对多件Q345D、35Cr Mo材质的轴承座和5Cr Ni Mo材质的模块按此工艺原则进行了成功修复, 减少了废品损失, 取得了较好的经济效益。

2.2 夹杂缺陷形成机制分析

夹杂缺陷超声波探伤超标的情况也时有发生, 严重时为夹杂性裂纹。有关文献[4-5]认为夹杂缺陷的形成机制为:塑性夹杂物在塑性变形过程中被压扁, 周围产生应力、应变集中区, 夹杂越扁应力集中越大, 越易使夹杂间基体断裂, 形成夹杂性裂纹, 导致探伤超标。板类锻件锻造过程中, 在高度H方向的压下量很大, 夹杂物被压扁的可能性较大, 即成为片状夹杂物;片状夹杂物周围存在着较大的应力集中区, 是形成锻件内部裂纹的潜在裂纹源。锻件的外表层由钢锭质量较好的外层锻成, 夹杂物数量少, 此外, 刚性区的存在及受高度H方向的单向力远小于心部, 夹杂物成为层片状的可能性很小, 所以外表一般不会出现夹杂性缺陷超标的情况。同时, 随锻造过程的进行, 板类锻件端部温度下降较快, 继续锻造时, 等同于对端部进行了JTS锻造法, 即中心压实法的锻造, 有利于心部缺陷的锻合和改善心部夹杂物的形貌, 因而, 端部一般也不会出现此类缺陷。

此外, 由于板类锻件的这种尺寸关系, 在锻造过程中容易形成附加拉应力。有文献[6]从应力应变分析了裂纹产生的原因, 认为当锻造工艺执行到沿板的宽度B方向压下时, 一般情况下不可能 (很难) 满足不形成轴向拉应力的砧宽比W/H (W/H应控制在>0.8~0.9) , 以及不形成横向拉应力的料宽比B/H (B/H应控制在0.85~1.18) 的要求, 在变形体内就会有双向拉应力存在, 易在晶界或晶界薄弱处形成新的裂纹源。

3 板类锻件夹杂缺陷修复工艺研究

板类锻件心部存在夹杂超标缺陷, 其一与钢锭的心部冶金质量较差有关, 其二与其自身的外观尺寸特点和锻造工艺本身特点等客观因素也有一定关系。

钢锭凝固过程完成后, 其中夹杂含量不会改变, 通过变形只能改善夹杂形状及其分布, 使其探伤不超标, 满足使用性能要求。在塑性变形过程中, 孔隙性缺陷焊合后, 基体机械性能均匀, 一般不会产生二次开裂[7]。

3.1 扇形板锻件修复工艺对比研究

中冶陕压重工设备公司曾生产过4件材质为X22Cr Mo V121的扇形板, 锻件高度200mm、宽度550mm, 重量1330kg, 选用2t锭型。锻造完成后, 在毛坯探伤时发现心部有超标缺陷, 其位置与范围如图1所示。从超声波波形分析认为缺陷是由夹杂性超标引起, 同时可能存有夹杂性裂纹, 因此修复工艺以改善夹杂形貌及焊合裂纹为目的。

上述4件扇形板已锻成毛坯, 余量较小, 修复时变形量不大, 所以考虑不再采用平砧而采用型砧。生产前先应用Deform-3D软件进行模拟来预测工艺的可行性, 模拟结果如图3所示。

经分析发现, 在压下量、变形温度及变形速度等参数相同的情况下, 圆弧型砧在锻件心部形成的平均压应力远大于平砧 (图3c、d) , 所以认为使用型砧修复缺陷的可能性较大。具体工艺方案为:锻件高温保持3h;采用上平砧、下圆弧型砧进行修复锻造, 以形成有利于裂纹“愈合”的较大的三向压应力;锻后退火。出炉后超声波复检合格。

3.2 板类锻件平砧拔长模拟研究

对于内部层状裂纹缺陷, 相关文献[8]论述较为详细:当锻造工具在与锻件相接触的表面上两方向的尺寸都大大超过坯料高度时, 致使坯料内上下两个刚性区相遇而产生刚性区内部的层状刚性滑动变形并导致撕裂。对此, 利用Deform-3D软件对平砧拔长板类锻件进行了数值模拟, 刚性区随压下量的变化结果如图4所示。

分析发现, 两刚性区直至变形量达70%时仍未相遇, 刚性区的形状和大小随变形量的变化一直在变化;在整体发生塑性变形后, 变形量达到35%时, 上下两刚性区最大。在压下量增加的过程中, 锻件心部的剪切应变值增大, 剪切应变区域也增加, 这与有关文献[6]论述相接近。所以对于板类锻件, 应该是其心部形成的激烈的剪切应力造成具有密集夹杂的锻件产生分层, 而不是刚性区相遇, 在刚性区内部产生层状刚性滑动变形而导致撕裂。所以还是应该安排合理的加热工艺, 使锻件内部裂纹处的孔洞被充分填充, 内部未完全被夹杂物分隔的内裂纹缺陷在一定温度下进行修复, 然后按压实所需的变形量进行终锻变形及整形, 压实内部仍存在的显微孔洞并满足锻件要求。

4 结论

(1) 利用数值模拟, 分析了大型板类锻件分层缺陷产生的原因, 笔者认为:不是大压下造成的两刚性区相遇, 使刚性区内部的层状刚性滑动变形并导致撕裂, 而是其心部形成的激烈的剪切应力造成具有密集夹杂的锻件产生分层。

(2) 板类锻件易产生心部缺陷, 在制订锻造工艺时对工艺参数进行校核;锻件生产完成后必须进行锻件毛坯超声波探伤, 对探伤超标锻件修复, 减少和避免锻件废品损失。

(3) 利用数值模拟, 制订了大型板类锻件修复工艺, 达到了改善夹杂形貌及焊合裂纹的目的。

摘要：首先分析板类锻件缺陷的产生机理, 再运用数值模拟与实际修复工艺相结合的方法, 对扇型板及宽厚板锻件通过制订科学的修复工艺, 有效降低锻件废品率。

关键词：锻造工艺,大型板类锻件,心部缺陷,数值模拟,改进

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