短芯轴法制备超长管模锻件的工艺研究

短芯轴法制备超长管模锻件的工艺研究

1管模锻造工艺管模是离心式铸造机的重要部件，是铸造行业重要的精密铸造模型。管模的工作环境恶劣,不但要长期承受交变应力的影响,还要承受内部高温铁水的冲刷,易于产生疲劳腐蚀,引起内部结构开裂。目前业界认为采用整体锻造法能够提高管模产品的寿命。但管模锻件多属于薄壁长套类锻件,存在长度长、壁薄的问题,制约了管模锻造技术的发展。针对管模锻件长度长、壁薄的特点,提出了多次分段成形的工艺方案,减轻了拔长管模锻件时对冶金辅具的依赖性,降低了生产成本。另外,采用计算机模拟技术对管模拔长过程进行了分析,确定了合理的拔长工艺参数,有效克服了薄壁类管模锻件拔长效率低的问题。2管模锻件结构18CrMoV钢管模锻件外形复杂,成形难度较大,其总长7950mm,端部承口外径ϕ1940mm,管身外径ϕ1750mm,锻件最小壁厚仅125mm。管模锻件结构如图1所示。18CrMoV钢化学成分如表1所示,锻件质量约25000kg。超声波探伤按照JB/T5000.15—2007标准Ⅲ级执行,而且不得存在白点、裂纹、缩孔等缺陷。3现有芯轴拔长制造方法图1管模锻件的生产工艺为:冶炼→铸锭→钢锭压钳口、倒棱→热割肩、切锭尾→镦拔下料→镦粗、冲孔→扩孔→芯轴拔长出成品→锻后热处理→毛坯检验。在整个生产工艺中芯轴拔长出成品工序最为关键,主要存在以下两方面困难:(1)锻件总长度7950mm,内孔直径ϕ1500mm,锻件长度已超出现有ϕ1500mm芯轴的总长度,无法采用传统芯轴拔长方法进行锻造,如投产更长的ϕ1500mm芯轴,将会大大提高生产成本并延误交货日期,因此必须探索新方法,使用现有短芯轴生产超长管模锻件。(2)在芯轴拔长过程中,管身的金属流动是受到变形区和外端共同作用的。其中,变形区即上、下砧直接压缩的金属区域,外端即分布在变形区两侧的金属。外端可以限制变形区金属的切向流动,可避免锻件横截面产生椭圆变形。因此锻件壁厚越大,外端的限制作用越强,变形区金属越不容易发生切向流动,有利于芯轴拔长操作,反之壁越薄,则变形区金属越容易发生切向流动,不利于芯轴拔长。图1锻件最小壁厚仅125mm,相对壁厚t/d仅为0.083(t为锻件壁厚,d为锻件内径),根据经验t/d<0.5时,金属的轴向流动速度将大大降低,由此可见,该锻件的芯轴拔长过程难度极大。为克服上述两方面困难,在锻件生产过程中采用多次分段成形法克服芯轴长度不足的问题,并结合计算机模拟技术制定拔长工艺参数,克服薄壁锻件拔长困难的问题。3.1拔长、调头及调头为克服原芯轴长度不足的问题,锻件在扩孔工序完成后使用多次分段成形法进行芯轴拔长,该方法的操作要点是:根据锻件的变形情况和芯轴长度合理地调整锻件朝向及排砧顺序(见图2,图中数字①~⑤为排砧顺序)。图2(a)为扩孔后的锻件形状。锻件经扩孔后内径应略大于芯轴外径以便于放入芯轴。如锻件内壁存在折皱、裂纹等缺陷,为避免缺陷在后工序过程中扩大,需及时进行吹氧清伤。在确保锻件外观无明显缺陷后,使用三角铁在锻件承口和管身的分界处压痕以利于管身外部台阶的成形。芯轴插入锻件内部后首先拔长锻件管身部分,如图2(b)所示。拔长时的排砧顺序为前两锤将管身两端收紧,然后再依次向水口端推进,这样的排砧顺序可避免水口端产生喇叭口,并可迫使内部金属产生向水口端流动的趋势。在拔长过程中,要根据芯轴长度尽量拔长锻件,待锻件长度接近芯轴长度后,方可进行下阶段的拔长。经过图2(b)阶段锻件拔长后,锻件长度已基本与芯轴长度相同,本工序拔长的排砧顺序改为从近承口端向水口端推进,使金属向水口端流动聚集,如图2(c)所示。金属向水口端聚集具有2个作用:①为后序调头拔长水口端时提供材料;②为端部留下较大壁厚以便于对易开裂的端面区域进行吹氧清伤。需要注意的是在本工序不要将管身外径拔至工艺尺寸,要留下一定的壁厚余量以便于最终成形前进行吹氧清伤。锻件调头后,拔长近水口端部分,如图2(d)所示。该工序拔长时排砧顺序改为从水口端向承口端推进。在拔长时,应尽量将近水口端的管身外径拔至工艺尺寸,并根据芯轴有效长度进行排砧,使拔长部分的长度尽量接近芯轴有效长度。由于芯轴长度所限,本工序拔长结束后在承口端方向将会留下部分未拔长部分。锻件再次调头,如图2(e)所示,将上工序遗留的未拔部分外径拔长至工艺尺寸,并对承口端法兰部分进行适当修整,即可完成管模锻件的拔长工作。需要注意的是该工序中的锻造温度不可过高,以避免近水口端部分的金属产生粗晶。采用多次分段成形法具有以下优势:(1)有效解决芯轴长度不足问题,可利用现有短芯轴生产大尺寸长锻件。(2)通过多个工序的拔长成形,可保证管壁在整个拔长过程中以较均匀的变形趋势进行减薄,可防止折皱、拉裂等成形缺陷产生。(3)通过锻件调头并辅以合理的排砧顺序,可以降低锻件端面产生喇叭口的风险,提高了锻件外观质量。3.2模型参数的选择在对芯轴进行拔长时,合理地选择拔长工艺参数有助于解决空心薄壁锻件拔长困难的问题。空心薄壁锻件拔长工艺参数主要涉及到砧宽的尺寸与V形砧夹角的大小,以下通过Deform-3D数值模拟软件,对锻件拔长时工艺参数的选择进行介绍。在进行数值模拟时,忽略工具的弹性变形,上、下砧及芯轴均定义为刚性体,锻件为塑性体。锻件材质18CrMoV,始锻温度1200℃,终锻温度800℃。环境温度20℃,摩擦因数0.7(干摩擦环境)。模拟锻件加热至1200℃后,从炉内转运至砧上与空气热交换时间为300s。整个变形过程考虑锻件与上、下砧及芯轴进行热交换。采用的冶金辅具分别是:砧宽为900mm的上平砧、砧宽为600mm的上平砧、夹角分别为100°和110°的下V形砧以及外径为ϕ1500mm的芯轴。上砧的压下速度为6mm/s。在模拟拔长过程中,锻件的拔长效率由变形区金属的轴向流动速度来决定。3.2.1最大轴向金属流动速度图3为砧宽为600mm的上平砧与砧宽为900mm的上平砧进行拔长时的金属轴向流动速度场。由图3可见,采用600mm上平砧拔长时的最大轴向金属流动速度为0.937mm/s,采用900mm上平砧拔长时最大轴向金属流动速度为0.870mm/s。由此可见,采用较小的砧宽进行拔长时,可获得更大的轴向金属流动速度,表明采用窄砧时金属的轴向流动趋势更强,更有利于提高拔长效率。3.2.2下v形国冲突多菌株多态机械拔长检测图4为110°夹角V形砧和100°夹角V形砧芯棒拔长效果的对比图。由图4可见,采用110°下V形砧拔长时轴向最大金属流动速度为0.849mm/s,采用100°下V形砧拔长时轴向最大金属流动速率为0.870mm/s。因此夹角小的下V形砧进行拔长时更有利于金属的轴向流动,更能提高锻件拔长效率。通过以上分析,实际生产中采用砧宽为600mm的上平砧和100°夹角V形砧进行管模锻件拔长。通过实际生产,发现采用较窄的平砧和小角度V形砧较采用宽平砧和大角度V形砧时的拔长效率高。4crmov管模锻件生产通过采用多次分段成形法,并运用窄平砧和小角度V形砧对管模锻件进行拔长的成形方法,成功锻制出了合格的管模锻件。18CrMoV管模锻件生产现场如图5所示。经外形尺寸、超声波探伤及力学性能技术检验,采用上述方法生产的18CrMoV管模锻件各项指标均符合技术要求。18CrMoV管模锻件成品如