大鍛件鍛造的新中心壓實(shí)法
針對(duì)大型鍛件鍛造的特點(diǎn)，綜合了普通平砧拔長(zhǎng)和中心壓實(shí)法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的中心壓實(shí)方法。此法只使鍛坯上下表面強(qiáng)制冷卻，建立一維不均勻溫度場(chǎng)后，采用上下平砧鍛造。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：新方法不僅在壓實(shí)效果上達(dá)到或超過(guò)了中心壓實(shí)法，而且能避免采用中心壓實(shí)法時(shí)，操作過(guò)程復(fù)雜、鍛件表面壓傷、折疊等不足。
1、引言
至今，為了有效地鍛合大型鍛件內(nèi)部的缺陷，已經(jīng)提出了許多鍛造方法。除采用鐓粗和拔長(zhǎng)的普通鍛造方法外，還包括由中島浩衛(wèi)等提出的FM法，由館野萬(wàn)吉等提出的中心壓實(shí)，寬砧鍛造等鍛造方法。這些方法中的中心壓實(shí)法，又稱冷殼鍛造法，或JTS法，對(duì)鍛合鍛件內(nèi)部缺陷，已被證明是一種有效的鍛造方法，且在鍛造大型轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)主軸等大鍛件時(shí)常被采用。但其缺點(diǎn)是要在兩個(gè)方向建立不均勻溫度場(chǎng)，冷卻工藝復(fù)雜，操作中間還要換上砧，壓下量較大時(shí)，鍛件斷面幾何形狀不規(guī)則，鍛件表面易被壓傷、折疊，易產(chǎn)生軸線偏移等。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種新的中心壓實(shí)法，即建立一種一維不均勻溫度場(chǎng)，使得既能克服上述不足，又可保留不均勻溫度場(chǎng)的有利效應(yīng)，更好地實(shí)現(xiàn)中心壓實(shí)效果。
2、新中心壓實(shí)法工藝原理
普通平砧拔長(zhǎng)，即采用上下平砧鍛造，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，但當(dāng)砧寬比和壓下量控制不當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軸向和橫向拉應(yīng)力，鍛造效果差。
中心壓實(shí)法，即對(duì)加熱后的鍛件四周進(jìn)行強(qiáng)制噴水或噴霧冷卻，建立二維不均勻溫度場(chǎng)后，采用上小砧、下平臺(tái)鍛造，為避開(kāi)變形抗力較大的外層金屬，砧子寬度小于鍛件寬度。這樣鍛造時(shí)變形基本上集中在心部，可在此處產(chǎn)生較大的靜水壓力，因而能起到較好的壓實(shí)效果。但鍛造時(shí)的小砧容易壓傷鍛件表面，繼續(xù)鍛造時(shí)易產(chǎn)生折疊，且因非對(duì)稱變形，當(dāng)鍛件翻轉(zhuǎn)90。繼續(xù)實(shí)施中心壓實(shí)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生軸線偏移。
新中心壓實(shí)法綜合了上面兩種工藝方法的特點(diǎn)，即鍛件加熱后只對(duì)其上下兩個(gè)表面噴水(或霧)強(qiáng)制冷卻時(shí)，使鍛件僅在高度方向產(chǎn)生較大的溫度差，然后用上下對(duì)稱平砧進(jìn)行拔長(zhǎng)，工藝原理如圖1所示。圖中Ⅳ 為砧子寬度，H 為可能的變形區(qū)高度。
采用新中心壓實(shí)法時(shí)，鍛件上下兩面因冷卻而產(chǎn)生的兩個(gè)硬層，拔長(zhǎng)時(shí)基本不變形，因而能增大中層金屬的變形程度，在相同壓下率的情況下，與普通平砧拔長(zhǎng)相比，相當(dāng)于增大了壓下率和砧寬比，起到了中心壓實(shí)法的作用。與原中心壓實(shí)法相比，由于采用上下對(duì)稱平砧，且僅在一個(gè)方向建立不均勻溫度場(chǎng)，冷卻和鍛造的操作過(guò)程簡(jiǎn)單，變形對(duì)稱，不會(huì)出現(xiàn)軸線偏移，且能避免鍛件表面因使用窄砧而出現(xiàn)的壓傷、折疊等。
為驗(yàn)證新中心壓實(shí)法的壓實(shí)效果，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究，并與中心壓實(shí)法進(jìn)行了比較。
3、試驗(yàn)與分析
試驗(yàn)采用兩種打中心孔方法模擬人工缺陷。一種是沿軸向在試件中心位置的孔，稱為縱向孔；另一種是沿橫向在試件中心位置的孔，稱為橫向孔。對(duì)帶有兩種缺陷的試件施以不同的鍛造方法，比較其鍛造效果。
3.1 縱向孔壓實(shí)試驗(yàn)
試驗(yàn)材料為45號(hào)鋼，試件尺寸為200mm×100mm×100mm，中心孔為Φ90mm，鉆孔后焊死孔口。工具尺寸：平砧，寬40mm 小砧，75mm×40mm 平臺(tái)。
將加熱至1150℃的試件噴水冷卻，中心壓實(shí)法的試件四周冷卻，新中心壓實(shí)法的試件上下兩面冷卻。
為檢驗(yàn)鍛件的強(qiáng)制冷卻效果，首先測(cè)定溫度場(chǎng)，以確定合適的冷卻時(shí)間。在試件截面各部位鉆孔插進(jìn)熱電偶，記錄其隨時(shí)間變化的溫度值。經(jīng)實(shí)測(cè)得出試件冷卻30s后溫度場(chǎng)效果較好。圖2為新中心壓實(shí)法的試件冷卻30s后測(cè)得的溫度分布曲線。該圖表明，試件冷卻30s后，中心層金屬溫度仍保持在1100℃以上，表層溫度已降至810℃，基本滿足JTS法要求的溫度梯度條件。
試件冷卻30s后，對(duì)其分別實(shí)施中心壓實(shí)法。若用A、A＇分別表示試件中心孔變形前后截面的面積，變形前孔的直徑為D，假設(shè)變形后孔的形狀近似為橢圓，長(zhǎng)短軸尺寸分別為a、b，將A＇／A、a／D和b／D隨壓下率的變化繪成圖3。圖3表明，兩種鍛造方法均使孔洞雙向收縮。在相同壓下率的情況下，新中心壓實(shí)法鍛后的長(zhǎng)軸比中心壓實(shí)法略長(zhǎng)，而短軸則比后者要短。但就缺陷孔面積減小的情況來(lái)看，新中心壓實(shí)法優(yōu)于中心壓實(shí)法。
3.2 橫向孔壓實(shí)試驗(yàn)
試驗(yàn)采用45號(hào)鋼，試件尺寸為100mm×50mm×50mm，中心孔為Φ3．7mm。工具尺寸：平砧，寬20mm；小砧，37.5mmX20mm 平臺(tái)。
試件的加熱溫度、冷卻方式與縱向孔試件相同。同樣由溫度測(cè)試結(jié)果，冷卻時(shí)間定為20s(其溫度場(chǎng)如圖4所示)。
將冷卻20s后的試件分別施以中心壓實(shí)法和新中心壓實(shí)法。把A＇／A、a／D和b／D隨壓下率的變化表示在圖5上。
圖5表明，新中心壓實(shí)法對(duì)橫向孔的閉合程度優(yōu)于或接近中心壓實(shí)法。
圖6為采用中心壓實(shí)法和新中心壓實(shí)法時(shí)橫向孔試件切片的部分照片。圖7為采用中心壓實(shí)法和新中心壓實(shí)法時(shí)縱向孔試件切片的部分照片。
新中心壓實(shí)法從縱向孔的壓實(shí)情況看，優(yōu)于中心壓實(shí)法，橫向孔的閉合程度也與中心壓實(shí)法接近。在試驗(yàn)中還可以看到，當(dāng)壓下率較大時(shí)，采用中心壓實(shí)法的鍛件表面出現(xiàn)壓傷、折疊現(xiàn)象，而新中心壓實(shí)法則沒(méi)有。4
結(jié)論
(1)新中心壓實(shí)法壓實(shí)效果接近或超過(guò)中心壓實(shí)法。
(2)新中心壓實(shí)法與中心壓實(shí)法相比，冷卻和鍛造過(guò)程簡(jiǎn)便，鍛件不易產(chǎn)生壓傷、折疊等缺陷。
(3)可在一個(gè)方向?qū)嵤┬轮行膲簩?shí)法后，翻轉(zhuǎn)90。再次實(shí)施該種方法，對(duì)壓實(shí)鋼錠內(nèi)的缺陷非常有利，且不會(huì)產(chǎn)生鍛造偏心。
