筒形類鍛件熱處理過程中變形規(guī)律的研究
鍛件熱處理時(shí)的超標(biāo)變形，是熱處理過程的主要缺陷之一，主要是由于熱處理應(yīng)力( 熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，以及組織不均勻而引起的應(yīng)力) 所造成的。此外，由于鋼件的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)、原材料質(zhì)量、加工狀態(tài)，甚至鋼件在爐中加熱和冷卻時(shí)的支撐或夾持不當(dāng)，以及鋼件本身的自重均能引起變形。
熱處理變形主要有兩種形式: 一種是工件幾何形狀的變化，它表現(xiàn)為尺寸及外形的變化，另一種是體積變化，它表現(xiàn)為工件體積按比例地脹大或縮小。生產(chǎn)實(shí)踐中工件的變形，多是同時(shí)兼有這兩種情況。前者是熱處理過程中熱應(yīng)力和組織應(yīng)力作用的結(jié)果，后者則是組織轉(zhuǎn)變時(shí)比容變化( 即比容差效應(yīng)) 而引起。因熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和比容差效應(yīng)所造成的變形趨向各不相同，對于大直徑的筒形鍛件在性能熱處理過程中，哪種應(yīng)力受主導(dǎo)作用也不得而知。
本文通過軟件模擬并結(jié)合公司在制工件實(shí)際測量數(shù)據(jù)，從復(fù)雜的變形過程中總結(jié)出大型筒體鍛件性能熱處理過程中的變形規(guī)律，并利用該規(guī)律減少筒形類鍛件的粗加工余量，使鍛件盡可能接近供貨尺寸，提高鍛件淬透效果，以達(dá)到保證鍛件產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約成本的目的。
1、研究方法
1.1 筒體鍛件熱處理過程變形趨勢的模擬
筒體類鍛件裝爐時(shí)通常采用立裝方式以減少熱處理變形，如圖1所示。
以外徑為Φ6000mm，內(nèi)徑為Φ5480mm，高度為1000mm，材料為12Cr2Mo1V 的筒體鍛件為例，該材料為貝氏體型耐熱鋼，調(diào)質(zhì)前組織為P+ F，調(diào)質(zhì)時(shí)，加熱到奧氏體化溫度以上保溫后快冷，經(jīng)回火后組織變?yōu)锽，組織轉(zhuǎn)變時(shí)比容增大，表現(xiàn)為工件體積按比例地脹大。將該筒體鍛件進(jìn)行熱處理過程模擬分析，如圖2所示。
1.2 筒體鍛件熱處理過程變形趨勢的實(shí)際測量
此次試驗(yàn)中，前后利用公司在制的筒體鍛件共16件，測量工件熱處理過程中實(shí)際變形量。該批筒形鍛件粗加工外徑約Φ6000 mm，厚度約350mm，長度約2500 mm; 涉及材料為: SA-508M Gr.3Cl.2、12Cr2Mo1、1.25Cr-0.5Mo-Si 等。
為了得到性能熱處理后工件精確的變形尺寸，在粗加工完成后，利用立車準(zhǔn)確測量工件尺寸。性能熱處理完成后在切取性能試樣前利用立車先設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)圓，然后采用劃針打點(diǎn)的方式，在工件周向上每兩點(diǎn)間隔22.5°，在軸向的兩端面和中間共3個(gè)截面上，測量工件每點(diǎn)的實(shí)際變形數(shù)據(jù)( 見圖3) 。然后通過基準(zhǔn)圓轉(zhuǎn)化，得到每個(gè)測量部位的實(shí)際內(nèi)、外直徑，最終得到鍛件各點(diǎn)的實(shí)際變形數(shù)據(jù)，該測量方式的測量精度可控制在1mm 以內(nèi)，可以滿足本試驗(yàn)測量要求。
圖3中，內(nèi)圓以Φ5613 mm 為基準(zhǔn)圓，外圓以Φ6382 mm 為基準(zhǔn)圓，測量各個(gè)部位變形數(shù)據(jù)，圖中的數(shù)據(jù)由外向內(nèi)依次為B 端、中間、T 端三個(gè)截面處的變形數(shù)據(jù)，圖3 中的變形數(shù)據(jù)通過基準(zhǔn)圓轉(zhuǎn)化得到表1 中各個(gè)角度各個(gè)截面處的實(shí)際直徑，再由各個(gè)截面處的實(shí)際內(nèi)外徑推算出調(diào)質(zhì)后工件的實(shí)際厚度。
2、研究結(jié)果
2.1 熱處理過程模擬分析結(jié)果
通過對筒體鍛件進(jìn)行熱處理過程模擬，熱處理前筒體尺寸為外徑Φ6000 mm，內(nèi)徑Φ5480mm，高度為1000 mm，熱處理后筒體鍛件內(nèi)徑大約長大42mm，外徑大約長大40mm，整體上呈現(xiàn)在直徑方向向外脹大趨勢。
2.2 變形趨勢實(shí)際測量結(jié)果
表1為其中一件筒體鍛件( 筒節(jié)一) 熱處理后內(nèi)外徑和厚度實(shí)際測量結(jié)果。表中，B 表示筒節(jié)水口側(cè)截面，中表示筒節(jié)中部截面，T表示筒節(jié)冒口側(cè)截面。鍛件熱處理前實(shí)際尺寸Φ6383mm/Φ5536 mm × 2410 mm，實(shí)際厚度423.5 mm。
3、分析與討論
3.1 軟件模擬結(jié)果分析 由軟件模擬結(jié)果可見，在不考慮其它因素影響的情況下，該件筒體鍛件在調(diào)質(zhì)過程中，由熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用使工件在直徑方向上呈現(xiàn)脹大趨勢。按這樣的規(guī)律制定筒體鍛件粗加工余量，應(yīng)該是外徑比內(nèi)徑少預(yù)留粗加工余量更合理。為了驗(yàn)證筒體鍛件在實(shí)際生產(chǎn)中的變形規(guī)律，還需實(shí)際測量后得出結(jié)論。
3.2 實(shí)際測量數(shù)據(jù)分析
通過分析表1 變形數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，筒節(jié)一性能熱處理后直徑方向整體呈脹大趨勢，且厚度方向減薄，具體變形尺寸為:
即筒節(jié)一內(nèi)徑脹大19～39 mm，外徑脹大11～33 mm，且厚度減薄3～7 mm。通過以上方式共測量了16 件規(guī)格相當(dāng)?shù)耐搀w鍛件，在此不再列舉數(shù)據(jù)，但表現(xiàn)出的變形趨勢都是統(tǒng)一的，即直徑方向整體脹大，厚度減薄。由此可以判定，該類筒體鍛件在性能熱處理過程中的變形趨勢與軟件模擬結(jié)果基本吻合。
3.3 熱工藝余量討論
熱工藝余量是在性能熱處理前，為防止熱處理后工件變形導(dǎo)致后續(xù)工序加工尺寸不夠，在原鍛件交貨尺寸基礎(chǔ)上預(yù)留的變形余量。通過上述對大型筒體鍛件性能熱處理軟件模擬和實(shí)際變形趨勢的測量結(jié)果分析可以看出，筒體鍛件熱處理后內(nèi)徑較外徑脹大趨勢略大。在實(shí)際生產(chǎn)中對于此類筒體鍛件預(yù)留熱處理變形余量時(shí)，應(yīng)考慮將內(nèi)徑余量加大，外徑余量減小。這樣既可以保證筒體鍛件在性能熱處理后加工交貨尺寸，又可以減少鍛件重量，達(dá)到保證鍛件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的目的。
4、總結(jié)
(1) 測量的16 件筒體鍛件，性能熱處理后直徑方向都出現(xiàn)不同程度的脹大，其中內(nèi)徑脹大范圍為3～40 mm; 外徑脹大范圍為0.3～39 mm，壁厚減薄為0～7 mm 不等。
(2) 實(shí)際測量筒體鍛件的變形規(guī)律和軟件模擬結(jié)果基本吻合，對指導(dǎo)生產(chǎn)有重大意義。
(3) 通過軟件模擬和實(shí)際測量變形結(jié)果，實(shí)際生產(chǎn)中對于此類筒體鍛件預(yù)留熱處理變形余量時(shí)可酌情考慮將內(nèi)徑余量加大，外徑余量減小，可以達(dá)到保證鍛件質(zhì)量和降低成本的目的。
