有效压实锻造法工艺准则及应用

任 猛 王中安 史翔炜 谢冬民 高 明

(亚洲重工集团有限公司，江苏214128)

1 有效压实临界条件

良好的锻造过程可以充分消除钢锭中的空洞性缺陷，如疏松、二次缩孔、气孔和内部裂纹等，即通过变形、压合、焊合三个阶段将其完全消除。锻造过程也可以消除改善固体性缺陷，如粗晶、轻微偏析和塑性夹杂等。而气体性缺陷，一方面可在高温变形及加热过程中少量扩散溢出，更主要是靠锻后热处理来改善。实践证明，采用有效压实锻造法生产的锻件，能把锻造技术可以解决的问题最大限度地完成。其余残存的内部缺陷，基本上都是冶金缺陷，如氧化物夹杂、气体含量过高等。

有效压实锻造法的核心技术是一个临界条件，其主要包含下列两点：

(1)在主变形结束时，锻坯内部各点的最大压应变值ε1应大于或等于0.6[2]；

(2)在主变形过程中，锻坯心部温度应大于等于1 050℃。

满足这个临界条件，对于实际材料中的空洞类缺陷的闭合是偏于安全的，并且固体类可变形缺陷也可以较充分地打碎和改善。有效压实锻造法的工艺过程可以保证ε1≥0.74， 而在主拔长变

形完成时锻坯心部温度≥1 050℃(表面温度大约850～950℃)在实际生产中也很容易实现。

2 有效压实法工艺准则

有效压实锻造法适用于各种工具锻造的变形过程，比如传统上下平砧拔长、FM法拔长、上平板下平台(或转台)的超宽砧拔长、V型砧拔长等。本文只给出既简便又常用的几种形式。

2.1 上下平砧拔长有效压实工艺准则

(1)在钢锭的主变形过程中，需要有6趟满足实际砧宽比W/H=0.5～0.9之间的有效拔长变形。

(2)每趟拔长压下率εh=20%～22%。可选择每拔长一趟翻转90°的“上下平砧传统拔长”方法，也可采用0°、0°、90°、0°、0°、90°、0°、90°、0°、90°的“上下平砧连续拔长”方法，但程序中应始终保持使坯料截面高宽比小于2.0。

(3)每重新拔长一趟前，应错砧W/3，具体按W→W/3→2/3W→W……的顺序进行。通常控制错半砧左右即可。

(4)在主拔长变形过程中，应保持坯料心部温度T心≥1 050℃，或表面温度大于850℃。

(5)控制坯料截面尺寸变化及计算拔长趟数，应给出拔长操作程序，其展宽率公式[3]为：

1)圆截面开始的第一趟拔长α1=0.473(W0/H)；

2)翻转90°后的第二趟拔长α2=0.43(W0/H)；

3)矩形及方形截面拔长α3=0.782-0.182(H/W0)。

(6)对重要锻件在主拔长结束后，采用扁方入炉的办法，以增强高温扩散效果，其温度和时间仍按传统规范进行。扁方尺寸为a=1.35b，b=0.9D。其中，D为锻件最大直径尺寸，a和b为扁方截面两方向尺寸。

在上下平砧拔长时，进砧宽度通常按W=0.8W0考虑。研究结果表明，只有当W/H≥0.51时，坯料中心的压应变才能达到最大，其最佳砧宽比为0.7。并且研究发现，只有W/H在0.5～0.9范围，才能保证锻件心部充分变形，获得较高的ε1值。

2.2 FM法拔长有效压实工艺准则

FM法拔长使用上平砧、下平台(或转台)，工具和操作都比较简单，也是最常用的拔长方法。尤其是在钢锭不需要镦粗或仅需要小镦粗的情况下，比上下平砧拔长所需锻比要小、操作时间更短。但由于变形方式为不对称，当W/H≥0.4时，坯料中心的压应变就能达到最大，其最佳砧宽比为0.6。所以工艺准则有以下两点不同：

(1)在主变形过程中，需要有8趟砧宽比W/H=0.4～0.8之间的有效拔长变形。

(2)每趟拔长的压下量为11%～13%之间。可采用翻转180°、90°、180°、90°的方式，也可采用连续拔长方式。

2.3 超宽砧拔长有效压实工艺准则

超宽砧拔长使用上平板、下平台(或转台)，变形方式相当于侧镦粗。既可以对钢锭直接拔长，也可以镦粗后拔长(带钳把)或下料后拔长(无钳把)，但要考虑各压机适用的钢锭或坯料尺寸、重量大小。该方法的特点是需要的拔长趟数少、操作时间短及有效压实效果好。其工艺准则也有以下两点不同：

(1)仅需要4趟超宽砧有效拔长变形。

(2)每趟拔长的压下量约为35%～45%。每趟翻转90°，对于空心厚壁筒类锻件的压实，只考虑三趟即可。

3 有效压实锻造法工艺应用实例

3.1 上下平砧传统拔长

表1给出了一个电机轴锻造工艺实例.该锻件最大直径∅500 mm，如图1所示。使用500 mm上下平砧拔长，8 t钢锭的平均直径为∅750 mm，不用镦粗，一火成形，锻比为2.25。按照工艺给出的8趟拔长程序，首先计算有效拔长趟数。用500 mm乘以0.8倍进砧宽度，除以0.5倍有效砧宽比，为800 mm。因此，凡压下前直径≤800 mm的趟数，都为有效趟数(第一趟的圆直径和第二趟的扁圆直径除外，该两趟可以折算补充到第8趟中，该趟压下量稍显不足)。可见该工艺过程是完全满足工艺准则规定的6个有效趟数的，工艺充分而可靠。

请注意，在8趟拔长完成时的坯料截面尺寸为475 mm的极限方[4]，然后压八方为500 mm，卡台、滚圆、成形。

3.2 上下平砧连续拔长

对电机轴锻件采用500 mm上下平砧连续拔长的实用程序，见表2。

表1 500 mm上下平砧传统拔长电机轴锻件的实用拔长程序Table 1 Actual traditional stretching processes for motor shaft forging stretchedby 500 mm top and bottom flat anvils

图1 电机轴锻件Figure 1 Motor shaft forging

趟数翻转压下前直径/mm压下量/mm压下后直径/mm变形率123456780°0°90°0°0°90°0°90°75059086068054064051054016012018014011013070655904706805404305104404750.213 30.203 40.209 30.205 90.203 70.203 10.137 30.136 8

表3 FM法拔长25Cr2N4MoV转子的实用拔长程序Table 3 Actual stretching processes for 25Cr2N4MoV rotor stretched by FM method

图2 25Cr2N4MoV转子Figure 2 25Cr2N4MoV Rotor

图3 35A电机转子Figure 3 35A motor rotor

在8趟拔长完成时的坯料截面尺寸为475 mm的极限方[4]，然后压八方为500 mm，卡台、滚圆、成形。

从这个拔长过程来看，由于连续两三趟在一个方向大变形，在前6趟就已经达到了有效压实的目的，第7、第8两趟，只是从成形角度考虑，凑成一个带鼓肚的475 mm极限方。

3.3 FM法拔长

图2为在60 MN压机上锻造25Cr2N4MoV转子。大身截面∅1 000 mm，锻件重量34 626 kg，使用44 t钢锭，分三火锻造成形。第一火压镦粗把。第二火加热1 270℃，保温均匀后，先镦粗至∅1 550 mm，然后用800 mm上平砧、下平台，按照FM法程序拔长10趟，成扁方1 260 mm×910 mm入炉。第三火换600 mm上下平砧，再按程序拔长3趟。压八方为1 000 mm，卡台、成形。其拔长程序见表3。

3.4 超宽砧拔长

图3为35A电机转子。锻件重量8 727 kg，使用13 t钢锭，分三火锻造成形。第一火压镦粗把。第二火加热1 270℃，保温均匀后，先镦粗至∅1 150 mm，然后用上平板、下平台，按照超宽砧程序[5]拔长4趟，成扁方810 mm×620 mm入炉。第三火换450 mm上下平砧，大变形压八方为670 mm，卡台、成形。其拔长程序，见表4。

表4 超宽砧拔长35A电机转子的实用拔长程序Table 4 Actual stretching processes for 35A motor rotor stretched by ultra-wide anvil

4 结论

4.1 有效压实锻造法的临界条件为：(1)在变形过程中，使锻件内部任意一点的最大压应变≥0.6；(2)在主变形过程中，应保证锻件心部温度≥1 050℃，或表面温度大于850℃。该临界条件可转化为工艺参数。

4.2 根据有效压实锻造法的工艺准则，本文给出了最常用的上下平砧拔长、FM法拔长和超宽砧拔长三种应用实例。其它锻造过程的应用以及锻造工艺手册的编制等，将在后续的论文中详细讨论。

[1] 任猛，王祖唐，刘庄.有效压实锻造法.中国发明专利第10650号.

[2] 任猛.大型钢锭内部孔洞性缺陷锻合过程的数值模拟和实验研究.清华大学博士论文，1987.

[3] 任猛，金锡钢，王祖唐.拔长锻造时的展宽值计算.锻压技术，1989(2)：8.

[4] 任猛，等.极限锻造成形的原理及工艺应用.大型铸锻件，1991(1-2)：13.

[5] 任猛，董金雷，王中安.优化锻造工艺手册.亚洲重工集团有限公司技术文件，2000.