40CrNiMo高套筒锻造工艺的研究

文／于志亮·天津市志亮金属锻造有限公司

40CrNiMo高套筒锻造工艺的研究

文／于志亮·天津市志亮金属锻造有限公司

自由锻企业经常要生产一些批量较小，力学性能要求高，同时又不允许采用无缝钢管而必须锻造成形的高套筒形锻件，这类锻件的几何形状特点是高径比较大，同时壁厚又较薄，材质多采用优质合金钢如40CrNiMo，锻造成形的难度比较大，一直是自由锻生产中的难题。

传统工艺

传统的自由锻工艺为了保证里孔偏斜小，同时又便于把冲头从坯料里退出，只能将坯料镦粗至D≈H时冲孔(图1），冲孔时采用双面冲孔工艺(图2），正面用冲头冲至高度的2/3左右时将冲头退出，将坯料翻转后再从背后冲透，这样冲出的孔比较正，但同时也产生了一个问题，那就是后序的拔长很困难，而且很容易出现偏差(图3）。拔长时由于冲头是凉的而坯料是热的，同时变形量很大，因此在大力锤击时，时间过长会极容易造成里孔裂纹，这是造成废品的重要原因。即使由于勤换冲头没有锻裂，但成形也很困难，最容易发生的拔长变形问题是高度方向严重不齐，而进行校正后把高度又打回了很多，这时就需要再次拔长，这样反复拔长、校正，生产效率很低。

图2 双面冲孔常规工艺

图3 拔长时产生偏差

新型工艺

为了提高生产效率及保证产品质量，必须减少拔长程度，而减少拔长程度就必须在坯料高度较高时将坯料里孔冲透，这样不仅能有效地避免里孔裂纹的产生，提高产品质量，同时也可以提高生产效率。但此过程中必须解决好一个问题，那就是孔必须冲正并冲通且能顺利拔出冲头才行，否则如果将孔冲歪或冲偏，是很难再纠正回来的，这样会造成较高的废品率。

我公司为了解决这类锻件的锻造难题，对传统的锻造工艺进行了多次改进，现采用高位双面冲孔＋马杠扩孔的新型锻造工艺来生产这类锻件。以C型连接套为例，此零件材质为40CrNiMo，有保二级探伤合格的要求，零件尺寸为φ150mm×φ120mm×270mm，原锻件尺寸设计为φ(165±4）mm×φ(90±5）mm×(290±3）mm，下料重量为39kg，下料规格为φ180mm×195mm，火次为3～4火，使用设备为560kg或750kg空气锤，班产量大约为25件，废品率为10%左右。我公司采用新型锻造工艺后锻件尺寸设计为φ(162±3）mm×φ(105±4）mm×(285±3）mm，下料重量为34kg，下料规格为φ130mm×326mm，火次为2火，使用设备为560kg或750kg空气锤，班产量大约为50件，废品率在1%以下。下面就说明一下此新型锻造工艺的基本过程。

我们现行的工艺是将坯料略为镦粗，找正即可。冲孔时坯料高度掌握在310～315mm，采用我公司创造的新型双面冲孔法(图4）进行冲孔。首先，使用1＃头冲头(图5a）冲孔到40～50mm深(这个冲孔深度很容易把冲头拔出），然后换成2＃头冲头(图5b）将孔继续冲深到120～130mm，正面冲完后，再在反面冲出120～130mm深的深孔。常规的冲头底部和顶部都是平的，而我们将两个头冲头的顶部改成球面，这样顶部就如同手工大锤的锤面，这一点非常重要，因为这样能有效地解决孔容易冲歪或冲偏问题的发生。这时再把二冲头(图6）打入坯料中，将其顶部打到与坯料表面齐平为止，此时芯料已被顶活，然后马上翻转毛坯，再用另一个二冲头把第一个二冲头连同芯料一起顶出，顶出后便实现了孔径的贯通，然后马上翻转毛坯，再用一个普通冲头把第二个二冲头顶出即可。接下来使用扩孔冲头扩大内孔，以保证内孔直径大于60mm。在扩内孔时，不用考虑坯料的外径是多少，但必须保证其高度不小于285mm，此时壁厚可能有一些偏，不过只要偏差不大于10mm，在后序用马杠扩孔还是可以校正过来的，但是如果采用冲头扩孔，那就没有办法纠正了。至此第一火完成，然后入炉加热准备第二火锻造。第二火加热后将毛坯放在马杠上，用φ60mm的芯轴扩孔(图7），将内孔直径扩到大于80mm，停锤找正，稍镦即可，高度方向的尺寸必须保证不得低于285mm，然后换φ80mm的芯轴继续扩孔至要求尺寸，最后修整各部尺寸。

图4 新型双面冲孔法冲孔过程示意图

操作过程中的注意事项

图5 头冲头

图6 二冲头

图7 马杠扩孔

⑴由于是在高径比很大的坯料上冲孔，故而孔很容易冲歪或冲偏，为了克服这一问题，除去对操作工人的技术要求较高、动作要快之外，对冲头本身也有一定的要求，冲头需由经验丰富的锻工精心打制，并需经淬火处理，硬度要求在38～45HRC，材质采用5CrMnMo或5CrNiMo。

这里需要强调的一点是，正确使用冲头很关键，如在使用头冲头冲两面盲孔时，在冲孔前须将冲头烤至200℃左右，且冲孔时每打一锤必须要放入煤屑，这样方便拔出冲头与找正，同时也更加安全，正面冲到要求的尺寸规格以后立即翻转坯料，再进行反面冲孔，反面冲孔完成后，头冲工作便告完成，此时应立即将头冲头放入水槽中冷却。同时要注意的是，为保证头冲头的完好以便反复使用，头冲头绝不可用于别处。同理，二冲头也要做到专用才好。

对于二冲头来说，材质的要求并不是很严格，常规冲头材料选用A7、T8、T10、65Mn、45钢均可，也不需要经过淬火处理，由锻工手工淬硬一下即可，但其尺寸要求严格，否则使用起来不方便，而且还会影响进度及质量。对于扩孔冲头基本就没有什么要求了，由锻工自己改制即可。

⑵用马杠扩孔时，第一道芯轴用φ60mm圆钢需要经过锻造才能使用，材质采用35CrMo，需做调质处理，硬度在25～30HRC，需要注意的是，使用前必须将其烤至150℃左右，这样既安全也会延长芯轴的使用寿命。第二道芯轴用φ80mm圆钢则无特别的要求，材质采用40Cr或45钢均可。

于志亮，董事长，高级技师，主要从事自由锻工艺及新材料应用等方面的研究，1984年全国技术考试名列锻工前十名，2011年获得天津锻造行业优秀工艺奖，2013年获得天津奉献锻造行业优秀个人奖。