大锻件不同砧型拔长工艺的研究进展

龚 虎 徐 月

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

大锻件不同砧型拔长工艺的研究进展

龚 虎 徐 月

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

阐述了大锻件拔长工艺的研究进展，重点阐述了不同砧型拔长工艺的研究现状及取得的成果，展望了拔长工艺未来的研究方向和发展趋势。

大锻件；砧型；拔长

大锻件是重型装备制造业中关键零部件之一，广泛应用于船舶、冶金、电力和石化等重型工业领域，具有制造技术难度大、生产周期长和耗资巨大等特点[1]。传统锻造工艺的目的是消除疏松、偏析、夹杂物和孔洞型缺陷等[2]，通过合理有效的锻造方法将这些致命缺陷最大程度地减少到最低，一直是锻造工作者关心和研究的核心问题。拔长是决定大锻件最终质量的主要锻造工艺，拔长效率和拔长后大锻件最终的质量受砧型、压下量、送进量以及砧宽比等多种因素影响。针对大型钢锭的拔长工艺，需要根据钢锭具体尺寸、钢锭成分和实际生产条件等，选择合理有效的砧型进行拔长，以期获得高性能优质大锻件。因此，研究合理有效可行的新型拔长方法具有非常重要的意义。近十余年来，经过不断探索研究和发展，在总结前人经验的基础上提出了一系列拔长理论和不同砧型拔长方法，取得了一些突破性成果，为大锻件新拔长方法的出现提供了一定理论依据和指导意义。

1 拔长工艺的出现

拔长是一种使毛坯横截面减小而长度增加的锻造方法，各国科研工作者对拔长方法也展开了大量探索和研究。平砧拔长是最早出现的一种拔长工艺，操作简单，实用性强，一直以来被人们广泛采用。然而，随着大锻件需求量的增多，需求者对大锻件的质量也提出了更高要求，继而促使科研工作者系统深入地研究平砧拔长。对圆截面毛坯平砧拔长进行受力分析可知，由于砧子和工件之间存在摩擦力，造成垂直锻打的方向上形成了拉应力，且心部达到最大，因此在砧子与工件接触附近形成了难变形区[3]。20世纪50年代，前苏联学者最早提出了大锻件平砧拔长的砧宽比限制条件，建立了轴向拉应力分析模型[4]。然而，日本学者河合正吉等[5]通过不同砧宽比平砧拔长实验，得出了当砧宽比小于0.9时，处于砧子下面变形的毛坯中心轴线上将会产生Mannes-mann效应。需要特别指出的是，尽管两人研究的着眼点不同，但他们的研究成果在很大程度上为大锻件拔长制定合理的砧宽比提供了重要的理论依据。经过不断深入研究，该拔长方法已成功应用于螺旋桨轴的锻造工序[6]，通过平砧拔长方法有效地锻合了钢锭内部缩孔和疏松等冶金缺陷，经后续热处理获得了综合力学性能较好的螺旋桨轴锻件，为大型船用轴类锻件锻造工艺的发展提供了实验依据。后来又逐渐出现了KD锻造法[7](类似于WHF法)，经过科研工作者不断努力和尝试，在此基础上又发明了超宽平砧拔长法，此拔长方法已经成功应用于圆环形锻件[8]的实际生产，解决了多砧扩孔高度中间易产生凹陷的重要问题，为新型拔长方法的诞生指明了方向。

经研究表明，采用平砧拔长方法以及合理的压下量和砧宽比能在一定程度上减少甚至是消除孔洞闭合缺陷[9]。尽管平砧拔长方法能在一定条件下有效解决钢锭中的某些冶金缺陷问题，但随着大锻件质量要求的提升，导致制造技术难度的进一步增大以及钢锭内部缺陷无法得到合理有效的控制，科研工作者又逐渐开始对新拔长工艺进行了系统研究。目前，国内外研究者在平砧拔长的基础上，经过一系列基础实验研究和数值模拟分析，通过对砧型合理有效地改进，提出了一系列新型拔长方法。比较成熟的拔长方法有上平砧下V型砧拔长、上平砧下梯型砧拔长、上下V型砧拔长和水平V型砧拔长等实用型新拔长工艺。而且，部分改进后的新拔长方法已成功应用于实际生产，取得了良好效果。

2 不同砧型拔长方法的出现及应用

随着上平砧下V型砧拔长[10]新方法的出现，科研工作者对此方法又有了进一步深入地考察和研究。提出了一种上平砧下V型砧锻造阶梯轴的新型拔长方法[11-12]。此方法获得的锻件变形区域应力状态和中心区域锻透性都很良好，而且锻件变形部分的轴线偏移量非常小，坯料内部应力状态也非常好，横向无拉应力出现，该拔长方法能获得中心压实的效果。潘品李等[13-14]将数值模拟和工艺试验分析方法相结合，运用上平砧下V型砧拔长方法，提出“三压法”翻转新工艺，有效地提高了锻件变形区域的等效应变和均匀分布，使最终获得的锻件不仅变形均匀，还能起到晶粒细化的目的。该拔长方法也成功应用于石油化工中某些重要轴类锻件，例如石油化工主轴生产中采用了上平砧下V型砧锻造工艺，获得了力学性能良好的主轴锻件[3]。锻造成形过程中，不仅改变了锻件的应力状态，在成形阶段严格控制了压下量，高温时采用分散小变形锻造，很大程度减少了锻件成形时容易出现开裂的问题。

经过不断研究与探索，科研工作者在上平砧下V型砧拔长方法的基础上发明了一种上平砧下梯型砧拔长工艺[15]。与一般上平砧下V型砧拔长工艺相比，该拔长方法能够使锻件的心部和次表层同时获得较大且均匀的变形量，这不仅有助于扩大锻件内部孔洞锻合范围，还大大改善锻件内部质量。但这种拔长方法的研究进程和应用成果还比较紧缺，目前报道较少。而且，这种方法仅在缩比试验中得以应用，还未正式提出能真正应用于实际生产，这还需要广大科研工作者为此做进一步深入研究和完善，以期在大锻件制造中得以应用。

由于人们开阔的眼界和勇于打破传统的想法，锻造新工艺也越来越多。通过工艺试验和数值模拟相结合的传统方法，研究了上下V型砧拔长法[16-19]。最终得到了理想的工艺参数组合，当砧宽比=0.34，双面压下率小于7.5%时，锻件心部处于较强的三向压应力状态，压实效果非常显著。通过试验研究，得出了该V型砧锻造既能简化锻造工艺[20]，也能改善锻件质量，提高产品的成功率，大大降低生产成本。此V型砧锻造方法已经成功应用于大型发电机高中压转子锻件的实际生产中，取得了不错的效果。利用V型砧锻造方法生产出的转子锻件至今仍运转顺利。

虽然现有砧型拔长方法众多，仍不能满足实际生产中不同类型大锻件的需要。因此，出现了一种水平V型砧拔长方法，该拔长方法能够通过控制金属流动方向和纤维流向降低大型轴类锻件力学性能的各向异性，从而提高拔长效率，最终获得的轴类大锻件质量比其它锻造方法好。倪利勇等[21]、张莉萍等[22]针对方形截面毛坯，通过数值模拟方法优化了拔长工艺参数，并通过实验得到了横截面横向中心线上横向应力分布规律。最终结果表明：当砧宽比=1.0和料宽比=0.5时，锻件心部处于很强的压应力状态，这有利于进一步扩大工艺参数范围。张永军[23]等对比了水平V型锥面砧拔长和上平砧下V型砧拔长工艺，从横向和纵向分析了锻件力学性能，得出水平V型锥面砧拔长能有效改善轴类锻件力学性能异向性。针对矩形截面毛坯拔长研究较多的情况，程小辉等[24]选取了对圆形截面毛坯，运用DEFORM-3D有限元数值模拟表征了拔长过程中等效应力分布情况，发现在较小砧宽比条件下也能有效保证锻件心部处于良好压应力状态。不难发现，无论毛坯截面是矩形还是圆形，通过水平V型砧拔长方法合理制定工艺参数都能使成形过程中锻件心部处于较强压应力状态，这不仅改善了锻件力学性能的异向性，还提高了拔长效率。但这仍然需通过轴类大锻件的实际生产来确定是否真的能达到这样的效果。

绝大部分特殊有效的锻造方法都是在普通平砧拔长的基础上，通过不断总结经验和改进发展起来的，如有限元法、宽V型砧大压下量法等[25-26]。任运来[27]等通过分析目前镦粗和拔长过程中锻件变形区域与应力分布情况，提出了一种新的拔长方法——凹面砧拔长。通过数值模拟和物理模拟方法对比研究了凹面平砧拔长(CFAF)和凹面V型砧拔长(CVAF)整个成形过程，最终得到凹面V型砧拔长不仅更有利于提升净水压力值，而且，在同一变形效果下的压下量小于凹面平砧拔长。这两种凹面砧拔长方法在孔洞闭合、疏松压实效果方面都明显优于其它特殊锻造方法。与目前其它拔长方法比较，该方法具备操作简便、应用范围更广的特点。

3 结束语

锻造工作者和科研学者对不同砧型拔长方法进行长期探索研究，取得了非常瞩目的成果，推动了大锻件制造技术的快速发展，为大锻件制造提供了重要的技术支持和依据。由于目前优质高端大型锻件的严重紧缺以及重型行业对大锻件质量要求的提高，现阶段所拥有的成熟的拔长方法不足以生产优质高端大锻件，故需要研究简单实用且有效的新拔长方法服务于重型锻造领域。

从研究现状和取得的成果来看，不仅要解决大型钢锭中冶金缺陷，还要防止锻造过程中出现新问题。根据不同实际生产情况制定合理有效的技术路线和综合评判标准来设计锻造工艺，以达到提高效率和节约能源的目的。金属材料在不同变形条件下微观组织演变复杂导致性能难以控制，且热力学参数对大锻件成形过程影响颇大，还需通过数值模拟和实验结合的方法系统深入研究大锻件成形过程微观组织演变和性能控制，最好能获得有一种真实有效可行的方法来准确预测大锻件成形过程微观组织演变和性能的改变，以便采取相应的措施。

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编辑 杜青泉

Research Progress of Drawing Process with Different Shape of Anvils in Heavy Forgings

GongHu，XuYue

This paper describes the research progress of drawing process of heavy forgings, it focuses on describing the research status of drawing process with different anvils and the achivements, looks forward to the research direction of drawing process in future and the trend of development.

heavy forgings, anvil shape, drawing

TG316.2

A

2017—03—21

龚虎(1989—)，男，硕士，主要研究方向：大型锻造理论与新技术。