风电轴承钢球毛坯的高速镦锻工艺研究与开发

文/杨伟·浙江五洲新春集团股份有限公司富盛精密锻造厂

风电轴承是风力发电机的关键部件之一，因其使用环境恶劣、维护成本高，通常要求有20 年以上的使用寿命。因此，对于轴承钢球等配件的质量要求也较高。钢球毛坯以优质轴承钢为原材料，采用热锻工艺、锻后控制冷却及球化退火工艺，保证了球坯心部及表面的网状、带状和液析组织等符合质量要求，有效提升成品钢球的可靠性，为保证风电轴承的使用寿命奠定了坚实的基础。

高速镦锻机生产钢球毛坯

风电轴承钢球毛坯的需求量大，质量要求高，直径范围为45～70mm，适合在高速镦锻机上进行生产。AMP50XL 高速热镦机是由瑞士哈特贝尔研制的先进自动化多工位精密热锻设备，如图1 所示，总成形吨位为8000 kN，集成了剪切下料模块及4 个成形工位，生产速度为每分钟60 ～100 件，生产锻件的最大直径为104mm，特别适合于精密锻件的大批量生产。风电轴承钢球毛坯基于AMP50XL 进行工艺开发，实现了大批量生产。

工艺流程

钢球毛坯的原材料是优质轴承钢，一般需进行定制，按照原材料质量协议进行检验，检验合格后入库。锻造时，圆棒料自动送料，经中频感应加热炉进行加热，然后由剪切机构进行下料。锻造工艺如图2 所示，首先进行镦粗，去除氧化皮，然后进行预锻，两端成形为球形；再进行终锻成球形。

模具装配图如图3 所示，热剪切下料后料段由料段夹持器夹持送往第一工位镦粗成形、去除氧化皮。镦粗成形结束后，由四点接触式机械手将镦粗后的工件送至第二工位进行预锻成形，第三工位由半球形的凸、凹模进行合模终锻成形。高速镦锻机模具采用组合式结构设计，参与成形的易损件模具尺寸在满足模具使用寿命需求的前提下尽可能减小，这将大大降低模具的材料成本。生产速度快，工件和模具的接触时间极短，生产过程中成形模具直接用水进行冷却，这大大降低了模具的表面工作温度，从而提高了模具的使用寿命。

钢球毛坯在锻后需进行快速控制冷却，然后进行球化退火，出厂前再对球坯进行外观缺陷及内部金相组织检验。

关键技术

锻造温度控制

考虑到钢球的锻后组织，钢球毛坯的始锻温度范围为1050 ～1080℃，终锻温度一般为950 ～980℃。在棒料加热后，由固定式双测温枪进行实时温度监测并将相关信息传输至高速镦锻机控制系统。对于不在设定温度范围内的棒料，由剪切机构下料后丢入废料槽，避免产生不合格锻件。

球坯出料改进

AMP50XL 的四个工位为卧式水平布置，在第四工位凹模侧下方设有出料口。球坯从第三工位凹模型腔顶出后，有时球坯会出现滚动现象，现有机械手为四点接触方式夹持（图4），球面和机械手钳指之间是点接触，接触面积较小，在传送时可能出现夹持不稳，影响工艺稳定性。因此，自行设计了球坯接料槽，将第三工位成形后的球坯通过接料槽顺畅地移至出料口。通过生产验证，球坯出料平稳，生产稳定性好。

锻后控制冷却

高碳铬轴承钢在热锻成形后的冷却过程中，随着碳在奥氏体中的溶解度降低，过饱和碳以碳化物的形式从奥氏体中沿奥氏体的晶界析出，形成碳化物网状组织，这些网状碳化物在后续的球化退火中也不能消除。而网状碳化物的存在，严重影响轴承钢性能，将直接影响到轴承钢球成品的使用寿命，因此，网状碳化物级别的控制是钢球锻件关键的指标之一。一般情况下，锻件出料后可在传送带上进行控制冷却。但是，钢球毛坯这种实心锻件表面冷却快、心部冷却慢，容易析出网状碳化物，造成质量缺陷。因此，对于钢球锻后控制冷却工艺进行优化改善，采用分段冷却方式，各个区段控制的钢球毛坯表面温度变化趋势如图5 所示，先进行水冷，然后风冷，再进行喷雾冷却，最后空冷至室温。

经过多次试验和工艺验证，经过球化退火后的钢球毛坯网状组织可达到2 级以下，锻造流线连续、分布合理，如图6 所示，满足质量要求。

结束语

通过以上技术攻关，最终实现了风电钢球毛坯在AMP50XL 高速镦锻机上的批量化生产，图7 为生产的部分钢球毛坯。现在8 小时单班平均可生产2 万～3万件。通过测试，此工艺生产的钢球毛坯大大提升了轴承的质量，达到了使用寿命要求。