32Cr3Mo1V辊套锻件锻造工艺优化

郑安雄 徐素鹏 王学玺 王 文 陈 倩 赵莉莉

(1．河南中原特钢装备制造有限公司，河南459000；2．济源职业技术学院冶金化工系，河南459000)

目前，铝带铸轧技术是铝带材的主要生产方式，其主体设备铸轧机的核心部件铸轧辊，主要由辊芯和辊套组成，它在铸轧铝板带生产中起着极为重要的作用，辊套外表面要经受铝液的热冲击和承受巨大的轧制力，辊套内壁要经受内部循环水的冷冲击，所以要求辊套材料具有很好的抗冷热疲劳性能和较长的使用寿命，国内使用的辊套材质大多为32Cr3Mo1V，并需经锻造成形[1]。

辊套属于薄壁筒类锻件，在锻造生产过程中，一般采用镦粗、冲孔、扩孔、芯轴拔长和精整成形等工序，但在实际生产中，采用传统方法锻造的辊套存在端面不平、壁厚不均匀、喇叭口、内壁凹坑等问题，既影响生产效率，又影响出材率，造成加工余量大、生产成本高、合格率低，本文针对传统锻造工艺产生的上述问题，对原有锻造工艺进行分析，提出优化改进方案，形成新的锻造工艺，可提升锻件外观质量，实现提高生产效率和出材率的目的。

1 辊套锻件锻造难点

辊套锻件常见规格尺寸如表1所示，由表1可知辊套锻件主要特点是长度短、壁厚薄，而这种类型的薄壁筒类锻件锻造难点就是容易出现壁厚不均匀、喇叭口、抱棒和端面不齐(马蹄形)等锻造质量问题[2]，造成合格率低，生产成本居高不下。

表1 辊套锻件常规尺寸Table 1 Normal dimensions of roller sleeve forgings 单位：mm

2 传统锻造工艺

依据辊套锻件形状特点，传统锻造工艺设计思路是两倍尺设计锻坯图，选择模铸锭型，在31.5 MN快锻油压机上锻造成形，钢锭经过加热、剁掉冒口、镦粗、冲孔、扩孔、芯轴拔长、修整成形和锻后退火等工序，退火后再按辊套单件长度尺寸锯切下料，并将端头锯切平齐。

在镦粗前，一般用剁刀沿冒口线剁掉冒口、错平锭尾，然后采用上平面镦粗盖板和下平台镦粗，并选择合适的冲子冲孔，由于剁净了冒口，实际冲孔料芯均为锭身料，约损失钢锭重量的2%。在冲孔时，依据金属塑性成形原理[3]，孔与端面接触部位形成拉缩走样现象，则实际内孔直径不一致，若拉缩严重，后续扩孔时易产生变形不均匀而端头不齐，经过反复纠正也很难消除。纠正壁厚是从端部找正，需同一位置多次下锤锻造，产生的局部变形使壁厚均匀一致，此处金属沿轴向和切向流动，会进一步导致端部不齐，金属切向流动后内径大于其他部位，在锻坯端头呈现喇叭口形状。

辊套壁厚薄，两倍尺锻坯较长，芯轴拔长阶段需缓冲器辅助锻造，到拔长的中后期时，芯轴在锻坯中停留时间较长，温度升高，会使芯轴产生变形和体积膨胀；同时锻坯降温较快，就会导致锻坯外径内孔整体收缩；另外锻坯通长范围内变形并非完全一致，即锻坯内壁上就会出现凸起和凹陷部位，上述几方面原因可能造成芯轴与锻坯内壁咬死抱住，芯轴无法从锻坯中取出，属于抱棒现象，所以实际生产时，芯轴拔长约20 min则必须强行停止锻造返炉加热，最终造成芯轴拔长火次多、返炉频繁、内孔氧化皮多，且锻造过程中无法及时清理，积留在锻坯内孔中，继续进一步拔长时芯轴会将氧化皮压入锻坯内壁，形成凹坑缺陷。

在借助缓冲器辅助锻造时，对于类似辊套这种薄壁锻件，往往锻坯壁厚尺寸不一致现象很难及时发现得以修正。视野受缓冲器等辅助工具的影响，在拔长过程中锻坯是否在砧子的正中位置、操作机与锻坯是否在一条水平轴线上，都会影响辊套的外观尺寸和表面质量。

受上述诸多不利因素影响，再加上员工操作水平层次不齐，实际生产时，质量问题频发，合格率偏低。

3 优化后锻造工艺

为了避免传统锻造成型过程中火次多、内壁凹坑、壁厚不均、端面不平、喇叭口和成本居高不下等问题，经过认真梳理，对问题点排查，还原锻造过程中每一个细节，逐一改进，提出优化锻造工艺，优化后工艺为：锭型按单件设计，即按单倍尺在31.5 MN快锻油压机上锻造，专用方法剁掉冒口→一火次完成镦粗+冲孔+扩孔→两火次完成芯轴拔长、脱棒精整成形等，芯轴拔长采用上平下V形砧旋压式拔长，每一火次返炉前和精整成形前平整端面，精整时不穿芯轴，在上平砧下V形砧旋压精整缩孔，退火后不再锯切两端面，可直接进行粗加工。

第1火：剁掉冒口，加热升到锻造炉温后保温约1.5～2.5 h，钢锭出炉错平锭尾、剁掉冒口，其中剁冒口时，先用剁刀刮掉冒口与锭身接触的飞边，再利用上下平砧的圆角处沿锭身与冒口接触部位轻压一周，压完一周后，操作机后退50 mm，再轻压一周，使其与上一周锻造部位无台阶接触，呈一定锥度即可，按此方法操作机再后退50 mm，重复上述操作，使冒口与钢锭锭身连接部位形成约100 mm长锥台，将这100 mm锥台保留剁掉冒口(如图1所示)，剁掉冒口后返炉继续加热，补足加热时间。此操作步骤可有效提高利用率，充分利用了锭身与冒口衔接处材料，并结合后续冲孔是完全能够冲掉冒口端中心部位的疏松和缩孔残余。

图1 剁切冒口示意图Figure 1 Schematic diagram of chopping riser

第2火：镦粗+冲孔+扩孔，第一火次已经完成镦粗前的准备工作，锻坯出炉后能快速执行镦粗工序，锭尾端朝上放置在下平台上，用上球面镦粗板沿锻坯轴向镦粗，镦粗后上端面中心部位会高于周围，形同凸起的球面，能够适度减轻冲孔拉缩现象，冲孔时冲子大头从锻坯凸起端面中心冲入，判断冲入深度以观察锻坯下端面与下平台接触部位的边缘翘起程度，锻坯下端面中心部位凸起、周围翘起约50 mm为宜，然后将锻坯翻转180°使下端面朝上，并把锻坯放在漏盘上，将冲子再从此面冲入冲掉料芯，要保证冲孔料芯小于100 mm。然后进行扩孔，扩孔直径按大于芯轴直径20～30 mm控制，扩孔至锻坯壁厚均匀，应注意的是扩孔时及时调整锻坯的旋转角度，保证扩孔后的锻坯壁厚的均匀性，马杠扩孔时金属的变形区域受力较好，不易产生裂纹，金属的流动性良好[4]，这时的壁厚差很容易控制，扩孔结束平整端面后返炉补温，注意返炉时将锻坯竖直摆放，即内孔朝上。

第3火：预拔长，锻坯出炉后磕掉内壁氧化皮，在500 mm上平砧下V形砧穿芯轴拔长，提前在芯轴上划线标记，并检查芯轴的表面质量和直线度，芯轴穿至划线处，拔长过程不能过线，也不能退棒。初期拔长按60°角旋转，压下量60～100 mm，送进量约300～350 mm。后期拔长按30°角旋转，压下量40～60 mm，送进量≤250 mm。拔长完成每一趟次，抽出芯轴用高压水枪清理内孔氧化皮。由于锻坯长度短，较容易实现抽出芯轴清理内孔的氧化皮，可实现内壁平整，并且也不需要缓冲器辅助锻造，操作指挥人员能够及时纠正壁厚不均匀等现象，预拔长结束后再次平整两端面，之后返炉加热。

第4火：成形、精整尺寸，此阶段按22°角旋转，送进量50～60 mm。在本火次芯轴拔长外径距成品尺寸约20～30 mm时，退棒反穿芯轴拔长，以消除内壁锥度达到提高利用率的目的，并适时进棒，适时测量操作机一端锻坯的内径，若内孔大，则外径需预留收孔量。成形至锻坯长度比成品尺寸短约50 mm、外径大约10 mm时，拔出芯轴平整两端面，得到平整的端面外形，之后在500 mm上平砧下V形砧上拉拔旋压一到两趟，完成收孔、校直和精整。

4 工艺方案验证

采用优化后的锻造工艺方案，并严格按照工艺参数要求操作，外形尺寸、表面和内壁质量完全符合要求。

5 结论

(1)采用传统锻造工艺出成品一般需要7～8火次完成，外形尺寸、表面和内壁质量的合格率约70%，工艺优化后，出成品可4火次完成，合格率100%。

(2)钢锭利用率提高，优化前利用率约80%，优化后利用率提高约5%，一是充分利用了冒口与锭身过渡衔接处的材料；二是单倍尺锻造，每一火次平整锻坯两端，整个锻坯完全利用，省去锯切两端工艺弃料；三是反穿芯轴拔长，消除内壁锥度，减少内壁工艺余量；四是减少火次，减少火耗损失。

(3)降低制造成本，加快了生产节凑，优化后的锻造工艺约节约3火次，利用率提高约5%，省去了锯床锯切下料。