徑向鍛造

徑向鍛造是指專門加工實心或空心長軸類零件的旋轉鍛造方法。鍛造成形技術是冶金生產的重要技術, 廣泛套用於航空、航天、機械、造船等領域, 在國民經濟中占有極為重要的地位。

基本介紹

• 中文名：徑向鍛造
• 外文名：radial forging
• 性質：旋轉鍛造方法
• 鍛件的精度：外徑±0.5毫米,內徑±0.1毫米
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉

方法介紹

徑向鍛造是專門加工實心或空心長軸類零件的旋轉鍛造方法。鍛造時，分布在棒料圓周方向的錘頭(2～8個)對工件快速和同步鍛打。如工件為圓截面，則一面低速旋轉，一面軸向進給移動;如工件為非圓截面，則只軸向進給而不旋轉徑向鍛造的特點是不需要專用模具，能按預定程式鍛出精密的軸類零件。徑向鍛造每次壓縮量小，每分鐘鍛打次數高,一般為240～1800次/分，能提高金屬的塑性。這種方法可用於熱鍛或冷鍛。

設備分類

徑向鍛造所用設備分精鍛機和輪轉鍛機兩類。

精鍛機

用精鍛機鍛造時，工件一面軸向送進一面旋轉，錘頭徑向鍛打。這類機器多用程式控制、數字控制或微處理控制系統自動操作，生產效率高，用以建立熱鍛火車軸等自動生產線和冷鍛槍管來複線等。

精鍛機有立式和臥式之分。還有一種設備鍛造時，工件只送進，不旋轉，多用於鋼廠，將鋼錠直接鍛成方鋼、扁鋼等。

輪轉鍛機

輪轉鍛機有2或4個錘頭，錘頭一面圍繞工件轉動，一面對準工件徑向鍛打，工件只軸向送進。

輪轉鍛機結構簡單，價格低，但自動化程度低，噪音大。

技術發展

鍛造成形技術是冶金生產的重要技術, 廣泛套用於航空、航天、機械、造船等領域, 在國民經濟中占有極為重要的地位。

鍛造成形技術是大型冶金設備、機器設備、船舶、汽車等金屬零部件的制坯手段之一。機械零部件的傳統制坯方法通常有三個途徑一是採用鑄造方法生產毛坯二是將鑄錠軋製成棒材或型材三是採用鍛造方法將鑄錠鍛成所需形狀。在這三種方法中, 鑄造法由於其鑄態組織性能較差,通常用於性能要求較低的零部件。採用軋制方法可改善鑄錠的鑄態組織, 性能得到了提高, 但軋制的棒材或型材截面形狀較為簡單, 無法滿足異型零部件的形狀要求。鍛造方法則可以克服上述兩種方法的弊病。採用鍛造成形技術, 形狀及尺寸張洪奎高工年生年畢業於東北大學現從事工模具鋼材料研究電話

可靈活控制, 通過大的變形量充分破碎鑄錠的鑄態組織, 內部性能得到了進一步提高, 並且可提供形狀複雜的零部件毛坯。正因為鍛造成形技術具有上述諸多優點, 因此鍛造技術越來越受到人們的重視, 得到了突飛猛進的發展。

鍛造生產的初期是採用手錘鐵砧靠人力使金屬變形, 隨著各行業零部件的需求不斷向大型化發展, 單靠人力生產的零部件已滿足不了需求, 於是便出現了新的鍛造設備, 並取代了人工操作, 實現了機械操作, 如錘上鍛造、水壓機上鍛造、熱模鍛壓力機上鍛造、螺旋壓力機上鍛造、平鍛機上鍛造、液壓快鍛機上鍛造、徑向鍛造機上鍛造等鍛造形式。

為了追求效益最大化, 要求機械零部件的切削加工量越來越少, 甚至達到無切削的程度, 這就要求提高鍛造的尺寸精度。傳統的自由鍛造方法由於受鍛造工具的限制, 以及尺寸控制系統精度的限制, 鍛材的尺寸偏差較大, GB908-87中對∅240-250的尺寸偏差規定為+8.0/-3.0mm，這樣的尺寸偏差導致切削加工量過大, 不利於下遊行業的效益最大化。因此, 在自由鍛造的基礎上, 出現了徑向鍛造技術, 採用徑向鍛造技術生產的鍛材尺寸偏差可達到±2.0mm, 極大地提高了鍛材外形及尺寸精度。

變形技術

鍛造效率高

鍛造技術由自由鍛造發展到徑向鍛造, 其使用的鍛造工具有了很大變化。自由鍛造一般使用上下平砧進行鍛造, 通過砧子單方向運動使錠料或坯料受壓而產生變形。由於錠料或坯料在自由鍛造的情況下寬展和軸向延伸不受工具的限制,變形阻力小, 根據金屬塑性變形的最小阻力定律,自由鍛造的錠料或坯料將產生兩個方向的塑性變形。而徑向鍛造一般採用四個錘頭,四個錘頭在同一平面內分成兩組, 錠料或坯料在兩個方向受壓, 其寬展塑性變形受到工具的限制,金屬的塑性變形以軸向延伸為主, 極大地提高了鍛造效率。將∅550的鑄錠鍛成∅245的圓棒, 僅需8min, 而採用自由鍛造則需40-45min, 徑向鍛造∅245的圓棒的小時產量可高達10-12t。

變形溫降小

徑向鍛造變形技術發展到現在, 已由最初的機械式發展到液壓式, 錘頭打擊頻次已達到240次/min, 打擊次數大大超過了自由鍛造（快鍛機打擊次數僅為80次/min左右), 打擊頻次的提高不僅可以抵償金屬變形過程的溫降, 而且還將導致金屬變形後溫度的升高, 這已被實踐所證實。

例如採用液壓式徑向鍛造機鍛造難變形的高溫合金GH4169, 由220mm的方坯鍛到∅140, 從第3道次開始, 表面溫度升高40-50℃ , 為了控制終鍛溫度, 需停留一段時間進行最後道次的變形。

正因為徑向鍛造存在溫升的現象, 始鍛溫度與終鍛溫度差很小。例如採用徑向鍛造機將∅550的H13電渣錠鍛到∅250的圓棒, 始鍛溫度與終鍛溫度差僅為50-60K。

高合金鋼, 尤其是高速工具鋼、高合金冷作模具鋼等, 因含有大量的合金元素, 造成較為嚴重的成分偏析, 加之含碳量較高, 碳化物偏析嚴重, 惡化了熱加工性能, 其熱加工只能在較窄的溫度區間進行。如果加熱溫度過高, 容易造成鋼錠偏析區大量的低熔點碳化物產生過熱和過燒現象若終鍛溫度過低, 則表麵塑性變差, 容易產生表面開裂現象。該類鋼若採用自由鍛造, 錠到材需開中間坯, 需多火次才能完成。例如將430mm×430mm的鋼錠鍛到∅140的圓棒, 至少需6次鍛造, 而且還需要開中間坯。採用徑向鍛造, 則只需一火次即可完成全部變形過程, 始鍛溫度與終鍛溫度差僅為40-50k。這樣的結果是自由鍛造無法做到的。因此徑向鍛造變形溫降小的特點尤其適合高速工具鋼、高合金冷作模具鋼、不鏽鋼及高溫合金、欽合金等難變形材料的鍛造。

細晶鍛造

錠料或坯料在高溫鍛造時, 結晶、滑移變形和加工硬化伴隨發生, 由於應變能增加, 產生新的晶粒並長大, 這個過程成為動態回復與動態再結晶。

動態再結晶晶粒的大小決定於溫度、變形程度和變形速度。在一定的鍛造溫度區間, 存在著一個臨界變形量, 若變形量小於臨界變形量, 則再結晶後的晶粒比較粗大。若採用自由鍛造, 在拔長操作時, 接觸面附近的金屬受到的壓應力大, 故該區域的金屬首先變形, 但很快成為難變形區。

因為隨著接觸面積的增加, 工具與接觸面之間的摩擦力增大, 該區域的變形阻力從而增大了另外, 隨著接觸面積的增加, 接觸面積區域的溫度降低較快, 導致變形抗力增加。因此自由鍛造被加工材料的表層一定區域為難變形區域, 可能造成表層的晶粒較為粗大。

徑向鍛造能夠克服自由鍛造的上述缺點。徑向鍛造的一個突出優點就是錘頭打擊頻次高, 可以達到快鍛的3倍, 一個打擊頻次最快僅用250ms, 錘頭與被加工材料表面的接觸時間大為縮短, 表面溫降小。另外由於徑向鍛造錘頭打擊速度快, 促使變形速度加快, 從而減小臨界變形量, 有利於獲得細晶組織。據資料介紹, 採用徑向鍛造技術鍛造高溫合金, 由340mm方坯鍛到203mm八角形, 表層獲得了10級晶粒,半徑的1/2處晶粒度為8級, 心部為級晶粒度’ 。採用徑向鍛造技術鍛造冷作模具鋼, 由∅416的鋼錠鍛到∅180的圓棒, 表層與心部均獲得10級晶粒。因此徑向鍛造技術可以做到全截面均勻的晶粒分布。

套用推廣

徑向鍛造變形技術正在向大噸位、高精度、高水平自動化控制的方向發展。目前液壓式徑向鍛造機漸成主流, 大噸位的13MN徑向鍛造機世界上已有3台, 一台在法國, 一台在日本, 一台在中國寶鋼股份公司特殊鋼分公司, 型號為SMX500。

寶鋼的13MN徑向鍛造機已成功實現了航空、航天用高溫合金GH4169、GH4133B、GH901、GH738,欽合金TC4、TC11、CR2以及高速工具鋼W6Mo5Cr4V2, 高合金冷作模具鋼Cr12MoV、Cr12MolVl, 不鏽鋼N1310、17-4PH等難變形材料由錠到材的一火次鍛造, 填補了國內空白。通過採用獨特的鍛造工藝,既保證了表面質量, 同時又提高了內部質量, 高速工具鋼往往由於大量的共晶碳化物偏析容易造成鍛造後產生內部裂紋, 採用徑向鍛造技術可使高速工具鋼的超音波探傷質量明顯提高, 可通過∅2平底孔的超音波探傷要求。

典型的高合金難變形材料都可在13MN徑向鍛造機上生產, 不僅可以鍛制圓鋼、還可鍛制方鋼、扁鋼、台階軸、錐形件等形狀各異的鍛件。

總結

徑向鍛造變形技術與自由鍛造技術相比具有鍛造效率高、變形溫降小、表層變形較為充分等優點, 可實現高溫合金、欽合金、高速工具鋼、高合金冷作模具鋼及不鏽鋼等難變形材料由錠到材的一火次鍛造, 鍛造效率大為提高。尤其是要求細晶的高合金材料, 特別適合採用徑向鍛造變形技術。徑向鍛造技術是鍛造技術發展的一次飛躍。