中心压实锻造法生产工艺的改进

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1991.02.009 第13卷第2期 北京科技大学学报 Vol,13 No.2 1991年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing March 1991 中心压实锻造法生产工艺的改进+ 邓陟* 摘要：运用高温云纹法模拟技术，对中心压实锻造法(JT,S)现行生产工艺进行实验 研究，提出了改进意见。实验结果表明：祖度梯度合理选择范围为230~270℃：对称锻压锻 件4个面，压下率均为7%~州%，并保证错砧：对某些锻件也可只餐压其垂直两面，压下率 为13%左右，拔长方向最佳砧宽比为0,6。改进工艺可降低能耗20%~25%，节省操作时间 约40%，降低压机吨位23%一43%。 关键词：大锻件，J.T.S锻造工艺，云纹法 Improvement of J.T.S Forging Process in Production Deng Zhi ABSTRACT:J.T.S forging process is investigated for improving in current pro- duction by high temperature moire'modelling technique.Some suggestions whi- ch can be used for improving current production are put forward.The rational range of temperature gradient is 230C~270C.The reduction rate is 7%~8% on each side for fourfold side symmetrical forge piece.The reduction rate is 13%that can be used for vertical two side unsymmetrical forge picce,The optimun of anvil width ratio (WI/H)is 0.6.The improving J.T.S forging process can decrease the consumption of energy 20%~25%;It can save opera- ting time 40%;and decrease the deformation load 23%~43%. KEY WORDS:large forging,J.T.S forging process,moire'method 1990-04-01收稿 +本项目获得国家自然科学基金资助 ·压力加I系(Department of Metal Forming) 146

第 18 卷 第 埔 北 京 科 技 大 学 学 报 v ol .1 3 N .o 公 i 。 。i 年 3 月 J o u r n a l o f U n i v e r s i t 了 o f S e i e n e e a n d T e e 五n o l o g y B e i j i n g M a r e 五 i 。 。 1 中心压实锻造法生产工艺的改进 + 又肠 险 ’ 摘 要 : 运 用高温云纹法模拟 技术 , 对 中心压实锻 造法 (J · .T s) 现 行生 产工艺进行 实验 研究 , 提出了改 进意见 。 实 验结果表明 : 温度梯度合理选 择范 围为二2 30 ~ 27 。℃ ; 对 称锻压 锻 件 4 个 面 , 压 下率 均为 7 % ~ 时% , 并保证错砧 ; 对某些锻件 也可只锻压其垂直两面 , 压下率 为 13 % 左右 , 拔长方 向最佳 砧宽 比 为。 。 6 。 改进工 艺可 降低 能耗 20 % ~ 25 % , 节省操 作 时 间 约 40 % , 降低压 机吨位 23 % ~ 43 % 。 关健词 : 大锻件 , J . T . s 镶造 工艺 , 云 纹法 I m P r o v e m e n t o f J . T . S F o r g i n g P r o e e s s i n P r o d u e t i o n D e ” 夕 Z h ` A B ST R A C T : J . T . S f o r g i n g p r o e e s s 1 5 i n v e s t i g a t e d f o r i m p r o v i 且 9 i n e o r r e n t p r o - d u e t i o n b y h i g h t e m p e r a t u r e m o i r e ’ m o d e lli n g t e e h n i q u e . S o m e s u g g e s t i o n s w h i - e h e a n b e u s e d f o r i m p r o v i n g e u r r e n t p r o d u e t i o n a r e P u t f o r w a r d 。 T h e r a t i o n a l r a n g e o f t e m p e r a t u r e g r a d i e n t 1 5 2 3 0 0C ~ 2 7 0 ℃ · T h e r e d u c t i o n r a t e 1 5 7 % ~ 8 % o n e a e h s i d e f o r f o u r f o ld s i d e s y m m e t r i e a l f o r g e p i e e e · T h e r e d u c t i o n r a t e 1 5 1 3 % t h a t e a n b e u s e d f o r v e r t i e a l t w o s i d e u n s y m m e t r i e a l f o r g e p i e e e , T h e o p t i m u n o f a n v i l w i d t h r a t i o (牙 : /万 。 ) 1 5 0 。 6 。 T h e i m p r o v i n g J 。 T 。 5 f o r g i n g p r o e e s s e a n d e e r e a s e t h e e o n s u m p t i o n o f e n e r g y 2 0 % ~ 2 5 % ; I t e a n s a v e o p e r a - t i n g t i m e 4 0 % ; a n d d e e r e a s e t h e d e f o r m a t i o n l o a d 2 3 % ~ 4 3 % 。 K E Y W O RD S : l a r g e f o r g i n g , J . T . S f o r g i n g p r o e e s s , m o i r e ’ m e t h o d 1 9 9 0 一 0 4 一 0 1 收 稿 + 本项 目获得 国家 自然科 学墓金资助 压力加工 系 ( D e P a r t m e n t o f M e t a l F o r m i n g ) 14 6 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 02. 009

中心压实法(J.T.S法)锻造工艺经过人们长期的应用，积累了一些成功的经验，但仍 有许多尚待研究的问题。对工艺缺乏较系统、规律性的研究，认识上存在争议，生产中存在 着能耗大，劳动条件差，生产率低的问题。 为此，运用高温密栅云纹法模拟技术，对国内厂家现行使用的J.TS法生产工艺进行了 实验研究，针对现行生产工艺的问题，提出了改进意见，对国内大型锻件的生产具有实际意 义。 1实验方法 实验研究以A3钢为模拟材料，试件尺寸是120mm×120mm×90mm,高温密棚云纹的制 作及模拟试件内外温度的测量、控制见文献〔1〕中所述。据据文献〔1〕中对上小砧砧宽比的研 究，实验中取上小砧拔长方向砧宽比W/H。=0.6,展宽方向砧宽比W2/H,=0.7, △H|H。=8%。 实验过程为：试件加热到1230℃保温1h后出炉，经喷水冷却达到试作心部温度1138℃， 表面温度800℃后，上小砧下平台布置，在315t液压机上单砧压一面变形。 2结果分析与讨论 模拟试验研究获得了J.T,S法现行生产工艺变形条件下的试件高温变形云纹图，如图1所 示，对应的横截面等效应变分布见图2。可以明显看出：最大变形区没有位于试件心部， 而是位于整个锻件高度的2/3处，此时最大变形1=0.27，轴心线上为e:=0.18,这对压实 中心区域的孔洞性缺陷十分不利。单面压下变形使试件截面上变形分布不均匀，上下砧子的 0.1 0.0 0.几n 图1现行生产工艺的变形云纹图 图2现行生产工艺变形的横截面等效应变：1分布 Fig.1 The high temperature Moire' Fig.2 Distribution of cffective strain patterns on longitudinal section ei on longitudinal section in operation in operation 刚端影响大，尤其是下平台面积比锻件与砧子的接触面积大，刚端影响更为显著，大变形区 只是集中于锻件中心偏上的较小区域内。这样，采用方坯垂直压二面的方式锻压锻件时，在 147

中心压实法 (J . T . S 法 ) 锻造工艺经过人 们 长期的应 用 , 积 累了 一些 成功 的经 验 , 但 仍 有许多尚待研 究 的问题 。 对工艺 缺乏 较系统 、 规律性 的研究 , 认 识 上存 在争议 , 生 产 中存在 着能 耗大 , 劳动 条 件差 , 生 产率低的 问题 。 为此 , 运用高温密栅云纹法 模拟 技术 , 对国内厂 家现 行 使用 的 J . T . S法 生 产工艺进 行了 实验 研究 , 针 对现 . 行 生产工艺的问题 , 提 出了 改进 意 见 , 对 国内大型锻 件的 生 产具有实际 意 义 。 实 验 方 法 实验研 究以 A 3钢为 模拟材 料 , 试件尺寸 是1 20 m m x 1 2 o m m 义 90 m m , 高 温密栅 云纹 的 制 作及模拟试件内外温度的测量 、 控制见 文 献 〔1 〕中所述 。 据据 文献 〔1〕中对上 小 砧砧 宽比的研 究 , 实验 中取上 小砧拔 长 方 向 砧 宽比 牙 1 厂H 。 = 0 . 6 , 展 宽 方 向 砧 宽 比研 2 厂H 。 二 o , 7, △ H / H 。 = 8% 。 实验过程 为 : 试件加 热 到 1 2 30 ℃ 保温 h1 后 出 炉 , 经喷水冷 却达 到试 件心部温度1 1 38 ℃ , 表面温度 8 0 ℃ 后 , 上小 砧下 平台布置 , 在 3 15t 液压机 上单砧 压一面变 形 。 2 结果分析与讨论 模拟试验研 究获得了 J . T 。 S 法现行 生产工艺 变形 条件下的 试 件高温变形云 纹图 , 如图 1所 示 , 对应 的横截 面等效应 变分 布见 图 2 。 可 以明 显看 出 : 最 大变形 区没有位于 试 件 心 部 , 而是位于 整个锻件高度的 、 2 23处 , 此 时 最大 变形 。 , = 0 . 2 7 , 轴心 线上 为 。 , = 0 . 1 8 , 这对压实 中心 区域的孔 洞性缺陷十分不 利 。 单面压下 变形 使试 件截面 上 变形 分 布不 均匀 , 上下 砧子 的 F 王g 图 1 现 行生产 工艺的变形云 纹 图 丁 h e h i g h t e m P e r a t u r e M o i r e ’ 图 2 现行生 产工艺变形的横 截面等效 应变 跳 分 布 F 19 . 2 D i s t r i b u t i o n o f e f f e e t i v e s t r a i n P a t t e r n s o n l o n g i t u a i n 乳 1 s e e t 呈o n i n o P e r a t i o n 。 1 o n l o n g i t u d i n a l s e e t i o n i n o P e r a t i o n 刚端影响大 , 尤其是下平台面 积 比锻件与 砧子的 接触 面 积大 , 刚端影响 更为 显著 , 大 变形 区 只是集中于锻件中心 偏上的较小区域内 。 这样 , 采用方坯垂直压 二 面 的方式锻压 锻 件时 , 在 王4 7

没有受压-一面的半边，实际变形量很小，这一部分的缺陷不易焊合，不能充分发挥J,T,S法 中心压实的作用。 文献C1)的分析指出：现行生产工艺选取锻件锻造变形时的内外温度梯度为300~350℃。 这一温度梯度虽能保证有效地压实锻件内部缺陷，但压机载荷增大很多，能耗增加，效益 差。由变形抗力随温度变化曲线及锻件在不同温度梯度下中心孔洞锻合的临界压下率曲线可 以得出，较佳的锻件内外温差为230~270℃，可降低压机吨位，对转子、轧辊锻件分别为 23.2%和42.7%左右；降低能耗(20~25)%多节省冷却时间(40~70)%，并达到良好的中心 压实效果1)。试验发现，当锻件内外温差253℃、压下幸13%时，单面压下变形的最大变形 区深入到试件心部（图3），说明变形深入心部的程度不仅和温度梯度有关，而且和压下率 有关。此时心部大变形区范围扩大，心部变形状态改善，截面上变形分布较为均匀、对称， 两端刚性区的影响大大减小，这无疑会提高锻件的锻造质量。对子允许有较大压下率的锻 件，单面压下，压下率13%是可采用的。 双面对称压下变形方式能够解决单砧压一面压下率过大和变形分布不对称的问题。根据 高温变形云纹图计算求得的不同变形条件下横截面等效应变ε，分布如图4所示。锻件内部截 面上变形分布对称，整个截面的变形量大为提高，最大变形区始终位于锻件心部，对压实中 心区域的孔洞性等缺陷起了很好作用。温度梯度△t=250℃、150C℃时，中心孔洞焊合的临 界压下率分别为14.3%和17.6%1)。图4的等效应变分布基本反映了焊合孔洞时的变形状 D.05 0.15 0.3 0.3 0.9 0 0.45 0,45 .45 ,49 0, .20 0.2 0.15 0. D,1 0.0 0.07 0.03 (a)单面单砧△H/H。 (b)单面单砧△H/H。 =8%,△1=152℃ =7%,△1=248℃ 图3单面压下最大变形区深入心部时横截面 图4不同条件双面对称压下变形的横载面等效应变 等效应变e1分布 e1分布 Fig.3 Distribution of effective strain Fig.4 Distribution of effective strain ei on longitudinal section for ei on longitudineal scction for single side when maximum double side in different conditions strain penetrates into the center 态。4t=152℃时，即使将单面压下率增至8%，其变形效果仍不如△t=248℃时好。实际 生产中，如锻件的温度梯度不能达到工艺规程的要求，用增大压下幸的办法予以弥补是可行 的，但这时的压下率必须不小于孔洞焊合的临界压下率方可得到满意的中心压实效果。 148

没有受压 一面 的半边 , 实 际变形量很 小 , 这一部分的 缺陷不易焊合 , 不 能充分发挥 J . T . S法 中心压实的 作用 。 文献〔 1〕的分析指出 : 现行生产工艺选取锻件锻造变形时的 内外温度梯度为 3 0 一 3 50 ℃ 。 这一温度梯度虽能保证有效地 压实锻件内部缺陷 , 但压机载荷增大很多 , 能 耗 增 加 , 效 益 差 。 由变形抗 力随温度变化曲线及锻件在不同温度梯度下中心孔洞锻合的临界压下率曲线可 以得 出 , 较佳的锻件内外 温差为 23 0 ~ 27 0 ℃ , 可降低压机吨位 , 对转子 、 轧辊锻件分 别 为 2 3 。 2 % 和4 2 . 7 % 左右 ; 降低能耗 (2 。 一 25 ) % 多 节省冷却时间 (如 一 7 0) % , 并达 到 良好的中心 压实效果 〔 ` ’ 。 试验发现 , 当锻件内外温差2 53 ℃ 、 压下率 13 % 时 , 单面压下变形的最大变形 区深入到试件心部 ( 图 3 ) , 说明 变形深人心部的程度不仅和温度梯度有关 , 而且和压下率 有关 。 此 时心部大变形区 范围扩大 , 心部变 形状态 改善 , 截面上 变形分 布较为均匀 、 对称 , 两 端刚性区的影响大大减小 , 这无疑会提高锻件的 锻造质量 。 对于允许有较大压 下 率 的 锻 件 , 单面压下 , 压 下率 13 % 是可采用的 。 双面对称压下变形方式能够解决单砧压 一面压下率过大 和变形分布不 对称的 问题 。 根据 高温变形云纹图计算求得的不 同变形 条件下横截面等效应变 。 , 分布如 图 4 所示 。 锻件内部截 面上变形分布对称 , 整个截面 的变形量大为 提高 , 最大变形区始终位于锻件心部 , 对压实 中 心区域的孔 洞性等缺陷起了很好作用 。 温度梯度 △才= 2 5 。℃ 、 1 50 ℃ 时 , 中心孔 洞焊 合 的 临 界压下率分别为 1 4 . 3 % 和 1了 。 6 % ` ” 。 图 4 的等效应变分布基本反映 了焊 合孔洞时的 变形 状 乡于… 羹一~ 卫涟 一尹尸 一一 一弓` 一戈不 - 邝 _ 一 仁 州一一二二~ 之 只卜 攀 1 一 屯 - ~ 一 羹卜一~ ~ 心 吧 》 尸 弃苏断 · 图 3 单面压 下最大 变形区深入心 部时横截面 等效应变 幻 分布 F 19 . 3 D i s t r i b u t i o n o f e f f e e t i v e s t r a i n 巴 1 o n l o n g i t u d i n a l s e e t i o n f o r 5 i n g l e s i d e w h e 红 rn a x i m u 位 s t r a i n P e n e t r a t e s i n t o t h e e e n t e r a( ) 单面单砧△ H / H 。 ( b) 单面单砧△ H /H 。 = 8% , △ t = 1 52 ℃ = 7 % , △ t = 24 8亡 图 4 不同条件双面对称 压下 变形的横截面等效应 变 刃 i 分布 F 19 . 4 D i s t r i b u t i o 且 o f e f f e e t 定v e s r r a i n e 5 o n 1 o n g i t u o i n e a l s e e t i o n f o r d o u b l e s i d e i n d i f f e r e 众 t e o n d i t i o n s 态 。 △t 二 1 5 2 ℃ 时 , 即使将单面压下率增至 8 % , 其 变形效果仍不如 △t = 2 48 ℃ 时好 。 实 际 生产 中 , 如锻 件的 温度梯度不能达 到 工艺规程的要求 , 用增大压 下率的 办法 予以弥 补是可 行 的 , 但这时的 压下率必须 不小 于 孔洞焊合 的临界压下率方可得到满意的 中心压实效果 。 1 4 8

在实际生产中，锻件锻压时的翻转是通过吊链带动套筒旋转来实现的，因此压方坯的对 称二面不会造成二面压坑对中的困难，也不会增加后续拔长工艺的困难。但要注意的是，压 一面后翻转180°再压时，应保证和相对一面错砧锻造，以防某个区域没有变形，错砧方法和 规范可采用文献〔2)提出的方法。 3结 论 据据上述的分析，结合文献〔1〕中的研究结果，提出中心压实法锻造现行生产工艺的改 进意见如下： (1)锻件锻造变形时的内外温度梯度可由300~350℃降至230~270℃，这不仅对中心压 实效果影响不大，且效益较佳。 (2)J.T.S法锻压锻件方坯时，应采用对称压四面的变形方式，按180°一90°一180°翻 转，单面有效压下率(7~8)%，在压对称一面时保证错砧。 (3)对允许有较大变形量的锻件，也可采用压方坯垂直二面的变形方式，单面有效压下 率13%左右。 (4)沿锻件拔长方向砧宽比取0.6左右较合理。 参考文献 1邓陟。中心压实法锻造工艺的高温模拟研究。清华大学博士论文，1989,12,23 2杜学刚.大型支承辊类锻件锻造工艺优化的云纹法模拟，清华大学博士论文，1989 6,39 3第二重型机器厂锻治处。大型铸锻件，1979(2)：1 4谢云岫。一重厂转子锻件锻造工艺的演变和发展，第四届全国锻压学术年会论文集， 1987,1 曹玉田，大型铸锻件，1980，(2)：20 149

在实际 生产中 , 锻 件锻 压时的翻转是通过 吊链带动 套筒旋转来实现的 , 因此 压方 坯的对 称二面不会造成二面压坑对中的 困难 , 也不会增加后续拔长工艺 的 困难 。 但要注意的是 , 压 一面后翻转 1 8 0 。 再压时 , 应保证和相 对一面错砧锻造 , 以防某个区域 没有变形 , 错砧 方法和 规范可采用文 献〔2〕提出 的方法 。 3 结 论 据据上述 的分析 , 结 合文献〔1〕中的研究结果 , 提 出中心压 实法锻造现 行生产工艺 的 改 进 意见如下 : ( l) 镶件锻造变形时的内外温度梯度可 邮 0 ~ 35 。℃ 降至2 30 ~ 27 0 ℃ , 这不仅对中心压 实效果影响不大 , 且效益较佳 。 (2 ) J . T 。 S法 锻压锻件方坯时 , 应采用对称压四 面的变形方式 , 按 1 80 。 一 9 0 。 一 1 8。 。 翻 转 , 单面有效压下率 (7 ~ 8) % , 在压 对称一面时保证错砧 。 (3 ) 对允许有较大变形量 的锻件 , 也可 采用压 方坯垂直二面 的变形方式 , 单面有效 压下 率 13 % 左右 。 ( 4) 沿锻 件拔长方向砧宽比取。 。 6左 右较合理 。 参 考 文 狱 1 邓 阶 。 中心压实法锻造工艺的高温模拟研究 。 清华大学 博士论文 , 1 9 8 9 , 12 , 23 2 杜学刚 . 大型支承辊类镶件锻造工艺优化的云纹法模拟 , 清华 大学博士 论 文 , 1 9 8 9 6 , 3 9 3 第二重 型机器厂镶冶处 . 大 型 铸 锻 件 , 1 9 7 9 ( 2) : 1 4 谢云 灿 . 一重 厂转子锻 件锻造工 艺的演变和发展 , 第四 届全国镶 压学术年会论文 集 , 1 9 8 7 , l 曹玉 田 . 大型铸镶件 , 29 5 0 , ( 2 ) : 2 0 1 4 9