D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.09.02 第30卷第9期 北京科技大学学报 Vol.30 No.9 2008年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2008 实现等向锻造的水平V型锥面砧锻造法 张永军1)刘助柏) 胡朝备)韩静涛)孔俊其) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)邢台钢铁有限责任公司，邢台054027 3)燕山大学机械工程学院，素皇岛0660044)中国第一重型机械集团公司，富拉尔基161042 摘要针对水平V型锥面砧拔长矩形截面坯料建立了力学模型，并进行了定性物理模拟实验与生产性实验·研究结果表 明，水平V型锥面砧不仅可以实现变形均匀的无横向拉应力锻造，而且提高了轴类锻件的横向力学性能，实现了大型轴类锻 件的等向锻造，同部位力学性能值的横纵向之比均约等于1.00. 关键词锻造：锥面砧；V型：大型轴类锻件；力学性能 分类号TG316.2 Forging method with a horizontal V-shaped anvil realizing uniform forging ZHA NG Yongjun2).LIU Zhubai),HU Chaobei),HAN Jingtao),KONG Jungi2) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Xingtai Iron &Steel Co.Ltd.,Xingtai 054027.China 3)College of Mechanical Engineering.Yanshan University:Qinhuangdao 066004.China 4)China First Heavy Industries,Fularji 161042,China ABSTRACT A mechanical model was established for the forging drawing process of rectangular block with a horizontal V-shaped anvil.and the quantitative physical simulation and productive experiment of the process were carried out.It is showed that the forging method with a horizontal V-shape anvil can realize no transverse tensile stress forging,improve transverse mechanical properties and achieve uniform forging for heavy axial forgings.The ratio of transverse mechanical properties to longitudinal mechanical properties is about 1.00 at the same position of heavy axial forgings. KEY WORDS forging:conical anvil:V-shape:heavy axial forgings:mechanical properties 大锻件是重大装备中的关键件，多数装于机器 下，若要得到横向性能较高的锻件，只有通过反复镦 设备的核心部位，受力复杂，工况特殊，同时，大锻 粗、拔长。但是，在锻造比大于一定值后，随着拔长 件又是制造通用机器和特种装备的基础件，质量要 锻造比增大，镦粗对提高横向力学性能的效果将逐 求极其严格山，不仅要保证一定的形状，更重要的 渐消失· 是通过锻造工艺提高锻件的力学性能，以满足不同 工具和坯料的关系是影响金属塑性变形流动的 工况对锻件质量和性能的要求， 主要因素，水平V型锥面砧锻造法正是通过改变毛 纤维组织（又称流线）的分布直接影响着锻件力 坯端部的边界条件入手，即通过改变工具形状，以建 学性能的异向性，沿着纤维方向的力学性能优于垂 立不同于普通锻造方法的应力场，来有效控制锻件 直纤维方向的力学性能).因此，在制订锻件的锻 的纤维流向，改善轴类锻件的横向力学性能，实现轴 造变形工艺时，应根据零件的受力和破坏情况，正确 类锻件的等向锻造，不仅如此，该工艺还可以实现 控制锻件的流线分布，现行大型轴类锻件锻造工艺 轴类锻件的无横向拉应力锻造，具有较强的锻合内 中[3]，工具以普通平砧或者V型砧为主，大型轴类 部孔隙及疏松缺陷的能力：开创了普通锻造法无法 锻件单向变形程度大，轴向纤维明显，在这种情况 达到的特殊锻造效果[9=0] 收稿日期：2007-09-06修回日期：2007-11-30 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(N。,59235101) 作者简介：张永军(l969-),男，副教授，在站博士后，E-mail:zhangyj(@mater~usth-cdu,cn
实现等向锻造的水平 V 型锥面砧锻造法 张永军12） 刘助柏3） 胡朝备4） 韩静涛1） 孔俊其2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 邢台钢铁有限责任公司邢台054027 3） 燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 4） 中国第一重型机械集团公司富拉尔基161042 摘 要 针对水平Ⅴ型锥面砧拔长矩形截面坯料建立了力学模型并进行了定性物理模拟实验与生产性实验．研究结果表 明水平 V 型锥面砧不仅可以实现变形均匀的无横向拉应力锻造而且提高了轴类锻件的横向力学性能实现了大型轴类锻 件的等向锻造同部位力学性能值的横纵向之比均约等于1∙00． 关键词 锻造；锥面砧；Ⅴ型；大型轴类锻件；力学性能 分类号 TG316∙2 Forging method with a horizontal V-shaped anvil realizing uniform forging ZHA NG Yongjun 12）LIU Zhubai 3）HU Chaobei 4）HA N Jingtao 1）KONG Junqi 2） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Xingtai Iron ＆ Steel Co．Ltd．Xingtai054027China 3） College of Mechanical EngineeringYanshan UniversityQinhuangdao066004China 4） China First Heavy IndustriesFularji161042China ABSTRACT A mechanical model was established for the forging drawing process of rectangular block with a horizontal Ⅴ-shaped anviland the quantitative physical simulation and productive experiment of the process were carried out．It is showed that the forging method with a horizontal Ⅴ-shape anvil can realize no transverse tensile stress forgingimprove transverse mechanical properties and achieve uniform forging for heavy axial forgings．T he ratio of transverse mechanical properties to longitudinal mechanical properties is about 1∙00at the same position of heavy axial forgings． KEY WORDS forging；conical anvil；Ⅴ-shape；heavy axial forgings；mechanical properties 收稿日期：2007－09－06 修回日期：2007－11－30 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（No．59235101） 作者简介：张永军（1969－）男副教授在站博士后E-mail：zhangyj＠mater．ustb．edu．cn 大锻件是重大装备中的关键件多数装于机器 设备的核心部位受力复杂工况特殊．同时大锻 件又是制造通用机器和特种装备的基础件质量要 求极其严格［1］不仅要保证一定的形状更重要的 是通过锻造工艺提高锻件的力学性能以满足不同 工况对锻件质量和性能的要求． 纤维组织（又称流线）的分布直接影响着锻件力 学性能的异向性沿着纤维方向的力学性能优于垂 直纤维方向的力学性能［2］．因此在制订锻件的锻 造变形工艺时应根据零件的受力和破坏情况正确 控制锻件的流线分布．现行大型轴类锻件锻造工艺 中［3－8］工具以普通平砧或者Ⅴ型砧为主大型轴类 锻件单向变形程度大轴向纤维明显．在这种情况 下若要得到横向性能较高的锻件只有通过反复镦 粗、拔长．但是在锻造比大于一定值后随着拔长 锻造比增大镦粗对提高横向力学性能的效果将逐 渐消失． 工具和坯料的关系是影响金属塑性变形流动的 主要因素．水平Ⅴ型锥面砧锻造法正是通过改变毛 坯端部的边界条件入手即通过改变工具形状以建 立不同于普通锻造方法的应力场来有效控制锻件 的纤维流向改善轴类锻件的横向力学性能实现轴 类锻件的等向锻造．不仅如此该工艺还可以实现 轴类锻件的无横向拉应力锻造具有较强的锻合内 部孔隙及疏松缺陷的能力．开创了普通锻造法无法 达到的特殊锻造效果［9－10］． 第30卷 第9期 2008年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．9 Sep．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．09．012
,1042. 北京科技大学学报 第30卷 1水平V型锥面砧拔长锻造法的构思与砧 要想从根本上改善轴类锻件力学性能的异向性 问题，只有改进锻造工艺，因为在锻件内的组织有 型设计 明显的纤维流向，是锻件出现力学性能异向性的主 轴类锻件塑性加工成型主要靠拔长来完成.目 要原因，如果在锻件中纤维组织的方向性小，杂质分 前拔长有上、下平砧拔长，上、下V型砧拔长，上平、 布均匀，则力学性能均匀，异向性小，所以通过改进 下V型砧拔长以及上用平砧、下用大平台拔长（又称 锻造工艺来控制锻件的纤维流向是改善轴类锻件力 FM锻造法)来完成，应用上述几种拔长工艺来生 学性能异向性的根本措施， 产的大型轴类锻件，其变形特点有：(1)锻件成形后 工具和坯料的关系是影响金属塑性变形流动的 所形成的纤维流向基本上平行于轴的中心线：(2)单 主要因素，水平V型锥面砧锻造法正是通过改变毛 次压下在变形区内其变形是不均匀的，与工具（上、 坯端部的边界条件入手即通过改变工具形状来控制 下砧)相接触处存在难变形区，锻件的这种变形特 锻件的纤维流向，改善轴类锻件力学性能的异向性， 点必然导致以下问题：(1)纵向力学性能要比横向力 水平V型锥面砧锻造工艺的砧子如图1所示，由四 学性高，即存在力学性能异向性.(2)同一部位、同 个外凸锥面组成，前后外凸锥面与水平面夹角α. 一力学性能的不均匀性比较严重；(3)所需锻造比 锥面棱线成V形，其夹角B的取值范围是0~180°. 大 创我长 图1水平V型锥面砧示意图 Fig.I Horizontal V-shaped anvil 当B=0~180°之间变化时，可通过选择适当的 时的难变形区)金属都产生变形 3角来控制锻件的纤维流向，进而调整锻件纵向力 2水平V型锥面砧拔长矩形截面毛坯时的 学性能与横向力学性能的比例，满足锻件在不同方 向上对力学性能的要求， 力学模型 当B=180°时，四个外凸锥面变成两个外凸锥 图2为水平V型锥面砧拔长矩形截面毛坯的 面，砧子成为横向锥面砧，可用于拔长对纵向力学性 俯视图，在水平V型锥面砧拔长矩形截面毛坯时， 能有较高要求的轴类锻件，坯料纵向伸长大，提高拔 长效率 当B=0°时，四个外凸锥而变成两个外凸锥面， 砧子成为纵向锥面砧，可用于拔长对横向力学性能 B 有较高要求的的轴类锻件，坯料横向展宽大，可实现 小锻造比或超小锻造比锻造 上述三种砧型，其上下砧可采用一种外凸锥面 砧，也可以相互交换使用，也可以和普通平砧、普通 V形砧及大平台交换使用， 用水平V形锥面砧进行拔长，一是控制了金属 图2水平V型锥面砧拔长矩形截面坯料俯视图 的流向，二是变形金属与砧子相接触的首先是一条 Fig2 Planform of a forging rectangular billet with a horizontal V- 线，随着压下量的增加，整个变形体（包括平砧拔长 shaped anvil
1 水平Ⅴ型锥面砧拔长锻造法的构思与砧 型设计 轴类锻件塑性加工成型主要靠拔长来完成．目 前拔长有上、下平砧拔长上、下Ⅴ型砧拔长上平、 下Ⅴ型砧拔长以及上用平砧、下用大平台拔长（又称 FM 锻造法）来完成．应用上述几种拔长工艺来生 产的大型轴类锻件其变形特点有：（1）锻件成形后 所形成的纤维流向基本上平行于轴的中心线；（2）单 次压下在变形区内其变形是不均匀的与工具（上、 下砧）相接触处存在难变形区．锻件的这种变形特 点必然导致以下问题：（1）纵向力学性能要比横向力 学性高即存在力学性能异向性．（2）同一部位、同 一力学性能的不均匀性比较严重；（3）所需锻造比 大． 要想从根本上改善轴类锻件力学性能的异向性 问题只有改进锻造工艺．因为在锻件内的组织有 明显的纤维流向是锻件出现力学性能异向性的主 要原因如果在锻件中纤维组织的方向性小杂质分 布均匀则力学性能均匀异向性小所以通过改进 锻造工艺来控制锻件的纤维流向是改善轴类锻件力 学性能异向性的根本措施． 工具和坯料的关系是影响金属塑性变形流动的 主要因素．水平Ⅴ型锥面砧锻造法正是通过改变毛 坯端部的边界条件入手即通过改变工具形状来控制 锻件的纤维流向改善轴类锻件力学性能的异向性． 水平Ⅴ型锥面砧锻造工艺的砧子如图1所示由四 个外凸锥面组成前后外凸锥面与水平面夹角 α． 锥面棱线成Ⅴ形其夹角 β的取值范围是0～180°． 图1 水平Ⅴ型锥面砧示意图 Fig．1 Horizontal Ⅴ-shaped anvil 当 β＝0～180°之间变化时可通过选择适当的 β角来控制锻件的纤维流向进而调整锻件纵向力 学性能与横向力学性能的比例满足锻件在不同方 向上对力学性能的要求． 当β＝180°时四个外凸锥面变成两个外凸锥 面砧子成为横向锥面砧可用于拔长对纵向力学性 能有较高要求的轴类锻件坯料纵向伸长大提高拔 长效率． 当β＝0°时四个外凸锥而变成两个外凸锥面 砧子成为纵向锥面砧可用于拔长对横向力学性能 有较高要求的的轴类锻件坯料横向展宽大可实现 小锻造比或超小锻造比锻造． 上述三种砧型其上下砧可采用一种外凸锥面 砧也可以相互交换使用也可以和普通平砧、普通 Ⅴ形砧及大平台交换使用． 用水平Ⅴ形锥面砧进行拔长一是控制了金属 的流向二是变形金属与砧子相接触的首先是一条 线随着压下量的增加整个变形体（包括平砧拔长 时的难变形区）金属都产生变形． 图2 水平Ⅴ型锥面砧拔长矩形截面坯料俯视图 Fig．2 Plan-form of a forging rectangular billet with a horizontal Ⅴ- shaped anvil 2 水平Ⅴ型锥面砧拔长矩形截面毛坯时的 力学模型 图2为水平Ⅴ型锥面砧拔长矩形截面毛坯的 俯视图．在水平Ⅴ型锥面砧拔长矩形截面毛坯时 ·1042· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 张永军等：实现等向锻造的水平V型锥面砧锻造法 ,1043 根据砧子与毛坯接触面形状变化的特点，在毛坯变 域一定受横向压应力作用.图3(b)为水平V型锥面 形体沿纵向截取三个有代表性的横截面，建立定性 砧拔长变形时BB位置截面图及其力学模型.实 力学模型，分析其应力状态，分析的具体位置见 际上毛坯在此区间位置（指毛坯与砧子接触处形状 图2. 相同的一段位置)的变形相当于用锥面砧拔长山， 图3(a)为水平V型锥面砧拔长变形时A一A位 因此其力学模型同锥面砧拔长时的力学模型一样 置截面图及其力学模型.。由于接触摩擦，接触面间 在拔长过程中，与锥面成45°的金属I称为刚性区， 没有相对滑动，在砧面（包括平砧面和锥形砧面）与 刚性区I直接作用于金属Ⅱ区、Ⅲ区，且Ⅲ区为压应 变形体接触面45°棱柱体，该棱柱体为难变形区I, 力状态.图3(c)为水平V型锥面砧拔长变形时CC 也称为刚性区，处于三向较强的应力状态，刚性区 位置截面图及其力学模型.接触面间没有相对滑 I直接作用于Ⅱ区、Ⅲ区，使Ⅲ区受三向压应力状 动，在变形过程中，与锥面成45°的金属I区，称为 态，N区为均匀压缩区，如该区在拔长过程中达到 刚性区，刚性区I直接作用于金属Ⅱ区和Ⅲ区，使 了塑性变形条件，即满足g|=G,时，就产生均匀压 Ⅲ区受横向压应力作用，而迫使坯料变形体中心区 缩变形.均匀压缩区的塑性流动限制了坯料变形体 域受横向压应力作用；这是由于Ⅲ区限制了N区的 中心区域的横向流动，对坯料变形体中心区域有横 金属向外流动，使N区受横向压应力作用 向压缩作用，若忽略轴向应力的影响，变形体中心区 (a)A-A (b)B-B (e)C-C 图3水平V型锥面砧拔长变形时典型位置截面图及其刚塑性力学模型 Fig3 Rigid plastic mechanic model of forging with a horizontal V-shaped anvil 从以上分析可以看出，水平V型锥面砧锻造法 3水平V型锥面砧锻造效果分析 同样可以实现无横向拉应力锻造，水平V型锥面砧 锻造法的砧型结构决定了这种工艺不同于普通锻造 在中国第一重型机械集团公司水压机锻造分厂 法变形时金属流动特点，在水平V型锥面砧拔长锻 进行了水平V型锥面砧锻造法拔长矩形截面坯料的 造过程中，砧子与坯料首先是线（水平V)接触.随 定性物理模拟实验与生产性实验 着压下量的增加，V型砧面才逐渐与变形金属接触， 3.1定性物理模拟实验 此过程中金属沿垂直于棱线的方向流动，如图1中 3.1.1定性物理模拟实验的设想 的A一A所示方向（根据最小阻力定律，此方向显然 在拔长锻造时，设想在砧子下落方向，与砧子相 是金属质点流动阻力最小的方向)，从而控制了金属 接触坯料的中心区域有一细缝（细缝的厚度近似为 的流向 零)，变形时，如在垂直于细缝表面处存在拉应力， 由此可见：水平V型锥面砧拔长，可通过改变阝 那么厚度为零的细缝一定要张开，如该区域不存在 角的大小来控制锻件的纤维流向，从而来调整锻件 拉应力，厚度为零的细缝不能张开，随着压下量的 力学性能在不同方向上的分布，实现对锻件力学性 增加，细缝表面会越压越紧，在高温下还可能焊合在 能异向性的控制；此外，在水平V型锥面砧压下过程 一起，裂纹消失，可以通过对比上、下水平V型锥面 中，能迫使平砧压下时的难变形区完全变形，只要 砧与平砧拔长矩形截面坯料中心细缝形貌来说明拔 α角（见图1）设计正确，就可以实现不受料宽比限 长锻造效果 制的无横向拉应力锻造， 3.1.2拔长模拟条件
根据砧子与毛坯接触面形状变化的特点在毛坯变 形体沿纵向截取三个有代表性的横截面建立定性 力学模型分析其应力状态分析的具体位置见 图2． 图3（a）为水平Ⅴ型锥面砧拔长变形时 A－A 位 置截面图及其力学模型．由于接触摩擦接触面间 没有相对滑动．在砧面（包括平砧面和锥形砧面）与 变形体接触面45°棱柱体该棱柱体为难变形区Ⅰ 也称为刚性区处于三向较强的应力状态．刚性区 Ⅰ直接作用于Ⅱ区、Ⅲ区使Ⅲ区受三向压应力状 态．Ⅳ区为均匀压缩区如该区在拔长过程中达到 了塑性变形条件即满足｜σz｜＝σs 时就产生均匀压 缩变形．均匀压缩区的塑性流动限制了坯料变形体 中心区域的横向流动对坯料变形体中心区域有横 向压缩作用若忽略轴向应力的影响变形体中心区 域一定受横向压应力作用．图3（b）为水平Ⅴ型锥面 砧拔长变形时 B－B 位置截面图及其力学模型．实 际上毛坯在此区间位置（指毛坯与砧子接触处形状 相同的一段位置）的变形相当于用锥面砧拔长［11］ 因此其力学模型同锥面砧拔长时的力学模型一样． 在拔长过程中与锥面成45°的金属Ⅰ称为刚性区 刚性区Ⅰ直接作用于金属Ⅱ区、Ⅲ区且Ⅲ区为压应 力状态．图3（c）为水平Ⅴ型锥面砧拔长变形时 C－C 位置截面图及其力学模型．接触面间没有相对滑 动在变形过程中与锥面成45°的金属Ⅰ区称为 刚性区．刚性区Ⅰ直接作用于金属Ⅱ区和Ⅲ区使 Ⅲ区受横向压应力作用而迫使坯料变形体中心区 域受横向压应力作用；这是由于Ⅲ区限制了Ⅳ区的 金属向外流动使Ⅳ区受横向压应力作用． 图3 水平Ⅴ型锥面砧拔长变形时典型位置截面图及其刚塑性力学模型 Fig．3 Rigid-plastic mechanic model of forging with a horizontal Ⅴ-shaped anvil 从以上分析可以看出水平Ⅴ型锥面砧锻造法 同样可以实现无横向拉应力锻造．水平Ⅴ型锥面砧 锻造法的砧型结构决定了这种工艺不同于普通锻造 法变形时金属流动特点．在水平Ⅴ型锥面砧拔长锻 造过程中砧子与坯料首先是线（水平Ⅴ）接触．随 着压下量的增加Ⅴ型砧面才逐渐与变形金属接触． 此过程中金属沿垂直于棱线的方向流动如图1中 的 A－A 所示方向（根据最小阻力定律此方向显然 是金属质点流动阻力最小的方向）从而控制了金属 的流向． 由此可见：水平Ⅴ型锥面砧拔长可通过改变 β 角的大小来控制锻件的纤维流向从而来调整锻件 力学性能在不同方向上的分布实现对锻件力学性 能异向性的控制；此外在水平Ⅴ型锥面砧压下过程 中能迫使平砧压下时的难变形区完全变形．只要 α角（见图1）设计正确就可以实现不受料宽比限 制的无横向拉应力锻造． 3 水平Ⅴ型锥面砧锻造效果分析 在中国第一重型机械集团公司水压机锻造分厂 进行了水平Ⅴ型锥面砧锻造法拔长矩形截面坯料的 定性物理模拟实验与生产性实验． 3∙1 定性物理模拟实验 3∙1∙1 定性物理模拟实验的设想 在拔长锻造时设想在砧子下落方向与砧子相 接触坯料的中心区域有一细缝（细缝的厚度近似为 零）．变形时如在垂直于细缝表面处存在拉应力 那么厚度为零的细缝一定要张开如该区域不存在 拉应力厚度为零的细缝不能张开．随着压下量的 增加细缝表面会越压越紧在高温下还可能焊合在 一起裂纹消失．可以通过对比上、下水平Ⅴ型锥面 砧与平砧拔长矩形截面坯料中心细缝形貌来说明拔 长锻造效果． 3∙1∙2 拔长模拟条件 第9期 张永军等： 实现等向锻造的水平Ⅴ型锥面砧锻造法 ·1043·
,1044 北京科技大学学报 第30卷 物理模拟中所用的上、下水平V型锥面砧的 型锥面砧拔长的毛坯试样截面图上（图5(a)),中心 a=10°，B=120°.平砧选用1250t水压机专用平 区域轴孔之间未发现裂纹，侧面鼓形小，变形均匀 砧，为长方体，水平V型锥面砧和平砧总体尺寸一 在用平砧拔长的毛坯试样截面图上（图5(b)),轴孔 样，均为长1045mm、宽300mm、高450mm. 之间有裂纹，侧面鼓形大，变形明显不均匀 根据平砧拔长矩形截面毛坯新理论1]，在砧宽 比W/H≥0.9、料宽比B/H0.85的条件下，当平 砧拔长锻造时，变形体中心区域不会出现纵向拉应 62 力，而会出现横向拉应力，为比较两种锻造方法对 坯料变形体中心区域横向应力状态的影响，物理模 拟实验采用的拔长工艺参数如下：砧宽比W/H= 1,料宽比B/H=0.5.由此选取的试件尺寸如下： 长L=900mm;宽B=150mm,高H=300mm,如 图4所示，在图中所示位置钻并铰两个16士0.003 mm的孔，镶入16士0.003mm销轴于孔中，轻压配 (a)水平V型锥面砧拔长 (b)平砧拔长 合，近似满足轴与孔之间的间隙为零的条件 图5不同锻造法拔长矩形截面坯料时的截面图 Fig.5 Sections of rectangular billets by different forging methods 上述实验结果表明，水平V型锥面砧拔长锻造 时，在料宽比B/H=0.5的情况下，坯料内部的应 16±0.003 力状态为横向压应力，对焊合坯料内部缺陷提供了 有利的力学条件.在同样条件下，平砧拔长时，毛坯 内部的应力状态则相反，为横向拉应力，易使坯料内 部缺陷扩散 B 3.2生产性实验 (a)镶入销轴的矩形截面坯料 (b)销轴 3.2.1实验方案 通过检验对比水平V型面锥与常规锻造拔长同 图4物理模拟用矩形截面坯料 一轴类锻件，其同一位置横向力学性能的均匀性，前 Fig.4 Rectangular billet for physical simulation 者优于后者， 将试件在高温炉中加热到1220℃，均温后在 生产性实验方案为用该锻造方法生产16Mn钢 1250t压机上分别进行平砧拔长和水平V型锥面砧 电机轴锻件.坯料采用24t钢锭，在6000t水压机 拔长.压下量控制在20%左右（实际压下量），变形 上拔长开坯成700mm,部分电机轴采用水平V型 后试件空冷. 面锥锻造法完成，锻件拔长变形后，同炉进行正回 3.1.3拔长模拟实验结果 火处理 变形后的毛坯试件在锯床上锯成横向试片（试 3.2.2锻件力学性能检验及数据处理与分析 片包含镶入试件的销轴)，然后在普通刨床上把试片 在锻件的一端，距锻件中心2/3半径处套取试 沿轴孔配合中心线横向剖开，精磨，制成试样，试样 棒，制成拉伸试样，进行锻件力学性能检验，表1为 剖开后，将其横截面图拓印在图5中，在用水平V 大型轴类锻件采用水平V型锥面砧拔长锻造时，对 表1水平V型锥面砧锻造法拔长锻件2/3半径处纵，横向力学性能的统计结果 Table 1 Axial and transverse mechanical properties at 2/3 radius of forgings 屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率 方向 G/MPa △% G/MPa △1% % 1% 平/% ￥/% 纵向 356.3 8.4 560.0 5.4 30.4 10.8 70.5 9.2 横向 366.3 9.6 565.0 5.3 31.6 9.5 64.3 7.0
物理模拟中所用的上、下水平Ⅴ型锥面砧的 α＝10°β＝120°．平砧选用1250t 水压机专用平 砧为长方体．水平Ⅴ型锥面砧和平砧总体尺寸一 样均为长1045mm、宽300mm、高450mm． 根据平砧拔长矩形截面毛坯新理论［12］在砧宽 比 W／H≥0∙9、料宽比 B／H＜0∙85的条件下当平 砧拔长锻造时变形体中心区域不会出现纵向拉应 力而会出现横向拉应力．为比较两种锻造方法对 坯料变形体中心区域横向应力状态的影响物理模 拟实验采用的拔长工艺参数如下：砧宽比 W／H＝ 1料宽比 B／H＝0∙5．由此选取的试件尺寸如下： 长 L ＝900mm；宽 B＝150mm高 H＝300mm如 图4所示．在图中所示位置钻并铰两个●16±0∙003 mm 的孔镶入●16±0∙003mm 销轴于孔中轻压配 合近似满足轴与孔之间的间隙为零的条件． 图4 物理模拟用矩形截面坯料 Fig．4 Rectangular billet for physical simulation 将试件在高温炉中加热到1220℃均温后在 1250t压机上分别进行平砧拔长和水平Ⅴ型锥面砧 拔长．压下量控制在20％左右（实际压下量）变形 后试件空冷． 3∙1∙3 拔长模拟实验结果 变形后的毛坯试件在锯床上锯成横向试片（试 片包含镶入试件的销轴）然后在普通刨床上把试片 沿轴孔配合中心线横向剖开精磨制成试样．试样 剖开后将其横截面图拓印在图5中．在用水平Ⅴ 型锥面砧拔长的毛坯试样截面图上（图5（a））中心 区域轴孔之间未发现裂纹侧面鼓形小变形均匀． 在用平砧拔长的毛坯试样截面图上（图5（b））轴孔 之间有裂纹侧面鼓形大变形明显不均匀． 图5 不同锻造法拔长矩形截面坯料时的截面图 Fig．5 Sections of rectangular billets by different forging methods 上述实验结果表明水平Ⅴ型锥面砧拔长锻造 时在料宽比 B／H＝0∙5的情况下坯料内部的应 力状态为横向压应力对焊合坯料内部缺陷提供了 有利的力学条件．在同样条件下平砧拔长时毛坯 内部的应力状态则相反为横向拉应力易使坯料内 部缺陷扩散． 3∙2 生产性实验 3∙2∙1 实验方案 通过检验对比水平Ⅴ型面锥与常规锻造拔长同 一轴类锻件其同一位置横向力学性能的均匀性前 者优于后者． 生产性实验方案为用该锻造方法生产16Mn 钢 电机轴锻件．坯料采用24t 钢锭在6000t 水压机 上拔长开坯成●700mm部分电机轴采用水平Ⅴ型 面锥锻造法完成．锻件拔长变形后同炉进行正回 火处理． 3∙2∙2 锻件力学性能检验及数据处理与分析 在锻件的一端距锻件中心2／3半径处套取试 棒制成拉伸试样进行锻件力学性能检验．表1为 大型轴类锻件采用水平Ⅴ型锥面砧拔长锻造时对 表1 水平Ⅴ型锥面砧锻造法拔长锻件2／3半径处纵、横向力学性能的统计结果 Table1 Axial and transverse mechanical properties at 2／3radius of forgings 方向 屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率 σs／MPa Δσs σs ／％ σb／MPa Δσb σb ／％ δ／％ Δδ δ ／％ Ψ／％ ΔΨ Ψ ／％ 纵向 356∙3 8∙4 560∙0 5∙4 30∙4 10∙8 70∙5 9∙2 横向 366∙3 9∙6 565∙0 5∙3 31∙6 9∙5 64∙3 7∙0 ·1044· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 张永军等：实现等向锻造的水平V型锥面砧锻造法 ,1045. 其力学性能进行统计分析后的结果.各项指标的分 Met Form,2006(11).84 散程度用极差与均值的比值来表征（极差为一组数 (蔡墉.我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程（上） 锻造与冲压，2006(11)：84) 据中最大值与最小值之差)不大，从表1可见，纵、 [4]Cai Y.Developmental course of our freeforging hydraulic press 横数据的这个比值相差不多，说明各项性能指标的 and the heavy casting and forging production (Part two).Forg 分布比较集中，分散性较小，锻件同部位各项性能 Met Form.2007(1):84 指标均值之比：可横向6纵向=1.03，横向纵向= (蔡墉.我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程（下） 1.01,δ向6纵向=1.04，平横向平纵向=0.92，即纵 最造与冲压，2007(1)：84) [5]Wang L G.Liu Z B.Huang Y.Development and Prospective of 向与横向各项性能指标之比均在1.0附近变化，水 heavy forgings stretching process.JPlast Eng.2002.9(2):28 平V型锥面砧锻造法提高了轴类锻件横向力学性 (王雷刚，刘助柏，黄瑶，大锻件拔长工艺研究进展与展望.塑 能，减少轴类锻件力学性能的异向性，即水平V型锥 性工程学报，2002,9(2)：28) 面砧锻造法实现了轴类锻件的等向锻造， [6]Drafting Group of Production of Heavy Forging.Production of Heavy Forging.Beijing:China Machine Press,1978 4结论 (大锻件的生产编写组编。大锻件的生产，北京：机械工业出 版社，1978) (1)水平V型锥面砧锻造法通过改变锻造工艺 [7]WeiZ H.The application of WHF method on manufacturing of 的边界条件，在控制锻件质量和性能上，实现了普通 the shaft parts.Heay Mach Sci Technol.2004(3):32 锻造法无法达到的锻造效果. (魏泽辉.WHF法在轴类件生产中的应用.重型机械科技， (2)水平V型锥面砧锻造法可以实现无横向拉 2004(3):32) [8]Liu Z B.Ni L Y,Liu G H.et al.Application practice of LZ and 应力锻造，对锻合变形体内部孔洞型缺陷和避免产 NFM forging method.Forg Met Form,2004(1):3 生内部裂纹创造了良好的应力条件 (刘助柏，倪利勇，刘国晖，等.LZ锻造法和NFM锻造法的应 (3)水平V型锥面砧锻造法锻造变形时，锻件 用实践.锻造与冲压，2004(1)：3) 鼓形小，变形体变形均匀， [9]Liu Z B.Zhang Y J.Liu G H.et al.New Forging Method of (4)水平V型锥面砧锻造法提高了轴类锻件的 Horizontal V-shape Anilis:Chinese Patent,ZL 97101491.4. 1998-10-14 横向力学性能，实现了轴类锻件的等向锻造，生产性 (刘助柏，张永军，刘国晖，等.水平V型锥面砧锻造新工艺： 实验已达到锻件同部位可，横向6，纵向=1.03，可横向/ 中国专利，ZL97101491.4.1998-10-14) 可纵向=1.01,0横向/⊙纵向=1.04，平横向/平纵向= [10]Zhang Y J.New Forging Method of Improving Transverse Me- 0.92,各项性能指标之比均在1.00附近变化 chanical Properties for Heavy Axial Forgings.Qinhuangdao: Yanshan University,1997 参考文献 (张永车·提高大型轴类锻件横向力学性能的新工艺研究 [1]Guo H G.Development and improvement of heavy forging in 秦皇岛：燕山大学，1997) Chinese.Mach Met Form,2005(7):14 [11]Liu Z B.Li W M.Forging method of no crosswise tension (郭会光.我国大型锻造的发展与提高，机械工人：热加工， stress.Chin J Mech Eng.1994.30(6):107 2005(7):14) (刘助柏，李纬民，无横向拉应力锻造法，机械工程学报， [2]Lv Y.Forming Theory and Technique of Forging.Beijing: 1994,30(6):107) China Machine Press,1991 [12]LiuZ B.New Plastic Forming Technologies and Their Mechan- (吕炎.锻件成形理论与工艺.北京：机械工业出版社，1991) ical Principle.Beijing:China Machine Press.1995 [3]Cai Y.Developmental course of our free-forging hydraulic press (刘助柏.塑性成形新技术及其力学原理，北京：机械工业出 版社，1995) and the heavy casting and forging production (Part one).Forg
其力学性能进行统计分析后的结果．各项指标的分 散程度用极差与均值的比值来表征（极差为一组数 据中最大值与最小值之差）不大．从表1可见纵、 横数据的这个比值相差不多说明各项性能指标的 分布比较集中分散性较小．锻件同部位各项性能 指标均值之比：σs横向／σs纵向 ＝1∙03σb横向／σb纵向 ＝ 1∙01δ横向／δ纵向 ＝1∙04Ψ横向／Ψ纵向 ＝0∙92即纵 向与横向各项性能指标之比均在1∙0附近变化．水 平Ⅴ型锥面砧锻造法提高了轴类锻件横向力学性 能减少轴类锻件力学性能的异向性即水平Ⅴ型锥 面砧锻造法实现了轴类锻件的等向锻造． 4 结论 （1） 水平Ⅴ型锥面砧锻造法通过改变锻造工艺 的边界条件在控制锻件质量和性能上实现了普通 锻造法无法达到的锻造效果． （2） 水平Ⅴ型锥面砧锻造法可以实现无横向拉 应力锻造对锻合变形体内部孔洞型缺陷和避免产 生内部裂纹创造了良好的应力条件． （3） 水平Ⅴ型锥面砧锻造法锻造变形时锻件 鼓形小变形体变形均匀． （4） 水平Ⅴ型锥面砧锻造法提高了轴类锻件的 横向力学性能实现了轴类锻件的等向锻造生产性 实验已达到锻件同部位 σs横向／σs纵向 ＝1∙03σb横向／ σb纵向 ＝1∙01δ横向／δ纵向 ＝1∙04Ψ横向／Ψ纵向 ＝ 0∙92各项性能指标之比均在1∙00附近变化． 参 考 文 献 ［1］ Guo H G．Development and improvement of heavy forging in Chinese．Mach Met Form2005（7）：14 （郭会光．我国大型锻造的发展与提高．机械工人：热加工 2005（7）：14） ［2］ Lv Y． Forming Theory and Technique of Forging．Beijing： China Machine Press1991 （吕炎．锻件成形理论与工艺．北京：机械工业出版社1991） ［3］ Cai Y．Developmental course of our free-forging hydraulic press and the heavy casting and forging production （Part one）．Forg Met Form2006（11）：84 （蔡墉．我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程（上）． 锻造与冲压2006（11）：84） ［4］ Cai Y．Developmental course of our free-forging hydraulic press and the heavy casting and forging production （Part two）．Forg Met Form2007（1）：84 （蔡墉．我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程（下）． 锻造与冲压2007（1）：84） ［5］ Wang L GLiu Z BHuang Y．Development and Prospective of heavy forgings stretching process．J Plast Eng20029（2）：28 （王雷刚刘助柏黄瑶．大锻件拔长工艺研究进展与展望．塑 性工程学报20029（2）：28） ［6］ Drafting Group of Production of Heavy Forging．Production of Heav y Forging．Beijing：China Machine Press1978 （大锻件的生产编写组编．大锻件的生产．北京：机械工业出 版社1978） ［7］ Wei Z H．The application of WHF method on manufacturing of the shaft parts．Heav y Mach Sci Technol2004（3）：32 （魏泽辉．WHF 法在轴类件生产中的应用．重型机械科技 2004（3）：32） ［8］ Liu Z BNi L YLiu G Het al．Application practice of LZ and NFM forging method．Forg Met Form2004（1）：3 （刘助柏倪利勇刘国晖等．LZ 锻造法和 NFM 锻造法的应 用实践．锻造与冲压2004（1）：3） ［9］ Liu Z BZhang Y JLiu G Het al．New Forging Method of Horiz ontal V-shape A nvilis：Chinese PatentZL 97101491．4． 1998－10－14 （刘助柏张永军刘国晖等．水平Ⅴ 型锥面砧锻造新工艺： 中国专利ZL 97101491．4．1998－10－14） ［10］ Zhang Y J．New Forging Method of Imp roving T ransverse Mechanical Properties for Heav y A xial Forgings．Qinhuangdao： Yanshan University1997 （张永军．提高大型轴类锻件横向力学性能的新工艺研究． 秦皇岛：燕山大学1997） ［11］ Liu Z BLi W M．Forging method of no crosswise tension stress．Chin J Mech Eng199430（6）：107 （刘助柏李纬民．无横向拉应力锻造法．机械工程学报 199430（6）：107） ［12］ Liu Z B．New Plastic Forming Technologies and Their Mechanical Principle．Beijing：China Machine Press1995 （刘助柏．塑性成形新技术及其力学原理．北京：机械工业出 版社1995） 第9期 张永军等： 实现等向锻造的水平Ⅴ型锥面砧锻造法 ·1045·