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摘要：針對目前護(hù)環(huán)質(zhì)量及其熱鍛工藝中存在的問題，通過對熱成形技術(shù)的分析，提出了護(hù)環(huán)擴(kuò)擠復(fù)合成形新工藝。并經(jīng)過理論分析(FEM)和模擬試驗，證明了新工藝的先進(jìn)性和可行性。
關(guān)鍵詞：護(hù)環(huán)；熱成形；擴(kuò)擠復(fù)合成形

一、引言

護(hù)環(huán)是發(fā)電機上關(guān)鍵的大鍛件，由于其工作環(huán)境特殊，受力情況復(fù)雜，技術(shù)要求十分嚴(yán)格，其制造技術(shù)一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。目前，大型護(hù)環(huán)生產(chǎn)的諸環(huán)節(jié)中，形變強化技術(shù)進(jìn)展較快，其中液壓脹形技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平較高。新材料應(yīng)用也有所發(fā)展，Mn18Cr18N抗應(yīng)力腐蝕鋼的選用，大大延長了護(hù)環(huán)的服役壽命。但是，熱鍛制坯這一中間環(huán)節(jié)，仍沿用半經(jīng)驗型操作，工藝參數(shù)不夠科學(xué)，工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量的可控性差，以致造成較多的廢次品以及能源、原材料的浪費。因此，分析護(hù)環(huán)熱成形機制，研究新的熱成形方法，對提高護(hù)環(huán)鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)水平有一定的意義。

二、現(xiàn)有護(hù)環(huán)熱成形方案的分析

1.鋼錠鍛造法［1］

如圖1所示，用普通鋼錠鍛造護(hù)環(huán)的主變形工序為：拔長下料—鐓粗沖孔—芯軸拔長—芯軸擴(kuò)孔。該工藝火次多，操作復(fù)雜，材料利用率低；而且工藝過程冗長，不易監(jiān)控，質(zhì)量不穩(wěn)定，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的提高受到一定的制約。

圖1護(hù)環(huán)常規(guī)鍛造工藝

2.模內(nèi)沖孔法［2］

為了改善護(hù)環(huán)常規(guī)鍛造工藝，曾試驗了一種模內(nèi)沖孔方法(圖2)。該方法取消了芯軸拔長與擴(kuò)孔等工序，只需將坯料放在模內(nèi)鐓粗沖孔，全部操作可在一火內(nèi)完成，大大簡化了工藝過程。模內(nèi)沖孔的鍛件表面質(zhì)量好，尺寸準(zhǔn)確，機械性能良好。但需要專用模具和大噸位的設(shè)備，而且所需坯料直徑較大。試驗后未能得到推廣應(yīng)用。

3.空心鑄坯鍛造法［3］

用電渣重熔(ESR)熔鑄成空心環(huán)坯，然后鍛壓成形。該工藝采用電渣重熔環(huán)坯，提高了坯料的冶金質(zhì)量，縮短了熱鍛周期，但限于條件，生產(chǎn)試驗中仍采用了芯軸擴(kuò)孔，鍛造難以實現(xiàn)控制成形。雖然成功地生產(chǎn)出了3MW的合格護(hù)環(huán)，但制件微觀組織并不理想(晶粒度1～3級)。這是因為Mn-Cr系護(hù)環(huán)鋼，屬奧氏體本質(zhì)粗晶鋼。再加上電渣重熔環(huán)坯內(nèi)樹枝晶較為發(fā)達(dá)、頑固，其鑄態(tài)結(jié)構(gòu)用芯軸擴(kuò)孔很難有效地破碎。

圖2環(huán)坯模內(nèi)沖孔裝置

綜上所述，如何提高熱鍛技術(shù)，改善制件質(zhì)量，實施可控成形和短流程工藝，便成為亟待研究的課題。

三、擴(kuò)擠復(fù)合成形工藝的開發(fā)

由塑性力學(xué)可知，引入有限的剪變形或復(fù)合變形機制不僅能使變形體率先進(jìn)入塑性狀態(tài)；而且能使變形區(qū)擴(kuò)大，難變形區(qū)縮小，變形均勻且流向合理。其中復(fù)合流動不僅可以大幅度降低變形力，增加內(nèi)部的等效應(yīng)變，而且能有效控制金屬的塑流矢量，改善變形不均勻性，提高鍛件內(nèi)在質(zhì)量。研究表明［4］，剪切變形可有效地破碎鑄態(tài)結(jié)構(gòu)和粗晶，改善變形體的組織性能。俄羅斯學(xué)者格納高O.A.對鍛壓剪變形進(jìn)行的系統(tǒng)定量的研究，秋林B.A.教授等在多向反復(fù)變形，控制塑性流動，改變邊界條件等方面的研究，都證明了新的熱成形機制對改善鍛件質(zhì)量，提高鍛造技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平具有重要的意義［6］。

圖3擴(kuò)擠復(fù)合成形原理圖
1.環(huán)坯2.凸模3.凹模4、5.漏盤

針對原護(hù)環(huán)熱成形中存在的問題，引入復(fù)合變形、控制塑流和有限剪變形機制，研究開發(fā)了護(hù)環(huán)擴(kuò)擠復(fù)合成形工藝。其原理如圖3所示，首先將環(huán)坯置于筒形凹模內(nèi)，球面凸模向下壓入，環(huán)坯產(chǎn)生自由擴(kuò)孔變形；凸模繼續(xù)下壓，環(huán)坯外壁與凹模接觸，擴(kuò)擠復(fù)合變形開始，隨著接觸區(qū)域的擴(kuò)大，擠壓變形逐漸顯著；當(dāng)完全接觸后，環(huán)坯又產(chǎn)生反擠壓變形。最后凸模通過環(huán)坯，變形過程結(jié)束。變形后，環(huán)坯內(nèi)外徑擴(kuò)大，壁厚減薄，內(nèi)外徑尺寸完全靠凸凹�？刂�，故能很好地滿足設(shè)計。因此可以大幅度減小加工余量，提高生產(chǎn)率和材料利用率。

新工藝中，空心坯是在凸模沖孔和外緣限制的條件下發(fā)生變形的，金屬的流動屬于擴(kuò)擠復(fù)合流動模式。理論分析(FEM)和實驗研究表明，與傳統(tǒng)工藝相比，其應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)變分布都得到了改善，其具有如下幾方面特點：

(1)擴(kuò)擠復(fù)合成形是沖頭擴(kuò)孔和反擠壓變形的復(fù)合，旨在改善芯軸擴(kuò)孔變形的不均勻性。該工藝用球面沖頭進(jìn)行內(nèi)脹孔，坯料在筒形凹模內(nèi)限制成形，屬軸對稱成形，變形均勻。

(2)凹模限制變形，改善了環(huán)坯內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)。如圖4所示，變形量較小時，即自由擴(kuò)孔變形階段(圖4a)，環(huán)坯外徑的切向應(yīng)力分量為拉應(yīng)力，其中擴(kuò)孔區(qū)外側(cè)拉應(yīng)力最大。而后隨著凸模的下壓，變形進(jìn)入擴(kuò)擠復(fù)合變形階段(b)，此時由于環(huán)坯外壁與凹模接觸而受到約束作用，該區(qū)的切向應(yīng)力由高拉應(yīng)力值變?yōu)檩^大的壓應(yīng)力。當(dāng)變形進(jìn)入反擠壓階段(c)，切向拉應(yīng)力基本消失，環(huán)坯內(nèi)大都為壓應(yīng)力，且變形區(qū)壓應(yīng)力最大。這樣，就改善了自由擴(kuò)孔時環(huán)坯外緣的應(yīng)力狀態(tài)，防止了開裂。并能沖大孔，且薄壁環(huán)坯還不會失穩(wěn)、畸變。

圖4變形不同階段環(huán)形內(nèi)切向應(yīng)力分量σθ的分布
(a)自由擴(kuò)孔變形階段(b)擴(kuò)擠復(fù)合變形階段
(c)反擠壓變形階段

(3)該工藝可實行反復(fù)變形。第一步(圖3a)，把沖頭壓入環(huán)坯，使環(huán)坯上端變形到成形尺寸，外壁基本和凹模接觸，然后退出沖頭；第二步(圖3b)，環(huán)坯隨凹模一起掉頭(翻轉(zhuǎn)180°)，再把沖頭從另一端壓入環(huán)坯，直到變形結(jié)束。實驗證明：這種方法可以避免沖擴(kuò)毛刺，又可減小難變形區(qū)，使應(yīng)變場均勻。

(4)擴(kuò)擠復(fù)合成形時，金屬的流動很復(fù)雜。金屬除沿徑向流動外，還有軸向流動，從而將剪應(yīng)力作為主動應(yīng)力引入塑性變形過程，這就增加了塑性變形中剪應(yīng)變的份額。圖5為有限元模擬結(jié)果，在凸模行程為86mm時，環(huán)坯內(nèi)等效應(yīng)變ε(圖5a)和應(yīng)變分量γrz(圖5b)、εr(圖5c)的分布情況。從等值線圖可以看出：剪應(yīng)變和等效應(yīng)變的分布相似、大小相近。這說明在環(huán)坯擴(kuò)擠復(fù)合變形中，剪切變形占較大的比例，這有利于破碎鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒，提高鍛件質(zhì)量。

圖5凸模行程86mm時環(huán)坯內(nèi)應(yīng)變分布圖
(a)等效應(yīng)變ε(b)切應(yīng)變分量γrz(c)徑向應(yīng)變分量εr

(5)該工藝操作簡便，便于控制，只需一次加熱，即可按預(yù)定程序變形。而且環(huán)坯的變形分布、應(yīng)變速度、應(yīng)力狀態(tài)、變形溫度等參數(shù)都易于調(diào)控，從而實現(xiàn)成形過程和產(chǎn)品質(zhì)量的控制。圖6為模擬試驗制出的實物照片，由圖可知，鍛件形狀規(guī)整，表面質(zhì)量好。在實際鍛造時，實施控制鍛造與控制冷卻的方法，還可獲得細(xì)勻化的組織，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鍛件。

圖6實驗鍛件照片

四、結(jié)論

(1)擴(kuò)擠復(fù)合成形具有操作方便，變形力小，塑流可控，變形均勻，剪切變形大以及復(fù)合變形等特點。有利于破碎粗大的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)，獲得細(xì)勻化的組織，能夠大幅度提高鍛件的內(nèi)在質(zhì)量。
(2)有限元分析和模擬試驗表明，擴(kuò)擠復(fù)合成形工藝與自由擴(kuò)孔工藝相比，可以改善環(huán)坯應(yīng)力狀態(tài)，提高工藝塑性，增大一次擴(kuò)孔量；與芯軸擴(kuò)孔工藝相比，該工藝操作簡便，變形均勻，鍛件形狀規(guī)整，表面質(zhì)量好，且成形過程和產(chǎn)品質(zhì)量易于控制。
(3)該工藝可以方便地實現(xiàn)控制熱成形，并可以實施用熔鑄環(huán)坯—控制熱成形—新法液壓脹形制造護(hù)環(huán)的新技術(shù)，簡化現(xiàn)行鍛造工序，實現(xiàn)短流程工藝，徹底改變護(hù)環(huán)生產(chǎn)面貌，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)
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