[发明专利]采用附加强制冷却的锥形板镦粗法锻制锻件的工艺

说明书

技术领域

本发明属于金属塑性加工领域，涉及一种附加强制冷却的锥形板镦粗法，可以增 大内部静水应力，有效锻合内部缺陷，并防止出现内部裂纹。

背景技术

大型锻件是在液压机上进行锻造的典型锻件之一，是重型装备的核心部件之一， 包括汽轮机锅炉用管板和叶轮、核反应堆压力壳平顶盖、热交换器管板、化工容器底封头 等，其中有的还带有盲孔。所用原材料都是钢锭。钢锭都有其固有缺陷，如偏析、夹杂、疏松、 粗大的柱状晶等。为了减少这些铸造缺陷，一方面要提高冶炼水平，另一方面还要改进锻造 水平，只有这样才能生产出优质的锻件。

空洞是大锻件内部缺陷的重要形式，若空洞在热锻过程中能够闭合，则通过高温 下的原子扩散和再结晶可使其进一步焊合，从而改善材料的力学性能。空洞锻合是焊合的 前提条件。

刘助柏等人提出了锥形板镦粗工艺，通过数值模拟和物理模拟证明了该工艺能改 善变形体内部的应力状态(为三向压应力)，迫使平板镦粗的刚性区变形，消除或降低平板 镦粗静水应力区的剪切变形强度，锻件鼓形小，整体变形均匀；有利于闭合毛坯内部空洞型 缺陷，改善毛坯内部金属的组织与性能，防止内部新缺陷(如夹杂性裂纹)的产生起到良好 效果。（刘助柏,王连东.用锥形板镦粗的新工艺及其力学原理.机械工程学报,1994年, 30卷，第4期）。

李琼采用解析法论证了锥形板镦粗可抑制内部裂纹的产生,有利于内部缺陷的 锻合。（李琼.锥形板镦粗在大锻件锻造中的应用.锻压技术,1999年第3期）。

邓冬梅等利用ANSYS软件对锥形板镦粗圆柱体的整个过程进行了数值模拟。介绍 了模型建立时的简化及参数选取情况;给出了变形过程中,不同压下量下毛坯内部的变形 过程及应力、应变分布情况;并对比分析了锥形板镦粗和普通平板镦粗时的应力、应变情 况。分析结果表明该新工艺对改善毛坯内部的应力、应变状态起到一定作用,从而定量地证 明了锥形板镦粗圆柱体力学模型的正确性,对该理论的完善起到一定作用。（邓冬梅,刘助 柏,倪利勇.锥形板镦粗新工艺的数值模拟[J].锻压技术,2005年第3期）。

刘新宇利用MSC.SuperForge软件,针对锥形板镦粗工艺进行数值模拟,并结合物 理实验结果加以分析,得到锥形板镦粗时的变形规律,为生产现场中确定毛坯尺寸、制定成 形工艺参数提供了依据。（刘新宇.用MSC.SuperForge对锥形板镦粗工艺的数值模拟[J].现 代制造工程,2009年第8期）。

王志伟等人采用有限元数值模拟方法分析不同镦粗工艺对夹杂物的弥散作用。建 立了常用的平砧镦粗、锥形砧镦粗和凹面砧镦粗等3种计算模型,通过对镦粗过程中夹杂物 的应力应变集中程度、基体损伤值、夹杂物间距的结果分析,认为锥形砧镦粗工艺最好。 （王志伟,安红萍,刘建生.含夹杂坯料镦粗的有限元分析[J].精密成形工程.2011年第4 期）。

张绍军等利用Forge锻造模拟软件模拟了中心凸台压实工艺和锥形板镦粗工艺的 核电管板锻件。结果表明:采用中心凸台压实工艺的坯料心部在镦粗过程中一直存在三向 压应力,且心部产生了变形,但上下端面仍存在难变形区;采用锥形板镦粗工艺的坯料心部 在镦粗过程中一直存在两向拉应力,虽迫使与锥板接触部位的坯料产生了变形,消除了难 变形区,但心部并没有产生有效变形。（张绍军,梁书华,刘钊.核电大型管板锻件两种压实 工艺的数值模拟与研究[J].热加工工艺,2013年第13期）。

上述研究人员对锥形板镦粗的效果有分歧，原因在于采用的工艺参数不同，表明 锥形板镦粗工艺有其合理的工艺参数范围。

本发明提出一种附加强制冷却的锥形板镦粗法锻制锻件的工艺，可以增大内部静 水应力，有效锻合内部缺陷，并防止出现内部裂纹，具有较宽的工艺参数范围。

发明内容

大型钢锭都有其固有缺陷，如偏析、夹杂、疏松、粗大的柱状晶等。为了减少这些铸 造缺陷，本发明提出一种附加强制冷却的锥形板镦粗法锻制锻件的工艺，其主要技术路线 是：铸造钢锭→倒棱→下料→强制冷却+锥形板镦粗→辗平→平整。

在短时高速强制冷却后，经过与外界的换热和坯料内部的传热后,坯料温度呈现 分布由内向外逐渐降低。中心高温区塑性好,加工过程中是变形主体部分,坯料表面温度 较低区域形成一层硬壳，减少内部拉应力。高温区面积控制在整个截面面积的85%以上, 高温部分体积控制在坯料总体积的80%左右,完全可以满足材料利用率的生产要求。