CN104384862B - 大型锻件深孔冲压方法及其深孔冲头 - Google Patents

Abstract

本发明公开的深孔冲压方法包括以下步骤：（1）钢锭加热：（2）锻坯下料：头端切剁量为钢锭重量的16%—20%，尾端为钢锭重量的8%—12%；（3）锻坯镦拔：对锻坯进行镦粗和拔长而成锻件；（4）首次冲孔：冲头压下量为成品孔深度的30%；（5）二次冲孔：在冲头端涂抹可燃物后下压；（6）三次冲孔：在冲头端涂抹可燃物后下压；（7）修孔；（8）锻后热处理。本发明的深孔冲头，它包括冲杆，该冲杆为圆柱杆，在所述冲杆的前端设置有半球端，在冲杆上还设置有修整环，该修整环与半球端相隔设置。本发明的工艺方法具有生产效率高、内部组织均匀密实、材料利用率高的优点。本发明的深孔冲头结构设计精巧，成孔精度高、质量好。

Description

大型锻件深孔冲压方法及其深孔冲头

技术领域

本发明涉及锻造成型技术领域，尤其涉及核电或火电发电机组中大型锻件深孔冲压成型的工艺方法。本发明还涉及应用于该方法的深孔冲头结构。

背景技术

在核电以及火电领域，为了提高发电效率、节约发电成本，越来越多的推广应用超临界、超超临界发电机组。由于超临界、超超临界机组工质压力超过或远超过工质临界压力和温度，因此超临界、超超临界机组处于高参数和高压力运行状态，这给机组部尤其是数量众多的机组管件提出了更高的耐温耐压等性能要求。

在超临界、超超临界机组系统中存在着大量的管件、管板、正三通、斜三通以及阀体等管类零件，这些零件的结构特点是大尺寸、厚壁、深孔，长期处于高温高压的恶劣环境中，且承受高变荷载和管道涡流冲击所产生的压力突变，极易引起应力分布不匀或者应力集中，从而产生疲劳、蠕变损伤，甚至造成降参数运行，影响发电效率，严重时将会带来安全问题。采用耐热合金材料，如采用P92、P122或E911钢，虽然能提高管类零件的耐高温耐高压的性能，但不能优化这些大型块状零件内部材料组织结构，以及粗晶、裂纹等物理性缺陷，这些材料的内部组织缺陷只能通过后期加工工艺来克服和优化。

虽然通过锻造工艺方法可以明显改善零件材料内部结构，强化其机械性能，但锻件深孔的冲压成孔过程中，由于冲杆与坯件孔壁间的摩擦力较大，加之孔壁对冲头杆的束紧力和冲头端端部的负压作用，冲压后冲头无法从坯件中拔出，所以目前对大型块状锻件深孔是难以通过冲压成型工艺实现深孔加工的，只能在锻造坯件上，通过钻孔、镗孔等机加工方法进行深孔切削加工，目前这种加工方法存在诸多不足：首先材料利用率低，孔在机加工过程中产生的切屑成为废料而难以回用，形成优质合金材料的极大浪费。其二，切削加工不能改变孔壁周边材料的组织结构，不利于增强零件的耐温耐压性能，由于大型锻件属于厚饼实心类锻件很难热透、压实，钢锭内层、外层、心部的热力学和动力学条件存在差异，钢坯内部存在偏析、疏松和缩孔等缺陷，而深孔又往往处于钢坯裂纹、粗晶最为严重的心部位置，切削加工难以保证管孔轴向力学性能的一致性。其三，机加工工艺流程复杂、生产效率低，由于深孔的长径比较大，加工时需钻孔后再进行镗孔至预定尺寸，因此工件需在多工序中转运，生产周期长，效率低。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种大型锻件深孔冲压方法，它不仅能使孔周材料组织均匀密实，具有良好的耐高压性能，而且材料利用率和生产效率高。本发明另一要解决的技术问题是提供一种实现该方法的深孔冲头。

为了解决上述技术问题，本发明的大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：该深孔冲压方法包括以下步骤：

（1）钢锭加热：将马氏体耐热钢锭送至加热炉中加热至600℃，保温3小时；再以60℃/h的加热速度加热至850℃，保温4小时；再以80℃/h的加热速度加热至1150°，保温4小时；再以80℃/h的加热速度加热至1230℃±20℃，保温2 小时；

（2）锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出，切剁钢锭头尾，冒口头端切剁量为钢锭重量的16%—20%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—12%；

（3）锻坯镦拔：对锻坯进行镦粗和拔长而成锻件；

（4）首次冲孔：在锻件上进行首次冲孔，冲头压下量为成品孔深度的30%，退出冲头；

（5）二次冲孔：在冲头端涂抹可燃物后，将冲头放入首次冲孔形成的孔中下压，压下量为成品孔深度的35%，退出冲头；

（6）三次冲孔：在冲头端涂抹可燃物后，再将冲头放入已形成孔中下压，压下量为成品孔深度的35%，退出冲头；

（7）修孔：以芯棒贯通修整冲孔；

（8）锻后热处理：将冲孔的锻件送入加热炉依次进行正火、随炉保证、退火出炉。

本发明的一种优先实施方式，所述可燃物为重油。

本发明的另一种优先实施方式，所述可燃物为重油和石墨和/或锯末的混合物。

本发明的一种具体实施方式，所述正火温度为1040℃～1060℃，随炉保温温度为300℃～350℃，退火温度为740℃～760℃。

采用上述的深孔冲压方法具有如下显著优点：

本发明采用分段热规范，使得大型锻件能充分热透，内部组织均匀化。由于大型锻造坯件断面尺寸大，直接连续升温加热方法会在坯件中形成较大的温度梯度，本发明根据耐热钢的材料特性，采用分区段加温、保温规范，确保大体积、大断面锻件能够均匀热透，使锻件心部、表面各区域间的加热温度一致，避免因断面温度差产生温度应力，而导致锻件钢锭开裂，杜绝钢锭加热升温所引起的内部组织缺陷。

本发明采用三步冲孔、可燃物脱模的特殊成孔工艺步骤，实现了锻件深孔的直接冲压成孔。由于大型锻件的孔径较小，深度很深，若采用冲头单步完成，冲头属于细长杆件，冲压成型力极大，无法实现深孔冲压成型，即使有足够的压下力，冲杆的稳定系数低，在冲孔过程中容易冲偏，冲杆容易折断，使得锻件报废，而采用分步冲孔就能实现深孔的冲压，先用高径比较小的冲头冲孔，形成的内孔对后续冲头起到导向和稳定作用，不会发生偏冲；使二、第三次换冲杆冲压成形力变小，冲杆的方向性稳定，深孔成形精度提高。再者本发明在二次、三次冲孔的冲头端部和杆体上涂抹可燃物，保证了冲头的顺利退出，由于冲头与孔壁之间存在较大的摩擦力，孔越深摩擦力越大；同时随着冲孔工序的进行锻件温度会逐步降低，锻件的变冷收缩会对冲头产生极大的束紧力，往往使冲头无法拔出，这是目前无法进行锻件深孔冲压首要原因，而本发明在冲头冲压前在杆头杆体上涂抹可燃物，可燃物在孔内高温低氧条件下，可实现稳定燃烧，放出大量的热量和气体，热量保证了锻件孔壁温度的稳定，压缩气体在冲头失去压力时会推动冲头自动向外弹出，实现了冲头从冲孔中自动退出。

本发明采用直接冲压成型工艺而非切削成孔，大大减少了材料的切削加工量，使材料利用率提高，即使是冲孔所形成的芯料也能全部回收利用，该直接成型工艺生产效率也得到大大提高，因此，本发明的工艺方法具有减少加工工艺流程、缩短整个生产工艺，提高生产效率和材料利用率的优点。

为了在大型锻件上直接冲压深孔，实现本发明深孔冲压方法的深孔冲头，它包括冲杆，该冲杆为圆柱杆，在所述冲杆的前端设置有半球端，在冲杆上还设置有修整环，该修整环与半球端相隔设置。

  采用上述结构后，由于冲头杆体的前端为半球端，这种结构有利于引导成孔金属从中心位置向孔壁位置挤压流动，减少冲头对金属的剪切作用，保证了金属纤维组织的连续性，使锻件组织不被破坏，金属流线完整，锻件力学性能得到增强，同时冲头在冲压过程中将金属向孔壁方向的挤压，又进一步使坯料金属内部的疏松、缩孔等孔隙缺陷能得到更加均匀的压实焊合，使铸态各方向的树枝晶能得到充分的击碎。又由于冲杆上设置有修整环，该修整环不仅能大大提高孔的尺寸精度和孔壁的表面平整度，无需后续再加工，而且通过挤压有效增强了孔壁金属的机械强度，有利于提高深孔锻件的耐高温、耐高压性能。

本发明的优选实施方式，所述修整环为椭圆环，该椭圆环的椭圆长轴位于冲杆的杆面上，椭圆长轴长度等于冲杆的直径，椭圆短轴长度为长轴长度的1/5～1/8。采用椭圆环结构，且其长轴位于冲头杆面上，有利于延长冲头对金属的挤压作用距离和时间，并能实现对孔壁金属的平缓渐近挤压成型，通过反复试验证明，该冲头成型的深孔具有表面平整，成孔尺寸精度高的优点。

本发明的进一步实施方式，所述半球端为半圆球体。该结构合理，便于制作加工。

本发明的优选实施方式，所述修整环的下端与半球端的上端相隔距离为冲杆直径的1/2～1/3。该结构不仅便于制作，而且能够在冲杆前端和相隔杆段上容纳足够的可燃物，以确保冲头可靠退模。

附图说明

下面还结合附图对本发明深孔冲头作进一步说明。

图1是本发明深孔冲头一种具体实施方式的结构示意图。

图中，1—冲杆、2—修整环、3—半球端。

具体实施方式

以一超超临界发电机组直通管段为例，该成品直通管段外径为566mm，长度为3200mm、孔径302mm,管壁厚为132mm，管孔的长径比为10.6。采用八棱柱状的锻造钢锭，钢锭材料为马氏体耐热钢P112。

首先对钢锭进行分段加热升温  先将锻造钢锭放入加热炉进行加热，以提高金属塑性，使其易于流动成型并获得良好的锻后组织，选择恰当的加热温度区间，可使金属坯件在塑性较好的状态下成型。由于钢锭属于大型件，为减少由断面温度差产生的温度应力，应使钢锭均匀加热升温，本发明采用七段加热升温规范，首先将P112钢锭送至加热炉中加热至600℃后，在此温度下，保温3小时；第二加热段以60℃/h的加热速度加热至850℃，第三段为保温段，将加热至850℃的钢锭保温4小时，使钢锭温度均匀，消除温度应力。第四加热段以80℃/h的加热速度加温至1150℃，当钢锭温度大于800℃时，钢锭已具有一定的塑性，因此本加热段采用了相对较快的加热速度，第五段也为保温段，钢锭在1150℃的温度下保温4小时，以进一步消除钢锭温度应力，第六加热段以80℃/h的加热速将钢锭加热至1230℃±20℃，第七段又为保温段，钢锭在1230℃±20℃的温度下保温2小时而形成锻造加热锻坯。

锻坯下料，将上述加热锻坯从炉中取出送至大型液压机，以剁刀为上砧对加热锻坯切剁头尾，以保证有用坯件材料的质量，其冒口头端切剁量为锻坯总重量的16%～20%，尾端段的切剁量为锻坯重量的8%～12%，用钢锤敲击切除头尾的坯件，以去除坯件钢锭外周的氧化皮层而得锻造用的锻坯。

锻坯镦拔。将锻坯沿轴向压下镦粗，然后进行拔长，再进行镦粗，然后进行下一次拔长。镦粗比控制在2.0—2.1之间，每次拔长的压下率为20%～25%之间。锻坯经过镦拔直至成为设计要求的锻件。

首次冲孔。在锻件上进行首次冲孔，冲头压下量为成品孔深度的40%，冲头外端留有一定长度，以便拔出冲头。

二次冲孔。第一次冲孔完成后，需更换冲头进行第二次冲压，该冲头杆长长于前一冲头。在冲头端涂抹可燃物后，将冲头放入首次冲孔形成的孔中下压，压下量为成品孔深度的30%。在此次冲压过程中，冲压前端的可燃物被压进锻孔内，并与该锻孔形成密闭腔，冲头前端的可燃物在密闭腔中燃烧，在高温低氧条件下，可燃物燃烧放出大量热量和气体，对冲头产生较大的反推力，当失去液压机下压力时，该反推力会自动将冲头从锻孔中推出，以退出冲头。可燃物燃烧产生的热量还维持了锻孔温度，以防止锻孔紧缩，同时可燃物本身及可燃物燃烧产生的焦炭具有一定的润滑作用，可减少冲头与孔壁间的摩擦力。

三次冲孔。在第二次冲孔完成后，再更换又一冲头，该冲头长度长于二次冲压的冲头。在第三次冲压前仍在冲头前端涂抹可燃物进行冲压，此次冲头的压下量为成品孔深度的30%。在上述冲孔过程中，由于可燃物燃烧产生的反推力及润滑作用，可将冲头自动推出锻孔，实现了深孔的冲压，节省了金属材料，极大地提高了生产效率。上述过程中的可燃物采用重油，该可燃物还可为重油、石墨和锯末的混合物，或者为重油和石墨的混合物，或者为重油和锯末的混合物。

当冲孔过长时，可在一端三次冲孔完成后，将锻件调转180°后，采用同样步骤冲压另一端的三次冲孔。

修孔。冲压孔完成后，再以长芯棒贯通入冲压孔，最终完成主管孔的冲压成型。

锻后热处理：将冲孔的锻件送入加热炉依次进行正火、随炉保证、退火出炉。

锻后热处理：经冲孔后，将斜三通锻件降温至580℃保温6h ，再以80℃/h的加热速度加热升温至正火温度1040℃-1060℃，保温10h，再随炉降温至300℃-350℃，并在温度随炉保温6h，再以60℃/h加速度加温至退火温度740℃-760℃，随炉冷却后出炉。

如图1所示的深孔冲头，冲杆1为圆柱结构，杆径为259mm，冲杆1的前端为半球端3，该半球端3为半圆球体，该半圆球的直径与冲杆1的杆径相等，即圆球体直径也为259mm，在冲杆1上设置有修整环2，修整环2为椭圆环，椭圆环的长轴位于冲杆1杆面母线上，椭圆环长轴长度2a等于冲杆1的直径，椭圆短轴长度2b=40mm，约为长轴长度的1/6，椭圆环的最大外径为302mm。呈椭圆环结构的修整环2的下端与半球端3的上端相隔距离为100mm。上述的冲杆1、修整环2以及半球端3连为一整体。

上述举出了本发明深孔冲头的一种具体结构，但本发明并不限于此。经过反复试验和模拟分析，椭圆环的椭圆短轴长度应优先选择为长轴长度的1/5—1/8；修整环的下端与半球端3的上端之间相间隔距离应优先选择冲杆直径的1/2—1/3。因此，只要在冲杆上采用半球端和修整环结构均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：该深孔冲压方法包括以下步骤：

（1）钢锭加热：将马氏体耐热钢锭送至加热炉中加热至600℃，保温3小时；再以60℃/h的加热速度加热至850℃，保温4小时；再以80℃/h的加热速度加热至1150°，保温4小时；再以80℃/h的加热速度加热至1230℃±20℃，保温2 小时；

（2）锻坯下料：将上述加热钢锭从炉中取出，切剁钢锭头尾，冒口头端切剁量为钢锭重量的16%—20%，尾端切剁量为钢锭重量的8%—12%；

（3）锻坯镦拔：对锻坯进行镦粗和拔长而成锻件；

（4）首次冲孔：在锻件上进行首次冲孔，冲头压下量为成品孔深度的40%，退出冲头；

（5）二次冲孔：在冲头端涂抹可燃物后，将冲头放入首次冲孔形成的孔中下压，压下量为成品孔深度的30%，退出冲头；

（6）三次冲孔：在冲头端涂抹可燃物后，再将冲头放入已形成孔中下压，压下量为成品孔深度的30%，退出冲头；

（7）修孔：以芯棒贯通修整冲孔；

（8）锻后热处理：将冲孔的锻件送入加热炉依次进行正火、随炉保温、退火出炉。

2.根据权利要求1所述的大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：所述锻坯镦拔为至少对锻坯进行两次镦粗和两次拔长。

3.根据权利要求1所述的大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：所述首次冲孔、二次冲孔和三次冲孔所采用的冲头具有不同的杆长。

4.根据权利要求1所述的大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：所述可燃物为重油。

5.根据权利要求1所述的大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：所述可燃物为重油和石墨和锯末的混合物。

6.根据权利要求1所述的大型锻件深孔冲压方法，其特征在于：所述正火温度为1040℃～1060℃，随炉保温温度为300℃～350℃，退火温度为740℃～760℃。