CN114309401A - 一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法 - Google Patents
一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，包括：热送钢锭直接下料、镦粗成形锥形坯料、预制中间坯‑成形内孔余块、预制中间坯‑成形外圆台阶、台阶坯扩孔成形、返炉降温补充加热、机体外成形大端锥面、锻后热处理采用正火、高温回火的热处理工艺方法。本发明减少加热火次，大幅降低动能消耗；解决了常规预制坯外径台阶差太大而无法扩孔的问题；解决了超出压机横向开档的7.6m及以上规格替打环无法锻造的问题，将极限锻造能力进一步提高；锻后热处理实现了异形截面的组织同步细化，解决了晶粒不均匀的问题；无需增加专用胎模或者大型工装，实现了超出最大规格压机的横向开档的7.6m级以上替打环的近净成形。
Description
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法。
背景技术
随着海上风电装机容量的不断增大，单桩沉桩作业桩顶法兰直径已经达到8m，与之配套的液压打桩锤关键部件——替打环的规格至少要达到8.1m才能满足施工要求，而现有整锻式替打环直径最大为7.58m，现有规格替打环因外径不超出锻造设备开档尺寸且台阶直径差较小，通常采用胎模锻成形或者压机体内径向扩孔成形等方法，坯料均为在压机体内进行锻造成形，存在投入胎模锻工装成本高、锻造火次多、工序繁琐、能耗巨大、易粗晶等问题，最为关键的是采用现有技术因锻件直径超出世界最大规格压机的横向开档，已无法实现7.6m级以上替打环的近净成形。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术无法实现7.6m及以上规格大直径差替打环锻件成形问题，提供一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，实现了超出最大规格压机的横向开档的7.6m级以上替打环的近净成形。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，包括以下制备步骤：
步骤一、热送钢锭直接下料：锻件制造原材料大于320t特大型双真空多棱圆柱形钢锭，提前3.0~4.5h脱模，测量锭身位置温度＞750℃，钢锭热送至锻造工序，气割坯料的冒口端尖角，气割坡度α为20~30°，沿冒口线气割掉冒口，沿底部平面气割掉锭尾，完成下料；
步骤二、坯料镦粗：坯料经1250~1260℃高温保温后，放置于回转台2上，坯料上端放置镦粗盖板，首先采用平板镦粗至坯料高径比为0.8~1.0，然后采用上平砧进行十字旋压法镦粗，镦粗高度至高于锻件成品高度40~60mm，形成上端直径大、下端直径小的锥形饼状坯料；
步骤三、预制中间坯-成形内孔余块：首先用空心冲子将坯料冲孔，然后将冲孔料翻转立料，穿入台阶马杠进行扩孔，坯料直径大的一端放置于台阶马杠直径小的一端，采用上平砧扩孔，形成内孔带有余块的环形中间坯，扩孔比为1.6~2.0；
步骤四、预制中间坯-成形外圆台阶：将步骤三扩孔后的坯料内孔带余块的一端向下放置于回转工作台上，中心对正，操作机夹持仿形锻造工装，利用仿形锻造工装的侧面旋压坯料顶端的外壁形成外圆台阶，外圆台阶压下量为进砧量的0.3~0.4倍；
步骤五、台阶坯扩孔成形：将台阶马杠的大直径端穿入步骤四处理后的坯料内孔中，采用上平砧只压坯料直径大的一端进行马杠扩孔，扩孔至内孔尺寸达到工艺要求；
步骤六、返炉降温补充加热：坯料翻转放平装炉，直径大的一端朝下，降低加热温度至1000~1100℃保温，保温时间根据直径大的一端截面尺寸按照0.35~0.45h/100mm计算；
步骤七、机体外成形大端锥面：将步骤五中成形的坯料直径大的一端向下水平放置于回转台上，坯料中心偏移放置，中心沿走料台移动方向偏移500~800mm，超出回转台工作面部分四爪吊钳扶持，操作机夹持仿形锻造工装放置于已成形外圆台阶上，仿形锻造工装头部成形部分顶住坯料小端外圆进行定位，上平砧下压仿形锻造工装上平面，进行锥面部位仿形锻造，一锤压完后依次抬起上平砧、仿形锻造工装，逆时针旋转回转工作台，同时四爪吊钳辅助夹持坯料完成坯料旋转，旋压直径大的一端锥面，压下量70~110mm，旋转角度8~11°；
步骤八、锻后热处理采用正火、高温回火的工艺方法，正火冷却过程只对坯料的直径大的一端进行鼓风雾冷。
进一步的，步骤三中空心冲子的直径为1100~1500mm。
进一步的，步骤三中台阶马杠包括依次连接的杠Ⅰ和杠Ⅱ，杠Ⅰ的直径小于杠Ⅱ的直径，杠Ⅰ与杠Ⅱ的直径差为260~300mm。
进一步的，步骤七中的仿形锻造工装带有直径为500~600mm的夹持长柄，仿形锻造工装头部成形部分锥度小于成品替打环锥度3~5°。
进一步的，步骤八中正火温度为890~910℃，时间为8~10h；正火冷却过程吊下台车鼓风雾冷至390~400℃，之后空冷至280~290℃入炉；回火温度为650~660℃，时间为70~80h。
本发明的有益效果为：本发明的大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，采用热送钢锭直接下料，减少加热火次，大幅降低动能消耗；预制中间坯过程在内孔形成余块，实现了大直径差替打环锻件坯料的合理分配，解决了常规预制坯外径台阶差太大而无法扩孔的问题；运用机体外成形方法，解决了超出压机横向开档的7.6m及以上规格替打环无法锻造的问题，将极限锻造能力进一步提高；锻后热处理冷却过程对坯料直径大的一端鼓风雾冷，实现了异形截面的组织同步细化，解决了晶粒不均匀的问题；无需增加专用胎模或者大型工装，实现了超出最大规格压机的横向开档的7.6m级以上替打环的近净成形。
附图说明
图1是发明的实施例1中双真空多棱圆柱形钢锭的结构示意图；
图2是发明实施例1中坯料镦粗的结构示意图；
图3是发明实施例1中坯料进行十字旋压法镦粗的结构示意图；
图4是发明实施例1中坯料进行十字旋压法布砧的俯视结构示意图；
图5是发明实施例1中坯料采用台阶马杠进行扩孔的初始状态的结构示意图；
图6是发明实施例1中坯料采用台阶马杠进行扩孔的终了状态的结构示意图；
图7是发明实施例1中旋压成形外侧台阶的结构示意图；
图8是发明实施例1中对坯料大端进行马杠扩孔的初始状态结构示意图；
图9是发明实施例1中对坯料大端进行马杠扩孔的终了状态的结构示意图；
图10是发明实施例1中机体外成形大端锥面的初始状态结构示意图；
图11是发明实施例1中机体外成形大端锥面的终了状态结构示意图；
图12是发明实施例1中机体外成形大端锥面的终了状态结构示意图；
图示标记，1、坯料，2、回转台，3、上平砧，4、仿形锻造工装，5、操作机，6、压机立柱，7、台阶马杠，8、镦粗盖板，11、钢锭冒口，12、钢锭锭尾。
具体实施方式
结合具体实施方式对本发明实施例加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，包括以下制备步骤：
步骤一、热送钢锭直接下料：锻件制造原材料大于320t特大型双真空多棱圆柱形钢锭，提前3.0~4.5h脱模，测量锭身位置温度＞750℃，钢锭热送至锻造工序，气割坯料的冒口端尖角，气割坡度α为20~30°，沿冒口线气割掉冒口，沿底部平面气割掉锭尾，完成下料；
步骤二、坯料镦粗：坯料经1250~1260℃高温保温后，放置于回转台2上，坯料上端放置镦粗盖板，首先采用平板镦粗至坯料高径比（高度/直径）为0.8~1.0，然后采用上平砧进行十字旋压法镦粗，镦粗高度至高于锻件成品高度40~60mm，形成上端直径大、下端直径小的锥形饼状坯料；下面对坯料直径大的一端简称大端，坯料直径小的一端简称小端；
步骤三、预制中间坯-成形内孔余块：首先用空心冲子将坯料冲孔，冲孔直径大于台阶马杠大端外径50~120mm，然后将冲孔料翻转立料，穿入台阶马杠进行扩孔，坯料大端放置于台阶马杠直径小的一端，采用上平砧扩孔，形成内孔带有余块的环形中间坯，扩孔比为1.6~2.0；余块也可以说是凸块，凸块沿坯料的内孔的周向设置；
步骤四、预制中间坯-成形外圆台阶：将步骤三扩孔后的坯料内孔带余块的一端向下放置于回转工作台上，中心对正，操作机夹持仿形锻造工装，利用仿形锻造工装的侧面旋压坯料顶端的外壁形成外圆台阶，坯料顶端的外壁受压向下凹陷形成一个外圆台阶，外圆台阶压下量为进砧量的0.3~0.4倍；
步骤五、台阶坯扩孔成形：将台阶马杠的大直径端穿入步骤四处理后的坯料内孔中，采用上平砧只压坯料大端进行马杠扩孔，扩孔至内孔尺寸达到工艺要求；
步骤六、返炉降温补充加热：坯料翻转放平装炉，大端朝下，降低加热温度至1000~1100℃保温，保温时间根据大端截面尺寸按照0.35~0.45h/100mm计算；
步骤七、机体外成形大端锥面：将步骤五中成形的坯料大端向下水平放置于回转台上，坯料中心偏移放置，中心沿走料台移动方向偏移500~800mm，超出回转台工作面部分四爪吊钳扶持，操作机夹持仿形锻造工装放置于已成形外圆台阶上，仿形锻造工装右端平面顶住坯料小端外圆进行定位，旋压成形大端锥面，仿形锻造工装右端即仿形锻造工装头部部位，仿形锻造工装头部成形部分压在坯料小端的外圆台阶的上方；上平砧下压仿形锻造工装上平面，进行锥面部位仿形锻造，一锤压完后依次抬起上平砧、仿形锻造工装，逆时针旋转回转工作台，同时四爪吊钳辅助夹持坯料完成坯料旋转，旋压大端锥面，压下量70~110mm，旋转角度8~11°；
步骤八、锻后热处理采用正火、高温回火的工艺方法，正火冷却过程只对坯料的大端进行鼓风雾冷。
进一步的，步骤三中空心冲子的直径为1100~1500mm。
进一步的，步骤三中台阶马杠包括依次连接的杠Ⅰ和杠Ⅱ，杠Ⅰ的直径小于杠Ⅱ的直径，杠Ⅰ与杠Ⅱ的直径差为260~300mm。
进一步的，步骤七中的仿形锻造工装带有直径为500~600mm的夹持长柄，仿形锻造工装头部成形部分锥度小于成品替打环锥度3~5°，仿形锻造工装头部带有定位平面。
进一步的，步骤八中正火温度为890~910℃，时间为8~10h；正火冷却过程吊下台车鼓风雾冷至390~400℃，之后空冷至280~290℃入炉；回火温度为650~660℃，时间为70~80h。
实施例1
结合附图1-12的一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，以φ8000mm替打环锻件为例，具体步骤为：.
步骤1：热送钢锭直接下料：锻件制造原材料为400t特大型双真空多棱圆柱形钢锭，提前3.5h脱模，测量锭身（距冒口线1/3锭身总长）位置温度＞750℃。热送至锻造工序，如图1所示，气割冒口端尖角13，气割坡度α为30°，沿冒口线气割掉冒口11，沿底部平面气割掉锭尾12，完成下料；
步骤2：坯料镦粗：如图2所示，坯料经1250-1260℃高温保温后，放置于回转台2上，坯料1上端放置镦粗盖板8，首先采用平板镦粗至坯料高径比（高度/直径）为1.0，主要目的是对钢锭内部原始铸态缺陷进行高温下的焊合，然后采用上平砧3进行十字旋压法镦粗，如图3、图4所示，旋压过程中逆时针方向旋转坯料按照图4中①②③④……顺序进行布砧，镦粗至高于锻件成品高度60mm，形成上端大、下端小的锥形饼状坯料。
步骤3：预制中间坯（成形内孔余块）：首先采用φ1500mm空心冲子将坯料冲孔，然后将冲孔料翻转立料，如图5所示，穿入台阶马杠7进行扩孔，步骤二中坯料大端放置于台阶马杠直径小的一端，采用上平砧3扩孔，扩孔比为1.65；因上平砧3先接触到坯料1的大端外圆，该部分金属向内孔部分流动速率相对较大，最终形成内孔带有工艺余块的中间坯，如图6所示，该工艺余块主要为大直径差外圆部分预留成形体积，利于后续扩孔工序中大端直径增大，解决了大直径差台阶环类锻件的成形难题。
步骤4：预制中间坯（成形外圆台阶）：将步骤三扩孔后的坯料1内孔带余块的一端向下放置于回转工作台2上，中心对正，如图7所示，操作机5夹持仿形锻造工装4，利用工装的侧面（与图10所示工装4翻转90°）旋压外部台阶，进砧量400mm，压下量为进砧量的0.3倍，防止压台过程中坯料出现折叠现象；
步骤5：扩孔成形：首先将S4中坯料1立料，台阶马杠穿入步骤四坯料内孔，只运用马杠大直径一端，如图8所示，采用上平砧3只压大端进行马杠扩孔，扩孔过程中马杠先接触到内孔余块部分，小端内孔、外圆均处于自由状态，大端在扩孔过程中金属流动速率较高，大端外径增大较快，扩孔至内孔尺寸达到工艺要求停止锻造，如图9所示（按照7.6m规格替打环尺寸计算，此时外径已经接近压机横向开档极限，无法在继续采用机体内锻造）。
步骤6：返炉补充加热：坯料翻转放平装炉，大端朝下，因后续工序中坯料1小端变形很小，动态再结晶效果差，降低加热温度至1050-1100℃保温，缩短保温时间，已达到控制晶粒度的目的，根据大端截面尺寸按照0.4h/100mm计算，保温6h；
步骤7：机体外成形大端锥面：如图10所示，将步骤五成形坯料1水平放置于回转工作台2上，坯料1外径已超出压机横向开档，压机两侧立柱6已经限制坯料1不能完全进入压机内部，如图11所示，坯料1需偏心放置，坯料1中心沿走料台移动方向偏移500mm放置，超出回转台2工作台面部分四爪吊钳扶持，操作机5夹持仿形锻造工装4放置于已成形外圆台阶上，仿形工装4右端平面顶住坯料1小端外圆，上平砧下压仿形工装4上平面，进行锥面部位仿形锻造，一锤压完后依次抬起上平砧3、专用工装4，逆时针旋转回转工作台2，同时四爪吊钳辅助夹持坯料1完成坯料旋转，旋压大端锥面，压下量100mm，旋转角度10°。
步骤8：锻后热处理采用正火、高温回火的工艺方法，正火温度为890℃，时间为10小时；正火冷却过程吊下台车鼓风雾冷至390-400℃，之后空冷至280-290℃入炉；回火温度为650℃，时间为70小时，因最终锻件截面差大，外径差达到2000mm以上，大端在冷却过程中散热条件差，冷却过程中只对大端进行鼓风雾冷加快冷却速度，实现锻件内部组织的同步转变，达到组织均匀、晶粒细化的目的。
本发明减少加热火次，大幅降低动能消耗；解决了常规预制坯外径台阶差太大而无法扩孔的问题；解决了超出压机横向开档的7.6m及以上规格替打环无法锻造的问题，将极限锻造能力进一步提高；锻后热处理实现了异形截面的组织同步细化，解决了晶粒不均匀的问题；无需增加专用胎模或者大型工装，实现了超出最大规格压机的横向开档的7.6m级以上替打环的近净成形。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。
Claims (5)
1.一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤一、热送钢锭直接下料：锻件制造原材料大于320t特大型双真空多棱圆柱形钢锭，提前3.0~4.5h脱模，测量锭身位置温度＞750℃，钢锭热送至锻造工序，气割坯料的冒口端尖角，气割坡度α为20~30°，沿冒口线气割掉冒口，沿底部平面气割掉锭尾，完成下料；
步骤二、坯料镦粗：坯料经1250~1260℃高温保温后，放置于回转台2上，坯料上端放置镦粗盖板，首先采用平板镦粗至坯料高径比为0.8~1.0，然后采用上平砧进行十字旋压法镦粗，镦粗高度至高于锻件成品高度40~60mm，形成上端直径大、下端直径小的锥形饼状坯料；
步骤三、预制中间坯-成形内孔余块：首先用空心冲子将坯料冲孔，然后将冲孔料翻转立料，穿入台阶马杠进行扩孔，坯料直径大的一端放置于台阶马杠直径小的一端，采用上平砧扩孔，形成内孔带有余块的环形中间坯，扩孔比为1.6~2.0；
步骤四、预制中间坯-成形外圆台阶：将步骤三扩孔后的坯料内孔带余块的一端向下放置于回转工作台上，中心对正，操作机夹持仿形锻造工装，利用仿形锻造工装的侧面旋压坯料顶端的外壁形成外圆台阶，外圆台阶压下量为进砧量的0.3~0.4倍；
步骤五、台阶坯扩孔成形：将台阶马杠的大直径端穿入步骤四处理后的坯料内孔中，采用上平砧只压坯料直径大的一端进行马杠扩孔，扩孔至内孔尺寸达到工艺要求；
步骤六、返炉降温补充加热：坯料翻转放平装炉，直径大的一端朝下，降低加热温度至1000~1100℃保温，保温时间根据直径大的一端截面尺寸按照0.35~0.45h/100mm计算；
步骤七、机体外成形大端锥面：将步骤五中成形的坯料直径大的一端向下水平放置于回转台上，坯料中心偏移放置，中心沿走料台移动方向偏移500~800mm，超出回转台工作面部分四爪吊钳扶持，操作机夹持仿形锻造工装放置于已成形外圆台阶上，仿形锻造工装头部成形部分顶住坯料小端外圆进行定位，上平砧下压仿形锻造工装上平面，进行锥面部位仿形锻造，一锤压完后依次抬起上平砧、仿形锻造工装，逆时针旋转回转工作台，同时四爪吊钳辅助夹持坯料完成坯料旋转，旋压直径大的一端锥面，压下量70~110mm，旋转角度8~11°；
步骤八、锻后热处理采用正火、高温回火的工艺方法，正火冷却过程只对坯料的直径大的一端进行鼓风雾冷。
2.根据权利要求1所述的一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，其特征在于：步骤三中空心冲子的直径为1100~1500mm。
3.根据权利要求1所述的一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，其特征在于：步骤三中台阶马杠包括依次连接的杠Ⅰ和杠Ⅱ，杠Ⅰ的直径小于杠Ⅱ的直径，杠Ⅰ与杠Ⅱ的直径差为260~300mm。
4.根据权利要求1所述的一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，其特征在于：步骤七中的仿形锻造工装带有直径为500~600mm的夹持长柄，仿形锻造工装头部成形部分锥度小于成品替打环锥度3~5°。
5.根据权利要求1所述的一种大直径差替打环锻件的机体外自由锻近净成形方法，其特征在于：步骤八中正火温度为890~910℃，时间为8~10h；正火冷却过程吊下台车鼓风雾冷至390~400℃，之后空冷至280~290℃入炉；回火温度为650~660℃，时间为70~80h。
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