大型锻造范文

大型锻造范文（精选4篇）

大型锻造 第1篇

汽轮机上的中间轴在工作中,在巨大交变载荷工况下工作,承受较大的扭距、弯距。因此,对零件内部质量要求极其严格,超声波探伤标准采用B/HJ410-2004企业专用标准。根据零件形状,如果按照轴类件锻造成形,其工艺流程应该为镦粗、拔长。但由于其截面较大,在我公司32MN水压机上锻造,要保证内部质量完全达到技术条件要求,难度较大。如果适度降低材料利用率,锻造火次就要增加,成本相应增加。从中间轴的锻件图(图1)来看,它又可以看成典型的大型厚饼类锻件。但是,如果按照饼类锻件做单纯镦粗成形,对于如此厚的饼类锻件,要保证锻件内部不产生密集缺陷,难度也相当大。对于材料30Cr2Ni4MoV锻件,锻后热处理难度也大,更易加剧零件内部质量问题发生。因此,面对上述难度,中间轴锻件的锻造必须采取合理工艺措施,即进行有效的中心压实办法,保证锻件在整个制造过程中,具有良好稳定的内部质量,达到技术条件要求。

2 工艺方案确定

2.1 技术指标

2.1.1 锻件图(图1)。

2.1.2 超声波探伤验收标准:

B/HJ410-2004标准:(1)当量直径小于尴2mmFBH的单个分散缺陷忽略不计,但杂波幅度应低于当量尴2mmFBH反射波高的50%;(2)当量直径大于或等于尴2mmFBH的缺陷应记录,包括其轴向、径向和周向位置报告给需方;(3)不允许有密集缺陷存在;(4)不允许当量直径大于等于尴5mmFBH的缺陷存在。

2.1.3 材料:30Cr2Ni4MoV。

2.1.4 性能取样位置:切向。

2.1.5 锻件重:5200kg,采用8t真空精炼钢锭锻造。

2.2 方案及控制

中间轴锻造有两种工艺方案:其一采用两镦两拔,但由于中间轴的主截面1100,我公司32MN水压机对其能够有效锻透,达到2.1.2规定超声波验收标准的难度较大,而且终锻后,切头废料处理困难;其二采用镦粗后拔长下料,然后坯料镦粗,滚圆平整出成品。该工艺方案比较简单,是采用饼类件最终镦粗成形过程,而且对达到中间轴以传递扭距为主的力学性能指标比较有利。最终镦粗成形前的坯料是采用钢锭镦粗拔长后切下,坯料的内部质量可以达到中心压实的效果。但根据刚塑性力学模型的拉应力理论,当最终镦粗成形过程,径高比大于1时,由于上下刚性区相交,会在被动塑性变形区产生附加横向力,容易在坯料内部造成裂纹萌生及扩展。这种影响造成中间轴内部出现质量问题的因素不能排除,因此,必须设计专用镦粗漏盘,使坯料在漏盘内整体镦粗成形,在三向压应力状态下成形,彻底达到中心压实,满足探伤标准要求。按此工艺虽然能够有效地保证中间轴的内部质量,但锻造4件中间轴,就需投制一件6t重专用冶金辅具,成本投入较大。为降低冶金辅具制造成本,我们利用合适圈类锻件的中间工序坯料先制造漏盘,待锻造完该4件中间轴后,再用该漏盘锻造原来的锻件。这一方法,保证了中间轴的锻造质量,又降低了制造冶金辅具的成本,效果良好。中间轴具体锻造工艺方案:

第一火:压钳口,倒棱,错水口。钢锭烧料要烧均匀,压钳口时要保证钳口不要偏心,这样避免钢锭在后续镦粗及拔长变形过程中钢锭轴心发生偏斜。

第二火:钢锭镦粗最大圆尴1400mm,然后采用SUF[2](走扁方)拔长下料尺寸规格:尴730mm×1600mm,锻造温度750℃～1250℃。

第三火:将坯料置于镦粗漏盘内镦粗,平整出成品。具体变形过程如图2所示。

由于中间轴的截面较大,停锻温度高,容易晶粒粗大,而且材料30Cr2Ni4MoV对白点敏感性强,为防止白点危害,细化晶粒,采用了锻后热处理,工艺曲线如图3所示。

按上述工艺方案锻造的中间轴,经粗加工及调质后探伤,结果均满足B/HJ410-2004标准要求。

3 结论

(1)采用刚塑性力学模型的拉应力理论,对锻造成形过程分析具有较好的指导意义。

(2)生产实践证明采用在漏盘内对坯料进行整体镦粗成形工艺,可以保证大型厚饼类锻件高的内部质量要求,具有较高的可靠性及稳定性。

(3)在漏盘内对坯料进行整体镦粗成形,可以推广到把钢锭在漏盘内整体镦粗成形,能够获得较好的中心压实效果,为后序拔长工序创造好的初始条件。

参考文献

[1]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.

[2]康大韬,叶国斌.大型锻件材料及热处理.龙门书局出版,1998.

[3]张志文.锻造工艺学.北京:机械工业出版社,1983.

大型有轨锻造操作机行走机构设计 第2篇

为适应大型自由锻造压机快速发展的需要, 与之配套的锻造操作机出现了重载大吨位、高精度、自动化的发展趋势, 因此, 必须设计新的结构形式、采用先进的控制方式以实现设备高性能可靠运行。

大型有轨锻造操作机具有大车行走、钳口夹持、钳头回转、钳杆升降倾斜及垂直、水平缓冲等功能。行走功能是其关键功能之一, 其结构优劣决定着设备运行的稳定性和控制的精确性, 其性能直接影响着锻造生产效率和锻件质量。

1 行走机构的结构及特点

行走机构主要由车体、驱动装置、行走轮组、行走轨道及行程控制系统等组成, 其结构如图1所示。车体采用焊接组合结构。左右两侧墙板与连接体为焊接结构, 带连接体的左右墙板通过键和螺栓与中间连接机构组成车体框架。

1.行走轨道2.驱动装置3.车体4.行走轮组5.行程控制系统

一般采用液压马达做动力源的液压驱动装置, 并根据操作机运动质量要求设计不同数量的驱动轮组。驱动装置安装在车体底部, 按照设计要求左右成组对称安装。驱动轮为销齿轮, 与销轴齿条啮合带动大车行走, 克服了普通链条因连接容易松动、启停时晃动等引起的运动不平稳、控制精度低等缺陷。销齿轮上安装有光电编码器对齿轮运动进行实时检测, 为行走精度控制提供依据。

大车车轮在轨道上行走, 对运动车体起支撑作用, 并不对设备提供驱动力。带有凸缘设计的车轮与轨道配合, 保证了操作机车体运行中与压机的对中性。

该行走机构具有如下特点:采用了液压马达驱动方式, 不需要增加额外的变速器, 只需液压控制系统调节输入液压马达的流量即可改变其行走速度, 实现无级变速;车体行走驱动装置采用销齿轮与齿条啮合, 可实现无齿隙传动, 减小了冲击, 运行平稳且控制精度高;在轨道上行走车轮的带凸缘设计, 确保操作机车体运行中与压机的对中性, 实现快速平稳运行。

2 行走机构的设计

2.1 总驱动力的计算

操作机及锻件的综合质量是计算驱动力的主要参数, 结合设计运动加速度计算出驱动力。

计算时首先根据接触应力确定支撑轮的直径与数量, 以此为基础, 确定销齿轮的节圆直径, 计算出驱动力矩, 进而确定驱动轮组的数量和能力, 并进行轮组转速和马达输出转速的校核。

操作机开始运动过程中车轮的受力主要有:操作机及锻件的综合质量引起12的车轮支撑力和车轮与轨道的摩擦力、产生加速度所需要的驱动力。图2为行走轮在运行时的受力分析简图。

以下计算行走轮系在开始运行时所需要的总驱动力:

式中:F驱———行走轮运行时所需要的驱动力, N;

f———行走轮运行时的摩擦力, N。f=Gμ;

m———操作机及锻件的综合质量, kg;

a———操作机行走时的加速度, a取1.5~2m/s2;

G———操作机及锻件的综合重力, N;

μ———行走轮与轨道之间的摩擦系数, 滚动摩擦系数μ取0.001。

2.2 总驱动力矩的计算

驱动力矩是马达选型的依据, 根据驱动轮的数量确定马达的扭矩。

式中:M驱———总驱动力矩, Nm;

R轮———行走轮半径, m;

K———计算系数, K取1.2。

2.3 每个马达的驱动扭矩

式中:M马达———每个马达的驱动扭矩, Nm;

n———驱动轮数量。

2.4 销齿传动的几何计算

2.4.1 销齿直径的确定

式中:dp———销齿直径, mm;

[σH]———材料许用接触应力, kg/cm2;

If———每个驱动轮所要传达的扭矩, Nm;

ψ———齿轮宽度系数。

2.4.2 销齿齿距的确定

在设计时一般取dp/P=0.4~0.5, 可以计算出销齿齿距:

2.4.3 确定齿轮节圆直径、齿轮齿数

根据操作机最大行走速度及最快工作转速可以计算齿轮节圆直径:

式中:d轮———齿轮节圆直径, mm;

vmax———最大行走速度, m/min;

nmax———最快工作转速, r/min。

齿轮齿数的计算按下式计算:

通过上式计算出齿轮齿数后进行圆整, 取为整数, 重新计算齿轮节圆直径。

2.5 销齿传动的强度计算

2.5.1 接触强度校核

齿轮的接触强度根据上式校核, 满足上式设计满足要求, 否则需要重新设计。

2.5.2 弯曲强度校核

2.5.2. 1 齿轮验算

式中:σF1———轮齿计算弯曲应力, kg/mm2;

b———齿轮宽度, mm;

P———销齿齿距或齿轮节距, mm;

[σF1]———材料许用弯曲应力, kg/mm2。

2.5.2. 2 销齿验算

式中:σF2———销齿计算弯曲应力, kg/mm2;

b———齿轮宽度, mm;

L———夹板间距, mm;

[σF2]———材料许用弯曲应力, kg/mm2。

2.5.3 夹板挤压强度校核

式中:σpr———夹板挤压强度, kg/mm2;

δ———销轮夹板厚度, mm;

L———夹板间距, mm;

[σpr]———材料许用挤压应力, kg/mm2。

3 行走机构液压控制系统

3.1 操作机行走机构的性能特点

操作机的行走一般通过液压马达驱动销齿轮在销轴齿条上运动实现。根据自由锻造工艺的特性, 要求操作机行走具有以下特点: (1) 液压马达可以正反转, 以实现大车的前进与后退; (2) 液压马达转速可以无级调节, 以适应不同锻造工艺要求; (3) 液压马达快速启动与精确制动, 实现操作机的精确送进与平稳运行; (4) 系统具有过载保护功能, 避免造成设备损坏。

3.2 行走机构液压控制系统设计

本控制方案采用恒压比例控制系统。由恒压泵与蓄能器组成恒压油源, 采用比例方向阀进行控制。可以满足操作机的正反向行走, 并实现速度无级调节。保证启动时马达快速上压、迅速运动;停止时通过调整比例阀关闭曲线, 保证操作机精确停止、减少冲击和振动。在操作机制动过程或因外力引起车体移动时, 蓄能器和溢流阀共同作用吸收压力冲击防止系统过载, 充液单向阀可防止马达吸空, 确保设备正常运行。中间隔离阀有效地解决了比例阀中位泄露的问题, 确保操作机可靠定位。图3为行走机构液压控制系统原理图。

3.3 行走无隙传动系统的提出及控制原理

锻造操作机行走时通过液压马达驱动的销齿轮与销轴齿条啮合实现往复运动, 在换向时销齿轮与销轴存在啮合间隙, 容易产生换向冲击, 并出现位置测量误差, 进而影响操作机运行的平稳性和位置控制精度。对大型操作机而言, 因其较大的运动质量产生巨大的惯性力, 停止时冲击大, 制动距离长, 位置控制精度低, 严重时会影响锻造生产的正常进行, 锻件质量也难以保证。

针对上述问题, 为提高操作机行走位置控制精度提出了行走无隙传动系统, 如图4所示。

1.行走轨道2.前销齿轮3.光电编码器4.后销齿轮

行走无隙传动系统包括行走轨道、前销齿轮、后销齿轮、安装在销齿轮上的液压马达和检测用光电编码器等组成。由光电编码器采集到的信号, 通过计算机处理反馈到液压比例控制系统, 控制操作机行走动作。操作机两组驱动装置工作时机联合又独立, 一个运动方向设定一个主驱动轮, 相对的为从驱动轮;反向运动时主、从功能相互交换。根据系统设定, 启动时两组驱动轮同向驱动。

4 应用实例及验证

该行走机构已成功应用于多台套系列规格的新型有轨锻造操作机, 动作迅速、运行平稳、定位精确, 性能可靠, 极大地提高了锻造操作机的设备性能。

摘要：行走机构是有轨锻造操作机的关键部件, 其结构优劣决定着设备运行的稳定性和控制的精确性, 其性能直接影响着锻造生产效率和锻件质量。本文论述了有轨锻造操作机行走机构的结构及特点, 提出了行走无隙传动系统, 为大型锻造操作机的研发提供了设计思路。

关键词：机械设计,锻造操作机,行走机构,无隙传动系统

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[2]中国重型机械工业学会.重型机械标准[M].昆明:云南科技出版社, 2008.

[3]林建亚.液压元件[M].北京:机械工业出版社, 1990.

[4]范玉林, 张营杰, 卫凌云, 等.操作机行走无隙传动系统:中国, ZL201110355888[P].2010-07.

[5]张营杰, 卫凌云, 牛勇, 等.锻造操作机发展现状与研究方向[J].锻压装备与制造技术, 2012, 47 (2) .

大型饼类锻件20管板锻造工艺改进 第3篇

莱钢棒材厂具有30 多年的锻造历史, 使用25MN水压机结合旋转镦粗平台生产大型饼类锻件,芯部存在密集缺陷区域,探伤合格率只有50%。通过不断的生产实践,摸索出适合现场的镦粗工艺,现以20 管板为例, 锻件毛坯尺寸尴2120mm×310mm,超声波探伤标准为YB/T036.10-91Ⅰ级, 工艺路线为:电炉—LF—VD—钢锭加热—25MN水压机锻造—正火+回火—UT探伤—粗加工—交货。

1锻造工艺分析与讨论

管板探伤缺陷主要集中在锻件芯部2/3R处,端面检测当量尴2mm~尴5mm,径向检测无缺陷波,缺陷呈层状,与前人描述饼类件RST效应导致夹杂性裂纹现象较为吻合[1,2,3,4]。管板常规锻造工艺如表1 所示,设计时考虑锻件成形镦粗比6.1, 使用500mm平砧拔长下料尴900mm×1860mm,拔长比只有1.36,砧宽比参数达不到0.83,拔长工序没有起到压实钢锭芯部疏松缺陷的作用,全部依赖镦粗工序的压实作用,而镦粗工序没有明确要求工艺参数范围,工人操作全凭经验,随意性大。成形阶段进砧方式有采用沿中心旋转压缩的方式,有采用沿外侧旋转进砧的方式,砧宽比和压下量匹配较好地达到探伤要求, 砧宽比>1.0,且压下率>10%的发生剪切破坏,探伤水平参差不齐。

优化后工艺如表2 所示, 重点考虑成形阶段控制工艺参数避免产生RST效应。 镦粗分两部分,先用连接板预镦粗至高度H900, 再用500mm上平砧统一采用沿锻件外侧向内旋转进砧方式, 以上平砧与锻件接触宽度计算砧宽比0.5<W/H<1, 单面压下量控制在10%≤εh≤15%, 考虑到钢锭重量和下料直径较大,增加一次镦粗,下料拔长比达到2.6,同时两次镦粗前保温温度上调20℃,为钢锭内部空洞和疏松的压实创造良好的热力学条件。

对于高径比H/D<0.3, 外圆直径1500mm以上的饼型锻件, 应用优化后的工艺, 有效避免了RST效应,没有大面积密集缺陷现象发生,探伤合格率由原来的50%提高到95%以上。 但有部分产品存在晶粗现象,通过高温正火加以消除。分析原因主要是旋转进砧生产节奏较慢时,增加一火,末次锻比小、终锻温度高导致晶粒粗大,需要从调整预镦粗高度、提高锻工操作与配合的熟练两方面加以改善。

3结论

(1)高径比≤0.3的大型饼类锻件镦粗易产生RST效应,采取预镦粗和旋转进砧法可以有效避免RST效应。

( 2) 预镦粗变形量控制在40%~60%,旋转进砧工艺参数:砧宽比0.5<W/H<1,压下量10%≤εh≤15%。

大型锻造 第4篇

关键词：机械制造,大型锻件,工艺,缺陷,综述

1 前言

大型铸锻件是国家重大技术装备和重大工程建设所必需的重要基础部件，比如电力、钢铁、石化、造船、交通、军工、重矿机械、航空航天工业设备的生产都离不开它，其制造能力和水平直接决定着重大技术装备的制造能力和水平。因此，大型铸锻件产业的发展是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志之一。

我国十分重视大型锻件制造业的发展，虽然40多年来投入了大量的资金和人力使得该产业由小到大，从低到高发生了重要的变化，但是到目前为止，国产大型锻件的制造能力和技术水平与国外相比还有较大差距。所以，开展大型铸锻件制造关键技术研究，对于提高我国重大成套装备的制造能力有着至关重要的意义[1]。

2 我国及国外大型锻件的发展历程

2.1 国内大型锻件的发展

自1953年修复沈阳重机厂20MN锻造水压机投产运行起，我国大型锻件行业经历了恢复、建设和生产发展的过程。改革开放以来，我国步入了由计划经济向社会主义市场经济的过渡时期，大型锻件行业又经历了深化体制改革、科技攻关、技术引进及国产化、提高质量和经济效益等阶段。

生产大型锻件，就必须拥有万吨级大型锻压机。如，由中国一重自行设计制造、拥有完全自主知识产权的150000kN重型自由锻造水压机于2006年12月30日试车成功，是我国自1958年研制成功万吨水压机之后又一重大装备成果;而中信重工集团制造的世界上吨位最大、具有当代控制技术的185000kN自由锻造油压机正在建设中，预计今年投入使用，可提供最大单件重量达到350t～400t的自由锻件，最大直径达尴5000mm。它们将为生产大型锻件提供重要的硬件条件。

目前，在火电方面，我国已能够生产300MW、600MW、800MW火电机组高、中、低压汽轮机转子、叶轮、叶片、发电机主轴、护环，火电大锻件制造水平的提升说明我国大型锻件的生产取得了标志性的成果。在水电方面，将由我国自己制造约有30台700MW水力发电机组大锻件，这说明我国水电锻件的制造技术已接近世界先进水平[2]。而在核电方面，去年年初，中国一重成功锻造出世界首件第三代核电关键部件———AP1000蒸发器锥形筒体，标志中国在第三代核电产品制造领域已走在了世界前沿。

同时，我国已掌握了Cr3、Cr4、Cr5大型锻造支承辊、半钢轧辊等系列的轧辊产品。已掌握近千种规格的大型铸钢支承辊制造技术;还掌握了锻焊结构热壁加氢反应器的制造技术，如中国一重制造的2040t煤制油加氢反应器是现今世界上最大的加氢反应器。我国还能够提供7万吨以下远洋巨轮的全套大锻件，造船年产量占世界总产量的5%，居世界第三。

目前，我国市场大型锻件的需求量巨大。其中，尴2000mm～尴2400mm整锻支承辊，高铬钢、半高速钢轧辊等国外大型锻件的制造和发展仍不能满足要求。另外，如造船、石化、军工、航空航天、矿山、铁道交通等高技术产品都需研究开发，因而大型锻件生产今后将进入调整优化为主的新发展阶段[3]。

2.2 国外大型锻件的发展状况

20世纪六七十年代，国外大型自由锻件的生产，通过采用新技术、新设备，进行结构调整，关闭和新建一批液压机，重新进行分工，经过努力，逐步走向了合理。日本把大型锻件称为锻钢件，即用钢锭生产的大型锻件，在1974年它就将500t钢锭锻成直径为尴1810mm的整体转子锻件，日本川崎制铁株式会社制造了重量达320t的空心钢锭，迄今为止，日本在大型锻件制造方面仍居世界领先地位。德国大型锻件生产水平在欧洲堪称首位;美国在世界上也有较高的水平;俄罗斯的水平接近日本;另外意大利、英国、韩国等工业发达国家在大型锻件生产上都有较高的技术水平，他们都有能力生产各类大型铸锻件[4]。

3 大型锻件的锻造工艺研究

为了完全消除钢锭内部缺陷、提高锻件质量，除了应配备足够能力的锻压设备外，还需要选择合适的锻造工艺。镦粗、拔长是大型锻件锻造中最重要的两个工步[5]。

3.1 镦粗

经典的镦粗工艺理论认为：摩擦力为零的理想情况下，镦粗时的应力为简单压缩，而在有摩擦力存在时，镦粗体心部总是呈三向压缩应力状态。但是大型锻件的生产实践发现，如果镦粗比不够大的话，采用镦粗工艺有时会使钢锭内部的缺陷扩大，这种现象无法用经典的三向压应力理论来解释，说明经典的镦粗理论存在着某种程度的不完善性和认识上的误区。

1995年，燕山大学刘助柏教授在其撰写的专著《塑性成形新技术及其力学原理》一书及发表的部分文献中，提出了关于圆柱体镦粗的两个新理论：高径比大于1的刚塑性力学模型的拉应力理论(如图1a、b)和高径比小于1的静水应力力学模型的剪应力理论(如图1c)。

根据圆柱体镦粗新理论，若接触端面存在着较大的摩擦力，锻件心部存在着双向拉伸应力，或者出现较大的附加径向拉伸应力，这样的应力状态对缺陷的锻合是不利的。基于平板间圆柱体镦粗新理论的力学分析方法，刘助柏教授通过改变镦粗时的边界条件，创造性地提出了一种锥形板镦粗的新工艺。其实质是：利用锥形板的几何特征，将平板镦粗时的圆锥形刚性区，变为两个尺寸较小的刚性区，锥形板的锥角使得这两个刚性区正好能在锻件心部产生三向压缩应力，可对相应部位上缺陷的锻合起到良好的作用[6]。

3.2 拔长

拔长是决定大型锻件质量的主要锻造工艺。因此，我国和世界上一些国家对型砧拔长进行了大量的实验和生产研究，认为该法能使钢锭心部获得较大的静水压和变形量，有利于消除中心区的空洞，增强心部塑性和锻造性[5]。因此，锻压工作者通过改变边界条件来改变应力应变状态以获得最佳的缺陷锻合条件，从上下平砧拔长发展为上平砧、下V型砧拔长，后来通过改变拔长砧形和工艺条件，又发展了FM锻造法、WHF锻造法、KD锻造法、SUF锻造法、TER锻造法、JTS锻造法、FML锻造法和AVD锻造法，这些方法都己成功应用于大型锻件生产[7]。

进入20世纪90年代，在前人对拔长工艺研究的基础上，以系统观点提出了拔长新理论。该新理论论证了要补充一个新的工艺参数———料宽比，这样才能正确描述拔长毛坯变形中心区域的应力状态。同时提出了要控制料宽比及砧宽比的LZ锻造法，认为w/h=0.8～0.9,b/h=0.85～1.18，变形体内不会出现轴向和横向拉应力。在FM法基础上提出了增加料宽比的新FM法(图2)，认为w/h≥0.4,b/h=0.83～1.2，变形体内不会出现双向拉应力。

2007年，我国科技人员在分析现有镦粗、拔长变形工序中难变形区对大型锻件锻造过程变形分布和应力状态影响的基础上，提出一种新的拔长工艺———凹面砧拔长。研究结果表明，对应力状态而言，在变形量相同情况下，对于凹面平砧锻造(CFAF)工艺，静水应力提高近30%;对于凹面V砧锻造(CVAF)工艺，静水应力提高近50%。对变形而言，静水应力相同情况下，CFAF工艺减少压下量33.5%;CVAF减少压下量26.5%。与其他特殊拔长方法比较，凹面砧拔长有操作方便、适用范围广的优点[8]。

锻造工作者经过长期的探索研究，取得了显著的成就，为提高大型锻件质量做出了很大贡献。随着大型锻件尺寸的增大，对锻件质量的要求更高。因此，必须对锻比重新认识，对锻造方法与技术及微观组织模拟与控制锻造等问题开展研究;建立系统的仿真系统，改善锻造工艺，依据现有锻造方法的优缺点的对比，提出合理有效的锻造方法，来提高生产效率和大型锻件质量。

4 大型锻件的缺陷产生和控制方法

由于大型锻件制造技术的特殊性和复杂性，在锻造过程中容易形成一些不同于中小型锻件的各种各样的缺陷。所以，研究如何使大型锻件中的缺陷压实锻合，顺利通过超声波探伤，对提高大型锻件的制造水平和企业的经济效益具有重要意义[9][10]。

大型锻件中的缺陷主要来自两个方面：(1)冶金缺陷：例如非金属夹杂物、残余缩孔、疏松、空洞等，这些缺陷在冶炼过程或浇铸过程中形成;(2)处理缺陷：例如裂纹、白点(图3)、粗晶等，这些缺陷在锻造和热处理过程中形成[11]。

4.1 非金属夹杂物

非金属夹杂物主要是指原材料带来的硫化物、氧化物和硅酸盐等，这些非金属夹杂物的含量、分布(图4)与冶炼钢锭有关，锻造只能使其分散，而不能减少。

减少夹杂物的根本途径是在冶炼浇注过程中尽量减少夹杂物的来源，对钢锭中己经形成的夹杂物应尽量使其上浮至冒口区。变形过程中，采用满砧送料，大压下量锻造，有利于钢锭中心夹杂物产生变形而后孔隙焊合。若可能采用宽砧锻造，形成有利于锻合缺陷的压应力状态。选择适当的锻造比，利用合理的锻造工艺使粗大的夹杂物减少，密集的夹杂物分散，以减少其危害[12]。

4.2 残余缩孔和疏松

该类孔隙性缺陷，破坏金属连续性，形成应力集中与裂纹源，属于不允许的缺陷[11]。防止该类缺陷的对策有：严格控制浇注温度和速度，防止低温慢速注锭;采用发热冒口或绝热冒口，改善补缩条件使缩孔上移至冒口区，防止缩孔深人到锭身处;控制锻造时钢锭冒口切头率，充分切净缩松缺陷;合理的锻压变形，压实疏松缺陷。

4.3 空洞

空洞是大型钢锭的主要冶金缺陷之一。锻造过程中空洞的尺寸形状和体积变化与控制的研究难度在于：

(1)大型锻件内部空洞的尺寸与其本身的尺寸相差极为悬殊，难于采用数值计算方法和已有的塑性力学分析方法。

(2)大型锻件的尺寸形状各异，难以得到对生产具有广泛指导意义的结果[13]。

文献[14]针对钢锭内部空洞缺陷的尺寸远远小于本身尺寸的特点，依据圣维南原理，将各种空洞缺陷的形状假设为数学上可处理的椭球形。由于大型锻件的锻造是在高温下进行的，材料具有粘性流动的特征，再利用损伤力学中的远场应力与物体内部微观损伤的力学关系，得到了锻造过程中外载荷与内部空洞体积变化的解析式，进而得到了空洞缺陷闭合的条件。此条件表明了应力状态影响空洞的闭合方式，三向压应力是空洞闭合的最佳应力状态。该条件可直接根据锻造水压机的在线载荷与压下量计算锻件内部空洞缺陷的闭合情况。

4.4 裂纹[10][11]

在大型锻造中，易产生裂纹。如钢锭缺陷引起的锻造裂纹、钢中有害杂质沿晶界析出引起的裂纹、第二相析出引起的裂纹。还有就是温度、变形程度、变形速度、冷却速度、应力状态等热力因素的合理选择。反之，可能形成各种锻造缺陷和裂纹。

现有的控制方法有：

(1)提高冶炼钢水纯净度;

(2)铸锭缓慢冷却，减少热应力;

(3)采用良好的发热剂与保温帽，增大补缩能力;

(4)限制钢中加铝量，去除钢中氮气或用加钛法抑制AlN析出量;

(5)采用热送钢锭，过冷相变处理工艺;

(6)提高热送温度(>900℃)直接加热锻造;

(7)锻前进行充分的均匀化退火，使晶界析出相扩散;

(8)采用中心压实锻造工艺。

综上可知，材料特性、缺陷性质、变形量、温度、时间、压力等许多因素共同影响着缺陷修复。而修复的最重要因素有：内部缺陷性质、理想的高温条件、合理的应力状态和一定的变形量。即要有足够大的变形程度或局部锻比;缺陷周围为负的静水压力状态;高的锻造温度和一定的保压时间;孔隙表面未被氧化，不存在非金属夹杂物。其中要想实现大的变形使缺陷处于合理的应力状态，就必须选择合理有效的锻造方法。因此，采用何种工艺去锻合内部这些缺陷，如何创造有利的力学条件，使之在锻造过程中不出现新裂纹或夹杂性裂纹，是我们要研究的问题。

然而，目前的锻造方法虽然可以打碎碳化物、锻合疏松和空洞等冶金缺陷，不萌生新的裂纹源，并获得组织均匀致密的锻件，但是它们也存在着自身的缺点。如WHF锻造法是在高温下对锻件进行大压下量锻造，具有较好的空洞锻合效果且操作简便，但整个截面的应变分布很不均匀，造成锻件性能的各向异性;JTS法使锻坯中心部位符合高温、大变形量、三向压应力状态的孔隙焊合条件且表现出较强的锻透能力，但在整个截面上存在较大的变形梯度，同时需要压力机负荷较高，钢锭表面易产生裂纹;FM法的锻造方法使锻件心部变形量增大，产生三向压应力，但在接近下砧的部分会出现轴向拉应力。这些型砧的主变形方向都始终沿拔长方向，结果将形成轴向纤维组织，而且整个横截面变形分布不够均匀。

因此，为了有效控制大型锻件的裂纹，可通过对大型锻件材料损伤力学和数值模拟技术的研究，建立新的损伤模型，从而寻找到合理有效的锻造工艺参数。

5 有限元数值模拟技术在大型锻件锻造过程中的应用现状

利用计算机数值模拟的方法，获得生产大型自由锻件锻造成形过程中金属宏观力学性能和微观组织的变化规律，以此为基础优化工艺参数，从而实现对锻造生产过程的有效控制，为获得优质锻件提供技术保证。

5.1 有限元数值模拟

目前，对大型锻件的自由锻研究主要集中在试验研究或者物理模拟方面，比如主要研究砧宽比、料宽比以及压下量等对空洞闭合压实的影响。对大型锻件自由锻的形变机理、空洞的闭合与焊合机理、锻造过程形核再结晶及长大机理，以及各种机理之间的相互影响关系等方面的研究不多。

主要研究的是平砧拔长时砧宽比(AWR)和料宽比(BWR)的合理范围，得出砧宽比大于0.8时，锻件内部不会出现轴向拉应力;料宽比小于0.85的情况下，锻件内部可能会出现横向拉应力。后来的研究表明，砧宽比、料宽比和压下量需要合理匹配才能有效控制锻件的内部应力状态。但到底如何合理匹配，不同的锻件、不同的锻造方法也是不同的，必须进一步有针对性的研究，以便能够得到系统的、应用范围广的三者匹配参数。

5.2 微观组织模拟

有限元数值模拟为制定材料成形工艺提供了重要参考数据，但要改善产品的性能，则必须考虑材料显微组织的大小、分布状态与缺陷等，因此，数值模拟的研究热点已经从基于塑性力学的有限元模拟发展到基于组织演变的微观组织模拟。

北京机电研究所曾志明先生对有限元软件DEFORM进行了二次开发，通过模拟预测了大型锻件锻造过程的微观组织演变。Jong Taek Yeom运用DEFORM-3D预测了718合金在拔长过程中的再结晶和晶粒长大过程，并验证了结果[15]。F.S.Duam利用有限元模拟的方法研究了不同锻造参数对大型锻件锻造后晶粒大小及微观组织均匀性的影响[16]。

从国内外的研究结果表明，大型锻件微观组织模拟的研究主要集中在热成形工艺的软化机理和软化过程的数值模拟，包括动态再结晶、动静态再结晶、晶粒长大等的模拟。更多的是大型锻件成形过程中再结晶分数和平均晶粒度的有限元模拟，分析结果只对工艺参数的确定有一定的指导意义。微观组织模拟的要求主要是从微观机理上来模拟分析锻造过程材料微观组织的演化，及其对宏观性能的影响。研究多种物理场耦合下的锻造过程混晶产生与消除机理、空洞闭合及焊合机理、再结晶及原子扩散对空洞与微裂纹焊合的影响机制，结合数值模拟得出对锻件宏观强度、塑性、韧性等的影响，以提高大型自由锻的锻件质量。但是，目前的仿真模型多为经验模型，应用范围受到一定限制。

总之，我们迫切需要建立以求解锻造成形过程中锻件内部等效应力、等效应变、温度梯度等物理量场的基于宏观塑性力学的模拟;以及以锻件内部铸造组织细化及缩孔和疏松的锻合为特征的微观组织演变过程相结合的大型锻件自由锻成形工艺的数值模拟的原型系统。

6 材料损伤技术研究

早在1958年Kachanov研究蠕变现象时引用了损伤变量，提出了连续性因子与有效应力的概念，并写出了它演化的本构方程，从此开创了损伤力学发展的历史。经过几十年大量开创性的研究工作，扩大了损伤力学的应用范围。现在，损伤力学已进入工程应用的发展阶段[17]。

引起材料强度劣化的微结构变化通常称为损伤。微缺陷(微裂纹和微孔洞)的成核、发展及合并造成的损伤，逐步在材料中形成宏观裂纹，使材料结构承载面积缩小，直至断裂失效。

从理论研究结果看，损伤力学是一门较系统地研究微缺陷以及这些缺陷的发展对应力和应变状态影响的科学。其核心内容有：要根据所研究问题的特点，引入恰当的标量或张量型的损伤内变量，以反映局部缺陷对材料物理性能的影响;建立损伤材料的本构关系，即建立损伤演化规律在内的对各状态变量之间关系的模型;最后就是损伤力学计算方法的实现[18,19,20]。

目前，有关损伤力学理论、实验和应用的研究相当广泛，但已有的进展还很不完善。因此，需要在前人对损伤力学相应的有限元算法的基础上进一步研究，建立适用范围广、操作性可行并与实验相吻合的损伤本构模型。把其运用到大型铸锻件的自由锻中，结合计算机数值模拟改善自由锻工艺方法，预防或修复大型锻件中的内部缺陷，从而提高生产效率和锻件质量。甚至把该模型运用到计算机数值模拟系统中，改善现有数值模拟系统，能够真正达到内部组织的模拟及缺陷预测的模拟。

7 结论与展望[21,22]

大型锻件锻造工艺的开发与设计是关系到大型锻件生产是否成功的关键因素，同时也是制约我国装备制造业、核电工业的瓶颈之一。近几十年来，关于如何控制大型锻件内部裂纹、损伤，提高锻造质量方面的研究已经取得了许多成果，但仍然存在着一些尚未解决的问题。

(1)大型锻件锻造裂纹判定准则的缺乏。大型锻件中最难解决的缺陷就是锻造裂纹。为了准确判断大锻件锻造过程中可能出现的裂纹以及研究控制裂纹的方法，必须建立相应材料的裂纹判定准则，该准则是一个门槛值，如果超出该值，即认为锻件内将产生裂纹，否则，不会产生裂纹。迄今为止这方面的研究仍未有十分满意的结果。