大鍛件鍛造的新中心壓實法
針對大型鍛件鍛造的特點，綜合了普通平砧拔長和中心壓實法的優點，提出了一種新的中心壓實方法。此法只使鍛坯上下表面強制冷卻，建立一維不均勻溫度場后，采用上下平砧鍛造。模擬試驗結果表明：新方法不僅在壓實效果上達到或超過了中心壓實法，而且能避免采用中心壓實法時，操作過程復雜、鍛件表面壓傷、折疊等不足。
1、引言
至今，為了有效地鍛合大型鍛件內部的缺陷，已經提出了許多鍛造方法。除采用鐓粗和拔長的普通鍛造方法外，還包括由中島浩衛等提出的FM法，由館野萬吉等提出的中心壓實，寬砧鍛造等鍛造方法。這些方法中的中心壓實法，又稱冷殼鍛造法，或JTS法，對鍛合鍛件內部缺陷，已被證明是一種有效的鍛造方法，且在鍛造大型轉子、汽輪機主軸等大鍛件時常被采用。但其缺點是要在兩個方向建立不均勻溫度場，冷卻工藝復雜，操作中間還要換上砧，壓下量較大時，鍛件斷面幾何形狀不規則，鍛件表面易被壓傷、折疊，易產生軸線偏移等。針對上述問題，本文提出了一種新的中心壓實法，即建立一種一維不均勻溫度場，使得既能克服上述不足，又可保留不均勻溫度場的有利效應，更好地實現中心壓實效果。
2、新中心壓實法工藝原理
普通平砧拔長，即采用上下平砧鍛造，其工藝過程簡單，但當砧寬比和壓下量控制不當時，會產生軸向和橫向拉應力，鍛造效果差。
中心壓實法，即對加熱后的鍛件四周進行強制噴水或噴霧冷卻，建立二維不均勻溫度場后，采用上小砧、下平臺鍛造，為避開變形抗力較大的外層金屬，砧子寬度小于鍛件寬度。這樣鍛造時變形基本上集中在心部，可在此處產生較大的靜水壓力，因而能起到較好的壓實效果。但鍛造時的小砧容易壓傷鍛件表面，繼續鍛造時易產生折疊，且因非對稱變形，當鍛件翻轉90。繼續實施中心壓實時，會產生軸線偏移。
新中心壓實法綜合了上面兩種工藝方法的特點，即鍛件加熱后只對其上下兩個表面噴水(或霧)強制冷卻時，使鍛件僅在高度方向產生較大的溫度差，然后用上下對稱平砧進行拔長，工藝原理如圖1所示。圖中Ⅳ 為砧子寬度，H 為可能的變形區高度。
采用新中心壓實法時，鍛件上下兩面因冷卻而產生的兩個硬層，拔長時基本不變形，因而能增大中層金屬的變形程度，在相同壓下率的情況下，與普通平砧拔長相比，相當于增大了壓下率和砧寬比，起到了中心壓實法的作用。與原中心壓實法相比，由于采用上下對稱平砧，且僅在一個方向建立不均勻溫度場，冷卻和鍛造的操作過程簡單，變形對稱，不會出現軸線偏移，且能避免鍛件表面因使用窄砧而出現的壓傷、折疊等。
為驗證新中心壓實法的壓實效果，進行了模擬試驗研究，并與中心壓實法進行了比較。
3、試驗與分析
試驗采用兩種打中心孔方法模擬人工缺陷。一種是沿軸向在試件中心位置的孔，稱為縱向孔；另一種是沿橫向在試件中心位置的孔，稱為橫向孔。對帶有兩種缺陷的試件施以不同的鍛造方法，比較其鍛造效果。
3.1 縱向孔壓實試驗
試驗材料為45號鋼，試件尺寸為200mm×100mm×100mm，中心孔為Φ90mm，鉆孔后焊死孔口。工具尺寸：平砧，寬40mm 小砧，75mm×40mm 平臺。
將加熱至1150℃的試件噴水冷卻，中心壓實法的試件四周冷卻，新中心壓實法的試件上下兩面冷卻。
為檢驗鍛件的強制冷卻效果，首先測定溫度場，以確定合適的冷卻時間。在試件截面各部位鉆孔插進熱電偶，記錄其隨時間變化的溫度值。經實測得出試件冷卻30s后溫度場效果較好。圖2為新中心壓實法的試件冷卻30s后測得的溫度分布曲線。該圖表明，試件冷卻30s后，中心層金屬溫度仍保持在1100℃以上，表層溫度已降至810℃，基本滿足JTS法要求的溫度梯度條件。
試件冷卻30s后，對其分別實施中心壓實法。若用A、A＇分別表示試件中心孔變形前后截面的面積，變形前孔的直徑為D，假設變形后孔的形狀近似為橢圓，長短軸尺寸分別為a、b，將A＇／A、a／D和b／D隨壓下率的變化繪成圖3。圖3表明，兩種鍛造方法均使孔洞雙向收縮。在相同壓下率的情況下，新中心壓實法鍛后的長軸比中心壓實法略長，而短軸則比后者要短。但就缺陷孔面積減小的情況來看，新中心壓實法優于中心壓實法。
3.2 橫向孔壓實試驗
試驗采用45號鋼，試件尺寸為100mm×50mm×50mm，中心孔為Φ3．7mm。工具尺寸：平砧，寬20mm；小砧，37.5mmX20mm 平臺。
試件的加熱溫度、冷卻方式與縱向孔試件相同。同樣由溫度測試結果，冷卻時間定為20s(其溫度場如圖4所示)。
將冷卻20s后的試件分別施以中心壓實法和新中心壓實法。把A＇／A、a／D和b／D隨壓下率的變化表示在圖5上。
圖5表明，新中心壓實法對橫向孔的閉合程度優于或接近中心壓實法。
圖6為采用中心壓實法和新中心壓實法時橫向孔試件切片的部分照片。圖7為采用中心壓實法和新中心壓實法時縱向孔試件切片的部分照片。
新中心壓實法從縱向孔的壓實情況看，優于中心壓實法，橫向孔的閉合程度也與中心壓實法接近。在試驗中還可以看到，當壓下率較大時，采用中心壓實法的鍛件表面出現壓傷、折疊現象，而新中心壓實法則沒有。4
結論
(1)新中心壓實法壓實效果接近或超過中心壓實法。
(2)新中心壓實法與中心壓實法相比，冷卻和鍛造過程簡便，鍛件不易產生壓傷、折疊等缺陷。
(3)可在一個方向實施新中心壓實法后，翻轉90。再次實施該種方法，對壓實鋼錠內的缺陷非常有利，且不會產生鍛造偏心。
