筒形類鍛件熱處理過程中變形規律的研究
鍛件熱處理時的超標變形，是熱處理過程的主要缺陷之一，主要是由于熱處理應力( 熱應力和組織應力，以及組織不均勻而引起的應力) 所造成的。此外，由于鋼件的結構形狀特點、原材料質量、加工狀態，甚至鋼件在爐中加熱和冷卻時的支撐或夾持不當，以及鋼件本身的自重均能引起變形。
熱處理變形主要有兩種形式: 一種是工件幾何形狀的變化，它表現為尺寸及外形的變化，另一種是體積變化，它表現為工件體積按比例地脹大或縮小。生產實踐中工件的變形，多是同時兼有這兩種情況。前者是熱處理過程中熱應力和組織應力作用的結果，后者則是組織轉變時比容變化( 即比容差效應) 而引起。因熱應力、組織應力和比容差效應所造成的變形趨向各不相同，對于大直徑的筒形鍛件在性能熱處理過程中，哪種應力受主導作用也不得而知。
本文通過軟件模擬并結合公司在制工件實際測量數據，從復雜的變形過程中總結出大型筒體鍛件性能熱處理過程中的變形規律，并利用該規律減少筒形類鍛件的粗加工余量，使鍛件盡可能接近供貨尺寸，提高鍛件淬透效果，以達到保證鍛件產品質量和節約成本的目的。
1、研究方法
1.1 筒體鍛件熱處理過程變形趨勢的模擬
筒體類鍛件裝爐時通常采用立裝方式以減少熱處理變形，如圖1所示。
以外徑為Φ6000mm，內徑為Φ5480mm，高度為1000mm，材料為12Cr2Mo1V 的筒體鍛件為例，該材料為貝氏體型耐熱鋼，調質前組織為P+ F，調質時，加熱到奧氏體化溫度以上保溫后快冷，經回火后組織變為B，組織轉變時比容增大，表現為工件體積按比例地脹大。將該筒體鍛件進行熱處理過程模擬分析，如圖2所示。
1.2 筒體鍛件熱處理過程變形趨勢的實際測量
此次試驗中，前后利用公司在制的筒體鍛件共16件，測量工件熱處理過程中實際變形量。該批筒形鍛件粗加工外徑約Φ6000 mm，厚度約350mm，長度約2500 mm; 涉及材料為: SA-508M Gr.3Cl.2、12Cr2Mo1、1.25Cr-0.5Mo-Si 等。
為了得到性能熱處理后工件精確的變形尺寸，在粗加工完成后，利用立車準確測量工件尺寸。性能熱處理完成后在切取性能試樣前利用立車先設定一個基準圓，然后采用劃針打點的方式，在工件周向上每兩點間隔22.5°，在軸向的兩端面和中間共3個截面上，測量工件每點的實際變形數據( 見圖3) 。然后通過基準圓轉化，得到每個測量部位的實際內、外直徑，最終得到鍛件各點的實際變形數據，該測量方式的測量精度可控制在1mm 以內，可以滿足本試驗測量要求。
圖3中，內圓以Φ5613 mm 為基準圓，外圓以Φ6382 mm 為基準圓，測量各個部位變形數據，圖中的數據由外向內依次為B 端、中間、T 端三個截面處的變形數據，圖3 中的變形數據通過基準圓轉化得到表1 中各個角度各個截面處的實際直徑，再由各個截面處的實際內外徑推算出調質后工件的實際厚度。
2、研究結果
2.1 熱處理過程模擬分析結果
通過對筒體鍛件進行熱處理過程模擬，熱處理前筒體尺寸為外徑Φ6000 mm，內徑Φ5480mm，高度為1000 mm，熱處理后筒體鍛件內徑大約長大42mm，外徑大約長大40mm，整體上呈現在直徑方向向外脹大趨勢。
2.2 變形趨勢實際測量結果
表1為其中一件筒體鍛件( 筒節一) 熱處理后內外徑和厚度實際測量結果。表中，B 表示筒節水口側截面，中表示筒節中部截面，T表示筒節冒口側截面。鍛件熱處理前實際尺寸Φ6383mm/Φ5536 mm × 2410 mm，實際厚度423.5 mm。
3、分析與討論
3.1 軟件模擬結果分析 由軟件模擬結果可見，在不考慮其它因素影響的情況下，該件筒體鍛件在調質過程中，由熱應力和組織應力共同作用使工件在直徑方向上呈現脹大趨勢。按這樣的規律制定筒體鍛件粗加工余量，應該是外徑比內徑少預留粗加工余量更合理。為了驗證筒體鍛件在實際生產中的變形規律，還需實際測量后得出結論。
3.2 實際測量數據分析
通過分析表1 變形數據發現，筒節一性能熱處理后直徑方向整體呈脹大趨勢，且厚度方向減薄，具體變形尺寸為:
即筒節一內徑脹大19～39 mm，外徑脹大11～33 mm，且厚度減薄3～7 mm。通過以上方式共測量了16 件規格相當的筒體鍛件，在此不再列舉數據，但表現出的變形趨勢都是統一的，即直徑方向整體脹大，厚度減薄。由此可以判定，該類筒體鍛件在性能熱處理過程中的變形趨勢與軟件模擬結果基本吻合。
3.3 熱工藝余量討論
熱工藝余量是在性能熱處理前，為防止熱處理后工件變形導致后續工序加工尺寸不夠，在原鍛件交貨尺寸基礎上預留的變形余量。通過上述對大型筒體鍛件性能熱處理軟件模擬和實際變形趨勢的測量結果分析可以看出，筒體鍛件熱處理后內徑較外徑脹大趨勢略大。在實際生產中對于此類筒體鍛件預留熱處理變形余量時，應考慮將內徑余量加大，外徑余量減小。這樣既可以保證筒體鍛件在性能熱處理后加工交貨尺寸，又可以減少鍛件重量，達到保證鍛件質量，降低生產成本的目的。
4、總結
(1) 測量的16 件筒體鍛件，性能熱處理后直徑方向都出現不同程度的脹大，其中內徑脹大范圍為3～40 mm; 外徑脹大范圍為0.3～39 mm，壁厚減薄為0～7 mm 不等。
(2) 實際測量筒體鍛件的變形規律和軟件模擬結果基本吻合，對指導生產有重大意義。
(3) 通過軟件模擬和實際測量變形結果，實際生產中對于此類筒體鍛件預留熱處理變形余量時可酌情考慮將內徑余量加大，外徑余量減小，可以達到保證鍛件質量和降低成本的目的。
