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摘要：针对目前护环质量及其热锻工艺中存在的问题，通过对热成形技术的分析，提出了护环扩挤复合成形新工艺。并经过理论分析(FEM)和模拟试验，证明了新工艺的先进性和可行性。
关键词：护环；热成形；扩挤复合成形
一、引言
护环是发电机上关键的大锻件，由于其工作环境特殊，受力情况复杂，技术要求十分严格，其制造技术一直是国内外学者关注的焦点。目前，大型护环生产的诸环节中，形变强化技术进展较快，其中液压胀形技术经济水平较高。新材料应用也有所发展，Mn18Cr18N抗应力腐蚀钢的选用，大大延长了护环的服役寿命。但是，热锻制坯这一中间环节，仍沿用半经验型操作，工艺参数不够科学，工艺过程和产品质量的可控性差，以致造成较多的废次品以及能源、原材料的浪费。因此，分析护环热成形机制，研究新的热成形方法，对提高护环锻件质量和生产水平有一定的意义。
二、现有护环热成形方案的分析
1.钢锭锻造法［1］
如图1所示，用普通钢锭锻造护环的主变形工序为：拔长下料—镦粗冲孔—芯轴拔长—芯轴扩孔。该工艺火次多，操作复杂，材料利用率低；而且工艺过程冗长，不易监控，质量不稳定，技术经济效益的提高受到一定的制约。 （图片）
图1护环常规锻造工艺2.模内冲孔法［2］
为了改善护环常规锻造工艺，曾试验了一种模内冲孔方法(图2)。该方法取消了芯轴拔长与扩孔等工序，只需将坯料放在模内镦粗冲孔，全部操作可在一火内完成，大大简化了工艺过程。模内冲孔的锻件表面质量好，尺寸准确，机械性能良好。但需要专用模具和大吨位的设备，而且所需坯料直径较大。试验后未能得到推广应用。
3.空心铸坯锻造法［3］
用电渣重熔(ESR)熔铸成空心环坯，然后锻压成形。该工艺采用电渣重熔环坯，提高了坯料的冶金质量，缩短了热锻周期，但限于条件，生产试验中仍采用了芯轴扩孔，锻造难以实现控制成形。虽然成功地生产出了3MW的合格护环，但制件微观组织并不理想(晶粒度1～3级)。这是因为Mn-Cr系护环钢，属奥氏体本质粗晶钢。再加上电渣重熔环坯内树枝晶较为发达、顽固，其铸态结构用芯轴扩孔很难有效地破碎。（图片）
图2环坯模内冲孔装置综上所述，如何提高热锻技术，改善制件质量，实施可控成形和短流程工艺，便成为亟待研究的课题。
三、扩挤复合成形工艺的开发
由塑性力学可知，引入有限的剪变形或复合变形机制不仅能使变形体率先进入塑性状态；而且能使变形区扩大，难变形区缩小，变形均匀且流向合理。其中复合流动不仅可以大幅度降低变形力，增加内部的等效应变，而且能有效控制金属的塑流矢量，改善变形不均匀性，提高锻件内在质量。研究表明［4］，剪切变形可有效地破碎铸态结构和粗晶，改善变形体的组织性能。俄罗斯学者格纳高O.A.对锻压剪变形进行的系统定量的研究，秋林B.A.教授等在多向反复变形，控制塑性流动，改变边界条件等方面的研究，都证明了新的热成形机制对改善锻件质量，提高锻造技术经济水平具有重要的意义［6］。（图片）
图3扩挤复合成形原理图
1.环坯2.凸模3.凹模4、5.漏盘针对原护环热成形中存在的问题，引入复合变形、控制塑流和有限剪变形机制，研究开发了护环扩挤复合成形工艺。其原理如图3所示，首先将环坯置于筒形凹模内，球面凸模向下压入，环坯产生自由扩孔变形；凸模继续下压，环坯外壁与凹模接触，扩挤复合变形开始，随着接触区域的扩大，挤压变形逐渐显著；当完全接触后，环坯又产生反挤压变形。最后凸模通过环坯，变形过程结束。变形后，环坯内外径扩大，壁厚减薄，内外径尺寸完全靠凸凹模控制，故能很好地满足设计。因此可以大幅度减小加工余量，提高生产率和材料利用率。
新工艺中，空心坯是在凸模冲孔和外缘限制的条件下发生变形的，金属的流动属于扩挤复合流动模式。理论分析(FEM)和实验研究表明，与传统工艺相比，其应力状态，应变分布都得到了改善，其具有如下几方面特点：
(1)扩挤复合成形是冲头扩孔和反挤压变形的复合，旨在改善芯轴扩孔变形的不均匀性。该工艺用球面冲头进行内胀孔，坯料在筒形凹模内限制成形，属轴对称成形，变形均匀。
(2)凹模限制变形，改善了环坯内的应力状态。如图4所示，变形量较小时，即自由扩孔变形阶段(图4a)，环坯外径的切向应力分量为拉应力，其中扩孔区外侧拉应力最大。而后随着凸模的下压，变形进入扩挤复合变形阶段(b)，此时由于环坯外壁与凹模接触而受到约束作用，该区的切向应力由高拉应力值变为较大的压应力。当变形进入反挤压阶段(c)，切向拉应力基本消失，环坯内大都为压应力，且变形区压应力最大。这样，就改善了自由扩孔时环坯外缘的应力状态，防止了开裂。并能冲大孔，且薄壁环坯还不会失稳、畸变。（图片）
图4变形不同阶段环形内切向应力分量σθ的分布
(a)自由扩孔变形阶段(b)扩挤复合变形阶段
(c)反挤压变形阶段(3)该工艺可实行反复变形。第一步(图3a)，把冲头压入环坯，使环坯上端变形到成形尺寸，外壁基本和凹模接触，然后退出冲头；第二步(图3b)，环坯随凹模一起掉头(翻转180°)，再把冲头从另一端压入环坯，直到变形结束。实验证明：这种方法可以避免冲扩毛刺，又可减小难变形区，使应变场均匀。
(4)扩挤复合成形时，金属的流动很复杂。金属除沿径向流动外，还有轴向流动，从而将剪应力作为主动应力引入塑性变形过程，这就增加了塑性变形中剪应变的份额。图5为有限元模拟结果，在凸模行程为86mm时，环坯内等效应变ε(图5a)和应变分量γrz(图5b)、εr(图5c)的分布情况。从等值线图可以看出：剪应变和等效应变的分布相似、大小相近。这说明在环坯扩挤复合变形中，剪切变形占较大的比例，这有利于破碎铸态结构，细化晶粒，提高锻件质量。（图片）
图5凸模行程86mm时环坯内应变分布图
(a)等效应变ε(b)切应变分量γrz(c)径向应变分量εr(5)该工艺操作简便，便于控制，只需一次加热，即可按预定程序变形。而且环坯的变形分布、应变速度、应力状态、变形温度等参数都易于调控，从而实现成形过程和产品质量的控制。图6为模拟试验制出的实物照片，由图可知，锻件形状规整，表面质量好。在实际锻造时，实施控制锻造与控制冷却的方法，还可获得细匀化的组织，生产出优质的锻件。（图片）
图6实验锻件照片四、结论
(1)扩挤复合成形具有操作方便，变形力小，塑流可控，变形均匀，剪切变形大以及复合变形等特点。有利于破碎粗大的铸态结构，获得细匀化的组织，能够大幅度提高锻件的内在质量。
(2)有限元分析和模拟试验表明，扩挤复合成形工艺与自由扩孔工艺相比，可以改善环坯应力状态，提高工艺塑性，增大一次扩孔量；与芯轴扩孔工艺相比，该工艺操作简便，变形均匀，锻件形状规整，表面质量好，且成形过程和产品质量易于控制。
(3)该工艺可以方便地实现控制热成形，并可以实施用熔铸环坯—控制热成形—新法液压胀形制造护环的新技术，简化现行锻造工序，实现短流程工艺，彻底改变护环生产面貌，提高技术经济效益。
参考文献
1，杨振桓，陈锐清.锻造工艺学.西安：西北工业大学出版社，1986.
2，《大型锻件的生产》编写组.大型锻件的生产.北京：机械工业出版社，1978.
3，郭会光等.制造高强钢扩环新工艺流程的研究.大型铸锻件，1996(1).
4，吕炎，钱有济等.关于切变形对金属组织和性能的影响及其机理的探讨.锻压工艺与设备论文集，1978：140～150
5，格纳高O A著.郭会光译.选择有剪切的变形受力图的准则.大型铸锻件，1991(4)：29～32
6，郭会光.苏联大锻件生产技术研究的新思路.大型铸锻件，1991(1).
7/7/2007
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