王利忠

(中国一重集团有限公司，黑龙江161042)

水电主轴锻件是水力发电站设备中的重要部件，对于超大超长尺寸的主轴锻件，由于整体锻件制造难度大、成本高等原因，通常采用锻焊结构，将主轴分成两段或者三段，最终焊接成一体的方法，此种方法对于主轴的性能参数以及服役周期有较大影响，本文将通过优化现有辅具、调整锻造方法来达到大型水电主轴整锻成形的目的。

1 主轴技术要求

某大型主轴材质为20SiMn，端部法兰直径∅2890 mm，总长度10700 mm，最终精加工交货重量150 t，锻件验收标准为JB/T 1270—2014，主要性能指标见表1，锻件形状如图1所示。

表1 主轴力学性能要求Table 1 Mechanical properties requirements of spindle

2 锻造工艺方案分析

此锻件属于大直径空心超长件，最终成形采用芯棒拔长，锻件重量超过250 t。以往中小型空心主轴锻造工艺过程为：接锭气割水冒口弃料→镦粗、冲孔→芯棒拔长下料→芯棒拔长精整各部出成品。此工艺过程对于此次大型空心主轴锻件不能完全适用，首先大型空心主轴壁厚和拔长量较大，芯棒拔长过程中两端面极容易出现喇叭口和长短不齐，造成材料浪费；其次现有芯棒最大直径∅1380 mm，有效使用长度5500 mm，锻件长度远远超出芯棒长度，无法实现一次性从一端向另一端顺次芯棒拔长成形，而重新投产一根接近锻件长度的芯棒不仅生产周期长，且新投产超长芯棒后期使用率极低，会使生产成本大大增加，无法满足此产品成本和交货期需求。

图1 主轴锻件示意图Figure 1 Schematic diagram of spindle forgings

此次空心主轴需要利用现有工辅具锻造成形。根据超长主轴形状特点，为了避免端面长短不齐和喇叭口，芯棒拔长前增加镦粗平整端面工序。芯棒有1∶100的锥度，头部和根部直径相差55 mm，从一端插入拔长后，内孔与芯棒贴合，另一端内孔变小无法插入芯棒，增加了扩孔工序。针对芯棒较短的问题，采用分两火次分别从两端插入芯棒进行拔长，特制订如下工艺过程：

(1)接锭气割水冒口弃料；

(2)镦粗、冲孔；

(3)芯棒拔长至整体长度5500 mm；

(4)镦粗平整端面喇叭口和长短面，轻扩内孔至∅1450 mm；

(5)一端插入芯棒拔长；

(6)另一端插入芯棒拔长成形。

3 生产中存在的问题

(1)分别从两端插入芯棒拔长出成品时，首先从一端插入芯棒后，为了有效利用芯棒长度，从芯棒中部向端部依次拔长，导致内孔和芯棒贴合，随着坯料逐步变长，中部坯料超出芯棒长度无法锻造，而另一端插入芯棒时，由于此处内孔直径变小芯棒无法完全插入，也无法进行拔长，造成锻件中间部位无法成形。

(2)该主轴锻件重量超过250 t，芯棒拔长旋转时需要操作机和天车同时配合，当坯料长度超出芯棒长度时，此时操作机夹持芯棒钳口，另一端法兰部位需要天车翻转机吊运翻转，导致芯棒中心轴线和坯料中心轴线不平行，翻转过程中会使靠近端面内孔处产生喇叭口，坯料中间内孔被芯棒端头硌出尖角坑，芯棒拔长时会形成折叠伤，另外锻件超重超长，高温出炉后，内孔氧化铁皮无法完全清理干净，锻件成形后内孔会出现氧化铁皮坑，而且本次主轴锻件内孔锻造余量为单边60 mm，以上情况会造成内孔尺寸不足。

(3)由于锻件出成品变形量较大，成品火次分为两火次，第一火次冒口端成形，第二火次冒口端经过高温加热后没有变形量，无法进行动态再结晶，晶粒过分长大，本次20SiMn材质主轴最终热处理为正回火，经过最终热处理仍无法完全细化，会导致锻件力学性能达不到标准要求。

(4)锻件变形量较大，坯料长度超过芯棒长度时，无法正常过水冷却，芯棒长时间和高温坯料接触，导致芯棒变形弯曲，出现抱芯棒，会导致坯料和辅具报废。

4 解决措施

(1)为了有效利用芯棒长度，工艺中明确出成品时的布砧和拔长顺序，锻件靠近冒口端的各圆成品直径比水口端大，相对拔长量较小，首先从冒口端插入芯棒，从端头依次向中部拔长成形，保证锻压区域不超出芯棒长度，下一火次从水口端插入芯棒，从坯料中部依次拔长至水口端出成品。

(2)出成品时，法兰外圆直径留量150 mm，轴颈外圆整体留量100 mm，锻件长度整体成形后，抽出芯棒，用1200 mm上下宽平砧整体收口拔长至成品尺寸，此时坯料温度接近终锻温度，锻件长度基本不增加，内孔直径变小，能有效解决内孔折伤、铁皮坑和端部喇叭口导致的内孔尺寸不足等问题，另外此措施能够增加终锻前的锻比，使得锻件晶粒度和性能有所改善。

(3)成品第二火次炉温从1250℃降至1150℃，最后一火炉温过高会导致提前成形的冒口端晶粒粗大，但锻件吨位较大，加热温度过低会导致锻造温度区间过小增加锻造火次，研究决定降温至1150℃较为合适，如因其他原因增加锻造火次，根据实际剩余变形量进一步适当降低炉温。

(4)在芯棒端头焊接空心钢管，将冷却水管通过空心钢管注入到芯棒内部进行过水冷却，有效解决了芯棒过热变形的问题。

该水电主轴最终锻造变形过程见图2。

图2 大型水电主轴锻造变形过程示意图Figure 2 Forging process of large hydropower spindle

5 效果

(1)经过改进和细化工艺和现场操作，最终主轴锻件采用420 t钢锭锻造成形，顺利发往机加工序，锻造过程中没有出现芯棒抱死等问题，各部位尺寸经过交检均合格。

(2)经过锻后热处理进行性能取样检测，锻件性能均达到标准和技术协议要求。

6 结语

对于超大型水电空心主轴，通过利用现有辅具，细化锻造工艺及操作规程，增加平整端面、扩孔、出成品从两端分别插入芯棒的方式，解决了超长空心主轴锻造成形问题，通过细化各火次变形量，最后留量进行锻造。根据实际情况降低加热炉温，能够有效避免高晶粒粗大导致的性能不合等问题。另外此次大型空心水电大轴的成功生产为公司日后生产类似超长、超重空心锻件提供了宝贵经验。