风机空心主轴锻造工艺研究
2021-07-07王景臣赵凯兵
王景臣 赵凯兵
(中国一重集团有限公司，黑龙江161042)
风机主轴作为大型风电机组的主要部件，其主要负责承受扭矩作用，对其性能要求很高。风机轴的尺寸越来越大，对锻造工艺要求越来越高，需要合适的水压机载荷和工辅具，生产难度较大。
近期，我公司承制了某风机空心主轴，材质为34CrNiMo6，法兰直径∅2242 mm，长度1442.5 mm，内孔呈阶梯孔，净重10.886 t，主轴加工图见图1，性能要求见表1。按EN 10228-3:1998进行超声检测，质量等级达到3级。由于法兰直径大且总长度短(法兰直径/长度=1.55)，法兰成形难度较大，同时影响锻件材料收得率。考虑产品批量较大，锻造工艺需尽可能减少锻造火次来减少锻造成本。如果考虑模锻或冲形方案，模拟所需锻造压力较大且操作复杂，不易批量化组织生产。
表1 主轴性能要求Table1 Spindle performance requirements
1 初步锻造方案
该空心主轴难点在于法兰直径较大且长度短，不易锻造到成品尺寸，考虑模锻利用专用冲头，涨出中间直段同时连带增大法兰直径，此方案模拟效果不理想，存在涨形风险，不能确定实际涨形量能否达到模拟值。采用一锭出两件，法兰在两端，长主轴芯棒拔长出成品，气割成两件，但此方法操作水平要求高且法兰易变形。
图1 主轴加工图Figure 1 Spindle machining diagram
图2 锻件图Figure 2 Forging diagram
最终确定用胎膜先将法兰镦粗到成品尺寸再采用冲孔、芯棒拔长的方式，经过核算锻件毛坯重18.73 t，锻件图见图2，锻造初步方案采用29 t钢锭，锻造工序：接锭切水口弃料→压钳口、镦粗拔长、气割钳把→预镦粗(高压风管吹扫外圆铁皮)、闭式胎膜成形、镦粗法兰出成品→从法兰端面放置∅600 mm空心冲子冲孔、清毛刺→∅580 mm芯棒拔长出成品，四火次锻造完成。
2 试制过程出现的问题
试制过程中出现如下问题：
(1)采用闭式胎膜成形法兰(见图3)，60 MN水压机镦粗开边，法兰下部充不满，当法兰鼓肚接触到胎膜凸台时，法兰边缘温度下降比较快且胎膜凸台对法兰有束缚，最终导致法兰下部充不满，同时为了使法兰下部充满，反复开边法兰导致法兰端面凹凸不平，影响锻件尺寸，坯料利用率难以提升，同时生产效率比较低，增加了锻造火次。
(2)法兰端面进行冲孔，引起法兰拉延变形，需增加修形工序，冲孔后小头端毛刺需及时清理，清理毛刺后才可用芯棒拔长，增加了锻造火次。
3 锻造方案改进
通过研究，对风机主轴锻造方案进行改进：
(1)闭式胎膜成形法兰改为开式胎膜成形法兰(见图4)，即将闭式胎膜上方凸台气割掉，法兰在镦粗开边成形时没有束缚，在高温下法兰快速成形且表面质量好。
图3 最初法兰成形方案Figure 3 Initial forming scheme of flange
图4 改进后的法兰成形方案Figure 4 Improved forming scheme of flange
(2)法兰成形后，从水口端(小头端)放置冲子进行冲孔，避免法兰端面冲孔引起法兰拉延变形而需增加修形工序的问题。
(3)选用28 t大下注锭，投制∅600 mm实心冲子，减少冲脱重量，每个锻件可节省钢水1 t。根据下注锭锻实心件质量情况，后期全面推广全锭身下料(不切除锭身水口弃料)，钢锭减小到27 t。
(4)冲孔改为从水口端冲孔，冲孔毛刺不影响轴颈芯棒拔长，胎膜成形法兰到轴颈拔长合并为一火次。锻造火次由四火次压减为两火次出成品。锻造周期长，加热次数多，往往在锻造之后内部晶粒十分粗大而且很不均匀，锻造火次减少解决了锻后热处理后晶粒度不合格的质量风险。
改进后锻造工艺流程：接锭切水口弃料→压钳口、镦粗、拔长、气割下料→胎膜镦粗出法兰、∅600 mm实心冲子冲孔、芯棒拔长出轴颈，两火次锻造出成品。锻造全流程在60 MN水压机上实现锻造。
4 实际生产中的操作改进
根据优化后的工艺进行生产，约95%锻件两火次出成品，少数三火次出成品。通过实际交检发现交检合格率较高，但是优级品率较低，经统计发现锻件主要存在法兰端面有折伤，法兰与细杆不同心，通过查询记录发现存在50～110 mm偏心，小头端出现长短面等问题。为进一步提升空心主轴锻件整体质量，提高优级品率，根据实际生产情况对生产操作进行了改进。
优化措施：
(1)锻造过程主要注意锻件表面铁皮的清理，法兰开边时，严格控制压下量和两锤搭接量，来提高法兰表面质量。
(2)冲孔时冲子需水口端居中，尽量选用炉温较好的加热炉进行加热，改善偏心情况，法兰可进行米字形布砧，避免法兰不圆，影响与轴径同心度。
(3)减少Ⅱ、Ⅲ部直径余量，尤其Ⅲ部直径余量，如果满足长度及时气割。
5 结束语
经过实际生产的检验，修改镦粗胎膜形状，由法兰端冲孔改为从小头端冲孔，工艺方案优化后,空心主轴每件至少节省一火次，降低能耗，提高钢锭利用率2%以上，生产效率提升30%，生产操作改进后，锻件表面质量显著提升，提高了优级品率，锻件成品各部尺寸余量合理，无因尺寸问题导致的返修件。
