刘小福 贾新胜 冯 敬 安笑琴 毛 蔚

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

锻件热处理时的超标变形，是热处理过程的主要缺陷之一，主要是由于热处理应力(热应力和组织应力，以及组织不均匀而引起的应力)所造成的。此外，由于钢件的结构形状特点、原材料质量、加工状态，甚至钢件在炉中加热和冷却时的支撑或夹持不当，以及钢件本身的自重均能引起变形[1]。

热处理变形主要有两种形式：一种是工件几何形状的变化，它表现为尺寸及外形的变化，另一种是体积变化，它表现为工件体积按比例地胀大或缩小。生产实践中工件的变形，多是同时兼有这两种情况。前者是热处理过程中热应力和组织应力作用的结果，后者则是组织转变时比容变化(即比容差效应)而引起[2]。因热应力、组织应力和比容差效应所造成的变形趋向各不相同，对于大直径的筒形锻件在性能热处理过程中，哪种应力受主导作用也不得而知。

本文通过软件模拟并结合公司在制工件实际测量数据，从复杂的变形过程中总结出大型筒体锻件性能热处理过程中的变形规律，并利用该规律减少筒形类锻件的粗加工余量，使锻件尽可能接近供货尺寸，提高锻件淬透效果，以达到保证锻件产品质量和节约成本的目的。

1 研究方法

1.1 筒体锻件热处理过程变形趋势的模拟

筒体类锻件装炉时通常采用立装方式以减少热处理变形，如图1所示。以外径为∅6000 mm，内径为∅5480 mm，高度为1000 mm，材料为12Cr2Mo1V的筒体锻件为例，该材料为贝氏体型耐热钢，调质前组织为P+F，调质时，加热到奥氏体化温度以上保温后快冷，经回火后组织变为B，组织转变时比容增大，表现为工件体积按比例地胀大。将该筒体锻件进行热处理过程模拟分析，如图2所示。

图1 筒体锻件装炉示意图Figure 1 Schematic diagram of furnace loadingfor cylinder forgings

图2 筒体锻件性能热处理变形软件模拟结果Figure 2 Simulation results of heat treatment deformationsoftware for cylinder forgings

1.2 筒体锻件热处理过程变形趋势的实际测量

表1 筒体锻件性能热处理后实际变形数据Table 1 Actual deformation data of cylinder forgings after performance heat treatment

此次试验中，前后利用公司在制的筒体锻件共16件，测量工件热处理过程中实际变形量。该批筒形锻件粗加工外径约∅6000 mm，厚度约350 mm，长度约2500 mm；涉及材料为：SA-508M Gr.3 Cl.2、12Cr2Mo1、1.25Cr-0.5Mo-Si等。

为了得到性能热处理后工件精确的变形尺寸，在粗加工完成后，利用立车准确测量工件尺寸。性能热处理完成后在切取性能试样前利用立车先设定一个基准圆，然后采用划针打点的方式，在工件周向上每两点间隔22.5°，在轴向的两端面和中间共3个截面上，测量工件每点的实际变形数据(见图3)。然后通过基准圆转化，得到每个测量部位的实际内、外直径，最终得到锻件各点的实际变形数据，该测量方式的测量精度可控制在1 mm以内，可以满足本试验测量要求。

图3 筒体锻件性能热处理后实际变形数据Figure 3 Actual deformation data of cylinder forgingsafter performance heat treatment

图3中，内圆以∅5613 mm为基准圆，外圆以∅6382 mm为基准圆，测量各个部位变形数据，图中的数据由外向内依次为B端、中间、T端三个截面处的变形数据，图3中的变形数据通过基准圆转化得到表1中各个角度各个截面处的实际直径，再由各个截面处的实际内外径推算出调质后工件的实际厚度。

2 研究结果

2.1 热处理过程模拟分析结果

通过对筒体锻件进行热处理过程模拟，热处理前筒体尺寸为外径∅6000 mm，内径∅5480 mm，高度为1000 mm，热处理后筒体锻件内径大约长大42 mm，外径大约长大40 mm，整体上呈现在直径方向向外胀大趋势。

2.2 变形趋势实际测量结果

表1为其中一件筒体锻件(筒节一)热处理后内外径和厚度实际测量结果。表中，B表示筒节水口侧截面，中表示筒节中部截面，T表示筒节冒口侧截面。锻件热处理前实际尺寸∅6383 mm/∅5536 mm×2410 mm，实际厚度423.5 mm。

3 分析与讨论

3.1 软件模拟结果分析

由软件模拟结果可见，在不考虑其它因素影响的情况下，该件筒体锻件在调质过程中，由热应力和组织应力共同作用使工件在直径方向上呈现胀大趋势。按这样的规律制定筒体锻件粗加工余

量，应该是外径比内径少预留粗加工余量更合理。为了验证筒体锻件在实际生产中的变形规律，还需实际测量后得出结论。

3.2 实际测量数据分析

通过分析表1变形数据发现，筒节一性能热处理后直径方向整体呈胀大趋势，且厚度方向减薄，具体变形尺寸为：

Δdmax=5536-5575=-39mm

Δdmin=5536-5555=-19mm

ΔDmax=6383-6416=-33mm

ΔDmin=6383-6394=-11mm

Δtmax=423.5-416.5=7mm

Δtmin=423.5-420.5=3mm

即筒节一内径胀大19～39 mm，外径胀大11～33 mm，且厚度减薄3～7 mm。通过以上方式共测量了16件规格相当的筒体锻件，在此不一一列举数据，但表现出的变形趋势都是统一的，即直径方向整体胀大，厚度减薄。由此可以判定，该类筒体锻件在性能热处理过程中的变形趋势与软件模拟结果基本吻合。

3.3 热工艺余量讨论

热工艺余量是在性能热处理前，为防止热处理后工件变形导致后续工序加工尺寸不够，在原锻件交货尺寸基础上预留的变形余量。通过上述对大型筒体锻件性能热处理软件模拟和实际变形趋势的测量结果分析可以看出，筒体锻件热处理后内径较外径胀大趋势略大。在实际生产中对于此类筒体锻件预留热处理变形余量时，应考虑将内径余量加大，外径余量减小。这样即可以保证筒体锻件在性能热处理后加工交货尺寸，又可以减少锻件重量，达到保证锻件质量，降低生产成本的目的。

4 结语

(1)测量的16件筒体锻件，性能热处理后直径方向都出现不同程度的胀大，其中内径胀大范围为3～40 mm；外径胀大范围为0.3～39 mm，壁厚减薄为0～7 mm不等。

(2)实际测量筒体锻件的变形规律和软件模拟结果基本吻合，对指导生产有重大意义。

(3)通过软件模拟和实际测量变形结果，实际生产中对于此类筒体锻件预留热处理变形余量时可酌情考虑将内径余量加大，外径余量减小，可以达到保证锻件质量和降低成本的目的。