一种新型V砧及使用该V砧的锻造方法与流程

本发明属于锻造设备及锻造工艺领域，特别地，涉及一种新型V砧及使用该新型V砧的锻造方法。

背景技术：

随着安全性和使用寿命的不断提高，大型锻件的质量和锻造要求在不断提高。如某700MW级大型水轮机空心主轴锻件在力学性能方面要求比较高：屈服强度≥295MPa，断裂强度≥480MPa。水轮机空心主轴锻件为典型的大型筒体锻件。相对于实心钢锭生产大型筒体锻件，采用空心钢锭有以下优点：能显著提高钢锭利用率；可省去冲孔工序；内外同时冷却提高了凝固速度，可减小偏析；能提高现有设备加工能力。然而，由于大型筒体锻件采用的大型空心钢锭尺寸和吨位都比较大，大型空心钢锭内部不可避免地存在缩孔、疏松和粗大晶粒等缺陷。

消除大型空心钢锭内部的缺陷以确保大型筒体锻件的质量除了应配备足够能力的锻压设备外，关键是应采用特别有效的型砧。大型空心钢锭的常规锻造工艺为第一次镦粗、第一次上平下V砧芯轴拔长、第二次镦粗和第二次上平下V砧芯轴拔长。由于两次芯轴拔长中下V砧均为普通V砧，下V砧和钢锭下表面间存在较大的间隙，钢锭的压实效果较差，锻后钢锭内部仍存在一定数量的缩孔、疏松缺陷，且晶粒较粗大；此外，上平下V砧芯轴拔长时，V砧一侧变形相对较小，大变形区集中在平砧与芯轴间靠近芯轴处，特别是V砧上方的钢锭下表面层变形极小，最终空心钢锭圆截面的变形均匀性较差，晶粒的均匀程度较低。

发明专利“一种用于锻造空心核电主管道的半闭合工装”(申请号201210078229.8)，可有效用于核电主管道的锻造，可使其管壁变形均匀和使其晶粒细化，但该工装较为复杂，并且没有考虑增强压实效果以消除缩孔疏松缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种新型V砧，为上平下V砧，包括上平砧1、下V砧2和芯轴3，对空心钢锭4进行芯轴拔长，下V砧2包括大圆角型V砧和凸型V砧；大圆角型V砧的工作面分别为左斜面201、右斜面202和过渡圆角面203；凸型V砧的工作面分别为左斜面201、右斜面202、凸型圆角面204、左过渡圆角面205和右过渡圆角面206。

优选地，设定θ为大圆角型V砧及凸型V砧左斜面201与右斜面202之间的夹角即砧角，θ为100-140°，左斜面201与竖直方向的夹角、右斜面202与竖直方向的夹角相同，均为θ/2。

优选地，设定R为过渡圆角面203的半径，R₀为空心钢锭4的外径，R满足0.8≤R/R₀≤1.2。

优选地，设定R_c为凸型圆角面204的半径，R₀为空心钢锭4的外径，R_c满足0.3≤R_c/R₀≤0.5；设定r为左过渡圆角面205或右过渡圆角面206的半径，W为砧宽，r满足r＝0.1W。

优选地，砧角θ为120°，R/R₀＝1.0，R_c/R₀＝0.4。

本发明的目的还在于提供了一种使用新型V砧的锻造方法，主要包括以下步骤，

一、使用上平下V砧对空心钢锭4进行芯轴拔长，下V砧2采用大圆角型V砧，压下率为10％～25％，砧宽比为0.6-0.9，翻转角度为20-25°；完成10-20次拔长，每次均采用满砧进砧方式；

二、对空心钢锭进行倒棱、滚圆、镦粗处理，镦粗比为1.5-2.5；

三、使用上平下V砧对空心钢锭4进行芯轴拔长，下V砧2采用凸型V砧，压下率为9％～15％，砧宽比为0.6-0.9，翻转角度为15-20°；完成15-25次拔长，每次均采用满砧进砧方式；

四、进行倒棱、滚圆处理，锻造出成品。

优选地，上述步骤一中的压下率为15％，砧宽比为0.75，翻转角度为22.5°；完成16次拔长；

优选地，上述步骤二中的镦粗比为2；

优选地，上述步骤三中的压下率为11％，砧宽比为0.75，翻转角度为17.14°；完成21次拔长。

本发明的有益效果为：

(1)采用大圆角V砧进行芯轴拔长时，大圆角V砧和空心钢锭下表面间的间隙减小，大圆角V砧的过渡圆角面使空心钢锭下表面材料的流动受阻，空心钢锭内部可获得更大的等效应变和更强大的静水压力，有利于压实焊合空心钢锭内部的缩孔疏松缺陷和促使材料发生完全动态再结晶形成细小的等轴晶。

(2)采用凸型V砧进行芯轴拔长时，凸型V砧的凸型圆角面能显著增大空心钢锭下表面层的变形和减小空心钢锭下表面层等效应变与其它位置等效应变的差距，极大提高单砧拔长的变形均匀性，有利于提高晶粒均匀程度。

(3)水轮机空心主轴等大型筒体锻件第一次芯轴拔长时，下V砧采用大圆角V砧能显著增强空心钢锭内部缩孔疏松的压实焊合效果和促使材料发生完全动态再结晶形成细小的等轴晶，可省去第一次镦粗工艺，从而能节省能源降低消耗。

(4)水轮机空心主轴等大型筒体锻件第二次芯轴拔长时，下V砧采用凸型V砧能极大地提高单砧拔长的变形均匀性，这有利于提高晶粒均匀程度。

附图说明

图1为本发明的一种新型V砧的横向剖面图；

图2为本发明的一种新型V砧的纵向剖面图；

图3为本发明的一种新型V砧的圆角V砧的横向剖面图；

图4为本发明的一种新型V砧的凸型V砧的横向剖面图。

图中，1—上平砧，2—下V砧，201—左斜面，202—右斜面，203—过渡圆角面，204—凸型圆角面，205—左过渡圆角面，206—右过渡圆角面，3—芯轴，4—空心钢锭。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

附图中，R为过渡圆角面203的半径，R₀为空心钢锭4的外径，R_c为凸型圆角面204的半径，r为左过渡圆角面205或右过渡圆角面206的半径，θ为左斜面201与右斜面202之间的夹角即砧角，W为砧宽。

如图1和2所示，新型V砧包括上平砧1、下V砧2和芯轴3，对空心钢锭4进行芯轴拔长的锻造工序。其中，本发明的下V砧2包括大圆角型V砧和凸型V砧两种类型。

如图3所示，本发明的大圆角型V砧，其工作面分别为左斜面201、右斜面202和过渡圆角面203。所述左斜面201与竖直方向的夹角、所述右斜面202与竖直方向的夹角相同，均为θ/2，θ为100-140°。过渡圆角面203的半径R满足0.8≤R/R₀≤1.2。过渡圆角面203能使V砧上方空心钢锭4的下表面的流动受阻，从而空心钢锭4的内部可获得更大的等效应变和更强大的静水压力，能有效消除空心钢锭内部的缩孔疏松和细化原始的粗大晶粒。

如图4所示，本发明的凸型V砧，其工作面分别为左斜面201、右斜面202、凸型圆角面204、左过渡圆角面205和右过渡圆角面206。所述左斜面201与竖直方向的夹角、所述右斜面202与竖直方向的夹角相同，均为θ/2，θ为100-140°。凸型圆角面204的半径R_c满足0.3≤R_c/R₀≤0.5。左过渡圆角面205的半径r及右过渡圆角面206的半径r均满足r＝0.1W，W为砧宽。凸型圆角面204能使空心钢锭4的内部和表面层均能获得较大的等效应变，提高拔长的变形均匀性，减少混晶发生，提高晶粒均匀程度。

本发明还提供了一种使用新型V砧的锻造方法，主要包括以下步骤：

一、使用上平下V砧对空心钢锭4进行芯轴拔长，下V砧2采用大圆角型V砧，砧角θ为100-140°，0.8≤R/R₀≤1.2，压下率为10％～25％，砧宽比为0.6-0.9，翻转角度为20-25°；完成10-20次拔长，每次均采用满砧进砧方式；

二、对空心钢锭进行倒棱、滚圆、镦粗处理，镦粗比为1.5-2.5；

三、使用上平下V砧对空心钢锭4进行芯轴拔长，下V砧2采用凸型V砧，砧角θ为100-140°，0.3≤R_c/R₀≤0.5，压下率为9％～15％，砧宽比为0.6-0.9，翻转角度为15-20°；完成15-25次拔长，每次均采用满砧进砧方式；

四、进行倒棱、滚圆处理，锻造出成品。

下面进行举例说明。某700MW级大型水轮机的空心主轴锻件，锻件外径4000mm，采用的空心钢锭尺寸为Φ3600mm×Φ1200mm×3600mm。

使用新型V砧的锻造方法步骤如下：

一、使用上平下V砧对空心钢锭进行芯轴拔长，下V砧2采用大圆角型V砧，砧角θ为120°，R/R₀＝1.0，压下率为15％，砧宽比为0.75，翻转角度为22.5°；完成16次拔长，每次均采用满砧进砧方式；

二、对空心钢锭进行倒棱、滚圆、镦粗处理，镦粗比为2；

三、使用上平下V砧对空心钢锭进行芯轴拔长，下V砧2采用凸型V砧，砧角θ为120°，R_c/R₀＝0.4，压下率为11％，砧宽比为0.75，翻转角度为17.14°；完成21次拔长，每次均采用满砧进砧方式；

四、进行倒棱、滚圆处理，锻造出成品。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。