風機空心主軸鍛造工藝研究

王景臣 趙凱兵

(中國一重集團有限公司，黑龍江161042)

風機主軸作為大型風電機組的主要部件，其主要負責承受扭矩作用，對其性能要求很高。風機軸的尺寸越來越大，對鍛造工藝要求越來越高，需要合適的水壓機載荷和工輔具，生產(chǎn)難度較大。

近期，我公司承制了某風機空心主軸，材質(zhì)為34CrNiMo6，法蘭直徑?2242 mm，長度1442.5 mm，內(nèi)孔呈階梯孔，凈重10.886 t，主軸加工圖見圖1，性能要求見表1。按EN 10228-3:1998進行超聲檢測，質(zhì)量等級達到3級。由于法蘭直徑大且總長度短(法蘭直徑/長度=1.55)，法蘭成形難度較大，同時影響鍛件材料收得率?？紤]產(chǎn)品批量較大，鍛造工藝需盡可能減少鍛造火次來減少鍛造成本。如果考慮模鍛或沖形方案，模擬所需鍛造壓力較大且操作復雜，不易批量化組織生產(chǎn)。

表1 主軸性能要求Table1 Spindle performance requirements

1 初步鍛造方案

該空心主軸難點在于法蘭直徑較大且長度短，不易鍛造到成品尺寸，考慮模鍛利用專用沖頭，漲出中間直段同時連帶增大法蘭直徑，此方案模擬效果不理想，存在漲形風險，不能確定實際漲形量能否達到模擬值。采用一錠出兩件，法蘭在兩端，長主軸芯棒拔長出成品，氣割成兩件，但此方法操作水平要求高且法蘭易變形。

圖1 主軸加工圖Figure 1 Spindle machining diagram

圖2 鍛件圖Figure 2 Forging diagram

最終確定用胎膜先將法蘭鐓粗到成品尺寸再采用沖孔、芯棒拔長的方式，經(jīng)過核算鍛件毛坯重18.73 t，鍛件圖見圖2，鍛造初步方案采用29 t鋼錠，鍛造工序：接錠切水口棄料→壓鉗口、鐓粗拔長、氣割鉗把→預鐓粗(高壓風管吹掃外圓鐵皮)、閉式胎膜成形、鐓粗法蘭出成品→從法蘭端面放置?600 mm空心沖子沖孔、清毛刺→?580 mm芯棒拔長出成品，四火次鍛造完成。

2 試制過程出現(xiàn)的問題

試制過程中出現(xiàn)如下問題：

(1)采用閉式胎膜成形法蘭(見圖3)，60 MN水壓機鐓粗開邊，法蘭下部充不滿，當法蘭鼓肚接觸到胎膜凸臺時，法蘭邊緣溫度下降比較快且胎膜凸臺對法蘭有束縛，最終導致法蘭下部充不滿，同時為了使法蘭下部充滿，反復開邊法蘭導致法蘭端面凹凸不平，影響鍛件尺寸，坯料利用率難以提升，同時生產(chǎn)效率比較低，增加了鍛造火次。

(2)法蘭端面進行沖孔，引起法蘭拉延變形，需增加修形工序，沖孔后小頭端毛刺需及時清理，清理毛刺后才可用芯棒拔長，增加了鍛造火次。

3 鍛造方案改進

通過研究，對風機主軸鍛造方案進行改進：

(1)閉式胎膜成形法蘭改為開式胎膜成形法蘭(見圖4)，即將閉式胎膜上方凸臺氣割掉，法蘭在鐓粗開邊成形時沒有束縛，在高溫下法蘭快速成形且表面質(zhì)量好。

圖3 最初法蘭成形方案Figure 3 Initial forming scheme of flange

圖4 改進后的法蘭成形方案Figure 4 Improved forming scheme of flange

(2)法蘭成形后，從水口端(小頭端)放置沖子進行沖孔，避免法蘭端面沖孔引起法蘭拉延變形而需增加修形工序的問題。

(3)選用28 t大下注錠，投制?600 mm實心沖子，減少沖脫重量，每個鍛件可節(jié)省鋼水1 t。根據(jù)下注錠鍛實心件質(zhì)量情況，后期全面推廣全錠身下料(不切除錠身水口棄料)，鋼錠減小到27 t。

(4)沖孔改為從水口端沖孔，沖孔毛刺不影響軸頸芯棒拔長，胎膜成形法蘭到軸頸拔長合并為一火次。鍛造火次由四火次壓減為兩火次出成品。鍛造周期長，加熱次數(shù)多，往往在鍛造之后內(nèi)部晶粒十分粗大而且很不均勻，鍛造火次減少解決了鍛后熱處理后晶粒度不合格的質(zhì)量風險。

改進后鍛造工藝流程：接錠切水口棄料→壓鉗口、鐓粗、拔長、氣割下料→胎膜鐓粗出法蘭、?600 mm實心沖子沖孔、芯棒拔長出軸頸，兩火次鍛造出成品。鍛造全流程在60 MN水壓機上實現(xiàn)鍛造。

4 實際生產(chǎn)中的操作改進

根據(jù)優(yōu)化后的工藝進行生產(chǎn)，約95%鍛件兩火次出成品，少數(shù)三火次出成品。通過實際交檢發(fā)現(xiàn)交檢合格率較高，但是優(yōu)級品率較低，經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)鍛件主要存在法蘭端面有折傷，法蘭與細桿不同心，通過查詢記錄發(fā)現(xiàn)存在50～110 mm偏心，小頭端出現(xiàn)長短面等問題。為進一步提升空心主軸鍛件整體質(zhì)量，提高優(yōu)級品率，根據(jù)實際生產(chǎn)情況對生產(chǎn)操作進行了改進。

優(yōu)化措施：

(1)鍛造過程主要注意鍛件表面鐵皮的清理，法蘭開邊時，嚴格控制壓下量和兩錘搭接量，來提高法蘭表面質(zhì)量。

(2)沖孔時沖子需水口端居中，盡量選用爐溫較好的加熱爐進行加熱，改善偏心情況，法蘭可進行米字形布砧，避免法蘭不圓，影響與軸徑同心度。

(3)減少Ⅱ、Ⅲ部直徑余量，尤其Ⅲ部直徑余量，如果滿足長度及時氣割。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，修改鐓粗胎膜形狀，由法蘭端沖孔改為從小頭端沖孔，工藝方案優(yōu)化后,空心主軸每件至少節(jié)省一火次，降低能耗，提高鋼錠利用率2%以上，生產(chǎn)效率提升30%，生產(chǎn)操作改進后，鍛件表面質(zhì)量顯著提升，提高了優(yōu)級品率，鍛件成品各部尺寸余量合理，無因尺寸問題導致的返修件。