大锻件锻造的新中心压实法
针对大型锻件锻造的特点，综合了普通平砧拔长和中心压实法的优点，提出了一种新的中心压实方法。此法只使锻坯上下表面强制冷却，建立一维不均匀温度场后，采用上下平砧锻造。模拟试验结果表明：新方法不仅在压实效果上达到或超过了中心压实法，而且能避免采用中心压实法时，操作过程复杂、锻件表面压伤、折叠等不足。
1、引言
至今，为了有效地锻合大型锻件内部的缺陷，已经提出了许多锻造方法。除采用镦粗和拔长的普通锻造方法外，还包括由中岛浩卫等提出的FM法，由馆野万吉等提出的中心压实，宽砧锻造等锻造方法。这些方法中的中心压实法，又称冷壳锻造法，或JTS法，对锻合锻件内部缺陷，已被证明是一种有效的锻造方法，且在锻造大型转子、汽轮机主轴等大锻件时常被采用。但其缺点是要在两个方向建立不均匀温度场，冷却工艺复杂，操作中间还要换上砧，压下量较大时，锻件断面几何形状不规则，锻件表面易被压伤、折叠，易产生轴线偏移等。针对上述问题，本文提出了一种新的中心压实法，即建立一种一维不均匀温度场，使得既能克服上述不足，又可保留不均匀温度场的有利效应，更好地实现中心压实效果。
2、新中心压实法工艺原理
普通平砧拔长，即采用上下平砧锻造，其工艺过程简单，但当砧宽比和压下量控制不当时，会产生轴向和横向拉应力，锻造效果差。
中心压实法，即对加热后的锻件四周进行强制喷水或喷雾冷却，建立二维不均匀温度场后，采用上小砧、下平台锻造，为避开变形抗力较大的外层金属，砧子宽度小于锻件宽度。这样锻造时变形基本上集中在心部，可在此处产生较大的静水压力，因而能起到较好的压实效果。但锻造时的小砧容易压伤锻件表面，继续锻造时易产生折叠，且因非对称变形，当锻件翻转90。继续实施中心压实时，会产生轴线偏移。
新中心压实法综合了上面两种工艺方法的特点，即锻件加热后只对其上下两个表面喷水(或雾)强制冷却时，使锻件仅在高度方向产生较大的温度差，然后用上下对称平砧进行拔长，工艺原理如图1所示。图中Ⅳ 为砧子宽度，H 为可能的变形区高度。
采用新中心压实法时，锻件上下两面因冷却而产生的两个硬层，拔长时基本不变形，因而能增大中层金属的变形程度，在相同压下率的情况下，与普通平砧拔长相比，相当于增大了压下率和砧宽比，起到了中心压实法的作用。与原中心压实法相比，由于采用上下对称平砧，且仅在一个方向建立不均匀温度场，冷却和锻造的操作过程简单，变形对称，不会出现轴线偏移，且能避免锻件表面因使用窄砧而出现的压伤、折叠等。
为验证新中心压实法的压实效果，进行了模拟试验研究，并与中心压实法进行了比较。
3、试验与分析
试验采用两种打中心孔方法模拟人工缺陷。一种是沿轴向在试件中心位置的孔，称为纵向孔；另一种是沿横向在试件中心位置的孔，称为横向孔。对带有两种缺陷的试件施以不同的锻造方法，比较其锻造效果。
3.1 纵向孔压实试验
试验材料为45号钢，试件尺寸为200mm×100mm×100mm，中心孔为Φ90mm，钻孔后焊死孔口。工具尺寸：平砧，宽40mm 小砧，75mm×40mm 平台。
将加热至1150℃的试件喷水冷却，中心压实法的试件四周冷却，新中心压实法的试件上下两面冷却。
为检验锻件的强制冷却效果，首先测定温度场，以确定合适的冷却时间。在试件截面各部位钻孔插进热电偶，记录其随时间变化的温度值。经实测得出试件冷却30s后温度场效果较好。图2为新中心压实法的试件冷却30s后测得的温度分布曲线。该图表明，试件冷却30s后，中心层金属温度仍保持在1100℃以上，表层温度已降至810℃，基本满足JTS法要求的温度梯度条件。
试件冷却30s后，对其分别实施中心压实法。若用A、A＇分别表示试件中心孔变形前后截面的面积，变形前孔的直径为D，假设变形后孔的形状近似为椭圆，长短轴尺寸分别为a、b，将A＇／A、a／D和b／D随压下率的变化绘成图3。图3表明，两种锻造方法均使孔洞双向收缩。在相同压下率的情况下，新中心压实法锻后的长轴比中心压实法略长，而短轴则比后者要短。但就缺陷孔面积减小的情况来看，新中心压实法优于中心压实法。
3.2 横向孔压实试验
试验采用45号钢，试件尺寸为100mm×50mm×50mm，中心孔为Φ3．7mm。工具尺寸：平砧，宽20mm；小砧，37.5mmX20mm 平台。
试件的加热温度、冷却方式与纵向孔试件相同。同样由温度测试结果，冷却时间定为20s(其温度场如图4所示)。
将冷却20s后的试件分别施以中心压实法和新中心压实法。把A＇／A、a／D和b／D随压下率的变化表示在图5上。
图5表明，新中心压实法对横向孔的闭合程度优于或接近中心压实法。
图6为采用中心压实法和新中心压实法时横向孔试件切片的部分照片。图7为采用中心压实法和新中心压实法时纵向孔试件切片的部分照片。
新中心压实法从纵向孔的压实情况看，优于中心压实法，横向孔的闭合程度也与中心压实法接近。在试验中还可以看到，当压下率较大时，采用中心压实法的锻件表面出现压伤、折叠现象，而新中心压实法则没有。4
结论
(1)新中心压实法压实效果接近或超过中心压实法。
(2)新中心压实法与中心压实法相比，冷却和锻造过程简便，锻件不易产生压伤、折叠等缺陷。
(3)可在一个方向实施新中心压实法后，翻转90。再次实施该种方法，对压实钢锭内的缺陷非常有利，且不会产生锻造偏心。
