超大油輪彎舵桿的鍛造技術探討

趙瑞忠 馬明方 楊觀強 王宗行

(上海重型機器廠有限公司，200245)

彎舵桿是將舵機動力傳遞到舵葉產生舵效的重要部件。隨著船舶噸位的日益增大, 彎舵桿的尺寸與重量也在增大，從而使該產品的鍛制難度顯著提高。我公司有多年生產大型彎舵桿的經驗，最近又成功鍛制出32萬噸級原油船用彎舵桿，其鍛件重量達100 t，這在國內尚屬首次。本文將對其鍛造及鍛后熱處理的工藝要點進行介紹。

1 技術要求

鍛件按DNV(挪威船級社)最新規范制造，需通過DNV船檢。

1.1 化學成分(質量分數，%)：C≤0.26，Si≤0.45，Mn 0.30～1.5，S≤0.035，P≤0.035，殘余元素Cu+Cr+Ni+Mo≤0.80。

1.2 力學性能：Re≥240 MPa，Rm≥480 MPa，A5≥22%，Z≥30%，沖擊AKV(0℃)≥27 J。

1.3 鍛造比：方法蘭≥1.5，軸身≥3。

1.4 超聲波探傷：按IACS.Rec.2000標準驗收。

2 鍛造工藝

2.1 鍛件圖及鍛件重量的確定

參考我公司臺階軸類自由鍛件機加工余量規范確定鍛造基礎余量a為80 mm±20 mm，在彎舵桿零件尺寸上加放鍛造余量n×a(n為系數)可以得到鍛件圖，見圖1。

圖1 彎舵桿鍛件圖Figure 1 The forging drawing of bend rudder stock

圖2 工藝參數及鍛件模擬圖Figure 2 The diagrammatic drawing for technological parameter of bend rudder stock forging

括號內為零件尺寸，系數n由彎舵桿的鍛造特點和難易程度確定。見圖2，考慮到鍛造中彎曲會產生拉薄現象，梯形扁方和方身d處n=1.5，同時彎舵桿的偏心較大(方法蘭與桿體中心距為1 810 mm)，故方法蘭高度b處n=2。

分別計算鍛件各部分重量并考慮鍛壓余塊重量，相加可以得到該鍛件重約100 t，選用170 t雙真空鋼錠，利用率59%，用165 MN油壓機鍛造。

2.2 彎曲角度α的計算

鍛件最終是彎曲成形，彎曲角度α，見圖2，是一個重要的工藝參數，關系著方法蘭加工余量的大小。文獻[1]中提出的α角計算公式為：

(1)

將圖1括號內相應數值代入式(1)，可得到α=19.2°。

經過我們分析并結合公司多年的生產彎舵桿的經驗，我們提出以鍛件尺寸計算α角更為貼合生產實際，我們采用的計算公式為：

(2)

相應數值代入式(2)，得到α=18.5°。兩種計算方法，在本例中得到的角度相差0.7°，圖2的P處(陰影部分)是按式(1)計算α角得到的鍛件圖中完全不必要的余塊，所以按式(1)計算α角的結果就是浪費材料、產生了大量的機加工工時，同時會造成方法蘭上下平面加工余量不均。

2.3 號印方坯尺寸計算

號印前方坯在方法蘭高度方向的尺寸H坯按式(3)計算：

H坯=E×cosα

(3)

寬度方向應考慮號印拉縮量，一般取臺階差的七分之一，其寬度B坯計算公式見式(4)：

(4)

相應數值代入式(3)及式(4)，得到H坯=1 930 mm，B坯=2 230 mm。

2.4 鍛造工藝過程及要點

彎舵桿鍛造工藝過程見表1。

在實際操作中，要注意以下幾點：

(1)鋼錠“T”肩部分含有先凝固的夾雜物，在鍛造彎舵桿時，在方法蘭部分形成薄層夾雜區，會對磁粉探傷等造成不良影響，所以在鍛造前一定要預先燒剝掉鋼錠的“T”肩。

(3)在生產中，拔制斜度及彎型是很難控制和測量的，所以要根據彎曲角度α制作斜度樣板，根據粗加工尺寸制作彎型樣板。拔制斜度時應經常比對斜度樣板，確保斜度與工藝相符；彎型完工時要比對彎型樣板，要盡可能避免彎度不夠或過大。

3 鍛后熱處理

3.1 常規鍛后熱處理

彎舵桿在常規鍛后熱處理后其方法蘭往往產生晶粒粗大且性能不合格的現象，其原因在于：

(1)在鍛造過程中，彎舵桿在鍛造過程中要多次加熱到1 220℃以上，而且常處于局部鍛造狀態，其方法蘭在奧氏體狀態下晶粒長大很快，重結晶過程不能理想的將這部分晶粒全部細化。

(2)常規鍛后熱處理工藝對冷卻速度重視不夠，產生的組織達不到高強度的要求。

3.2 工藝的改進

表1 鍛造工藝過程Table 1 The forging process

圖3 改進后的鍛后熱處理工藝Figure 1 The improved heat treatment process after forging

經過分析，我們認為在鍛后熱處理工藝中，應突出細化晶粒，以較快的冷卻速度促進重結晶。圖3為改進后的鍛后熱處理工藝，其中，我們增加了一次高溫奧氏體化，用來細化晶粒，同時，正火后以鼓風冷卻方式增加冷卻速度。

4 結論

鍛制方法蘭截面尺寸及偏心距較大的彎舵桿非常困難，文中提出以鍛件尺寸為基準計算彎曲角度α，這樣更貼合生產實際，可以解決彎舵桿方法蘭加工余量不均的問題。同時，對彎舵桿常規鍛后熱處理工藝進行調整，增加一次高溫奧氏體化用來細化粗大的晶粒，以滿足無損檢測及力學性能的要求。

我公司應用本文介紹的鍛壓及鍛后熱處理工藝鍛制32萬噸級原油船用彎舵桿，產品加工余量均勻、性能及探傷均合格，并順利通過了DNV船檢。

[1] 何靜.大方頭彎舵桿鍛造.大型鑄鍛件，1999(01)：36-39.

[2] 齊作玉.大鍛件鍛壓工藝參數化的研究.大型鑄鍛件，2010(01)：9-11，29.

[3] RULES FOR CLASSIFICATION OF DET NORSKE VERITAS，2006.01.

[4] 彭大暑主編.金屬塑性加工原理.湖南：中南大學出版社，2004.

[5] 鍛件生產新工藝、新技術與質量檢驗標準實用手冊.廣州：廣州音像出版社.2004.04.