大型輥身鍛件（如軋輥、支撐輥等）是冶金、礦山裝備中的關(guān)鍵部件，其服役環(huán)境苛刻（高溫、高載荷、強(qiáng)磨損），對(duì)內(nèi)部組織均勻性、力學(xué)性能及殘余應(yīng)力分布要求極高。多向鍛造工藝（Multi-Directional Forging, MDF）通過(guò)多軸交替變形改善材料各向異性、細(xì)化晶粒并降低殘余應(yīng)力，是實(shí)現(xiàn)高性能輥身制造的先進(jìn)技術(shù)。以下從工藝設(shè)計(jì)、殘余應(yīng)力控制方法及工業(yè)應(yīng)用展開(kāi)分析：

一、大型輥身鍛件多向鍛造工藝設(shè)計(jì)

1. 材料選擇與變形特性

基材優(yōu)化：輥身常用材料為高鉻鋼（如MC3、ICDP）或高速鋼（HSM），需通過(guò)熱壓縮試驗(yàn)測(cè)定其高溫流變行為，確定動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界條件（如MC3鋼在1050℃、應(yīng)變速率0.1s?1時(shí)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)＞90%）。

多向變形路徑：采用“鐓粗-拔長(zhǎng)-扭轉(zhuǎn)”復(fù)合工藝，通過(guò)改變主變形方向（如X/Y/Z軸交替變形），破碎粗大枝晶，提升等軸晶比例至85%以上。

2. 多向鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化

溫度控制：

加熱階段：多段梯度加熱（650℃×2h + 850℃×2h + 1150℃×3h），避免熱應(yīng)力裂紋。

鍛造溫度：始鍛溫度1100~1150℃，終鍛溫度≥850℃，每火次變形量控制在30%~50%。

應(yīng)變速率與變形路徑：

高應(yīng)變速率（1~5s?1）促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，低應(yīng)變速率（0.01~0.1s?1）減少變形抗力，交替使用以實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化（目標(biāo)晶粒度ASTM 7~8級(jí)）。

變形路徑設(shè)計(jì)：采用“3D十字交叉”變形（如X→Y→Z軸向交替拔長(zhǎng)），消除單向變形導(dǎo)致的帶狀組織。

3. 工裝與設(shè)備要求

模具設(shè)計(jì)：

多向鍛造專(zhuān)用模具需具備快速換向功能，模腔表面噴涂BN基潤(rùn)滑劑（摩擦系數(shù)≤0.15）。

針對(duì)大型輥身（直徑＞800mm），采用預(yù)應(yīng)力組合模具（內(nèi)圈H13鋼+外圈45CrNiMoVA），抗拉強(qiáng)度≥1500MPa。

重型壓機(jī)配置：

需配備多向模鍛壓機(jī)（如4萬(wàn)噸級(jí)），具備三向獨(dú)立加壓能力（X/Y/Z軸壓力偏差≤5%）。

二、殘余應(yīng)力控制關(guān)鍵技術(shù)

1. 殘余應(yīng)力形成機(jī)制

熱應(yīng)力：鍛后冷卻過(guò)程中表面與心部溫差導(dǎo)致非均勻收縮（如空冷溫差可達(dá)200℃）。

組織應(yīng)力：奧氏體→馬氏體相變引起的體積膨脹差異（如高鉻鋼相變膨脹率約4%）。

機(jī)械應(yīng)力：多向變形不均勻性導(dǎo)致的局部塑性應(yīng)變梯度。

2. 工藝優(yōu)化降低殘余應(yīng)力

均勻化變形設(shè)計(jì)：

通過(guò)有限元模擬（如QForm）優(yōu)化變形路徑，使等效塑性應(yīng)變分布均勻（方差≤0.05）。

對(duì)輥身端部與中部實(shí)施差異變形（中部變形量增加10%~15%），補(bǔ)償心部冷卻滯后效應(yīng)。

控溫控冷技術(shù)：

鍛后階梯冷卻：先噴霧冷卻至650℃（冷卻速率30℃/min），再爐冷至300℃（冷卻速率5℃/min），降低熱應(yīng)力峰值。

同步感應(yīng)加熱：在冷卻過(guò)程中對(duì)高殘余應(yīng)力區(qū)域（如輥頸）施加局部加熱（300~400℃），實(shí)現(xiàn)應(yīng)力松馳。

3. 后處理消減殘余應(yīng)力

振動(dòng)時(shí)效處理：

采用高頻振動(dòng)（頻率150~200Hz，加速度10~15g）處理4~6小時(shí)，使殘余應(yīng)力降低30%~50%。

深冷處理：

將鍛件浸入液氮（-196℃）保持12~24小時(shí)，通過(guò)超低溫相變細(xì)化殘余奧氏體，均勻化應(yīng)力分布。

機(jī)械應(yīng)力松弛：

對(duì)輥身表面進(jìn)行滾壓強(qiáng)化（滾壓力200~300kN），引入表面壓應(yīng)力（-200~-300MPa），抵消內(nèi)部拉應(yīng)力。

三、典型應(yīng)用案例

案例：某鋼廠支撐輥（材質(zhì)MC5，直徑Φ1200mm，長(zhǎng)度5000mm）

問(wèn)題：傳統(tǒng)單向鍛造后輥身心部殘余拉應(yīng)力達(dá)350MPa，服役中發(fā)生斷裂。

多向鍛造優(yōu)化方案：

工藝調(diào)整：

采用“鐓粗-徑向擠壓-軸向拔長(zhǎng)”三向變形，每火次變形量40%。

終鍛階段施加反向扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)角15°），破碎心部粗大碳化物。

控冷策略：

鍛后先噴霧冷卻至700℃，再以10℃/h緩冷至室溫，配合輥身中部感應(yīng)加熱（400℃×2h）。

后處理：

振動(dòng)時(shí)效（180Hz×5h）+深冷處理（-196℃×18h）。

效果：

殘余應(yīng)力峰值從350MPa降至120MPa，分布均勻性提升60%。

輥身硬度梯度由±3HRC優(yōu)化至±1HRC，服役壽命從6個(gè)月延長(zhǎng)至18個(gè)月。

四、前沿技術(shù)方向

多物理場(chǎng)耦合仿真

基于晶體塑性有限元（CPFEM）與相場(chǎng)模型，預(yù)測(cè)多向鍛造過(guò)程中組織演變與殘余應(yīng)力的交互作用，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)智能推薦。

在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)與調(diào)控

集成中子衍射應(yīng)力儀與紅外熱像儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍛件內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)，通過(guò)AI算法動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻速率與變形路徑。

增材復(fù)合制造

采用激光熔覆在輥身表面制備梯度材料（如WC-Co/Ni基合金），結(jié)合多向鍛造實(shí)現(xiàn)“內(nèi)韌外硬”結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力降低40%。

五、總結(jié)

大型輥身鍛件的多向鍛造工藝與殘余應(yīng)力控制需以均勻塑性變形為核心，山西永鑫生鍛造廠通過(guò)多軸交替變形、精準(zhǔn)控溫控冷及先進(jìn)后處理技術(shù)協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)組織細(xì)化與應(yīng)力均衡。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)將聚焦于數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)-在線監(jiān)測(cè)-智能調(diào)控的全鏈條閉環(huán)控制，推動(dòng)高端輥身鍛件向高可靠性、長(zhǎng)壽命方向升級(jí)。