光軸類大鍛件鍛造余量及其標(biāo)準(zhǔn)的研究

齊作玉

(外資企業(yè)獨(dú)立撰稿人，上海200240)

1 研究鍛造余量及其標(biāo)準(zhǔn)的目的和意義

為使零件具有一定的加工尺寸和表面光潔度，在零件外表面需要加工的部分，留下一層需要加工用的金屬，叫做機(jī)械加工余量。

水壓機(jī)上自由鍛件機(jī)械加工余量在許多情況下也叫鍛造余量。

鍛成鍛件的實(shí)際尺寸，不可能恰好精確達(dá)到鍛件的零件尺寸加上鍛造余量這個(gè)數(shù)值。為此，允許有一定限度的誤差，這個(gè)誤差叫做鍛造公差。鍛造公差的確定相對(duì)比較簡單，傳統(tǒng)上總是設(shè)定為三分之一的余量。為此，本文將不討論鍛造公差，只討論鍛造余量。

本文把圓軸、方軸和矩形截面類統(tǒng)稱為光軸類。光軸類的余量標(biāo)準(zhǔn)最值得重視，因?yàn)槠渌鞣N軸類，包括臺(tái)階軸的余量標(biāo)準(zhǔn)都是在光軸類余量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上得到的。為此，本文只討論光軸類鍛件的鍛造余量及其標(biāo)準(zhǔn)。

鍛造余量通常根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)確定。但是，標(biāo)準(zhǔn)只是在限定期內(nèi)應(yīng)當(dāng)遵守的尺度和規(guī)矩，它不是一成不變的。企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)也需要根據(jù)企業(yè)和行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、企業(yè)和社會(huì)的節(jié)能降耗目標(biāo)而不斷發(fā)展、變化和更新。

文獻(xiàn)[1]提出了我國大鍛件生產(chǎn)行業(yè)比起國際先進(jìn)水平生產(chǎn)還不夠精益的問題。事實(shí)上，市場經(jīng)濟(jì)帶來了越來越激烈的企業(yè)競爭，企業(yè)只有不斷推行精益生產(chǎn)、降低運(yùn)營成本才能使自己立于不敗之地。另一方面，不可再生能源的日益減少和自然環(huán)境的不斷惡化，正在給全人類生存帶來威脅。為此，企業(yè)承擔(dān)社會(huì)責(zé)任、進(jìn)一步節(jié)能減排既是國家和政府的要求，也是企業(yè)對(duì)社會(huì)義不容辭的責(zé)任。

對(duì)于鍛造企業(yè)來講，減少鍛件的肥頭大耳，使鍛造余量盡可能的小，也就是節(jié)約材料、節(jié)能降耗的重要內(nèi)容和任務(wù)。工藝人員精確計(jì)算、選擇盡可能小的余量來設(shè)計(jì)鍛件圖，鍛造操作人員選擇下偏差來減少后面不必要的機(jī)加工量等等，這些無疑都是對(duì)節(jié)約材料、節(jié)能降耗作出的貢獻(xiàn)。但這些只是對(duì)特殊的事例和局部的范圍所作出的貢獻(xiàn)。要想廣泛、普遍和長期有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)約材料、節(jié)能降耗，企業(yè)必須不斷改進(jìn)和提高鍛造余量標(biāo)準(zhǔn)的水平。

為此，研究鍛造余量及其標(biāo)準(zhǔn)的主要目的和意義在于：(1)在保證機(jī)械加工尺寸和表面光潔度的的條件下進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)材；(2)改進(jìn)和提高鍛造余量確定方法的標(biāo)準(zhǔn)化、效率和可靠度。

2 傳統(tǒng)鍛造余量確定的標(biāo)準(zhǔn)

目前，所見到的水壓機(jī)上自由鍛件鍛造余量的確定標(biāo)準(zhǔn)主要有兩種：

2.1 坐標(biāo)曲線[2]

這種標(biāo)準(zhǔn)是，在橫坐標(biāo)為零件長度或高度、縱坐標(biāo)為零件直徑或其它尺寸的坐標(biāo)圖上，根據(jù)每個(gè)可控制的基本余量值，畫出所適合的尺寸(長度和直徑，或高度和另一尺寸)的范圍曲線。即兩軸是零件尺寸，中間是基本余量曲線。

應(yīng)用時(shí)，按橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的交叉點(diǎn)上找到所對(duì)應(yīng)曲線，查出基本鍛造余量。

該標(biāo)準(zhǔn)直觀、簡便。但不便繪制并難以直接實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

2.2 數(shù)據(jù)表格

這是比較常見的兩維數(shù)據(jù)表，通過兩個(gè)尺寸(長度和直徑，或高度和另一尺寸)來查出基本鍛造余量。

該標(biāo)準(zhǔn)容易讀取，表格容易制作。容易直接利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較計(jì)算和查表。目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也是按此方法。

以上兩種標(biāo)準(zhǔn)的共同缺點(diǎn)是為了簡便表達(dá)而使得基本余量有不合理的跳躍。比如，有時(shí)在劃分點(diǎn)上，當(dāng)長度或直徑中的任何一個(gè)數(shù)值只增加了1 mm，而按照表格的基本余量就需要增加5 mm。就是說，大鍛件上基本尺寸有1 mm的變化，就導(dǎo)致了基本余量5 mm的增加，偏差近達(dá)10%的總基本余量數(shù)值，這顯然不合理。又比如，對(duì)于兩種尺寸相差巨大的鍛件，長度相差達(dá)4 000 mm，直徑相差500 mm，竟然還會(huì)出現(xiàn)查出兩者的余量完全相等。這也明顯不太合理。解決這些不合理問題需要對(duì)余量標(biāo)準(zhǔn)作進(jìn)一步的改進(jìn)。

3 余量標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

余量太小難以保證鍛件的機(jī)加工尺寸和表面光潔度，余量太大則浪費(fèi)金屬材料和增加加工成本。為此，精確確定最佳余量是很有必要的。然而，通常余量的確定是按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要想改進(jìn)余量就需要改進(jìn)余量的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

雖然通常余量的確定是按企業(yè)余量標(biāo)準(zhǔn)，但從根本上講，余量標(biāo)準(zhǔn)還是來自可行的實(shí)踐中的余量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表面上余量標(biāo)準(zhǔn)上只含有鍛件尺寸和形狀影響，現(xiàn)行我國最新行業(yè)余量標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 9179.2—1999水壓機(jī)上自由鍛件機(jī)械加工余量與公差也只是增加了設(shè)備影響，但從原理上講，最佳鍛造余量的實(shí)際控制主要取決于五大因素：操作者、設(shè)備、工藝、工具和材料。為此，改進(jìn)鍛造余量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該是根據(jù)這五大因素得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的結(jié)果。當(dāng)然，許多情況下，標(biāo)準(zhǔn)需要借鑒和照搬，因?yàn)檫@樣處理比較安全和保險(xiǎn)。

上重廠1992年以前一直使用70年代的標(biāo)準(zhǔn)。1992年后的鍛造余量標(biāo)準(zhǔn)基本上參照了國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB J32 003.2—1988水壓機(jī)上自由鍛件機(jī)械加工余量與公差。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比原來使用的標(biāo)準(zhǔn)變化不小。對(duì)于光軸類鍛件，新標(biāo)準(zhǔn)的劃分刻度密度比原來增加了，這更加合理。另一方面，它比原來的上重內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)簡化了取值條件。即將原來長度小于等于4 000 mm時(shí)取兩倍基本余量，而長度大于4 000 mm時(shí)取三倍基本余量，統(tǒng)一改為取三倍基本余量。筆者拿具體鍛件，用新老標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大量試算后發(fā)現(xiàn)，新標(biāo)準(zhǔn)里小型鍛件的實(shí)際長度余量被放大了，比如?200 mm × 2 500 mm的余量增加了65%。而大型鍛件的實(shí)際長度余量被縮小了，比如?800 mm × 6 300 mm的余量減小了11%。盡管該標(biāo)準(zhǔn)還存在著問題，但這是十多年來企業(yè)的一次標(biāo)準(zhǔn)化改進(jìn)和更新，仍然是企業(yè)進(jìn)步的重要表現(xiàn)。

專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB J32 003.2—1988后來被改進(jìn)為現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9179.2—1999。這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)雖然保持了舊標(biāo)準(zhǔn)上的基本余量不變，但它又重新考慮了鍛件尺寸和設(shè)備大小對(duì)實(shí)際長度余量的影響，分別用1，1.2，1.5三個(gè)系數(shù)來計(jì)算。它改進(jìn)并細(xì)化了長度余量系數(shù)的確定，并增加了按水壓機(jī)噸位分檔次確定來轉(zhuǎn)換修正大尺寸的影響。與1992年前上重使用的余量標(biāo)準(zhǔn)相比，它是螺旋式的上升，該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)鍛造余量標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)化的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。

企業(yè)要發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)是需要不斷改進(jìn)和發(fā)展的。

具體改進(jìn)余量及其標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)當(dāng)由工藝人員提出，與鍛造操作人員、機(jī)械加工人員和檢驗(yàn)人員共同確定。還應(yīng)對(duì)理論方法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和歸納。

隨著(1)鍛造高級(jí)技術(shù)工人的培養(yǎng)和技能提高(操作者)；(2)水壓機(jī)移動(dòng)橫梁精確定位控制水平的提高(設(shè)備)；(3)先進(jìn)的尺寸成形工藝和控制原理更加成熟(工藝)；(4)鍛造操作機(jī)及先進(jìn)尺寸測量儀器和定位裝置的使用(工具)；(5)充分認(rèn)識(shí)了鍛造材料最后成形尺寸大小的影響、材料自身尺寸的變化規(guī)律和材料機(jī)械加工的屬性(材料)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用等等，我認(rèn)為未來企業(yè)內(nèi)部鍛造余量標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢應(yīng)當(dāng)是：

參數(shù)化：用公式或函數(shù)表達(dá)式來表示余量標(biāo)準(zhǔn)，這將更加精確合理，還可以解決傳統(tǒng)余量的不合理的跳躍問題。

精細(xì)化：劃分更多的鍛件刻度和余量變化值，考慮更多的余量控制影響因素、用更多更細(xì)的數(shù)據(jù)表格來表示，這將有利于精確控制余量和實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)材。

系統(tǒng)化：開發(fā)建立鍛造余量的管理系統(tǒng)，只要根據(jù)研究成果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整部分余量，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就能自動(dòng)完成曲線擬合與參數(shù)化的工作，形成周期動(dòng)態(tài)新標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)還會(huì)將最終鍛件尺寸測量結(jié)果，機(jī)加工的最后結(jié)果進(jìn)行反饋，形成統(tǒng)計(jì)報(bào)告和人工智能的決策報(bào)告，循環(huán)建立和運(yùn)行動(dòng)態(tài)的鍛造余量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化。

4 新的參數(shù)化余量確定方法

文獻(xiàn)[3]曾提出了大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的方法，這種方法具有工藝標(biāo)準(zhǔn)化的作用，還是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)生產(chǎn)管理信息化的基礎(chǔ)。

根據(jù)大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的方法，按照現(xiàn)有的坐標(biāo)曲線法或數(shù)據(jù)表格法或成熟的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出鍛造余量確定的參數(shù)化公式。

例如，根據(jù)國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB J32 003.2—1988或者國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9179.2—1999，可以推導(dǎo)出光軸類鍛件的基本余量公式。

(1)矩形截面軸

T=(A-160) × 0.017 341+(L-1 600)×0.001 340+20

(1)

式中，T為基本余量，A為矩形截面軸的寬度或高度，L為軸長度。所有尺寸單位為mm。

根據(jù)ZB J32 003.2—1988，當(dāng)方軸細(xì)長比L/A≤15時(shí)，實(shí)際截面上的單面鍛造余量為0.5T，實(shí)際軸向單面鍛造余量為1.5T。當(dāng)方軸細(xì)長比L/A>15時(shí)，實(shí)際截面上的單面鍛造余量為0.6T，其它不變。

根據(jù)JB/T 9179.2—1999，當(dāng)細(xì)長比(L/A)等于或大于15 時(shí)，截面上的單面余量取0.6a，大于30 時(shí)取0.8a。上、下偏差相應(yīng)放大。長度余量系數(shù)的確定按不同噸位分別取1，1.2，1.5。

(2)圓軸

T=(D-160)×0.017 341+(L-1 600)×0.001 340+20

(2)

式中，T為基本余量，D為圓軸的直徑，L為軸長度。所有尺寸單位均為mm。

根據(jù)ZB J32 003.2—1988，實(shí)際截面上的單面鍛造余量為0.5T，實(shí)際軸向單面鍛造余量為1.5T。

根據(jù)JB/T 9179.2—1999，當(dāng)細(xì)長比(L/D)等于或大于15 時(shí)，截面上的單面余量取0.6a，大于30 時(shí)取0.8a。上、下偏差相應(yīng)放大。長度余量系數(shù)的確定按不同噸位分別取1，1.2，1.5。

將上述公式用國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB J32 003.2—1988或者國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9179.2—1999給出的所有零件長度尺寸和零件截面尺寸進(jìn)行計(jì)算，然后與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果是：單向放大基本余量的最大值發(fā)生在截面尺寸?160 mm×1 000 mm處，放大20%；單向縮小基本余量的最大值發(fā)生在截面尺寸?1 250 mm × 12 500 mm 處，縮小10%。當(dāng)然，如果計(jì)算實(shí)際長度余量，按比例與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較，最大放大誤差還是20%，最大縮小誤差還是10%。但若與上重1992年前使用的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)相比，發(fā)生在截面尺寸?160 mm×1 000 mm 處的誤差僅為5%，而且是縮小。為此，總體誤差不大，完全可以認(rèn)為，這種方法得出的結(jié)果是可以直接在實(shí)踐中使用的，其結(jié)果還可方便地用于計(jì)算機(jī)輔助大鍛件鍛造工藝的設(shè)計(jì)。

式(1)、(2)只是根據(jù)國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZB J32 003.2—1988或者國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9179.2—1999的數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性計(jì)算和數(shù)學(xué)線性疊加求出的。如果采用實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再加以進(jìn)一步研究，比如用更加精確的數(shù)值方法中的曲線擬合方法，得出的結(jié)果將會(huì)更加可靠和準(zhǔn)確。

[1] 齊作玉.大鍛件生產(chǎn)企業(yè)面臨的問題與挑戰(zhàn).大型鑄鍛件，2009(6)：36-39.

[2] 鍛工手冊編寫組編.鍛工手冊：第四分冊 自由鍛造.1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

[3] 齊作玉.大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的研究.大型鑄鍛件，2010(1)：9-29.