大型自由鍛非自由化的研究方向

呂亞臣 任運(yùn)來 齊作玉

(上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200240)

1 大型自由鍛的概念和特征

自由鍛的概念是針對(duì)模鍛而言的。模鍛指的是在鍛壓設(shè)備壓力作用下，毛坯在鍛模形槽中被迫塑性成形的金屬塑性成形方法；而自由鍛則指的是在鍛壓設(shè)備壓力作用下，毛坯部分表面與工具相接觸、變形比較自由的金屬塑性成形方法。

通常情況下，模鍛與自由鍛的特點(diǎn)有顯著差異，具體見表1。

表1 模鍛與自由鍛的特點(diǎn)比較Table 1 The comparison between die forging and open forging

大型鍛件的特點(diǎn)是鍛件的體積大，重量重，其訂單需求和生產(chǎn)數(shù)量上通常是單件小批量。因此，根據(jù)成形方法的主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，大型鍛件的鍛造通常是采用自由鍛。

自由鍛，尤其是大型自由鍛，其自由的概念除了變形比較自由外，其自由的含義在實(shí)際生產(chǎn)中也常常被潛移默化的放大了。由于人的天性是向往“自由”，鍛造工藝的靈活性和生產(chǎn)操作的個(gè)性化也就成了許多人認(rèn)為是理所當(dāng)然和天經(jīng)地義的“自由”。這種“自由”給我們帶來了便利，同時(shí)也帶來了問題。

2 大型自由鍛考慮非自由化的意義

2.1 解決大型自由鍛所面臨的問題

目前我國的大型自由鍛液壓機(jī)數(shù)量已居世界首位，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)100 MN級(jí)液壓機(jī)已經(jīng)達(dá)到16臺(tái)。從我國整個(gè)大鍛件生產(chǎn)行業(yè)來看，存在著高端能力不足、低端能力過剩、整個(gè)行業(yè)生產(chǎn)能力不平衡的問題。在這樣的環(huán)境下，只有提高大鍛件的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量、降低大鍛件和生產(chǎn)成本，才能提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

另一方面，大鍛件生產(chǎn)企業(yè)都是耗能大戶，面對(duì)炭排放對(duì)人類生存空間造成的嚴(yán)重危害，我們有責(zé)任盡一切可能節(jié)能降耗。

為此，本文提出了大型自由鍛非自由化的必要性，也指出了大型自由鍛非自由化的研究方向。

2.2 自由鍛非自由化的含義

本文提出自由鍛非自由化的含義主要有兩層：

(1)研究和應(yīng)用自由鍛塑性成形的非自由化，以便提高材料利用率和鍛件質(zhì)量

有資料表明[1]，100 MN級(jí)模鍛水壓機(jī)只能模鍛幾百公斤重的鍛件，而100 MN級(jí)自由鍛水壓機(jī)則能鍛造重達(dá)幾百噸的大型鍛件。提高模鍛壓機(jī)的設(shè)備能力肯定可以提高模鍛件的重量，但直接把現(xiàn)有的大型自由鍛生產(chǎn)完全轉(zhuǎn)化為模鍛生產(chǎn)是不可能的。我們有必要研究各種塑性成形中非自由化的模鍛和精密塑性成形方法并在自由鍛秤中加以適當(dāng)引用，以達(dá)到提高材料利用率和提高鍛件質(zhì)量的目的。

模鍛可以按鍛壓設(shè)備、工藝工序和鍛模形槽特點(diǎn)分類。若按鍛模形槽特點(diǎn)分類，則主要有開式模鍛和閉式模鍛。開式模鍛要形成飛邊，而閉式模鍛正常情況下不產(chǎn)生飛邊。開式模鍛鍛造過程中，飛邊橋口部分的阻力是逐漸增大的，這種阻力是保證金屬充滿模腔所必需的。閉式模鍛比開式模鍛有兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)是不產(chǎn)生飛邊，節(jié)約材料；另一個(gè)是所需的變形力和變形功低，約為開式模鍛的30%～50%。前面所說的100 MN級(jí)模鍛水壓機(jī)只能模鍛幾百公斤重的鍛件，這種情況下的模鍛通常指的是開式模鍛。

另外還有一種胎模鍛。胎膜鍛所需的變形力和變形功比開式模鍛低，通常也不會(huì)高于閉式模鍛。胎膜鍛應(yīng)該是大型自由鍛非自由化的一個(gè)重要研究內(nèi)容。

還有許多成熟的特殊或?qū)Ｓ缅懺旃に嚕缇苠懺?、頂鐓工藝、擠壓、輥軋、徑向鍛造、電加熱鐓粗、曲軸彎曲鍛模工藝(全纖維鍛造)、多向模鍛等，也都各有特色，值得大型自由鍛行業(yè)研究、學(xué)習(xí)、借鑒和發(fā)展。

我們研究自由鍛非自由化成形的目的就是在現(xiàn)有自由鍛設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究借鑒各種鍛造方法，開創(chuàng)出新的方法，以便克服或減少自由鍛的一些缺點(diǎn)。

(2)研究和實(shí)施自由鍛工藝細(xì)節(jié)的非自由化，以便減少大鍛件質(zhì)量波動(dòng)和質(zhì)量失控

大型自由鍛的工藝靈活性在許多情況下屬于工藝上的粗糙和隨心所欲。同種鍛件的生產(chǎn)工藝過程和細(xì)節(jié)常常是因人而異或大相徑庭。其結(jié)果是，在許多情況下，人們不能確切知道大鍛件的質(zhì)量好是怎么好的，壞是怎么壞的。許多大鍛件的質(zhì)量也相當(dāng)不穩(wěn)定。為了解決這些問題，本文提出研究和實(shí)施自由鍛工藝細(xì)節(jié)的非自由化。

自由鍛工藝細(xì)節(jié)的非自由化含義也就是工藝細(xì)化和工藝標(biāo)準(zhǔn)化(標(biāo)準(zhǔn)化的含義包括系統(tǒng)化和最優(yōu)化)。只有有了細(xì)化和標(biāo)準(zhǔn)化的工藝，才能評(píng)定、改進(jìn)和穩(wěn)定工藝，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制大鍛件產(chǎn)品的質(zhì)量，減少質(zhì)量的波動(dòng)和失控。因此，研究和實(shí)施自由鍛工藝細(xì)節(jié)的非自由化之主要目的，就是減少大鍛件質(zhì)量波動(dòng)和防止大鍛件的質(zhì)量失控。

3 大型自由鍛非自由化的可能性

3.1 大型自由鍛成形非自由化的可能性

首先是核電、化工和船用等異形大鍛件的不斷涌現(xiàn)和市場(chǎng)需求數(shù)量的穩(wěn)定增加，使得通過大型自由鍛非自由化來提高鍛件質(zhì)量和降低鍛件成本有了更大的必要性和驅(qū)動(dòng)力。

其次，大型自由鍛設(shè)備數(shù)量的增加和設(shè)備能力的加大，也為鍛造上實(shí)現(xiàn)非自由化提供了可能的條件。設(shè)備控制精度的提高還為成形非自由化提供了成形控制的有利條件。

再者，國內(nèi)外鍛造方面涌現(xiàn)出一些成熟的技術(shù)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，大鍛件行業(yè)原始胎膜鍛技術(shù)的應(yīng)用、積累和發(fā)展等，也為自由鍛成形非自由化的開展奠定了一定基礎(chǔ)。

3.2 曲軸成功案例的啟迪

(1)波蘭全纖維曲軸TR鐓鍛法[2]

該方法是20世紀(jì)50年代在波蘭最先研究成功的一種曲軸彎曲鐓鍛裝置和方法。其原理是通過肘桿機(jī)構(gòu)，把壓機(jī)的壓力分解成垂直彎曲力和比例增加的水平鐓粗力，一次成形一拐，從而鍛造出整個(gè)曲軸。這種裝置可以用于包括自由鍛液壓機(jī)在內(nèi)的多種壓機(jī)上。這種方法比以前的自由鍛方法有材料省、質(zhì)量高、廢品少、生產(chǎn)率高和勞動(dòng)強(qiáng)度低等顯著優(yōu)點(diǎn)。

(2)天津康庫得全纖維曲軸NTR鐓鍛法

天津市康庫得機(jī)電技術(shù)有限公司在TR法的機(jī)構(gòu)原理上，自己研究設(shè)計(jì)和制造了專用曲軸的彎曲鐓鍛機(jī)和機(jī)構(gòu)，開發(fā)了成熟的工藝，并稱之為NTR法。根據(jù)其公開的專利信息和樣本介紹可知，康庫得發(fā)明了多項(xiàng)專利(專利申請(qǐng)?zhí)枺?00520025451.7等)。歸納其主要特點(diǎn)有：把TR機(jī)構(gòu)發(fā)展成了NTR新型專機(jī)；把原來固定機(jī)械匹配的彎曲與鐓鍛發(fā)展為計(jì)算機(jī)控制匹配；發(fā)明了可靠的鎖模機(jī)構(gòu)，從而減少了壓機(jī)的功率需求并保證了單拐精度質(zhì)量；可靠、簡單、精確的分度定位裝置保證了整體形狀精度質(zhì)量，對(duì)置中空柱塞缸、可往復(fù)移動(dòng)供油裝置保證了結(jié)構(gòu)緊湊和高效率，新壓力機(jī)和機(jī)構(gòu)的占地和重量相對(duì)傳統(tǒng)水壓機(jī)要小得多，大大節(jié)省了設(shè)備投資；新設(shè)備的能耗較低，加工精度更高，曲軸產(chǎn)品材料利用率達(dá)到65%～75%，有很大提高。

(3)日本室蘭的曲軸曲臂插板模鍛

低速大型船用組合曲軸的曲臂目前還是單獨(dú)鍛造的。日本室蘭最早采用了下模和上插板的套模對(duì)長方形鍛坯進(jìn)行一種模鍛，生產(chǎn)出接近曲臂外形的曲臂鍛件。該方法應(yīng)該屬于胎模鍛，優(yōu)點(diǎn)是原理簡單、火次少、質(zhì)量高和節(jié)約鍛件材料，實(shí)際應(yīng)用效果也很明顯。上重在20世紀(jì)80年代曾派人在日本室蘭學(xué)習(xí)過該技術(shù)，但后來韓國斗山買斷和引進(jìn)了該技術(shù)。韓國斗山在使用該方法多年后又放棄了。其原因可能是因?yàn)槟＞哐b拆操作復(fù)雜，曲臂新品種的不斷增加和單件小批量的訂貨也會(huì)使模具成本偏高。

(4)武漢重工的曲軸曲臂插板模鍛

武漢重工鑄鍛有限責(zé)任公司公開了“船用大型柴油機(jī)曲軸曲拐制造工藝及裝置”的發(fā)明專利(專利申請(qǐng)?zhí)枺?00410060819.3)。與日本室蘭制鋼所的模具和工藝相比，似乎基本原理相同，應(yīng)該屬于在日本曲軸曲臂插板模鍛基礎(chǔ)上的發(fā)展。然而，武漢重工在國內(nèi)率先在相對(duì)小的壓機(jī)上用插板模鍛法生產(chǎn)出了一定規(guī)格的曲臂鍛件，有其獨(dú)到之處。

3.3 自由鍛工藝細(xì)節(jié)非自由化的可能性

傳統(tǒng)上，我國大鍛件自由鍛工藝只是給出每一火次坯料變形的開始與終止尺寸。這些鍛造工藝對(duì)中間過程的變形參數(shù)沒有具體規(guī)定，實(shí)際變形在很大范圍內(nèi)是自由的，工藝細(xì)節(jié)也是靈活開放的。在質(zhì)量問題的檢查分析過程中，許多高級(jí)管理者和技術(shù)專家認(rèn)為，這種自由是質(zhì)量不穩(wěn)定的主要原因之一。但是，這種自由卻有著其存在的客觀原因。比如：不清楚工藝上如何細(xì)化才能獲得更好的質(zhì)量；細(xì)化會(huì)增加操作和控制的難度。

直到20世紀(jì)80年代我國部分重機(jī)廠(包括上重)引進(jìn)了日本室蘭工藝，我們才看到了工藝細(xì)化的效果。我們引進(jìn)的高溫寬砧強(qiáng)壓WHF法就是針對(duì)單次壓下量和每次進(jìn)砧量作出了詳細(xì)確切的規(guī)定。實(shí)踐證明，這種細(xì)化工藝的WHF法為提高和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子類大鍛件的質(zhì)量發(fā)揮了巨大作用。這個(gè)例子充分說明了對(duì)自由鍛工藝進(jìn)行非自由化研究和推廣的必要性及可能性。

另一方面，新的液壓機(jī)和操作機(jī)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，這些為工藝上詳細(xì)規(guī)定壓下量和進(jìn)砧量，為變形的非自由化工藝表達(dá)和實(shí)現(xiàn)提供了更加好的控制條件。

4 大型自由鍛非自由化研究需要考慮的內(nèi)容

4.1 困難和挑戰(zhàn)

在自由鍛塑性成形的非自由化方面存在以下困難：

(1)模具設(shè)計(jì)制造的成本問題。大鍛件單件小批量的生產(chǎn)特征客觀存在，成本難以分?jǐn)偂?/p>

(2)設(shè)備能力限制問題。非自由化或者限制自由變形必然會(huì)增加變形力、提高對(duì)設(shè)備能力的要求，而為此去投資增加設(shè)備能力通常是不可行的。

(3)坯料計(jì)算與變形控制問題。非自由化變形的主要目的是減少鍛件余量，如果余量大了不僅有悖初衷，還會(huì)像開式模鍛那樣由于飛邊的產(chǎn)生而大大增加變形力，難以成形。但是，如果余量小了，金屬就可能流不到我們想要充滿的地方，導(dǎo)致缺陷。非自由化變形增加了約束條件，坯料的變形規(guī)律也比自由鍛復(fù)雜，坯料的體積計(jì)算也難以準(zhǔn)確和恰當(dāng)。

在自由鍛工藝的非自由化方面存在以下困難：

(1)工藝細(xì)化的關(guān)鍵點(diǎn)難以把握。工藝細(xì)化的目的是控制提高大鍛件質(zhì)量。但是，目前還很難把握一個(gè)工藝細(xì)節(jié)對(duì)大鍛件質(zhì)量的確切影響程度。其主要原因是大鍛件生產(chǎn)無法擺脫兩個(gè)方面的限制:其一，大鍛件生產(chǎn)過程中許多工序都屬于特殊工序。特殊工序的加工質(zhì)量不易或不能通過其后的檢驗(yàn)和試驗(yàn)得到充分驗(yàn)證。因此，特殊工序的工序能力通常比較低，難以穩(wěn)定生產(chǎn)出質(zhì)量好、可靠性高的產(chǎn)品。其二，大鍛件產(chǎn)品屬于單件小批量生產(chǎn)，每種產(chǎn)品都有各自的特征，其具體生產(chǎn)過程也都有所不同。其它行業(yè)的一些先進(jìn)的質(zhì)量控制和改進(jìn)方法，如科學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析技術(shù)和精密控制裝置等，在大鍛件生產(chǎn)領(lǐng)域里也統(tǒng)統(tǒng)遇到了應(yīng)用上的障礙。質(zhì)量問題的關(guān)鍵原因找不到，工藝細(xì)化的關(guān)鍵點(diǎn)也就難以把握。

(2)系統(tǒng)化工藝方法的研究太薄弱。為了實(shí)現(xiàn)鍛件拔長的中心壓實(shí)，日本室蘭研究出了WHF法，該方法對(duì)鍛件加熱溫度、上下拔長工具尺寸、不同直徑坯料條件下鍛壓操作人員必須實(shí)施的進(jìn)給量和相對(duì)送進(jìn)量等做出了系統(tǒng)化的規(guī)定。相比而言，我們?cè)谶@方面的研究基礎(chǔ)很薄弱，資源投入也不足。

(3)在推廣應(yīng)用方面較困難。細(xì)化工藝會(huì)增加工藝人員、操作人員和檢驗(yàn)人員的工作量，通常人們都不愿意增加工作難度和工作負(fù)荷。

4.2 一些值得研究的方向

(1)低成本的模具和工具

主要內(nèi)容包括：調(diào)研過去、現(xiàn)在和未來的訂單數(shù)量以及零件尺寸與形狀規(guī)律，研究共用模具，達(dá)到節(jié)約模具材料的目的；設(shè)計(jì)組合式胎模，讓變動(dòng)部分的模塊盡可能數(shù)量少，造價(jià)低；以提高制坯效率和精度為目標(biāo)，研究大型簡便的號(hào)印等工具。

(2)利用現(xiàn)有設(shè)備干大件的方法和裝置

研究非同步或局部成形方法以及使用局部成形模具，實(shí)現(xiàn)小設(shè)備干大活。

研究多向增力節(jié)能機(jī)構(gòu)，如TR機(jī)構(gòu)、下框架四肘桿機(jī)構(gòu)增力機(jī)構(gòu)、其它四連桿或滑塊增力機(jī)構(gòu)。

(3)加熱方式和加熱控制

有資料[2]表明，影響鍛件尺寸精度的最主要因素是加熱溫度。因此研究如何控制加熱溫度和保證鍛件溫度的均勻性至關(guān)重要。自由鍛多采用火焰加熱，但應(yīng)當(dāng)在一定的生產(chǎn)條件下，考慮和研究感應(yīng)加熱方式。感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)是可局部加熱、節(jié)能環(huán)保、燒損少(僅相當(dāng)于火焰加熱的四分之一)、質(zhì)量高、利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

(4)變形的模擬和實(shí)驗(yàn)

為了降低成本和把握方向，可通過模擬和實(shí)驗(yàn)完成對(duì)成形方案和工藝細(xì)化步驟的研究。

(5)工藝記錄測(cè)量和分析系統(tǒng)

通過對(duì)工藝細(xì)化的記錄測(cè)量和分析研究，掌握工藝細(xì)節(jié)對(duì)大鍛件質(zhì)量的確切影響程度。

(6)工藝參數(shù)化

大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的含義主要是將大鍛件鍛壓工藝的參數(shù)用科學(xué)的函數(shù)式來予以表達(dá)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化并實(shí)現(xiàn)公式化[3]。大鍛件的生產(chǎn)是單件小批量，只有工藝參數(shù)化才能把握一個(gè)工藝細(xì)節(jié)對(duì)大鍛件質(zhì)量的確切影響程度。只有通過參數(shù)化才能得到像WHF法那樣的細(xì)化工藝的鍛造方法。

(7)管理創(chuàng)新

加強(qiáng)和改進(jìn)管理是實(shí)現(xiàn)工藝非自由化的保證，解決人們?cè)诮邮芗?xì)化工藝方法上存在的客觀和主觀困難。生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該通過管理創(chuàng)新讓操作人員在接受細(xì)化工藝方法上產(chǎn)生自覺自愿的動(dòng)力。

(8)解放思想，加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究

我們一直在強(qiáng)調(diào)金屬塑性成形的非自由化和工藝細(xì)節(jié)的非自由化，但是，在研究如何做到非自由化的方法上，我們卻應(yīng)當(dāng)解放思想，大膽創(chuàng)新，擺脫傳統(tǒng)理論和片面經(jīng)驗(yàn)的束縛。比如，在塑性成形原理中，求解圓柱體鐓粗變形力時(shí)，通常用著名的齊別爾公式[4]計(jì)算單位流動(dòng)壓力，再乘以被鐓粗體的面積。然而，這樣的計(jì)算對(duì)于大型鍛件并不準(zhǔn)確。理論計(jì)算的鐓粗力會(huì)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的鐓粗力。這時(shí)，我們不能因?yàn)橛?jì)算的設(shè)備鐓粗力不夠而放棄創(chuàng)新的方案。古布金提供的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鍛件體積曾大1 000倍時(shí)，變形抗力將減少60%。這說明，我們?cè)谘芯刻剿髦校荒芤蛞恍﹤鹘y(tǒng)理論的限制而望而生畏，止步不前。

日本JSW制鋼所是世界領(lǐng)先的大鍛件制造商。它在其2010年年報(bào)的首頁上聲稱：“現(xiàn)今的JSW企業(yè)，已經(jīng)滿足信息技術(shù)相關(guān)工業(yè)的需要，如信息和通訊。JSW的全球活動(dòng)范圍已經(jīng)延伸到它原有領(lǐng)域以外，包括發(fā)展一些邊緣交叉技術(shù)……”。為了早日實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，我們?cè)谧杂慑懛亲杂苫矫?，也?yīng)該學(xué)習(xí)JSW，跨技術(shù)專業(yè)、跨組織部門和跨國內(nèi)外企業(yè)的全面展開研究。

[1] 張志文主編，鍛造工藝學(xué).1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[2] 日本鍛造協(xié)會(huì)技術(shù)資料匯編9， 鍛造生產(chǎn)管理1，中國鍛壓協(xié)會(huì)編譯，北京.

[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.

[4] 汪大年主編，金屬塑性成形原理.1版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.