徑向鍛技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展

宋 濤，趙升噸，劉洪寶

(西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

徑向鍛造的基本原理由奧地利科學(xué)家B.Rralowetz博士于1946年提出。第一臺四錘頭徑向鍛機誕生于上世紀(jì)60年代。到70年代中期已有6.5MN至25MN的徑向鍛機相繼問世并應(yīng)用于高合金鋼和其他合金的大型坯料和連鑄錠的鍛造。目前，全世界不同型號和配置的徑向鍛機已有數(shù)百臺。國外徑向鍛技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)技術(shù)已相對成熟。世界上主要的徑向鍛機和附屬設(shè)備制造商，如奧地利的GFM，德國的西馬克·梅爾 (SMS Meer)和意大利的Danieli等公司已制造出可鍛打最大外徑1.2 m的徑向鍛機并應(yīng)用于生產(chǎn)。

隨著國內(nèi)市場對高性能鍛造的強勁需求，我國于上世紀(jì)70年代中期開始研究液壓式徑向鍛機，目前研發(fā)和制造水平都有了很大提高。本文將從徑向鍛壓的工作原理和特點，論述其在國內(nèi)外的應(yīng)用和發(fā)展。

1 徑向鍛造的工作原理和特點

徑向鍛造是一種在同一平面上同時對軸類零件施加多個周向均勻分布的鍛打力的成形方法［1］。徑向鍛機的基本原理如圖1所示。沿零件周向均勻分布的多個錘頭在驅(qū)動機構(gòu)的帶動下在徑向方向進行開合運動，同時零件在夾持機構(gòu)的帶動下沿軸向送進，在送進的過程中根據(jù)工藝的要求控制工件旋轉(zhuǎn)的速度。個別徑向鍛機在鍛打過程中錘頭可在軸向進行微小擺動或低速轉(zhuǎn)動。零件受到均勻分布的高速、高頻、短沖程的鍛壓力，材料在高靜水壓力的應(yīng)力狀態(tài)下沿軸向、徑向流動。

圖1 徑向鍛原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of radial forging

影響材料可加工性的因素有材料的成分、金相組織狀態(tài)等內(nèi)在因素，以及加工時的應(yīng)力狀態(tài)、溫度、變形速率等外在因素。徑向鍛造在加工過程中在周向同時施加壓力，使得在變形過程中材料內(nèi)部產(chǎn)生較高的靜水壓力，材料在較高靜水壓力狀態(tài)下的延展性得以提高，裂紋敏感的脆性材料在該狀態(tài)下變形不易產(chǎn)生裂紋，一些已有的裂紋也可被壓合。由于高頻鍛打，產(chǎn)生的變形熱使得整個鍛打過程中溫降小，容易實現(xiàn)等溫鍛造，特別適用于高溫下偏析嚴(yán)重的高合金鋼。等溫鍛造能較好地控制晶粒大小，可實現(xiàn)全截面細(xì)晶鍛造。同時整個零件的鍛打過程可以在一次加熱后完成，可減少工廠中的再次加熱設(shè)備數(shù)量。

徑向鍛加工的零件精度高、表面粗糙度低，同時力學(xué)性能好。熱鍛管件的內(nèi)徑尺寸公差可達±0.1 mm;冷鍛工件外徑尺寸公差達±0.1 mm，內(nèi)徑公差達±0.025，工件表面粗糙度可達3.2～0.4 μm［2］。由于徑向鍛過程中溫降小，模具的致冷作用弱，相對常規(guī)鍛造過程不會在工件表面形成變形死區(qū)，相反表面變形大于心部變形。在鍛打過程中工件的大部分材料處于相同的變形狀態(tài)。對一般的實心軸坯或高合金鋼錠的開坯，只要達到足夠的鍛造比，心部均可鍛透。鍛打后的工件內(nèi)部金屬纖維流線較為理想，晶粒的解離增多，使其強度大幅度增加。

徑向鍛機自動化程度高，生產(chǎn)率高，材料消耗低。目前徑向鍛機已采用數(shù)控技術(shù)，鍛打頻率高，工步之間無間斷，所以生產(chǎn)效率高。由于徑向鍛所鍛工件精度高，加工余量小，可顯著節(jié)約原材料，特別針對空心臺階軸相對切削加工可節(jié)約材料30% ～50%［3］。

盡管上述各種優(yōu)點，徑向鍛也有其固有的缺點和不足。由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、錘頭往復(fù)運動行程范圍被限定在了特定區(qū)間。在不更換錘頭的情況下，工件的變形空間較小。相比自由鍛液壓機，同噸位的徑向鍛機鍛錘的最大鍛打力相對較小。對高強度材料，高頻的鍛打和設(shè)備的最大鍛打力限制了每次鍛打的變形量，變形區(qū)域容易限定在靠近零件表面的區(qū)域。同時，徑向鍛機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、前期投入大、維護成本高，可鍛打的零件多為軸類零件，且坯料的最佳鍛打直徑和尺寸都有限定。雖然徑向鍛的生產(chǎn)效率高，但只針對批量生產(chǎn)，對單件小批量生產(chǎn)經(jīng)濟性不佳。另外，如果坯料冶金品質(zhì)差，徑向鍛造鍛合坯料芯部缺陷的能力較鍛錘差。

2 徑向鍛的分類

根據(jù)鍛打時工件的溫度不同，徑向鍛可分為熱鍛工藝和冷鍛工藝。目前大多數(shù)徑向鍛工件都采用熱鍛工藝，鍛前坯料可為鑄錠或預(yù)制的軸類坯料。冷鍛工藝主要應(yīng)用于對成品尺寸精度要求較高的接近成品的工件，常被應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線中。

根據(jù)工件鍛打時的送進方法不同，可分為沿軸送進、隨模送進和鐓粗送進，如圖2所示。［1］

圖2 鍛造的不同送進方法Fig.2 Different feed-in modes of forging

(1)沿軸送進。工件從鍛機的一側(cè)進入，夾頭在鍛機的一側(cè)或兩側(cè)控制工件的通過錘頭的旋轉(zhuǎn)和送進速度。該方法是圓棒和圓坯加工的最常用方法。

(2)隨模送進。工件在一端被夾持，模具特定區(qū)域形成所需要的形狀。該方法常被用來配合芯模鍛打空心件以及閉模鍛打。

(3)局部鐓粗。棒管料局部加熱后施加一個軸向力，將加熱處局部鐓粗后徑向鍛打成形。在鐓粗過程中或采用芯模來控制內(nèi)孔的形狀和尺寸。

根據(jù)設(shè)備配置不同，徑向鍛可分為機械驅(qū)動、液壓驅(qū)動和機液混合驅(qū)動三大類。

(1)機械驅(qū)動徑向鍛機。該鍛機的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示［4］。安裝在外圍的偏心軸帶動連接其上的雙滑塊機構(gòu)將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動。通過蝸輪蝸桿帶動的行程調(diào)節(jié)螺紋將運動傳遞給錘頭。錘頭的同步通過驅(qū)動四個偏心軸的齒輪系保證鍛錘的行程位置可通過四組蝸輪蝸桿同時或成對地同步改變從而可加工圓形、方形或長方形橫截面的工件。全機械驅(qū)動徑向鍛機的剛度較高，可得到較高的工件尺寸精度。

圖3 機械驅(qū)動徑向鍛機機械驅(qū)動結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of mechanical drive for radial forging press

(2)液力驅(qū)動徑向鍛機。該鍛機的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。錘頭和模具直接連接在液壓驅(qū)動的執(zhí)行部件上。變形量和變形速率可被很好地控制。與機械驅(qū)動不同，模具運動速度根據(jù)工件的尺寸、形狀和材料的不同而不同。對高強度材料大變形鍛打需要鍛機有較大的鍛打力。相對機械式驅(qū)動徑向鍛機，液力驅(qū)動徑向鍛機的鍛打頻率往往偏低，這主要是由于液壓系統(tǒng)的特性決定的。同時因為液壓油的壓縮性，液壓驅(qū)動徑向鍛機加工的工件最終精度相對較低。

(3)機液混合驅(qū)動徑向鍛機。該鍛機的典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。在該設(shè)備中4個偏心軸被布置在八角形的機架上，由集成在鍛造箱中的同步齒輪系驅(qū)動。錘頭的主驅(qū)動力仍由偏心軸提供，錘頭和偏心軸之間連接液壓墊用以調(diào)節(jié)模具的行程位置，同時液壓墊也可以起到過載保護和實時測量鍛打力的功能。液壓墊只需要非常小的安裝空間，使得這類鍛機的設(shè)計相當(dāng)緊湊。

該類設(shè)備的鍛打頻率是由偏心軸的驅(qū)動系統(tǒng)決定的，相對純液力驅(qū)動鍛機，能得到更高的鍛打頻率，從而獲得更高的尺寸精度，表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖4 液力驅(qū)動徑向鍛機Fig.4 Diagram of hydraulic drive for radial forging press

圖5 機液混合驅(qū)動徑向鍛機Fig.5 Diagram of hydraulic-mechanical combination drive for radial forging press

3 徑向鍛造的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

3.1 徑向鍛機的應(yīng)用

徑向鍛造應(yīng)用范圍廣泛，通過不同的工藝可加工不同形狀的軸類和管類零件。圖6所示為采用徑向鍛工藝加工的零件［5］。這些零件包括大直徑長回轉(zhuǎn)體的臺階軸、錐形軸;薄壁管形件的縮口、縮頸;帶有特定形狀的內(nèi)孔，如內(nèi)花鍵、來復(fù)線槍管;異性材，如矩形、六邊形、八邊形等多邊形棒材。除一般的碳鋼，還可應(yīng)用于合金鋼、工具鋼、銅合金、鋁合金和鎂合金等。特別適用于低塑性、高強度的難溶金屬，如鎢、鉬、鋯、鈮及其合金的開坯和鍛造。同時也可鍛造粉末燒結(jié)錠、白口鑄鐵等鍛造性很差的材料。

圖6 通過徑向鍛加工的部分零件Fig.6 Partial parts made by radial forging press

3.2 徑向鍛造設(shè)備的發(fā)展方向

隨著工業(yè)界對高性能鍛件的持續(xù)增長的需求，徑向鍛機的最大鍛造能力逐年增大，同時更加智能化的控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)被廣泛采用，使得徑向鍛機不斷地向智能化、大型化。精密化的方向發(fā)展。表1～表3為三種典型徑向鍛機的部分型號和性能匯總。

表1 GFM公司部分機械驅(qū)動徑向鍛機性能Table 1 Performances of some GFM radial forging presses with mechanical drive mode

表2 SMS MEER公司部分液力驅(qū)動徑向鍛機性能Table 2 Performances of some SMS MEER radial forging presses with hydraulic drive mode

表3 GFM公司部分機液混合驅(qū)動徑向鍛機性能Table 3 Performances of some GFM radial forging press with mechanical and hydraulic drive mode

徑向鍛機的最大加工能力近年來已有了大步提升。但就目前的工業(yè)發(fā)展來看，工業(yè)界依然需求能鍛造更大、更長的實心或空心鍛件的徑向鍛機出現(xiàn)。然而從GFM公司設(shè)計的30MN的徑向鍛機來看，設(shè)計制造同類更大噸位鍛機的趨勢明顯放緩。主要原因是一方面超大型鍛件往往需求量不多，即便超大型設(shè)備被研發(fā)出來其利用率和經(jīng)濟性均不佳，同時大型徑向鍛機的制造成本往往是一般開式壓力機的數(shù)倍甚至更高。因此在上世紀(jì)中葉，人們就嘗試將一般的開式壓力機改造為徑向四模鍛壓機。但其商業(yè)化的改造方法直到不久前才得以出現(xiàn)［6］。圖7所示為該 結(jié)構(gòu)的原理圖。該改裝組件的基模1安裝在液壓機的工作平臺，上模3直接連接在液壓缸上，基模和上模構(gòu)成的斜鍥驅(qū)動側(cè)模2、4同步橫向運動，從而將通用液壓機改裝成為徑向開模鍛機。

圖7 多模徑向鍛改裝組件Fig.7 Modified assembly of multimode radial forging press

俄羅斯重型鍛壓機械股份公司 (JSC Tyazhpressmash)在該領(lǐng)域?qū)嵙妱拧Ｒ褳?0 MN、20 MN、30～45 MN的鍛壓機進行了改造，2012年該公司還將為60 MN的鍛壓機進行徑向四模鍛的改造。同時該公司已計劃在不久的將來將該技術(shù)應(yīng)用于150 MN的鍛壓機上。

3.3 徑向鍛造工藝模擬研究

數(shù)值仿真的方法應(yīng)用于徑向鍛工藝過程和裝備的研究已有較長的歷史。Domblesky和Altan采用二維軸對稱有限元法研究了熱徑向鍛過程中機械和熱力學(xué)行為。Jang和Liou采用三維非線性有限元模型在不考慮工件運動的情況下研究了鍛打過程中的殘余應(yīng)力。Ghaei采用有限元方法研究了不同形狀模具對工件成形的影響，計算中考慮了模具形狀沿軸向和周向的分布對加工的影響［7］。Chen采用非線性耦合有限元方法預(yù)測了大直徑管類零件在熱徑向鍛的變形情況，在其模型中考慮了應(yīng)力場和熱場的耦合以及與材料變形速率相關(guān)的彈粘塑性材料模型。H.Afrasiab等采用三維非線性有限元法研究了徑向鍛過程中工件的旋轉(zhuǎn)對工件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布的影響，指出為保證良好的應(yīng)力分布，在鍛打接觸期間工件應(yīng)保持靜止［8］。Chen采用非線性三維有限元方法對熱徑向鍛過程中材料氣孔壓合的情況進行了研究。結(jié)果表明靜水壓應(yīng)力對氣孔的壓合有明顯的提升;對于有芯模的徑向鍛，氣孔主要在徑向縮減;對于無芯模的情況，氣孔主要沿外模具和氣孔的切線方向縮減。研究指出，同時采用V形外模具和芯模將會對氣孔的縮減有很大改善［9］。結(jié)合有限元計算方法，Poursina還采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測熱徑向鍛的成形力。目前，應(yīng)用于徑向鍛有限元的理論已經(jīng)相對完善，研究者正采用更加精密的數(shù)學(xué)模型對加工過程進行更接近真實狀況的模擬。

圖8 采用非線性有限元計算的不同鍛打次數(shù)后的工件形貌［10］Fig.8 Nonlinear FE calculated features of forging pieces after different forging times

4 我國徑向鍛造裝備的現(xiàn)狀

我國在20世紀(jì)60年代，引進首臺機械傳動的4×3400 kN徑向精鍛機，落戶太原［11］。至今已引進各類徑向鍛機數(shù)十臺。其中北重集團、寶鋼特鋼、中原特鋼、江蘇天工等企業(yè)近幾年引進的13～18 MN大噸位徑向鍛機代表世界徑向鍛機的先進技術(shù)水平。這些設(shè)備主要用于鍛制特種鋼、工具鋼和車軸、炮管等鍛件，整體使用效果比較理想。

我國早在50年代，機械工業(yè)部濟南鑄造鍛壓機械研究所就開始了兩錘頭徑向鍛機的研究工作，至今由該所設(shè)計的三錘頭、四錘頭小噸位(D65-85、D65-100和D65-125型)徑向鍛機已投入使用，并積累了一定的研發(fā)經(jīng)驗。1979年，大連特鋼廠牽頭制造了一臺3400kN徑向鍛機;中國一重采用大連精工鍛壓高新技術(shù)公司提供技術(shù)制造的4×4000 kN徑向鍛機，投產(chǎn)后的年加工量達2000噸。然而限于材料、結(jié)構(gòu)和工藝等的制約，我國大中型徑向鍛機的研發(fā)至今未完全成功。除此而外，蘭州蘭石集團憑借其在液壓快鍛設(shè)備研發(fā)過程中積累的相關(guān)經(jīng)驗也投入到液力驅(qū)動徑向鍛機的研發(fā)隊伍中。

隨著我國機械加工能力的逐步提升，設(shè)備配套零部件的逐步改進以及在設(shè)計過程中經(jīng)驗的逐漸積累和研發(fā)環(huán)境的持續(xù)改善，大噸位、高精度、高技術(shù)密集的徑向鍛機國產(chǎn)化正在逐步成為現(xiàn)實。

5 結(jié)束語

徑向鍛造技術(shù)由于其高速、高精度、高靜水壓力、可控鍛溫度等優(yōu)點，在特種材料、高合金鋼和軸類零件的應(yīng)用越來越廣泛。近些來，隨著機械制造能力的進一步提升，計算機技術(shù)和有限元方法的發(fā)展，徑向鍛設(shè)備和工藝?yán)碚撗芯吭谠O(shè)備優(yōu)化、變形機理和新工藝探索上日趨成熟。我國對該領(lǐng)域正在展開廣泛和更加深入的研究工作，已取得一定進展。

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