高能螺旋壓力機與鍛造技術

文/李湘軍·無錫透平葉片有限公司

離合器式高能螺旋壓力機特點

離合器式高能螺旋壓力機采用液壓傳動加速飛輪和螺桿部件，飛輪和螺桿部件把旋轉動能轉變?yōu)榛瑝K的線性能量。

載荷和能量特性

螺旋壓力機的鍛造載荷通過滑塊、螺桿和工作臺傳給壓力機框架，給定行程位置上的有效能量由飛輪儲存的能量來供應。在鍛造行程的末端，反向旋轉之前，飛輪和螺桿停止不動。因此，飛輪總能量轉變成兩部分，一是鍛造工藝過程需要的有效能量；二是克服機械摩擦的能量和設備的彈性變形能。如果飛輪的總能量大于完成鍛造過程和克服機器損失的能量，多余的能量轉變成額外的變形能，使壓力機和鍛模承受不必要的高載荷。離合器式高能螺旋壓力機裝有能量調節(jié)器，即液壓離合器的壓力用0～100的數(shù)字輸入，改變離合器的壓力，也就改變離合器的力矩，進而改變壓力機打擊力。本質上用能量調節(jié)器控制飛輪速度和飛輪能量，從而保正壓力機在連續(xù)打擊時可以發(fā)出不同的能量。螺旋壓力機本質上是能量限定機器，載荷和能量彼此相關。對于給定的壓力機，行程末了的有效載荷主要取決于鍛造工藝所需要的變形能（即取決于工件的形狀、溫度和材料）。因此，當飛輪能量一定時，低的變形能引起高的終點載荷；高的變形能引起低的終點載荷。

時間特性

螺旋壓力機在負載條件下每分鐘的行程數(shù)主要取決于具體鍛造工藝所需要的能量和加速飛輪及螺桿的傳動機構的功率?；瑝K行程向下時，在壓力作用下，速度增加，直到滑塊打擊到鍛件，實際變形開始后，滑塊速度的降低取決于鍛造工藝所需要的能量。因此，鍛件坯料和鍛件的幾何形狀大大地影響滑塊的加壓速度，這一點上，螺旋壓力機和其他壓力機有很大的不同，其他壓力機滑塊是由壓力機運動學所決定，鍛件需要的載荷和能量對其影響不大?；瑝K行程次數(shù)對壓力機的生產率、模具壽命和傳動功率有重要影響。為了提高生產率，縮短工作循環(huán)時間，希望增加每分鐘滑塊行程次數(shù)。但是，模鍛時可能利用的滑塊行程次數(shù)受到機械化措施的限制，而且傳動的安裝功率增大，又利用不充分，則降低了設備運行的經(jīng)濟效果。如果進料機構不能保證壓力機滑塊以最大行程次數(shù)工作，那么實際利用的行程次數(shù)可以規(guī)定按壓力機循環(huán)時間確定的行程次數(shù)的1/3～1/2。

精密度特性

螺旋壓力機承受偏載的能力影響鍛件表面的平行度。由于汽輪機葉片屬于長軸類的扭曲鍛件，為了保證葉片鍛件各部位均能充足，葉片鍛件鍛造時，要旋轉一定的合理角度，而且不需預鍛成形，直接在終鍛型腔里成形，故終鍛型腔中心與螺旋壓力機中心要基本上保持一致。如果鍛造需要預鍛成形的非葉片鍛件，終鍛型腔中心要盡可能在螺旋壓力機中心。實踐證明，SPKA11200型離合器式液壓螺旋壓力機適合鍛造單型腔鍛件，因為螺旋壓力機平均偏載能力要遠小于機械壓力機和錘，不適于一火完成幾道工序(如去除氧化皮、預成形)。螺旋壓力機工作像錘，即每次打擊時上下?！按蚩俊?，這樣才能保正鍛件的厚度公差要求。

螺旋壓力機和其他鍛壓設備的比較

設備的比較和具體的生產條件有關，小噸位的螺旋壓力機的公稱壓力范圍比熱模鍛曲柄壓力機低。因此，對于需要的模鍛小噸位有色金屬零件和小型鋼鍛件，均可廣泛應用螺旋壓力機。由于大型螺旋壓力機的滑塊底面尺寸、公稱壓力和每分鐘滑塊行程利用次數(shù)均與熱模鍛曲柄壓力機大致相同，所以對于大型不需預成形鍛件采用這兩種設備任一種均可。由于螺旋壓力機具有大的能量儲備，為有效動能的1.5～2倍，滑塊行程不受運動學上的限制，并且打擊力允許超過公稱壓力25%～100%，因此它的工藝適應性能好。對于模鍛同樣的鍛件，可以選用公稱壓力比熱模鍛曲柄壓力機小25%～50%的螺旋壓力機。螺旋壓力機滑塊的最大速度和鍛件變形前的速度相同，而最大速度大致相同的熱模鍛曲柄壓力機，由于曲柄連桿機構的運動學聯(lián)系，到接觸鍛件前滑塊速度只有最大速度的1/2.5～1/5。并且在鍛件變形過程中，此速度在機構的運動學和壓力機零件彈性變形的影響下，按不完全的余弦曲線下降，構成了所謂的爬弧時間。所以，模具與鍛件的受力接觸時間（變形時間），在鍛薄壁鍛件時熱模鍛曲柄壓力機比螺旋壓力機長很多，但隨鍛件厚度的增加，時間上的差值在減小。在鍛件數(shù)量為幾千件的小批和中批生產的條件下，采用螺旋壓力機比采用熱模鍛曲柄壓力機更為合理，其原因是鍛件可以由不經(jīng)過預鍛變形的普通坯料模鍛，且允許較大的坯料體積偏差和加熱溫度偏差，重新調整模具需要的時間短，由于模具制造精度要求低，相應制造成本就低，這樣鍛件成本就跟著降低。除此之外，對要求精度高以及要求打擊力大的鍛件，不論生產批量大小，由于壓力機機身的縱向彈性變形可以通過滑塊的位移自由補償（不受運動學限制），因此，選用螺旋壓力機比其他鍛造設備有利。除此之外，離合器式高能螺旋壓力機綜合了各種鍛造設備的優(yōu)點：

圖1 三種不同規(guī)格的螺旋壓力機

⑴與曲柄壓力機一樣，飛輪始終按同一方向恒速旋轉，以便在鍛造結束后，空轉時儲存能量。

⑵與液壓機一樣，可在全行程范圍內預選任何所需的行程而能量和打擊力不受影響。

⑶與其他形式的螺旋壓力機一樣，沒有固定下死點，不會悶車。

⑷同模鍛錘一樣，可以在同一鍛模上進行多次打擊，鍛件外形輪廓清晰。

⑸對于具有銳角形狀的工件，可以突然轉換打擊力，使材料在鍛模型腔中充盈良好，該類設備可以一火連續(xù)不同能量、不同行程位置打擊。

⑹工件所需打擊力可在20%～100%之間進行預選，鍛件每次打擊力的重復精度高，鍛件尺寸精確。

⑺在高能量打擊時，功率消耗波動甚小。

⑻上下鍛模加壓接觸時間短，模具壽命長，這一點在其他鍛造設備上是不可實現(xiàn)的。

⑼離合器式高能螺旋壓力機允許偏載范圍尺寸大。

離合器式高能螺旋壓力機鍛造的工藝特點

鍛件在離合器式高能螺旋壓力機塑性變形的基本特點是由其工作機構的性質決定的。離合器式高能螺旋機構能夠在滑塊向下空程運動期間，積蓄大量的飛輪轉動動能，這些動能在工作行程期間全部被消耗，結果滿足了坯料塑性變形鍛造能量的需求。螺旋壓力機能夠發(fā)出的克服鍛件變形抗力的能力不僅與工作部分的動能儲備多少有關，而且還與工作行程滑塊的位移大小有關，即與材料的塑性變形、機身和螺旋壓力機的其他零件以及模具在滑塊位移方向上的彈性變形有關。

鍛件塑性變形越小，螺旋壓力機的結構剛性就越大，打擊力也就越大。當精鍛葉片時，葉身變形量很小，只有當螺旋壓力機的能量消耗超過葉片塑性變形抗力的需要時，才能夠產生很大的打擊力，但在葉片的葉根、葉冠處，由于變形量很大，有時在此處相當于鐓粗變形，這些部位金屬比葉身更易于流動。離合器式高能螺旋壓力機有四種不同的壓力，即額定打擊力(也稱公稱壓力)、連續(xù)許可打擊力(允許壓力)、許可峰值打擊力、最大硬擊力(最大壓力)。額定打擊力通常認為是鐓粗在滑塊運動方向上具有公稱變形量的鍛件時壓力機產生的壓力。設備在額定打擊力下工作，實際能量的80%～85%可以被鍛件塑性變形有效利用。連續(xù)許可打擊力約為額定打擊力的1.3～1.6倍。由于離合器式高能螺旋壓力機有摩擦超載保險裝置，可以在連續(xù)許可打擊力下長期工作，但在連續(xù)許可打擊力下工作時，有用功降低，約為實際能量的45%～50%。許可峰值打擊力不能長期在此壓力下工作，只能偶而為之。最大硬擊力為沒有塑性變形時，即模具型腔中沒有坯料冷擊狀態(tài)下產生的最大壓力，在這種情況下，工作部分的實際能量消耗于摩擦、壓力機零件和模具的彈性變形，而有用功等于零。離合器式高能螺旋壓力機最大硬擊力約為額定打擊力的1.6倍，用這個壓力工作是絕對不可以的，極易造成設備零件的損壞。由于螺旋壓力機的滑塊位移不受運動學上的限制，終鍛鍛件可以一直進行到模具靠合或滑塊停下為止。如果工作部分的能量不足，則不等變形結束，滑塊就停止了。在這種情況下，如果在終鍛溫度許可范圍內，就要重復幾次滑塊行程，以便使鍛件充足，飛邊能夠出來。

在模鍛過程中，壓力機—模具系統(tǒng)沿滑塊運動方向上的彈性變形，可由螺桿的附加轉角得到自動補償，實際上影響不到鍛件精度。所以在離合器式高能螺旋壓力機上得到的鍛件，其鍛造方向上的尺寸精度比其他鍛造設備高1～2級。該類設備模具安裝、調整容易，不需要精確確定滑塊的最下位置和調整封閉高度或導軌間隙，這些值會隨著工作過程中機身的溫度變化而變化。離合器式高能螺旋壓力機滑塊最大線速度為0.5m/s，以這樣速度打擊，模具承受的應力為其他鍛造設備模具的1/5～1/10。由于該設備地基有液壓減振緩沖裝置，即使鍛造進、出汽側落差大、側向力大的大葉片需要很大的打擊力，也不會產生縱向和扭轉沖擊，機身不會產生扭角變形。為了保證大葉片鍛件的厚度，離合器式高能螺旋壓力機模座具有碰模裝置，以保證得到所要求的葉片鍛件厚度，并且上、下模座四個角或四個側面帶有導向塊，導向塊精度很高，進一步緩解了滑塊導軌間隙和機身扭角變形對鍛模錯移的影響。

離合器式高能螺旋壓力機滑塊速度對鍛件變形過程的影響

該類設備滑塊速度(滑塊運動方向上的鍛件變形速度)，對于鍛件變形過程和變形過程中的其他因素，產生重要影響，在提高變形速度的條件下，平均流動應力顯著降低，力—位移曲線形狀發(fā)生了重大改變，主要是因為變形區(qū)熱交換受到限制而激烈發(fā)熱，表面摩擦降低。另外，葉片坯料屬于長軸類零件，特別是葉身出汽側頂端依靠金屬塑性流動成形，流動部分的加速度引起了慣性力，在變形區(qū)就產生附加拉應力，導致變形抗力降低，促使葉片鍛件充足成形。在熱變形時，鍛模和變形金屬材料的初始溫差會造成接觸效應，由于熱傳導，葉片坯料接觸部分必然變冷而難于變形，尤其是當坯料與模具接觸表面承受很高應力時，金屬材料塑性變形過程中發(fā)生劇烈的熱交換，這時熱交換的強度比自由接觸大20～30倍，從坯料放入模具到取出鍛件的總接觸時間中，其他輔助時間也影響模具壽命，特別是鍛造完成后到鍛件取出前這段模具和鍛件的接觸時間，影響更大。由于螺旋壓力機滑塊速度比較快，一般鍛件的厚壁深腔要布置在上模，又因為變形時間短，瞬時打擊載荷能量大，在離合器式高能螺旋壓力機上鍛造扁平的、扭曲的、彎曲的葉片和難變形材料合金盤、結構鍛件是極其合適和有利的，這樣不僅能保證這些鍛件的幾何尺寸要求，而且也能保證其使用的性能要求。

離合器式高能螺旋壓力機技術路線

葉片鍛造技術路線——小余量緊公差鍛造

無錫透平葉片有限公司(簡稱WTB)擁有SPRZ630液壓螺旋壓力機和SPKA11200、SPKA22400型離合器式高能螺旋壓力機，該類設備鍛造重復精度高，鍛件公差帶可波動范圍窄，可以實現(xiàn)減少鍛件余量鍛造，特別是內弧余量，這是WTB技術選擇的理論基礎。加以綜合成本低，其良好的技術經(jīng)濟效果，奠定了WTB葉片鍛造的發(fā)展方向。圖2所示為葉片鍛造工序。將原材料棒料在鐓頭機上按鍛件每個截面上的面積按照小余量緊公差鍛造成形對面積加放系數(shù)的要求，來進行體積分配，達到所需的葉根鐓頭聚料的作用，得到圓柱+圓臺的階梯形狀。數(shù)控預成形機是數(shù)控自由鍛機，拔長時一邊旋轉，一邊軸向移動，并通過行程控制的兩個錘頭，將鐓頭后的桿身鍛打成所規(guī)定的形狀?？戾懓伍L后的鍛坯旋轉一定的角度將圓形葉根壓扁至規(guī)定的厚度。將壓扁后的鍛坯放在天然氣轉爐內加熱后，采用SPRZ630或SPKA11200或SPKA22400的螺旋壓力機進行小余量緊公差鍛造成形。由于葉片在鍛造過程中鍛坯在厚度方向不停地變薄，與鍛模接觸的鍛坯區(qū)域溫度急劇下降，所以要在短時間內可以快速成形，螺旋壓力機是最合適的鍛造葉片的設備，可以在短時間內一下子給予鍛坯很大的變形能以實現(xiàn)高效率、高精度的鍛造。WTB已經(jīng)具備不同等級的螺旋壓力機，再輔之以鐓頭機和預成形機制坯設備就能實現(xiàn)小余量緊公差鍛造不同規(guī)格大小的葉片鍛件。

圖2 葉片的模鍛工序

難變形材料盤件鍛造技術路線——小余量模鍛

圖3 GH4169盤件模鍛工藝

SPKA11200、SPKA22400是離合器式高能螺旋壓力機，屬于大能量作用在中等工作臺面利用瞬時的沖擊載荷通過模具作用，保證難變形合金盤件的塑性成形，離合器式高能螺旋壓力機破碎難變形合金的晶粒能力強、錘擊累積效應顯著，錘擊速度、能級設置和錘擊變形量控制(行程設置)可根據(jù)難變合金的變形特點和規(guī)律進行預先設置，錘擊變形量公差1～2mm。現(xiàn)以GH4169直接時效工藝為例，闡述工藝路線，見圖3，GH4169盤件是發(fā)動機的關鍵件之一，GH4169盤件的可靠性、安全壽命主要取決于其冶金質量、完整性、均勻性和其熱加工成形過程的有效控制。

鍛件圖設計(余量4～6mm)→下料→平端面→探傷→鐓餅→沖孔→模鍛→水冷→時效→性能→粗加工→腐蝕→交付。

鐓餅和沖孔需根據(jù)不同的原材料狀況進行適當?shù)幕鸫魏妥冃瘟康恼{整，以期達到模鍛前預制坯的組織均勻性要求，否則將使不好的混晶組織遺傳到最終的模鍛件上，從而導致盤件的報廢。

難變形材料結構件鍛造技術路線——小余量精密模鍛

難變形材料結構件一般屬于結構復雜、帶有厚薄不均的筋槽，鍛造難度系數(shù)高，成形的關鍵在于預成形制坯圖的設計，在于材料模鍛前的分配均勻，否則易造成模鍛時的穿筋折疊鍛造缺陷，現(xiàn)以TA15框為例，闡述工藝路線，見圖4。

圖4 TA15框工藝

鍛件圖設計(余量4～6mm)→下料→平端面→探傷→板坯→切割坯料→預鍛→模鍛→退火→性能→無損檢測→交付。

結束語

離合器式高能螺旋壓力機是當今世界上比較先進的鍛造設備，廣泛運用于能源電力、航空、航天等領域的關鍵構件的成形鍛造，特別適合于難變形材料的鈦合金、高溫合金構件的制坯及模鍛成形。不僅能成形復雜的飛機框梁構件，而且能夠滿足高性能的高溫合金渦輪盤、壓氣機盤改性成形。由于其打擊速度、能級設置、行程設置能夠事先預選，可以很好地與有限元數(shù)值模擬技術融合起來預先驗證工件的成形方案的可行性，有效地協(xié)助工程技術人員適時地調整工藝參數(shù)，可靠地達到工程運用的預期效果。目前WTB擁有三條螺旋壓力機生產線，具有較強的工藝研發(fā)和配套生產能力。未來，WTB將緊緊圍繞“國家能源大型渦輪葉片研發(fā)中心”這一平臺，通過廣泛的產學研合作來提升大型長葉片的工藝制造技術能力和難變形合金材料鍛件成形改性的工藝制造技術能力，充分配套好離合器式高能螺旋壓力機制坯能力、加熱能力、工件轉移能力及大型模具的制造能力，以期實現(xiàn)大型長葉片鍛件和難變形合金鍛件的自動化鍛造。