大型壓機(jī)鍛造工藝手冊(cè)的編制及應(yīng)用

任 猛 王中安 錢(qián)莉麗(亞洲重工集團(tuán)有限公司，江蘇214128)

目前，大多數(shù)企業(yè)的壓機(jī)鍛造工藝是缺乏詳細(xì)的變形過(guò)程參數(shù)的，仍然沿用經(jīng)驗(yàn)式的鐓粗拔長(zhǎng)，兩鐓兩拔、三鐓三拔，甚至更多次的鐓粗拔長(zhǎng)。結(jié)果，鍛造效率較低，成本較高，而產(chǎn)品質(zhì)量卻不太穩(wěn)定。

按照有效壓實(shí)鍛造法[1]臨界條件來(lái)編制工藝和控制操作，可以解決所有鍛造技術(shù)應(yīng)該解決的問(wèn)題。那么殘存在鍛件中的內(nèi)部缺陷，基本就是由于冶金質(zhì)量產(chǎn)生的問(wèn)題了，比如說(shuō)非金屬夾雜物，或是氣體含量太高等。

采用有效壓實(shí)鍛造法編制鍛造工藝，需要一本詳細(xì)的變形程序手冊(cè)。通常在10 MN以上大型壓機(jī)上，總會(huì)配備兩至三副砧子。比如原北重的12.5 MN壓機(jī)，平砧寬度為320 mm；25 MN壓機(jī)有450 mm和600 mm兩副平砧；60 MN壓機(jī)有600 mm、900 mm和1 200 mm三副平砧。那么，針對(duì)一個(gè)具體的鍛件，無(wú)論是轉(zhuǎn)子、軋輥、葉輪或模塊等，選擇在哪一臺(tái)壓機(jī)上生產(chǎn)，除了考慮設(shè)備能力外，還要考慮使用哪副砧子、哪種拔長(zhǎng)方法(上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)、上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)、FM法拔長(zhǎng)或超寬砧拔長(zhǎng)等)。鍛壓工藝應(yīng)既能滿(mǎn)足有效壓實(shí)工藝準(zhǔn)則，又能使工藝路線最簡(jiǎn)潔、火次最少、不鐓粗或小鐓粗，并且使操作時(shí)間最短、鍛比最小、效率最高。

1 編制工藝手冊(cè)的基本原理

由于大型鍛件的壓實(shí)鍛造過(guò)程，大多是在拔長(zhǎng)變形過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。而大型壓機(jī)操作最簡(jiǎn)便、最常用的拔長(zhǎng)方法主要有：上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)、上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)、FM法拔長(zhǎng)和超寬砧拔長(zhǎng)這4種形式。其中，上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)是每拔長(zhǎng)一趟翻轉(zhuǎn)90°；而上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)時(shí)，其連續(xù)的趟數(shù)為2、3、2、2、2……；FM法拔長(zhǎng)是使用上平砧、下平臺(tái)(或轉(zhuǎn)臺(tái))，該方法拔長(zhǎng)時(shí)的翻轉(zhuǎn)為0°、180°、90°、180°、90°、180°……；超寬砧拔長(zhǎng)是用壓機(jī)的上砧板、下平臺(tái)(或轉(zhuǎn)臺(tái))，每趟按90°翻轉(zhuǎn)。選用超寬砧拔長(zhǎng)工藝時(shí)要考慮壓機(jī)的能力和材料的屈服強(qiáng)度，通常使用的鋼錠或坯料不可能太大，否則會(huì)出現(xiàn)壓不動(dòng)的現(xiàn)象。

編制拔長(zhǎng)程序時(shí)需要計(jì)算坯料的展寬系數(shù)。以下三個(gè)公式[4]分別給出了圓、扁圓和矩形截面拔長(zhǎng)時(shí)的坯料展寬系數(shù)。

(1)圓截面開(kāi)始第一趟拔長(zhǎng)時(shí)的坯料展寬系數(shù)可用下式計(jì)算，即α1=0.473(W0/D)

(2)翻轉(zhuǎn)90°后的扁圓截面拔長(zhǎng)時(shí)的坯料展寬系數(shù)可用下式計(jì)算，即α2=0.43(W0/H)

(3)矩形及方形截面拔長(zhǎng)時(shí)的坯料展寬系數(shù)可用下式計(jì)算，即α3=0.782-0.182(H/W0)

式中，W0為使用的平砧寬度(FM法為上砧寬度)，D為鋼錠或坯料的平均直徑，H為每趟壓下前的高度。

從鋼錠直接拔長(zhǎng)或壓八方后開(kāi)始的拔長(zhǎng)，第一趟的展寬都按圓截面公式α1計(jì)算。用α1乘以壓下量，再加上D，就等于翻轉(zhuǎn)90°后，開(kāi)始?jí)合虑暗男赂叨取?duì)于上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)的第二趟、上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)的第三趟和FM法拔長(zhǎng)的第三趟，都按照扁圓截面的展寬系數(shù)α2計(jì)算。其它趟數(shù)則按矩形截面展寬系數(shù)α3計(jì)算。

2 典型拔長(zhǎng)工藝手冊(cè)編制實(shí)例

由于每個(gè)企業(yè)各臺(tái)壓機(jī)所匹配的砧子寬度不同，有必要編制一本包含所有砧寬在內(nèi)的工藝手冊(cè)以提供使用。下面僅以原北重60 MN壓機(jī)的600 mm、900 mm和1 200 mm三副平砧為例，介紹其工藝手冊(cè)的編制方法。

從表1的目錄中可以看出，每種砧寬都給出了三種不同拔長(zhǎng)方法的程序。對(duì)于某一種截面尺寸的鍛件來(lái)說(shuō)，這三種方法在砧寬一定的情況下，對(duì)于從同一直徑開(kāi)始的拔長(zhǎng)，F(xiàn)M法的壓實(shí)效率最高，其次為上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)，最后是上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)。所以在筆者了解的企業(yè)中，使用FM法拔長(zhǎng)的工藝最為普遍。

對(duì)FM法拔長(zhǎng)和超寬砧拔長(zhǎng)的展寬值計(jì)算都統(tǒng)一采用前述的三個(gè)公式。在這兩種情況下，按照拔長(zhǎng)程序操作后，坯料的截面尺寸會(huì)稍微大一點(diǎn)。

下面分別給出目錄中前10項(xiàng)拔長(zhǎng)程序的示例。拔長(zhǎng)程序采用Excel表格形式編制，對(duì)于壓下量的選擇，上下平砧每趟先取20%，整數(shù)化處理后加10；FM法每趟先取11%，整數(shù)化后也加10，所有第一趟都是從圓截面開(kāi)始，自然都先加10。程序手冊(cè)中的第11項(xiàng)大型餅類(lèi)和板類(lèi)鍛件成形工藝規(guī)范，將在后續(xù)的文章中專(zhuān)題討論。

在實(shí)際的鍛造工藝中，主變形拔長(zhǎng)趟數(shù)一般控制在8趟～10趟，通常不會(huì)超過(guò)12趟，所以只需編出13趟即可。

從600 mm上下平砧的拔長(zhǎng)程序中，判斷符合有效壓實(shí)鍛造法的有效趟數(shù)，用600 mm×0.8÷0.5=960 mm(考慮有效進(jìn)砧寬度為80%，有效砧寬比W/H≥0.5)。

表1 北京重型機(jī)器廠60 MN水壓機(jī)鍛造工藝手冊(cè)目錄Table 1 The content of forging process manual for 60 MN hydraulic press in Beijing heavy machinery factory

表2 600 mm上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)程序(砧寬=600 mm; 坯料直徑=1 000 mm)Table 2 Traditional stretching process by 600 mm top and bottom flat anvil(anvil width =600 mm; billet diameter =1 000 mm)

表3 600 mm上砧FM法拔長(zhǎng)程序(砧寬=600 mm; 坯料直徑=1 000 mm)Table 3 FM method stretching process by 600 mm top anvil(anvil width =600 mm; billet diameter =1 000 mm)

可以看出，從第二趟開(kāi)始，后續(xù)壓下前直徑≤960 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。所以，在這種情況下滿(mǎn)足6個(gè)有效趟數(shù)，只要拔長(zhǎng)≥7趟即可，因?yàn)榈?、2兩趟完全可以折合成一個(gè)有效趟數(shù)。

在600 mm上砧FM法的拔長(zhǎng)程序中，判斷符合有效壓實(shí)鍛造法的有效趟數(shù)，用600 mm×0.8÷0.4=1 200 mm(考慮有效進(jìn)砧寬度為80%，有效砧寬比W/H≥0.4)?？梢钥闯?，所有壓下前直徑≤1 200 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。所以，在這種情況下滿(mǎn)足8個(gè)有效趟數(shù)，只要拔長(zhǎng)≥8趟即可。

表4 900 mm上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)程序(砧寬=900 mm; 坯料直徑=1 800 mm)Table 4 Continous stretching process by 900 mm top and bottom flat anvil(anvil width=900 mm; billet diameter=1 800 mm)

表5 900 mm上砧FM法拔長(zhǎng)程序(砧寬=900 mm; 坯料直徑=1 800 mm)Table 5 FM method stretching process by 900 mm top anvil(anvil width=900 mm; billet diameter=1 800 mm)

表6 1 200 mm上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)程序 (砧寬=1 200 mm; 坯料直徑=2 500 mm)Table 6 Traditional stretching process by 1 200 mm top and bottom flat anvil(anvil width=1 200mm; billet diameter =2 500 mm)

在900 mm上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)程序中，所有壓下前直徑≤1 440 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。所以，在這種情況下滿(mǎn)足6個(gè)有效趟數(shù)，只要拔長(zhǎng)≥8趟即可，因?yàn)榈?、3、4趟至少可以折合成一個(gè)有效趟數(shù)。

在900 mm上砧FM法的拔長(zhǎng)程序中，所有壓下前直徑≤1 800 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。所以，在這種情況下滿(mǎn)足8個(gè)有效趟數(shù)，只要拔長(zhǎng)≥8趟即可。雖然第3趟稍有不滿(mǎn)足，但該方法比上下平砧效果要好，所以還是比較保險(xiǎn)的。

在1 200 mm上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)程序中，壓下前直徑≤1 920 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。而1 200 mm上砧FM法的拔長(zhǎng)程序中，所有壓下前直徑≤2 400 mm的趟數(shù)都為有效趟數(shù)。

由于使用超寬砧拔長(zhǎng)的鍛件種類(lèi)較多，既可以在鐓粗后帶鉗把拔長(zhǎng)，也可以在下料后鐓粗拔長(zhǎng)，所以在原北重的手冊(cè)中給出了從?800 mm～?2 600 mm的范圍。所有程序只要編制出一個(gè)，復(fù)制修改截面尺寸就可以任意拓展。

表7 1 200 mm上砧FM法拔長(zhǎng)程序(砧寬=1 200 mm; 坯料直徑=2 500 mm)Table 7 FM method stretching process by 1 200 mm top anvil(anvil width=1 200 mm; billet diameter=2 500 mm)

表8 ?800 mm截面超寬砧拔長(zhǎng)程序 Table 8 Stretching process by ?800 mm ultra-wide anvil

表9 ?1 600 mm超寬砧拔長(zhǎng)程序Table 9 Stretching process by ?1 600 mm ultra-wide anvil

在壓機(jī)能力許可的情況下，超寬砧拔長(zhǎng)效率最高，只需要拔長(zhǎng)四趟就能滿(mǎn)足有效壓實(shí)臨界條件。并且，在鍛造厚壁筒一類(lèi)中心帶孔的鍛件時(shí)，其心部不用完全壓實(shí)鍛透，工藝要求只拔長(zhǎng)三趟即可。由于在鍛件成形過(guò)程中通常不會(huì)使用太寬的砧子，所以對(duì)于1 200 mm平砧，只需制作一個(gè)上砧即可，因?yàn)橹辉诎伍L(zhǎng)壓實(shí)時(shí)使用，這樣可以大大減少工裝成本。各臺(tái)壓機(jī)所需的最寬上砧尺寸應(yīng)根據(jù)壓機(jī)能力和所能生產(chǎn)的最大鍛件的截面尺寸來(lái)確定。

將幾種拔長(zhǎng)方法靈活使用，根據(jù)有效壓實(shí)臨界條件判別，在許多情況下鋼錠是不用鐓粗的，或者只需要鐓粗一點(diǎn)點(diǎn)，能達(dá)到滿(mǎn)足有效壓實(shí)臨界工藝準(zhǔn)則即可，這樣可以大大提高生產(chǎn)效率，降低成本。

在編制《優(yōu)化鍛造工藝手冊(cè)》時(shí)，除了前述的各種變形程序外，還應(yīng)包括常用鋼錠截面尺寸、本企業(yè)工裝工具一覽表及壓機(jī)凈空距參數(shù)等，這些參數(shù)在編制工藝時(shí)會(huì)經(jīng)常用到。

3 結(jié)論

3.1 按照有效壓實(shí)鍛造法的臨界條件制定鍛造工藝，需要編制一本《優(yōu)化鍛造工藝手冊(cè)》。

3.2 本文介紹了大型壓機(jī)最常用的上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)、上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)、FM法拔長(zhǎng)和超寬砧拔長(zhǎng)四種方法的拔長(zhǎng)程序編制，使得工藝制定不再僅僅依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，而是有據(jù)可依、簡(jiǎn)明精確，對(duì)操作過(guò)程的控制也很?chē)?yán)謹(jǐn)，并且能夠取得較大經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 四種常用拔長(zhǎng)方法中，在條件相等的情況下，超寬砧拔長(zhǎng)的壓實(shí)效果最好，F(xiàn)M法其次，然后為上下平砧連續(xù)拔長(zhǎng)，最后是上下平砧傳統(tǒng)拔長(zhǎng)。要根據(jù)壓機(jī)的能力合理使用超寬砧拔長(zhǎng)方法。

[1] 任猛，王祖唐，劉莊.有效壓實(shí)鍛造法.中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利第10650號(hào).

[2] 任猛,等.拔長(zhǎng)程序手冊(cè).北京重型機(jī)器廠技術(shù)文件，1987,10.

[3] 任猛,董金雷,王中安.優(yōu)化鍛造工藝手冊(cè).亞洲重工集團(tuán)有限公司技術(shù)文件，2000.

[4] 任猛,金錫鋼,王祖唐.拔長(zhǎng)鍛造時(shí)的展寬值計(jì)算.鍛壓技術(shù)，1989(2)：8.