國內(nèi)輥鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用（上）

文/洪濤·南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

蔣鵬·北京機(jī)電研究所

國內(nèi)輥鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用（上）

文/洪濤·南京汽輪電機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

蔣鵬·北京機(jī)電研究所

在金屬塑性體積成形領(lǐng)域中，連續(xù)局部塑性成形是一個(gè)重要的組成部分。這種工藝在軋制領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)成熟，如板材、型材和管材等軋制技術(shù)。軋制成形的特點(diǎn)之一是只能生產(chǎn)不同形狀橫截面的產(chǎn)品，生產(chǎn)變截面產(chǎn)品的連續(xù)局部成形工藝如輥鍛、楔橫軋、旋壓和擺輾等是在20世紀(jì)50年代逐漸發(fā)展起來的，并迅速取得了廣泛的應(yīng)用。

輥鍛是指用一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝。在工業(yè)應(yīng)用中，輥鍛既可作為模鍛前的制坯工序?yàn)殚L軸類鍛件提供鍛造用毛坯（稱為制坯輥鍛或普通輥鍛），亦可在輥鍛機(jī)上實(shí)現(xiàn)主要的鍛件成形過程或直接輥制出鍛件（稱為成形輥鍛或稱精密輥鍛）。

國內(nèi)外的技術(shù)狀況

輥鍛變形的技術(shù)特點(diǎn)

圖1 輥鍛原理圖

輥鍛是將軋制變形引入鍛造生產(chǎn)中的一種成形工藝，基本原理見圖1?？梢钥闯?，在輥鍛變形過程中，坯料在高度方向經(jīng)輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬橫向流動(dòng)外，大部分金屬沿坯料的長度方向流動(dòng)。因此，輥鍛變形的實(shí)質(zhì)是坯料在壓力下的延伸變形過程，適用于減小坯料截面，如軸類件的拔長，板坯的輾片等。輥鍛工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴提高鍛件質(zhì)量和降低廢品率。輥鍛制坯不僅可以獲得形狀、尺寸和表面質(zhì)量較好的毛坯，避免因制坯形狀問題造成的鍛件折疊、充不滿等缺陷，而且輥鍛過程中的連續(xù)局部變形使得金屬纖維的走向和鍛件形狀一致，金相組織均勻、致密、機(jī)械性能高，有利于得到機(jī)械性能良好的鍛件。另外，由于輥鍛機(jī)節(jié)拍穩(wěn)定，輥鍛坯料溫度一致性好，有利于得到尺寸穩(wěn)定的模鍛件。

⑵提高生產(chǎn)效率。輥鍛制坯效率大大高于空氣錘或模鍛錘上制坯的效率，解決了一般鍛造線中錘類設(shè)備制坯效率低影響整線生產(chǎn)效率的問題，為提高生產(chǎn)節(jié)拍提供了保證，例如采用φ460mm自動(dòng)輥鍛機(jī)四道次制坯的效率可達(dá)8s一件，一般使用自動(dòng)輥鍛機(jī)的連桿生產(chǎn)線年生產(chǎn)能力可達(dá)100萬件。

⑶節(jié)約原材料。由于輥鍛制坯精度高，尺寸穩(wěn)定，可減小下料重量，在模鍛工步采用小飛邊鍛造，鍛件材料利用率和空氣錘制坯相比有較大提高。

⑷節(jié)約能源。有以下幾點(diǎn)原因：材料利用率提高，下料重量變小，所需加熱能量減小；輥鍛機(jī)組主電機(jī)功率遠(yuǎn)小于同能力空氣錘電機(jī)功率；由于效率高，實(shí)際每件工件的占用制坯設(shè)備時(shí)間即用電時(shí)間減少。

⑸減小模鍛主機(jī)打擊力，提高鍛造模具壽命。輥鍛制坯的坯料精化，鍛造飛邊小，因而對(duì)模具的磨損小，有利于鍛造模具壽命的提高，同時(shí)減小了模鍛主機(jī)的打擊力，對(duì)延長模鍛主機(jī)的使用壽命有利。

教師或樓管員到達(dá)系統(tǒng)圖像識(shí)別區(qū)域時(shí)，高清攝像頭會(huì)對(duì)其面部進(jìn)行圖像拍攝，圖片將會(huì)被傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部，并對(duì)其進(jìn)行人臉檢測(cè)與識(shí)別。系統(tǒng)集成云日志、RFID雙層驗(yàn)證、手機(jī)管理認(rèn)證等一系列安全保障機(jī)制，以進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。圖2為人臉識(shí)別工作原理圖。

⑹改善勞動(dòng)條件，減少操作人員。輥鍛是連續(xù)局部靜壓成形，沖擊、振動(dòng)、噪聲小，改善勞動(dòng)工人條件，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，自動(dòng)輥鍛機(jī)理論上可以做到無人操作。

國外的研究與應(yīng)用情況

國外20世紀(jì)50年代開始熱模鍛壓力機(jī)得到迅速發(fā)展，由于熱模鍛壓力機(jī)上不適合拔長、輥擠等制坯工步，因此在熱模鍛壓力機(jī)上模鍛軸類鍛件時(shí)，必須配有制坯輔助設(shè)備，這就大大促進(jìn)了輥鍛工藝和輥鍛機(jī)的應(yīng)用和推廣。如美國雪佛蘭（CHEVROLET）汽車公司1955年安裝的模鍛設(shè)備中，14臺(tái)16000～60000kN熱模鍛壓力機(jī)就配有10臺(tái)規(guī)格不同的輥鍛機(jī)。德國某汽車廠的前軸鍛造工藝，原用3臺(tái)空氣錘制坯供應(yīng)坯料還很緊張，鍛件質(zhì)量低，金屬消耗大，飛邊損失達(dá)20%，后來采用一臺(tái)自動(dòng)輥鍛機(jī)制坯就滿足了生產(chǎn)要求，且鍛件質(zhì)量好，材料利用率提高。前蘇聯(lián)某汽輪機(jī)葉片廠對(duì)200余種葉片采用了輥鍛制坯工藝，使材料消耗降低16%，一年即可節(jié)約合金鋼585t。

現(xiàn)在，自動(dòng)輥鍛機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)及步進(jìn)式機(jī)械手組合成的先進(jìn)鍛造生產(chǎn)線已成為一種標(biāo)準(zhǔn)配制而被世界各大鍛造廠采用。在制坯輥鍛的孔型設(shè)計(jì)方面美國國立機(jī)械公司、德國EUMUCO公司等都總結(jié)出了自己的設(shè)計(jì)方法。在輥鍛CAD技術(shù)的研究上，德國漢諾威大學(xué)的Deoge于1991年開發(fā)出Semgment軟件至今仍在被應(yīng)用，近年來又有輥鍛模具三維CAD專用軟件開發(fā)成功并獲得良好的應(yīng)用效果。圖2是德國EUMUCO公司的取得了廣泛應(yīng)用的ARWS型自動(dòng)輥鍛機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 ARWS型自動(dòng)輥鍛機(jī)的結(jié)構(gòu)圖（EUMUCO公司）

國內(nèi)的研究與應(yīng)用概況

我國從20世紀(jì)60年代開始研究輥鍛技術(shù)，原吉林工業(yè)大學(xué)在這方面做了大量的工作，發(fā)表了專著，并取得了很有價(jià)值的研究和應(yīng)用成果，例如連桿的成形輥鍛應(yīng)用研究，汽車變截面板簧的輥鍛技術(shù)與設(shè)備，機(jī)引犁鏵、護(hù)刃器具和農(nóng)墾鋤頭的輥鍛，扳鉗工具輥鍛工藝，以及一些其他種類的軸類件的輥鍛工藝的研究與開發(fā)等。北京機(jī)電研究所對(duì)葉片精密輥鍛技術(shù)應(yīng)用作了長期深入研究，其成果曾獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。上海交通大學(xué)、原第二汽車制造廠、河北科技大學(xué)、大連鐵道學(xué)院等單位的技術(shù)人員也對(duì)輥鍛工藝?yán)碚摵蛻?yīng)用做了有益的探索。

近年來輥鍛技術(shù)裝備的應(yīng)用范例

汽車前軸精密輥鍛技術(shù)及其持續(xù)改進(jìn)

20世紀(jì)90年代初開發(fā)出前軸精密輥鍛模鍛工藝，主要工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→4道次精密輥鍛（1000mm帶程控機(jī)械手自動(dòng)輥鍛機(jī)）→彎曲、模鍛（25MN以上螺旋壓力機(jī)）→切邊（10MN摩擦壓力機(jī)）→熱校正（16MN摩擦壓力機(jī)）。由于該工藝不需要萬噸級(jí)的壓力機(jī)，可大幅度降低生產(chǎn)線的投資。

前軸精密輥鍛模鍛工藝和裝備技術(shù)進(jìn)步過程主要體現(xiàn)在以下4方面：

⑴輥鍛機(jī)輥鍛能力的提高。最初開發(fā)出加強(qiáng)型680mm輥鍛機(jī)，可用于50kg以下的小型前軸的精密輥鍛，后來在引進(jìn)德國技術(shù)的930mm輥鍛機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出1000mm輥鍛機(jī)，在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)，該種輥鍛機(jī)在進(jìn)行100kg以上的前軸精密輥鍛生產(chǎn)時(shí)有能力不足的現(xiàn)象，于是2003年又開發(fā)了加強(qiáng)型1000mm輥鍛機(jī)。

⑵從最初的有料頭輥鍛改進(jìn)到無料頭輥鍛提高了材料利用率。最初的前軸精密輥鍛件中包含自動(dòng)輥鍛夾持部分的料頭，后來嘗試將夾持部分作為模鍛坯料的一部分模鍛成形，這樣可以明顯提高材料利用率，目前鍛件材料利用率一般可以達(dá)到90%以上。

⑶采用數(shù)值模擬等先進(jìn)手段輔助設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)精準(zhǔn)化，大大縮短了工藝調(diào)試時(shí)間。圖3為前軸精密輥鍛工藝的模擬結(jié)果，為第一至第四道次的輥鍛件形狀。

⑷減少輥鍛道次。最初的精密輥鍛設(shè)計(jì)為四道次輥鍛，其中第一道次輥鍛的變形比較小，變形部位不多，變形部位的延伸率一般在1.1以下。后來將第一道次和第二道次合并，開發(fā)了三道次精密輥鍛技術(shù)，可以明顯提高生產(chǎn)效率，縮短工藝調(diào)試時(shí)間，改進(jìn)后的工藝有利于彈簧座部分的成形。

圖3 前軸精密輥鍛工藝的模擬結(jié)果

表1 鍛件材料利用率等的對(duì)比

前軸的預(yù)成形輥鍛技術(shù)開發(fā)推廣

⑴16t模鍛錘上采用預(yù)成形輥鍛技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。

中國重汽鍛造廠一直用16t錘生產(chǎn)前軸，后來開發(fā)出預(yù)成形輥鍛模鍛工藝，流程如下：中頻感應(yīng)加熱(1600kW中頻感應(yīng)加熱爐)→預(yù)成形輥鍛(φ1000mm輥鍛機(jī))→彎曲、終鍛(16t電液錘)→熱切邊→熱校正。

表1所示為鍛件的材料利用率的對(duì)比，圖4是預(yù)成形輥鍛和制坯輥鍛工藝飛邊大小的對(duì)比?？梢钥闯觯A(yù)成形輥鍛工藝的材料利用率得到了很大的提高，相對(duì)于前兩種工藝，預(yù)成形輥鍛工藝的材料利用率提高了8%左右。材料利用率的提高隨之帶來的是鍛件材料費(fèi)用和加熱費(fèi)用的降低，每年按生產(chǎn)15萬件計(jì)算，年節(jié)約材料費(fèi)用在千萬元以上。

圖4 預(yù)成形輥鍛和制坯輥鍛工藝飛邊大小的對(duì)比

圖5 前軸鍛件照片

⑵萬噸電動(dòng)螺旋壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線上應(yīng)用。

湖北三環(huán)車橋公司的前軸鍛造九線由中頻感應(yīng)加熱爐、1000mm輥鍛機(jī)和德國舒勒公司生產(chǎn)的PZS900電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和KUKA機(jī)器人組成，其前軸生產(chǎn)工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱(兩臺(tái)2000kW中頻感應(yīng)加熱爐)→預(yù)成形輥鍛(φ1000mm輥鍛機(jī))→彎曲、終鍛(PZS900電動(dòng)螺旋壓力機(jī))→熱切邊(J55-1600高能螺旋壓力機(jī))→熱校正（YD32-2000四柱液壓機(jī)）。采用兩道次預(yù)成形輥鍛，輥鍛調(diào)試周期相對(duì)較短，圖5所示為該工藝調(diào)試后最終打出的鍛件，鍛件充填飽滿，輪廓清晰，質(zhì)量優(yōu)良。

《國內(nèi)輥鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用（下）》見《鍛造與沖壓》第7期