國(guó)內(nèi)輥鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用（下）

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(guó)內(nèi)輥鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用（下）

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(guó)內(nèi)輥鍛技術(shù)裝備的研究與應(yīng)用（上）》見2015年第5期

典型件的輥鍛工藝

鋁合金控制臂輥鍛技術(shù)開發(fā)

鋁合金控制臂鍛造工藝流程為：中頻加熱→四道次輥鍛→彎曲、壓扁→二次加熱→預(yù)鍛、終鍛→切邊、沖孔、校正。在工藝模擬中發(fā)現(xiàn)，第四道次中間段的厚壁兩側(cè)出現(xiàn)飛邊，該飛邊會(huì)在后續(xù)模鍛中形成折疊或其他缺陷，必須采取措施消除。通過分析輥鍛過程，并檢查相應(yīng)的模具，發(fā)現(xiàn)第四道輥鍛模具厚壁處型腔過于狹窄，不足以容納足量的金屬，因此將該處型腔底部和側(cè)面加大，利用修改優(yōu)化后的模具進(jìn)行模擬，在其他參數(shù)未改變的前提下，模擬得到輥鍛工件與實(shí)際生產(chǎn)中得到的輥鍛工件吻合得很好。采用優(yōu)化后的輥鍛件進(jìn)行彎曲、壓扁、終鍛，得到的零件飛邊均勻，成形飽滿，這說明輥鍛工藝設(shè)計(jì)合理，材料分配效果顯著。

銷軌鍛件的特點(diǎn)和典型鍛造工藝

目前國(guó)內(nèi)與采煤機(jī)配套使用的銷軌型號(hào)有多種，如126型、147型等型號(hào)銷軌，圖6所示為126型銷軌鍛件圖。材料為40Mn2，鍛件重量約為63kg，鍛件總長(zhǎng)745mm，最寬處161mm，鍛件有五個(gè)齒孔，銷排端頭帶有較深的耳部型腔。

圖6 銷軌鍛件圖

輥鍛制坯—摩擦壓力機(jī)上模鍛工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→模鍛→切邊→沖孔。銷軌輥鍛工藝采用150mm×150mm方坯料三道次制坯輥鍛，第一道輥出菱形轉(zhuǎn)90°進(jìn)入第二道，第二道輥出方形回轉(zhuǎn)45°進(jìn)入第三道，第三道將中間齒形基本輥出。圖7所示為輥鍛工步圖。

圖7 輥鍛工步圖

超長(zhǎng)輥鍛件的自動(dòng)輥鍛工藝

超長(zhǎng)輥鍛件的輥鍛工藝是這樣實(shí)現(xiàn)的，即第一道輥鍛是后半部分壓扁，先在第一道輥鍛模中輥鍛坯料后半部分，前半部分不變形；第二道輥鍛是后半部分輥圓，把第一道壓扁的部分在第二道中輥圓，前半部分不變形；第一、二道輥鍛后的部分已經(jīng)達(dá)到制坯的尺寸要求，在第三、四道輥鍛過程中不參與變形；第三道輥鍛是前半部分壓扁，后半部分已經(jīng)成形不參與變形；第四道輥鍛是前半部分輥圓，把第三道壓扁的部分在第四道中輥圓，后半部分已經(jīng)成形，不參與變形；圖8所示A端為機(jī)械手夾持端，在整個(gè)輥鍛過程中機(jī)械手的前后位置保持不變。

以φ460mm輥鍛機(jī)為例，輥鍛機(jī)要求輥鍛件長(zhǎng)度小于710mm，輥鍛件的最大坯料直徑為φ75mm，對(duì)于輥鍛件長(zhǎng)度超過輥鍛機(jī)的最大允許值，而其他參數(shù)沒有達(dá)到輥鍛機(jī)要求的最大尺寸，即裝?？臻g小于鍛輥可使用寬度，輥鍛件直徑小于最大坯料直徑等，這種情況就可采用分段輥鍛工藝。

大型內(nèi)燃機(jī)連桿掉頭輥鍛工藝

280連桿為鐵路內(nèi)燃機(jī)車用柴油機(jī)連桿，鍛件材料為42CrMo，鍛件重量約49kg，連桿體和連桿蓋的結(jié)合面不與連桿主軸線垂直，傾斜45°。形狀比較特殊，所需坯料兩頭較小，最大處在中間，需掉頭輥鍛才能完成。根據(jù)生產(chǎn)線的情況，確定工藝過程為感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→彎曲→預(yù)鍛→終鍛→切邊→熱校正。

輥鍛工藝方案的選擇確定：

⑴4模4輥工藝方案。受輥鍛模寬度的制約，φ1000mm輥鍛機(jī)的鍛輥上只能安裝4副輥鍛模，因此，設(shè)計(jì)了4模4輥的工藝方案，見圖9。該方案中，使用4副輥鍛模，進(jìn)行4道次輥鍛。在第一、二道輥鍛后進(jìn)行掉頭，再進(jìn)行第三、四道輥鍛。

圖8 輥鍛工步圖

圖9 4模4輥輥鍛工藝方案

按該種工藝方案，連桿毛坯和小頭對(duì)應(yīng)部分坯料外徑由φ170mm經(jīng)輥鍛后變?yōu)棣?30mm，延伸系數(shù)較小，因此該部分用2道次輥鍛成形，本工藝方案安排在第一、二道輥鍛成形，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓，輥出φ130mm小端后掉頭，以該端作為后續(xù)輥鍛工步的機(jī)械手夾持端。連桿毛坯和桿部對(duì)應(yīng)部分坯料外徑由φ170mm經(jīng)輥鍛后變?yōu)棣?7mm，延伸系數(shù)為3.82，該部分應(yīng)該采用4道次輥鍛成形，在本工藝方案中，第一、二、三、四道次輥鍛過程中每一道都參與變形，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓→橢圓→圓。

連桿毛坯和開口彎頭大頭部位對(duì)應(yīng)部分坯料外徑由φ170mm經(jīng)輥鍛后變?yōu)棣?02mm，延伸系數(shù)為2.78，該部分應(yīng)該采用2道次輥鍛成形，但平均每道次的延伸系數(shù)較大，若采用圓→橢圓→圓的孔型進(jìn)行兩道次輥鍛，極易失穩(wěn)，有可能造成整個(gè)工藝的不穩(wěn)定。若采用圓→橢圓→方的孔型進(jìn)行兩道次輥鍛，可保持工藝穩(wěn)定。

⑵4模6輥工藝方案：4模4輥方案有許多優(yōu)點(diǎn)，但最終輥鍛制坯后大頭部分坯料的產(chǎn)品截面形狀為方形，和原設(shè)計(jì)不符，所以另外設(shè)計(jì)了4模6輥方案，輥鍛工步圖見圖10。

該方案中，仍使用4副輥鍛模，但進(jìn)行6道次輥鍛。在第一、二道次輥鍛后進(jìn)行掉頭，輥鍛機(jī)械手回到起始工位，利用第一、二道次輥鍛模的孔型進(jìn)行第三、四道次輥鍛，即第一、三道次輥鍛合用一副輥鍛模，第二、四道次輥鍛合用一副輥鍛模，然后再在其余2道輥鍛模上進(jìn)行第五、六道次輥鍛。該種工藝方案的第一、二道次輥鍛和4模4輥方案相同，連桿毛坯和小頭對(duì)應(yīng)部分坯料外徑由φ170mm經(jīng)2道次輥鍛后變?yōu)棣?30mm，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓，輥出φ130mm小端后掉頭，以該端作為后續(xù)輥鍛工步的機(jī)械手夾持端。連桿毛坯和桿部對(duì)應(yīng)部分坯料外徑由φ170mm經(jīng)輥鍛后變?yōu)棣?7mm，該部分采用4道次輥鍛成形，在本工藝方案中，第一、二、三、四道次輥鍛過程中每一道次都參與變形，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓→橢圓→圓。連桿毛坯和開口彎頭大頭部位對(duì)應(yīng)部分坯料外徑由φ170mm經(jīng)輥鍛后變?yōu)棣?02mm，該部分可采用4道次輥鍛成形，第三、四道次輥鍛完成后隨輥鍛模的形狀變成臺(tái)階形，該形狀經(jīng)第五、六道次輥鍛后最終變成φ102mm的圓形。

4模6輥方案在用戶工廠現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，經(jīng)工藝、設(shè)備、電控三方的共同努力，達(dá)到了預(yù)期的效果，證明該工藝是可行的。但是，由于該方案的復(fù)雜性，工藝在調(diào)試過程中耗費(fèi)了大量的人力和時(shí)間。

圖10 4模6輥輥鍛工藝方案

鐵路貨車鉤尾框鍛件的精密輥鍛工藝

鐵路車輛17型鉤尾框展開后的鍛件三維造型如圖11所示，該鍛件具有以下特點(diǎn)：⑴鍛件重量約100kg，鍛件展開長(zhǎng)約為2000mm，鍛造工藝比較復(fù)雜，需要大噸位設(shè)備來模鍛成形；⑵鍛件主軸線上下部分形狀有較大不對(duì)稱性，而鍛件主軸線前后的形狀是對(duì)稱的；⑶鉤尾框?qū)傩螤顝?fù)雜的、異形長(zhǎng)鍛件，局部很薄，形狀難以控制，在兩端金屬較難填充成形；⑷鍛件縱向截面起伏變化較多，某些部位具有較大的高度落差。

圖11 17型鉤尾框鍛件三維造型圖

鍛造鉤尾框工藝路線為：下料→中頻感應(yīng)加熱→φ1000mm輥鍛機(jī)上4道次部分成形輥鍛→3150t以上摩擦壓力機(jī)或高能螺旋壓力機(jī)上鍛造→切邊→在通用設(shè)備上用專用工裝或用專用液壓折彎?rùn)C(jī)折彎→整形，工藝流程圖見圖12。圖13是用精密輥鍛—模鍛復(fù)合成形技術(shù)生產(chǎn)出來的17型鍛造鉤尾框輥鍛成品圖。采用該工藝后比采用傳統(tǒng)的自由鍛工藝每件產(chǎn)品節(jié)約成本220元以上，經(jīng)濟(jì)效益良好。

圖12 鉤尾框輥鍛—模鍛復(fù)合成形工藝流程

圖13 17型鍛造鉤尾框成品圖

φ1250mm輥鍛機(jī)的開發(fā)

16型鍛造貨車鉤尾框，需要將φ180mm圓棒料輥鍛制坯，而國(guó)產(chǎn)輥鍛機(jī)最大型號(hào)為φ1000mm，最大可輥鍛坯料尺寸為φ160mm，不能滿足要求，因此發(fā)展大型自動(dòng)輥鍛機(jī)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，為滿足市場(chǎng)對(duì)大型輥鍛機(jī)的需求，開發(fā)了φ1250mm大型輥鍛機(jī)，沿用傳統(tǒng)的整體式結(jié)構(gòu)，主要包括飛輪系統(tǒng)、電機(jī)、減速箱和鍛輥系統(tǒng)。

為保證足夠的輸出扭矩，φ1250mm輥鍛機(jī)采用四級(jí)直齒輪減速，轉(zhuǎn)速為8r/min，最大輸出扭矩1000kNm。由于輥鍛過程上下軋輥是反向旋轉(zhuǎn)的，最簡(jiǎn)單的傳動(dòng)形式是兩鍛輥間采用一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)，利用單偏心套調(diào)節(jié)中心距，中心距調(diào)節(jié)量為上下10mm，中心距調(diào)整后，會(huì)產(chǎn)生齒側(cè)間隙，為克服齒側(cè)間隙，采用浮動(dòng)齒輪配以氣動(dòng)平衡裝置。經(jīng)過有限元計(jì)算和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，輥鍛機(jī)的主要振動(dòng)形式表現(xiàn)為左右擺動(dòng)，φ1250mm輥鍛機(jī)加厚了左立柱，同時(shí)加長(zhǎng)了鍛輥軸承，以增大輥鍛機(jī)的低階固有振動(dòng)頻率。飛輪由于是懸臂放置，并且飛輪較小，輥鍛機(jī)重量增加不少，因此φ1250mm輥鍛機(jī)設(shè)置了飛輪卸荷套，使飛輪脫離于傳動(dòng)軸，保證傳動(dòng)的平穩(wěn)，也保證了輥鍛機(jī)的安全可靠。表2為φ1250mm輥鍛機(jī)參數(shù)表，圖14是安裝在現(xiàn)場(chǎng)的輥鍛機(jī)照片。

圖14 安裝在現(xiàn)場(chǎng)的φ1250mm輥鍛機(jī)

表2 φ1250mm輥鍛機(jī)參數(shù)

近期發(fā)展展望

⑴小型輥鍛機(jī)將進(jìn)入更多的工廠，替代空氣錘為軸類鍛件制坯，在提高效率，降低料耗和能耗的同時(shí)，還可為自動(dòng)化操作提供必要的條件。

⑵大型輥鍛機(jī)經(jīng)歷了前軸、鉤尾框、銷軌和刮板等典型鍛件的制坯輥鍛技術(shù)發(fā)展后，在大型葉片、大型連桿等鍛造工藝中有望取得更多的應(yīng)用。

⑶小型伺服驅(qū)動(dòng)輥鍛機(jī)具有較高研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用需求，是一種值得關(guān)注的輥鍛新裝備。

⑷輥鍛模具設(shè)計(jì)計(jì)算過程復(fù)雜，國(guó)內(nèi)目前還沒有成熟的專用輥鍛模具設(shè)計(jì)軟件，開發(fā)此類軟件非常必要，對(duì)推動(dòng)輥鍛機(jī)的應(yīng)用推廣，減輕技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作量，乃至減少輥鍛模調(diào)試時(shí)間都有好處。