鈦自由鍛快鍛機主要設(shè)備參數(shù)選擇的討論

陳全，張亞好

(1.中色科技股份有限公司，河南洛陽471039;2洛陽卓聯(lián)液壓機械有限公司，河南洛陽471000)

我國有色金屬工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃(以下簡稱規(guī)劃)中明確提出要針對國家航空航天等重大工程需求，著力發(fā)展大規(guī)格棒材和鍛件、大直徑管材及擠壓型材等。而自由鍛工序的作用是將鑄錠開坯成板帶軋制用的板坯和管材、型材擠壓用的棒坯和大型模鍛件生產(chǎn)用的坯料，以及生產(chǎn)鍛棒和鍛件。目前我國能生產(chǎn)鈦及鈦合金鍛棒的最大尺寸為Φ400mm，但隨著我國大型客機、大型運輸機等重大項目的上馬，要求鍛棒最大尺寸達(dá)到Φ500 mm，甚至達(dá)到Φ600 mm［1］。規(guī)劃中將“大規(guī)格棒材，熱軋鈦合金中厚板，厚度0.4 ～1.0mm、寬度1500mm 冷軋鈦薄板，大卷重(單重3t以上)鈦帶等產(chǎn)品生產(chǎn)項目”列為鈦產(chǎn)業(yè)的“精深加工重點工程”?？梢灶A(yù)見的是，在未來的鈦加工行業(yè)中，大規(guī)格鈦合金棒材和寬幅板帶材等將會是行業(yè)發(fā)展的焦點和熱點，必然會新上一批專用于鈦合金棒材鍛造和寬幅板帶材開坯的自由鍛快鍛機。

現(xiàn)代化鈦自由鍛車間的主要工藝設(shè)備，包括快鍛機及其操作機、鍛造加熱爐、機加設(shè)備和修磨設(shè)備等，其中快鍛機的設(shè)備投資占整個鍛造車間設(shè)備投資的60%以上，且快鍛機的基礎(chǔ)深度和設(shè)備高度決定了廠房的基礎(chǔ)深度和高度，決定了整個鍛造車間的工程造價。因此在確定了快鍛機的結(jié)構(gòu)型式以后，合理選擇快鍛機的主要設(shè)備參數(shù)如設(shè)備最大載荷、凈空高和鍛造頻次等，將影響快鍛機的設(shè)備設(shè)計與投資，對節(jié)約項目投資具有重要意義，本文將從這幾個方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 快鍛機的最大載荷

快鍛機的最大載荷主要根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格來確定，是快鍛機開坯能力的體現(xiàn)，主要影響設(shè)備的裝機功率、主缸的大小和設(shè)備重量，是快鍛機最重要的參數(shù)之一。確定最大載荷有兩種方式，一種是根據(jù)理論計算來確定，另一種是依據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗來確定。

1.1 理論計算確定

一般情況下，鑄錠鐓粗時需要的壓力是最大的。根據(jù)鐓粗力計算公式:

其中:P——鐓粗力，kg;

f——摩擦系數(shù)，取 0.5［3］，

D——鐓粗后坯料的直徑，mm;H——鐓粗后坯料的高度，mm;

F——鐓粗后坯料的橫截面積，mm2;

σb——鐓粗溫度下坯料的抗拉強度，kg/mm2。

可以看出，鑄錠直徑越大，鐓粗力越大;鐓粗后坯料的橫截面積越大、徑高比越大則需要的鐓粗力越大。因此可以根據(jù)成品的合金品種和尺寸以及所選擇的鑄錠尺寸來計算快鍛機的最大載荷。

要實現(xiàn)鐓粗必須滿足的鐓粗工藝條件，一是鑄錠高徑比≤3，最好控制在2 ～2.5［3］;二是鐓粗變形量應(yīng)充分，應(yīng)大于其臨界變形量，并考慮鐓粗后拔長的可操作性。就我國目前情況來看，能生產(chǎn)的工業(yè)純鈦最大圓錠為 Φ1600mm［1］(15t VAR 爐生產(chǎn))，能生產(chǎn)的最大鈦合金圓錠為 Φ860mm［4］(TC4合金，EB 爐生產(chǎn))。如果按照高徑比2.5，鐓粗變形量40%計算，即最大純鈦錠的尺寸為Φ1600mm×4000mm(實際上不可能，因其重量已超過36t)，鐓粗后的坯料尺寸為Φ2065mm×2400mm;最大鈦合金錠的尺寸為Φ860mm×2150mm(重約5.6t)，鐓粗后的坯料尺寸為Φ1110mm×1290mm。根據(jù)鐓粗公式計算，則純鈦錠需要的鐓粗力為 95MN(σb取 2.5MPa，900℃［3］)，TC4鈦合金錠所需的鐓粗力為 72MN(σb取 6.5MPa，900℃［3］)。

1.2 依據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗確定

根據(jù)國內(nèi)一些鈦材加工企業(yè)的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，40MN快鍛機可鍛造開坯10t的工業(yè)純鈦錠，提供寬度1300mm的鍛造板坯;60MN快鍛機可鍛造開坯15t的工業(yè)純鈦錠，提供寬度1600mm的鍛造板坯。

國外鈦鍛造企業(yè)的快鍛機一般為30～60MN，可以生產(chǎn)最大直徑為Φ500mm的鈦合金棒材［1］，國內(nèi)目前僅有寶鈦和寶鋼可以穩(wěn)定生產(chǎn)Φ350mm的鈦合金鍛棒，Φ400mm的鈦合金鍛棒產(chǎn)品性能和質(zhì)量還不穩(wěn)定。從國內(nèi)外生產(chǎn)鈦合金大規(guī)格棒材的經(jīng)驗來看，可以選擇60～100MN的快鍛機來生產(chǎn)Φ500mm、甚至Φ600mm的大規(guī)格鈦合金鍛棒。

需要指出的是，快鍛機的最大載荷不一定是快鍛機的名義載荷。例如某廠的80MN快鍛機其名義載荷為80MN，但可以將液壓系統(tǒng)壓力由31.5MPa提升至40MPa，把最大載荷提升至100MN。這樣做的好處是既滿足了鐓粗時的載荷要求，又減少了主缸的直徑和設(shè)備功率，從而減輕了設(shè)備重量，降低了設(shè)備投資。

2 快鍛機的凈空高

快鍛機砧子夾緊面之間的凈空高度L(即活動橫梁耐磨板底緣至移動工作臺上緣之間的凈距)(圖1)，是由快鍛機所能生產(chǎn)鍛件的最大高度或開坯鐓粗鑄錠的最大長度來決定的。凈空高主要影響快鍛機設(shè)備本體重量、總高度和廠房高度，根據(jù)是否考慮大規(guī)格成品環(huán)件(Φ≥3m)的生產(chǎn)來確定凈空高。

2.1 不考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)

圖1 快鍛機的凈空高Fig.1 Clearance height of fast forging press

在此情況下，快鍛機的凈空高可由活動橫梁的工作行程S(圖2)確定?；顒訖M梁的工作行程即主工作缸的行程，在不考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)的情況下，主要由鐓粗時最大鑄錠長度和最薄工件厚度決定?，F(xiàn)代化的快鍛機為了減少換上、下砧，尤其是換上砧的時間，要求上下砧能夠閉合，以便快速換上砧。一般情況下認(rèn)為快鍛機的凈空高減去上下平砧的高度就是活動橫梁的工作行程。特殊情況下，如為了方便鍛造餅類鍛件，設(shè)置了旋轉(zhuǎn)鍛造臺，而旋轉(zhuǎn)鍛造臺高度一般都比下砧的高度要低，此時就要求活動橫梁的工作行程更大一些。活動橫梁的工作行程越大，快鍛機的凈空高就越大，設(shè)備總高度就越高，廠房的高度就越大;同時由于工作缸裝在上橫梁，工作缸的行程越大，工作缸就越長，相應(yīng)的上橫梁高度和快鍛機的立柱高度就要增加，從而增加了設(shè)備重量;在鍛造速度一定的情況下，主缸越長，所需的液壓油量也越大，就需要更大的泵和主電機，增加了設(shè)備的裝機容量。

圖2 活動橫梁的工作行程Fig.2 Working stroke of the movable beam

2.2 考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)

在考慮成品環(huán)件生產(chǎn)時，快鍛機的凈空高主要由最大環(huán)件的尺寸來確定。環(huán)件的生產(chǎn)包括沖孔和擴孔兩道主要工序，擴孔時需要去掉下砧并換成馬架(又稱馬杠)進(jìn)行擴孔(圖3)。因此，快鍛機的凈空就由最大環(huán)件的外徑Φmax、上砧高度h上確定，根據(jù)圖3可知，L=Φmax+h上+h1，其中h1是實現(xiàn)鍛造所必需的安全距離，一般取100～300mm。如前所述，要實現(xiàn)上下平砧的閉合，快鍛機的凈空高減去上下平砧的高度就是活動橫梁的工作行程。因此如果所生產(chǎn)的最大環(huán)件的外徑越大，在上下砧高度確定的情況下，則活動橫梁的工作行程也就越大，設(shè)備造價越高。有時為了降低設(shè)備投資，而選擇較小的活動橫梁工作行程，增加下砧的高度，因為增加下砧高度所帶來的設(shè)備造價的增加，遠(yuǎn)小于因主缸長度和上橫梁高度增加而帶來的設(shè)備造價的增加。

圖3 馬架擴孔簡圖Fig.3 Sketch of saddle forging

隨著更加高效、節(jié)能且成本更低的輾環(huán)(又稱軋環(huán))工藝的不斷發(fā)展，快鍛機將只為輾環(huán)機提供環(huán)件坯料，不再生產(chǎn)環(huán)件成品，尤其是直徑超過3m的大規(guī)格環(huán)件。

3 快鍛機的鍛造頻次

快鍛對于鈦合金的鍛造尤為重要，因為鈦合金的鍛造溫度范圍窄、散熱快，需要在較窄的溫度范圍內(nèi)爭取到較多的鍛造時間，否則就需要增加鍛造火次，增加生產(chǎn)成本。因此，鍛造頻次高有利于鈦合金的鍛造。鍛造頻次是指在一定鍛造力下和一定鍛透深度前提下快鍛機每分鐘連續(xù)加載的次數(shù)，它與活動橫梁的空程、回程和工作行程速度密切相關(guān)。

一般認(rèn)為，在快鍛機設(shè)備載荷確定的條件下，活動橫梁的工作行程速度越快、空程和回程的速度越快，鍛造頻次就越高，生產(chǎn)效率越高。但在實際生產(chǎn)過程中，快鍛機和操作機是聯(lián)動動作的，快鍛機空程和回程時，操作機也要進(jìn)行鉗杠提升、旋轉(zhuǎn)等動作，需要一定的操作時間。例如對于大型快鍛機(40MN以上的快鍛機)來說，在生產(chǎn)類似于平板、法蘭軸、環(huán)件或襯套時，當(dāng)操作機需要6 s時間將坯料從相對水平位轉(zhuǎn)到高位時，快鍛機用400mm/s速度只在3 s內(nèi)達(dá)到上極限的位置是完全沒有用處的，因為操作機跟不上鍛造的節(jié)奏。

另一方面，快鍛機在空程移動時，無論速度多快，都沒有生產(chǎn)任何鍛件，但是，當(dāng)進(jìn)行實際生產(chǎn)時，快鍛機運行越快需要耗能越多，而且額外的組件像充液閥和油箱或大型的低壓管道，會減少快鍛機液壓系統(tǒng)的可靠性和可用性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。所以，高的空程和回程速度對快鍛機頻次的提升并不明顯。因此決定鍛造頻次的主要因素在于活動橫梁的工作行程速度，工作行程速度越高，材料的變形速度就越高，就越節(jié)省鍛造時間，有利于鈦合金的鍛造。

鍛造頻次越高，設(shè)備的裝機功率就越大，這是因為單位時間內(nèi)需要的液壓油量越大，所需主泵就越大，快鍛機裝機功率就越高，造成快鍛機的設(shè)備投資越大。根據(jù)我國幾個鍛壓設(shè)備廠的經(jīng)驗，快鍛機電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)成本占快鍛機制造成本的30%～40%，機械本體部分占60% ～70%，鍛造頻次提升帶來的設(shè)備成本增加不可忽視。根據(jù)我國幾個大型鈦加工企業(yè)快鍛機的實際使用經(jīng)驗，40～100MN快鍛機活動橫梁的工作行程速度達(dá)到70mm/s，空程、回程速度達(dá)到250mm/s，鍛造頻次達(dá)到80次/min即可滿足生產(chǎn)工藝需要。

4 結(jié)論

在滿足鈦材生產(chǎn)工藝參數(shù)的前提下，合理選擇快鍛機的設(shè)備參數(shù)將降低快鍛機的設(shè)備造價，從而降低鍛造項目的工程造價，有利于市場競爭，具體表現(xiàn)在:

(1)10t的工業(yè)純鈦錠鍛造開坯可選擇40MN快鍛機，15t的工業(yè)純鈦錠鍛造開坯可選擇60MN快鍛機;對于大直徑工業(yè)純鈦(Φ1600mm)和鈦合金鑄錠開坯(Φ860mm)，理論上需要80～100MN的快鍛機;對于Φ400mm以上的鈦合金棒材生產(chǎn)則需要60～100MN的快鍛機。

采用液壓系統(tǒng)增壓來實現(xiàn)快鍛機的最大載荷，既可滿足生產(chǎn)工藝需要，還可減輕設(shè)備重量，降低設(shè)備裝機功率，從而降低設(shè)備造價;

(2)不考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)時，快鍛機的凈空高由活動橫梁的工作行程和上下平砧的高度確定;考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)時，快鍛機的凈空高由最大環(huán)件外徑和上砧高度確定。

由于輾環(huán)機的大量應(yīng)用，快鍛機生產(chǎn)環(huán)件不具備任何優(yōu)勢，因此在確定快鍛機的凈空高時，建議不考慮直徑超過3m的大規(guī)格環(huán)件的生產(chǎn)，以降低設(shè)備高度和廠房高度，從而降低工程投資;

(3)高的鍛造頻次有利于鈦合金鍛造，但是工作行程速度和鍛造頻次過高將引起設(shè)備重量和裝機容量的增加，從而提高設(shè)備造價。建議40MN以上快鍛機活動橫梁的工作行程速度達(dá)到70mm/s，空程、回程速度達(dá)到250mm/s，鍛造頻次達(dá)到80次/min即可滿足生產(chǎn)工藝需要。

［1］中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鈦鋯鉿分會.鈦行業(yè)“十二五規(guī)劃”研究［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，(4):

［2］中國機械工程學(xué)會塑形工程學(xué)會.鍛壓手冊第一卷［M］.機械工業(yè)出版社，2007.

［3］稀有金屬材料加工手冊編寫組.稀有金屬材料加工手冊［M］.冶金工業(yè)出版社，1984.

［4］段軍偉.冷床爐熔煉鈦及鈦合金技術(shù)及其應(yīng)用［J］.有色金屬加工，2011，(2):