徑向鍛造設(shè)備與工藝綜述

楊 震 ，王炳正 ，宋道春 ，魏海東

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石鑄鍛有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730314）

徑向鍛造技術(shù)最早可以追溯到1946年奧地利的GFMGmbH公司申請的精鍛機(jī)專利[1]。40年前GFM開發(fā)了數(shù)控鍛造設(shè)備，整合該設(shè)備成為一個自動化工藝--徑鍛工藝，是一個成功的工藝[2]。目前，全球徑鍛機(jī)生產(chǎn)廠家主要有奧地利GFM公司，德國SMS等少數(shù)公司。我國的徑鍛機(jī)大多依靠進(jìn)口，近年來，開始仿制和研制，目前國內(nèi)蘭石集團(tuán)已開發(fā)試制了1.6MN機(jī)械式徑鍛機(jī)，并建成了一條加熱、鍛造、矯直的棒材徑鍛自動生產(chǎn)線，在國內(nèi)徑鍛機(jī)研發(fā)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位[3]。

徑鍛機(jī)一般徑向?qū)ΨQ分布有2～8個錘頭，通過對坯料的對稱打擊和坯料的軸向送進(jìn)實現(xiàn)軸件或管件的截面減徑、變型或管內(nèi)表面成形等的精密成形。由于徑鍛工藝具有錘頭打擊頻率高（240～1800次/分），成形速率高等特點，從而大大減少鍛造用時。同時，錘頭打擊坯料的過程也是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。因此，徑向鍛造大大減少了鍛造過程溫降，縮減了鍛造溫度范圍，特別適合于鍛造傳統(tǒng)工藝難以鍛造的高強(qiáng)度、低塑性的高合金鋼、高溫合金、鈦合金、中高合金工模具鋼，尤其適用于難熔金屬如鎢、鉬、鈮等合金材料的開坯和鍛造[4]。

1 徑向鍛造設(shè)備

目前，徑向鍛造設(shè)備的驅(qū)動類型主要分為三種類型，是一種機(jī)、電、液高度一體化的現(xiàn)代化裝備。

1.1 機(jī)械驅(qū)動

早期的徑鍛機(jī)都采用這種驅(qū)動方式，如GFM SX系列，銷量巨大，最具有代表性。1995年設(shè)計出的一種新型的SKK型號的徑鍛機(jī)也是這種類型。該型鍛造錘桿行程始于偏心軸，偏心軸安裝在箱體中，對四個鍛造錘桿的行程位置進(jìn)行調(diào)整，1～2個電機(jī)通過驅(qū)動偏心軸，同時控制4個偏心軸的同步運動。行程位置中改變鍛造錘頭，可以四個錘頭或兩個錘頭同步來鍛造圓的、方的或矩形截面[2]。

國內(nèi)蘭石集團(tuán)研制的1.6MN徑鍛機(jī)鍛造結(jié)構(gòu)是SX型，由齒輪箱和鍛造箱組合在一起構(gòu)成。齒輪箱中有11個齒輪，主電機(jī)驅(qū)動齒輪箱中的一個小齒輪轉(zhuǎn)動，這個小齒輪帶動其他齒輪轉(zhuǎn)動，其他10個齒輪中，6個小齒輪保證4個大齒輪轉(zhuǎn)動同步，從而使錘頭運動同步。4個大齒輪通過浮動盤與偏心軸連接，驅(qū)動偏心軸運動從而驅(qū)動錘頭運動。偏心軸安裝在鍛造箱中的偏心套中，偏心套的旋轉(zhuǎn)中心與偏心軸的旋轉(zhuǎn)中心不同心，當(dāng)液壓油缸帶動偏心套旋轉(zhuǎn)時即可實現(xiàn)偏心軸的位置變化，同時帶動連桿和錘頭的位置變化[5]。這樣，通過雙偏心結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)錘頭位置的調(diào)節(jié)和錘頭的鍛打動作。

1.2 機(jī)械液壓驅(qū)動

在SX徑鍛機(jī)的基礎(chǔ)上，GFM公司結(jié)合機(jī)械和液壓設(shè)備設(shè)計的優(yōu)點，開發(fā)了RF液壓機(jī)械徑鍛機(jī)系列。RF型徑鍛機(jī)通過調(diào)節(jié)錘桿后帽與錘桿之間液壓油的容積改變來調(diào)節(jié)錘頭位置。在油缸中注油，體積增大，可以增大錘桿與錘桿后帽間距離，減小相對錘頭間距離，從而可以鍛小尺寸鍛件。進(jìn)行鍛打時需封住油口，使得錘桿與錘桿后帽之間的距離不發(fā)生變化，同時需隨時補(bǔ)充油液的泄露。當(dāng)鍛造大尺寸鍛件時，向外排液，使容積變小，從而使錘桿相對于錘桿后帽之間的距離變小，相對錘頭間距離增大。

1.3 全液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動的原理是通過液壓驅(qū)動活塞帶動錘桿實現(xiàn)錘頭的往復(fù)運動。GFM公司在上世紀(jì)70年代申請了四錘頭徑向鍛造系統(tǒng)的專利，由于大量風(fēng)險、高壓同步等困難，一直未付諸實施，但液壓缸的原理一直未變，直到在電子和伺服閥技術(shù)上取得更大發(fā)展，才開發(fā)出全液壓驅(qū)動徑鍛機(jī)[2]。液壓式徑向鍛造機(jī)主要由德國SMS-Meer公司開發(fā)制造，是近30年逐步開發(fā)、發(fā)展和應(yīng)用的新型徑鍛機(jī)[6]。

全液壓驅(qū)動徑鍛機(jī)可根據(jù)自身特點，根據(jù)錘頭壓下量和負(fù)載大小自動實現(xiàn)鍛造速度和打擊頻次的無級可調(diào)。鍛造壓下量大，鍛造頻次低。這一特點對鍛高合金工模具鋼、高溫合金、鈦合金等材料是非常有利的。因為這類材料變形時溫升效應(yīng)明顯，初鍛時變形量大，低的變形速度和打擊頻次可防止溫升過快，產(chǎn)生過熱，后期較高的打擊頻次又可防止工件溫降過多?？蓪崿F(xiàn)變形過程中保持在相對穩(wěn)定、狹窄的變形溫度區(qū)間內(nèi)[6]。

該型鍛機(jī)的主要缺點是液壓系統(tǒng)龐大，導(dǎo)致接觸時間長和功率消耗高，能量損失大，產(chǎn)生熱量以及冷卻費用。

另外，針對徑鍛機(jī)的操作，劉貴明等介紹了液壓式徑向鍛造機(jī)的主缸對稱校正、先導(dǎo)缸校正和鍛造尺寸校正[7]。

2 徑向鍛造工藝

2.1 徑向鍛造工藝的目的

選擇徑向鍛造工藝的首要目的是軸類、管類大型零部件的近凈成形。徑向鍛造具有較高的表面質(zhì)量和加工精度，包括臺階軸的同心度，這大大減少了工件后續(xù)機(jī)加工的成本。其次基于前述其適合鍛造溫度區(qū)間窗口較窄的合金，也可以降低鍛件的加熱溫度，從而減小原始晶粒尺寸?？子廊A等對比了不同鑄造工藝，與傳統(tǒng)鍛造棒材相比，徑向鍛造?95nmGH4169合金棒材晶粒度可細(xì)化1～2級，且從邊緣到心部晶粒度差異縮小到1.5級左右，近表面晶粒度達(dá)到10.5級，心部晶粒度達(dá)到9.5級[8]。而且，由于錘頭鍛打頻次高，徑向鍛造效率高。同時，徑向鍛造工藝具有較高的成材率，節(jié)約了昂貴的原材料費用。最后，該工藝具有較高的自動化程度，大大改善了作業(yè)環(huán)境。

2.2 主要徑鍛產(chǎn)品

徑鍛工藝可鍛圓軸、方軸、六方軸、異形截面軸、臺階軸、錐軸等各種軸類零件。也可在有或無芯棒的條件下鍛造各種管材，甚至可以鍛造錐管。主要用來生產(chǎn)車軸、炮管、身管等各種產(chǎn)品。

2.3 徑向鍛造工藝參數(shù)

（1）溫度。徑向鍛造針對不同的材質(zhì)和工件，可以采取熱鍛、溫鍛或冷鍛工藝。

（2）徑向壓下量。第一道次為去氧化皮，防止氧化皮壓入工件，應(yīng)選擇較小壓下量。末道次精整，也應(yīng)選擇小壓下量。其他道次在設(shè)備負(fù)荷允許和滿足鍛件表面品質(zhì)的前提下，應(yīng)選用較大徑向壓下量，可以減小工步，增加鍛透性，減小鍛件端部凹坑。

（3）軸向送進(jìn)速度。選擇合理的軸向送進(jìn)速度，可以保證生產(chǎn)效率和鍛件表面品質(zhì)的平衡。

（4）夾頭/鍛件轉(zhuǎn)速。在保證外表面品質(zhì)的前提下，夾頭轉(zhuǎn)速越大，生產(chǎn)率越大。但是對一半徑鍛機(jī)，夾頭轉(zhuǎn)速非可調(diào)。

2.4 徑向鍛造工藝的研究方法

目前，就徑向鍛造工藝的研究主要是針對某種材質(zhì)和某種結(jié)構(gòu)，用實驗和模擬相結(jié)合的手段，來論證徑向鍛造工藝的有效性和優(yōu)勢。

2.4.1 實驗方法

主要實驗研究方法是在徑鍛件上取樣進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能分析，得到鍛件組織晶粒度，進(jìn)而說明采用徑鍛工藝所達(dá)到的改善組織和性能的效果，也作為軟件模擬實驗的結(jié)果的驗證。另有黃少東等[9]為了實現(xiàn)具有膛線的鈦合金精密管件的成形，針對鈦合金TC4管光管及帶有膛線的管件冷徑向鍛造進(jìn)行了冷鍛性模擬實驗和冷徑向鍛造工藝試驗，得出了較優(yōu)的工藝參數(shù)和該工藝能夠細(xì)化晶粒，提高拉伸強(qiáng)度，生產(chǎn)出性能合格的產(chǎn)品的結(jié)論。

2.4.2 模擬方法

由于計算技術(shù)的發(fā)展，目前，計算機(jī)模擬技術(shù)已經(jīng)能夠比較成熟可靠地模擬鍛造等金屬塑性流變成形過程。將塑性成形理論、加工方法與有限元法相結(jié)合，能夠快速高效地分析坯料在變形時的載荷變化規(guī)律、溫度變化規(guī)律、單元運動規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布、模具磨損程度、鍛件成形缺陷等信息[10]，從而更好地實現(xiàn)機(jī)械零件的塑性成形，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實現(xiàn)現(xiàn)代化建設(shè)[11]。金屬塑性成形計算方法主要有上限法、有限元法、主應(yīng)力法、滑移線法等。而應(yīng)用較多的是有限元法，包括Deform、SIMUFACT、ABAQUS、DYNAFORM、MARC 等有限元分析軟件。大量學(xué)者基于模擬計算方法，開展了徑向鍛造工藝的大量研究。主要模擬了工藝參數(shù)（包括鍛造溫度）對材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布、變形抗力、溫度分布的影響，從而得出合理的徑鍛工藝參數(shù)。如樊黎霞等[12]以某身管膛線精鍛加工過程為研究對象，使用通用有限元商業(yè)軟件Abaqus建立了三維軸對稱有限元模型，對身管膛線的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了膛線嵌入芯棒過程中的金屬流動情況。此外，還分析了芯棒結(jié)構(gòu)及斷面減縮率對膛線成形的影響，為實際加工過程中工藝參數(shù)的選取提供依據(jù)。牛力群等基于FORGE-3D模擬了1.6MN徑鍛機(jī)鍛造45鋼在不同參數(shù)下溫度場和等效應(yīng)變的分布，得出較優(yōu)的工藝參數(shù)并用實驗驗證。熊慶華等[13]研究了鈦合金管材的徑向鍛造成形，運用DEFORM（有限元模擬軟件）模擬分析了模具錐角、徑向進(jìn)給量、鍛造模具的形狀結(jié)構(gòu)等參數(shù)對TC4鈦合金徑向鍛造成形的影響。采用有限元數(shù)值模擬仿真技術(shù)與理論計算相結(jié)合的方法，確定了該零件采用徑向溫鍛成形所需要的關(guān)鍵參數(shù)。

3 對徑鍛機(jī)錘頭的研究

3.1 徑鍛機(jī)錘頭的結(jié)構(gòu)

徑鍛機(jī)錘頭分為通用錘頭、矩形錘頭、六方錘頭和異形錘頭，用于鍛制不同截面的鍛件。錘頭表面分為預(yù)鍛面和工作面，可分為單端有預(yù)鍛面和雙端有預(yù)鍛面錘頭[14]。錘頭橫截面為4°～6°橫截面，與坯料的旋轉(zhuǎn)方向一致，以避免卡傷鍛件和實現(xiàn)鍛透。

3.2 錘頭預(yù)鍛面輪廓對徑鍛工藝的影響

為反映鍛造變形的各向同性，選擇殘余應(yīng)力分布評定鍛造質(zhì)量，這是因為變形越各向同性，殘余應(yīng)力越小。M.Afrasiab等人[15]通過數(shù)值模擬研究了三種徑鍛機(jī)錘頭預(yù)鍛面輪廓對管件鍛后內(nèi)表面殘余應(yīng)力的影響，表明預(yù)鍛面具有二次曲線輪廓的錘頭具有最小的殘余應(yīng)力，三次曲線的次之，直線的最大。同時模擬了不同錘頭徑向鍛造時沿鍛造軸線的軸向壓力分布，表明預(yù)鍛面具有二次曲線輪廓的錘頭產(chǎn)生了最大的徑向壓力，因而，需要的鍛造力和能量最大，同時，中性面移向預(yù)鍛部分，因此，必須要有更小的軸向送進(jìn)力和壓下量以防過載。另一方面，預(yù)鍛面具有三次曲線輪廓的錘頭在鍛造過程中對錘頭產(chǎn)生最小的徑向力而中性面一線性錘頭相比移動不大，而且鍛造質(zhì)量比較理想，因此，它是三種錘頭里最有優(yōu)勢的。文獻(xiàn)并沒有提供最優(yōu)的錘頭設(shè)計，但是，它提供了設(shè)計更優(yōu)錘頭的方法。

3.3 徑鍛機(jī)錘頭的制作和修復(fù)

（1）錘頭基體材質(zhì)一般為56NiCrMoV7等模具鋼，淬火回火至強(qiáng)度達(dá)到900～1500MPa。在基體上堆焊6mm過渡層E23-250或Bo Fox Saca，堆焊前，及時清理待堆焊部位及其周圍的水、油、銹、氧化皮及雜物，保證焊接表面的清潔度。并將錘頭整體電爐預(yù)熱至450℃，在整個焊接過程中保持溫度不低于400℃。再在過渡層上堆焊8mm工作層UDIMET520。焊接后經(jīng)機(jī)加工堆焊面至凈尺寸，PT、MT和UT探傷堆焊層無裂紋、無分層存在。進(jìn)行性能檢測，要求過渡層硬度為40HRC，工作層硬度為52～54HRC。

（2）錘頭修復(fù)時，首先將存在凹點和磨損的這層金屬車削掉，并銑削裂紋和瑕疵至滲透檢測合格。如果銑削至過渡層，則必須按照錘頭圖紙焊接E23-250至要求厚度，然后焊接工作層UDIMET520。焊接過程需保證預(yù)熱至350℃并保溫。最后去應(yīng)力，機(jī)加工至規(guī)定尺寸。

4 結(jié)語

結(jié)合目前徑鍛領(lǐng)域國內(nèi)國外技術(shù)進(jìn)展，本文討論了徑向鍛造設(shè)備，徑向鍛造工藝，徑向鍛造錘頭等徑鍛領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)。比較了三種驅(qū)動方式的徑鍛設(shè)備，綜述了徑鍛工藝能夠達(dá)到傳統(tǒng)自由鍛工藝難以鍛制的材質(zhì)和產(chǎn)品并簡要介紹了徑鍛工藝研究方法；介紹了徑鍛機(jī)錘頭的結(jié)構(gòu)、制作、修復(fù)，重點闡明徑鍛機(jī)預(yù)鍛面輪廓對徑鍛工藝的影響。

徑鍛工藝設(shè)備和技術(shù)經(jīng)過70多年的發(fā)展，并伴隨電液伺服閥、自動控制、液壓等技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)比較成熟。但是，國內(nèi)徑鍛機(jī)雖有大量應(yīng)用，而自主研制工作還是不太充分。伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)升級、提質(zhì)增效，更多領(lǐng)域?qū)藉懠岢鲂枨螅虼?，相關(guān)單位和人員應(yīng)重視和落實徑鍛機(jī)的國產(chǎn)化研制。

在未來徑鍛機(jī)發(fā)展上，將更多地與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。因此，相關(guān)企業(yè)應(yīng)注意采集數(shù)據(jù)、完善數(shù)據(jù)庫，注意模擬軟件的開發(fā)與應(yīng)用、積累模擬經(jīng)驗，并升級徑鍛機(jī)控制程序，以便形成更智能化和自動化的徑鍛產(chǎn)品生產(chǎn)流水線。