淺談鈦合金自由鍛造設(shè)備的選擇

文／李進(jìn)元，張智，楊佩，李維，贠鵬飛·西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司韻海鷹·青海聚能鈦業(yè)股份有限公司

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、生物相容性好、高溫性能好、無磁性和高韌性等一系列重要特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、核電、醫(yī)療、化工、冶金、電子和兵器等領(lǐng)域。鈦合金產(chǎn)品主要采用鍛造、軋制、粉末冶金及近年來興起的3D打印等方法制備，鍛造是金屬材料最廣泛的一種成形方式，利用塑性變形生產(chǎn)出各種尺寸的產(chǎn)品，能夠通過變形溫度、變形程度及變形速率的控制來改善合金的顯微組織和性能，與其他生產(chǎn)方式相比，鍛造可以生產(chǎn)橫截面積更大的產(chǎn)品，同時(shí)通過合理的加工和嚴(yán)格的工藝控制，產(chǎn)品性能穩(wěn)定性很好。

自由鍛造在鈦合金生產(chǎn)中是非常重要的、必不可少的加工工序。一般來說，鍛鋼的鍛造設(shè)備可以鍛鈦，但鈦合金的變形抗力大，而且鈦合金的變形抗力隨溫度降低急劇變大，因此，在變形程度相同的情況下，鍛造鈦合金比鍛造低合金鋼需要更大噸位的設(shè)備，單位時(shí)間內(nèi)鍛打次數(shù)更高些。

目前，鈦合金自由鍛造設(shè)備主要有兩大類：鍛錘和液壓機(jī)。在鍛造過程中，一般根據(jù)鈦合金坯料的大小，不同牌號(hào)鈦合金的金屬性能，鍛造的成品尺寸、形狀等因素，選擇不同的鍛造設(shè)備。下面通過鍛錘和液壓機(jī)來介紹鈦合金自由鍛造設(shè)備的選擇。

鍛錘

⑴鍛錘的分類。

通常按照驅(qū)動(dòng)形式將鍛錘分為四類：機(jī)械錘，蒸汽-空氣錘，空氣錘，液壓錘。

機(jī)械錘是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，靠機(jī)械傳動(dòng)提升錘頭的鍛錘。這種錘的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，投資少。它的缺點(diǎn)就是打擊頻次低，能量利用率低，生產(chǎn)效率低，鍛件精度差。

蒸汽-空氣錘是以來自動(dòng)力站的蒸汽或壓縮空氣作為工作介質(zhì)，通過滑閥配汽機(jī)構(gòu)和氣缸驅(qū)動(dòng)落下部分做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鍛錘，是生產(chǎn)中小型自由鍛件的主要設(shè)備，它的落下部分重量一般為0.5～5t。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，造價(jià)低，維修方便。缺點(diǎn)是：能量利用率極低，在1%～2%之間；鍛造精度低，由于是梳形導(dǎo)軌形式，錘頭導(dǎo)向差，打出的鍛件精度低。

空氣錘是中小型鍛造車間使用最廣泛的設(shè)備。工作介質(zhì)也是壓縮空氣，但它的壓縮空氣是由設(shè)備本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓縮活塞，將壓縮空氣傳遞到工作活塞（錘桿）上進(jìn)行動(dòng)作的。常用的規(guī)格有250kg、400kg、560kg和750kg?？諝忮N與其他類型錘相比：投入成本低、無污染，具有使用靈活，操作方便，控制性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣大用戶的認(rèn)可。

液壓錘是以液壓油為工作介質(zhì)，利用液壓傳動(dòng)來帶動(dòng)錘頭做上下運(yùn)動(dòng)，完成鍛壓工藝的鍛造設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是抬錘快，打擊快，打擊頻次高。通電即可工作，節(jié)省了輔助動(dòng)力設(shè)備投資，安裝方便、占地小，便于車間生產(chǎn)管理。近幾十年來，隨著現(xiàn)代液壓技術(shù)和電控技術(shù)的高速發(fā)展，液壓錘因其高效、節(jié)能、環(huán)保、操作方便、動(dòng)作靈活可靠等優(yōu)勢，已經(jīng)逐步成為鍛錘中的主力軍。

⑵鍛錘的使用。

目前，考慮到環(huán)保、節(jié)能的要求，鍛造產(chǎn)品的品質(zhì)及尺寸精度的要求，機(jī)械錘和蒸汽-空氣錘在鈦合金的鍛造中已經(jīng)基本被淘汰，主要使用的鍛錘設(shè)備為空氣錘和液壓錘。其中3t錘以下基本未配備操作機(jī)械手，主要靠人使用手鉗來完成鍛造，這種噸位的鍛錘主要生產(chǎn)單重較小，利用人工操作的靈活性來鍛造形狀復(fù)雜的環(huán)件、階梯軸件、異形件等。另外大于3t的鍛錘一般都配備有機(jī)械手，可以完成單重較小坯料的鐓拔及一般產(chǎn)品的拔長、滾圓、沖孔、擴(kuò)孔等工序。

對于鍛錘鍛造鈦合金，主要優(yōu)點(diǎn)有鍛造靈活、可以生產(chǎn)各類異形件，鍛件表面良好。缺點(diǎn)主要有鍛造力不足，只能生產(chǎn)一些單重較小的坯料；另外由于擊打頻率過快容易引起坯料心部的溫升，導(dǎo)致鍛件過燒而報(bào)廢。一般情況下，對于組織要求比較高的鈦合金棒材及鍛件不建議采用鍛錘鍛造。

液壓機(jī)

隨著鈦合金在海洋、化工、航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，鍛件大型化趨勢日益明顯；加之熔煉技術(shù)的快速發(fā)展，目前西部鈦業(yè)和寶鈦均能生產(chǎn)出直徑超過1000mm，單重超過10t的鈦合金鑄錠。因此，鍛錘已不能滿足鈦合金鍛造發(fā)展的需求，使用鍛造力更大的液壓機(jī)鍛造，金屬在靜壓力下變形，其特點(diǎn)是變形速度低，金屬變形熱小，容易獲得均勻組織，適于鍛造各種鍛件。

液壓機(jī)與鍛錘相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作平穩(wěn)、噪聲較小、自動(dòng)化程度高、鍛造力更大。

⑴液壓機(jī)的分類。

液壓機(jī)是一種利用液體靜壓力來加工金屬等制品的機(jī)械。它常用于壓制工藝和壓制成形工藝，如鍛壓、沖壓、冷擠、校直、彎曲、翻邊、薄板拉深、粉末冶金、壓裝等等。它的原理是帕斯卡定律，是利用液體壓強(qiáng)傳動(dòng)的機(jī)械。

液壓機(jī)按照使用工作介質(zhì)的不同分為水壓機(jī)和油壓機(jī)。液壓機(jī)對工作介質(zhì)的基本要求是：1)有適宜的流動(dòng)性和低可壓縮性，以提高傳動(dòng)效率；2)能防銹蝕；3)有好的潤滑性能；4)易于密封；5)抗氧化，性能穩(wěn)定，長期工作而不變質(zhì)。液壓機(jī)最初用水作為工作介質(zhì)，以后改用在水中加入少量乳化油而成的乳化液，以增加潤滑性并減少銹蝕。后來出現(xiàn)了以礦物油為工作介質(zhì)的油壓機(jī)。油有良好的潤滑性、防腐蝕性和適度的粘性，有利于改善液壓機(jī)的性能。目前鈦合金在用的液壓機(jī)大多數(shù)是以油為介質(zhì)的。

液壓機(jī)按照鍛造速度分為普鍛機(jī)和快鍛機(jī)。由于鈦合金的鍛造溫度區(qū)間很窄，加之隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人們對自由鍛件的尺寸精度和生產(chǎn)效率提出了越來越高的要求，因而對液壓機(jī)的鍛造速度和壓下精度的要求也隨之提高，為了適應(yīng)這種要求，快鍛液壓機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。快鍛機(jī)的液壓系統(tǒng)采用具有快速反應(yīng)的電磁閥作先導(dǎo)閥，其切換頻率高達(dá)250次/min，故該閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、動(dòng)作靈敏、啟閉迅速，能滿足壓機(jī)快速性要求。在20世紀(jì)80年代中期，由西安重型機(jī)械研究所和北京重型機(jī)械廠研制成國內(nèi)第1臺(tái)800t快鍛液壓機(jī)組，在蘭石公司投入運(yùn)行。目前，蘭石公司已能生產(chǎn)800t、1600t、2000t、4500t快鍛液壓機(jī)，制造水平有了很大提高，但其液壓系統(tǒng)的主要部件如泵、先導(dǎo)閥等還需國外配套。我國快鍛液壓機(jī)的總體水平與德國等發(fā)達(dá)國家的制造技術(shù)相比還有較大的差距。

由于快鍛機(jī)相比普鍛機(jī)，具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行速度快、可控制壓下量、節(jié)能節(jié)材效果顯著等特點(diǎn)，使工作效率更高，提高了鍛件外觀質(zhì)量和組織性能、減少了操作人員。因此目前鈦合金的自由鍛造設(shè)備主要使用快鍛機(jī)。一般不同噸位快鍛機(jī)的工作范圍見表1。

表1 不同噸位快鍛機(jī)的工作范圍

展望

快鍛機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在，下一步的發(fā)展趨勢就是數(shù)控聯(lián)動(dòng)化和大型化。

⑴數(shù)控聯(lián)動(dòng)化。

通過采用數(shù)控系統(tǒng)來控制鍛造液壓機(jī)的液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作智能化，從而實(shí)現(xiàn)精密定程壓制和定壓壓制。主機(jī)和操作機(jī)通過計(jì)算機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。極大地提高了生產(chǎn)效率，鍛件精度也有很大程度的提高，鍛件成本可得到有效控制。

⑵大型化。

隨著現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展，大型鍛件的應(yīng)用越來越多，在自由鍛設(shè)備中快鍛機(jī)被認(rèn)為是發(fā)展的主要方向之一，而國內(nèi)超過4500t的快鍛機(jī)技術(shù)還不成熟，相信在不久的將來，我們國家將研制成功更大噸位的快鍛機(jī)，來滿足工業(yè)和國防現(xiàn)代化建設(shè)，獲取更高的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益。