萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)工藝體系的建立

文／袁海倫，史宇麟，王康·北京機(jī)電研究所有限公司，中機(jī)（濟(jì)南）精密成形工程技術(shù)有限公司

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型化甚至超大型鍛件的市場(chǎng)需求日益增大，尤其是國(guó)防工業(yè)和重工業(yè)用大鍛件的需求更為迫切。大型鍛件通常在大型自由鍛造液壓機(jī)上鍛造成形，大型鍛件制造技術(shù)是重大裝備制造的基礎(chǔ)，因此，大型自由鍛造液壓機(jī)的規(guī)格和裝備水平經(jīng)常作為衡量一個(gè)國(guó)家大型裝備制造能力、經(jīng)濟(jì)與國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志之一。無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，都十分重視大型自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展。

自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展

根據(jù)帕斯卡流體靜力傳動(dòng)的基本原理，液壓機(jī)是利用高壓液體傳遞工作壓力的鍛造設(shè)備。自由鍛造液壓機(jī)主要在工作缸的壓力下，利用其上砧、下砧及相應(yīng)的輔助工具，對(duì)待加工的大型鋼錠或鍛件進(jìn)行鍛壓，使其發(fā)生塑性變形，以達(dá)到所需的形狀和尺寸。

1884 年，英國(guó)在曼徹斯特制造了首臺(tái)自由鍛造水壓機(jī)用來(lái)鍛造鋼錠。在20 世紀(jì)中期，隨著工業(yè)革命的發(fā)展，液壓傳動(dòng)技術(shù)和電子信息技術(shù)迅速發(fā)展，具有現(xiàn)代控制技術(shù)的自由鍛造液壓機(jī)相繼出現(xiàn)。自由鍛造液壓機(jī)具有自動(dòng)化生產(chǎn)、高精鍛次數(shù)和鍛件厚度尺寸精確控制等功能。近年來(lái)，我國(guó)大型自由鍛造液壓機(jī)在吸收和消化現(xiàn)有的大型自由鍛造設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)再次創(chuàng)新，研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自由鍛造設(shè)備與工藝，滿足了船舶、冶金、航空、核電和軍工等行業(yè)對(duì)大型鍛件產(chǎn)品的需求。

圖1 萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)

現(xiàn)代自由鍛造液壓機(jī)組由于壓機(jī)速度快，轉(zhuǎn)換頻率高，配有操作機(jī)等鍛造工裝輔具，大大縮短了鍛造作業(yè)時(shí)間；操作機(jī)送料定位準(zhǔn)，機(jī)組動(dòng)作控制精度高；操作機(jī)與液壓機(jī)配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和聯(lián)動(dòng)控制。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已具備5 ～195MN 全系列現(xiàn)代自由鍛造液壓機(jī)組的供貨能力，全球最大的三臺(tái)自由鍛造液壓機(jī)相繼在國(guó)內(nèi)投產(chǎn)，分別為2008 年于上海重型機(jī)器廠投產(chǎn)的由中國(guó)重型院設(shè)計(jì)的165MN 鍛造液壓機(jī)(圖1a），2011 年于中信重工投產(chǎn)的由德國(guó)PAHNKE 公司設(shè)計(jì)的185MN 雙柱鍛造液壓機(jī)(圖1b），2014 年于江蘇國(guó)光投產(chǎn)的由中國(guó)重型院設(shè)計(jì)的195MN 鍛造液壓機(jī)(圖1c）。這些大型鍛造液壓機(jī)的成功建立，說(shuō)明我國(guó)自由鍛造裝備代表了國(guó)際先進(jìn)的裝機(jī)水平，提升了我國(guó)大型鍛壓裝備的加工能力和機(jī)械化水平，為我國(guó)核電和火電等行業(yè)大型鍛件的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)工藝體系分析

萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)具有規(guī)模大，技術(shù)復(fù)雜，涉及到多個(gè)學(xué)科和專(zhuān)業(yè)，操作起來(lái)需要各相關(guān)系統(tǒng)相配合，這就要求工藝體系必須具有清晰的邏輯結(jié)構(gòu)、科學(xué)的工藝流程、各步驟之間的關(guān)系明確，這樣才能高效、有條理地管理大型鍛件的鍛造生產(chǎn)。萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)的建立需要多領(lǐng)域技術(shù)為設(shè)備的正常運(yùn)行提供支撐，總的來(lái)說(shuō)，萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)工藝體系的邏輯結(jié)構(gòu)是工藝支撐和工藝流程這兩部分構(gòu)成的運(yùn)行生命體，圖2 是4300mm 軋機(jī)支承輥鍛件在萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)上的工藝體系結(jié)構(gòu)。

圖2 鍛造工藝體系結(jié)構(gòu)

工藝支撐

工藝技術(shù)基礎(chǔ)要素包括各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、準(zhǔn)則、數(shù)據(jù)、工具及軟件等，萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)的工藝支撐具體表現(xiàn)為鍛件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、鋼錠及坯料加熱工藝規(guī)范、鍛造變形方法、冷卻及熱處理規(guī)范、各個(gè)步驟操作的工裝輔具等。這些要素是客觀存在的，必須科學(xué)合理地加以使用，并使其創(chuàng)造和產(chǎn)生價(jià)值，因此需要將工藝流程加入到工藝體系中去。

工藝流程

在萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)工藝體系中，工藝流程是工藝技術(shù)的體現(xiàn)，大型鍛件進(jìn)行到哪一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，就需要相應(yīng)的工藝支撐對(duì)其進(jìn)行規(guī)范，確保萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)正確、合理地加工出合格的大型鍛件，使得設(shè)計(jì)與加工過(guò)程都有據(jù)可依。工藝支撐和工藝流程在萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)工藝體系的建立中都是不可或缺的。

鍛造工藝體系建立

鍛造工藝體系的建立，是萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)正常運(yùn)行及鍛造出合格產(chǎn)品的關(guān)鍵所在，圖3 所示為萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)的鍛造工藝體系設(shè)計(jì)過(guò)程。鍛造工藝體系與液壓機(jī)、操作機(jī)、車(chē)間布局、大鋼錠規(guī)格、鍛造工藝方法息息相關(guān)，建立鍛造工藝體系必須考慮這些因素，并在此基礎(chǔ)上形成鍛造工藝規(guī)范，設(shè)計(jì)制造工裝輔具及形成鍛造工藝操作規(guī)范。

圖3 鍛造工藝體系的設(shè)計(jì)

鍛造工藝規(guī)范

萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)的鍛造工藝規(guī)范一般由自由鍛件機(jī)械加工余量與公差、鋼錠及坯料的加熱工藝規(guī)范、鍛后冷卻及熱處理規(guī)范及鍛件修整工藝守則等組成。

大型鍛件在大型自由鍛造液壓機(jī)上鍛造時(shí)，需要留有加工余量，以便去除鍛件表面不平、歪扭等缺陷，并通過(guò)后續(xù)加工達(dá)到零件所要求的精度和表面粗糙度。結(jié)合相關(guān)的理論基礎(chǔ)、實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與廠內(nèi)現(xiàn)實(shí)情況，對(duì)可能遇到的各種不同噸位的大型鍛件，制定合理的機(jī)械加工余量與公差；對(duì)各種型號(hào)的鋼錠及坯料，選擇相應(yīng)的加熱爐型、加熱速度與保溫時(shí)間，確保鍛件被燒透且能正常鍛造，同時(shí)避免過(guò)燒及燒不透的情況發(fā)生；鍛件鍛造冷卻速度的控制以及鍛后熱處理的選用，這是保證大型鍛件獲得優(yōu)良的內(nèi)部組織以及為后續(xù)機(jī)加工做準(zhǔn)備的必要工藝過(guò)程；對(duì)大型鍛件進(jìn)行修整，可以進(jìn)一步消除鍛件表面不平、歪扭等缺陷，使鍛件達(dá)到鍛件圖紙要求。

從鍛件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的源頭開(kāi)始到大型鍛件轉(zhuǎn)移出鍛造車(chē)間都要遵守這些鍛造工藝規(guī)范，這些鍛造工藝規(guī)范的出現(xiàn)不僅為工程師設(shè)計(jì)鍛件加工工藝提供了參考，而且規(guī)范了工人施工行為，確保了萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)被合理地使用，并加工出合格產(chǎn)品。

工裝輔具

將數(shù)百?lài)嵉匿撳V及鍛件在萬(wàn)噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造，需要相配套的工裝模具，對(duì)大型鍛件的各種成形過(guò)程進(jìn)行輔助，并且大型鍛件的轉(zhuǎn)移、放置與翻轉(zhuǎn)也需要相應(yīng)的工裝輔具，這不是人力可以達(dá)到的。

在大鍛件的成形過(guò)程中，亦需要相應(yīng)的輔具配合完成鍛造成形。在預(yù)鍛時(shí)，中心壓實(shí)常用WHF 法、FM 法及KD 法等，它們對(duì)于鍛造需要的寬砧有不同的要求，增加了砧形，如平砧、V 形砧等，如圖4 所示。還有一系列形狀的鍛件最終成形，需要有相應(yīng)的工裝輔具輔助加工，如，生產(chǎn)軸類(lèi)鍛件的工裝輔具主要有各種寬砧及平砧、V 形砧、上下V 形砧、下剁刀、漏盤(pán)、平臺(tái)、墊環(huán)、蓋板等，生產(chǎn)圈類(lèi)鍛件的工裝輔具主要有馬架、馬架砧子、馬杠、芯棒、沖子、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。除此之外，還有轉(zhuǎn)移大型鋼錠及鍛件的通用吊具，主要有鐵鏈、四爪吊鉗和套筒等。

萬(wàn)噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)在一系列工裝輔具的幫助下，可以把大型鋼錠如面團(tuán)一樣輕松地反復(fù)鍛造，使得各種形狀的大型鍛件被合格地加工出來(lái)；萬(wàn)噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)在操作機(jī)和工裝輔具的配合下，可以更快速、高效地完成大型鍛件的鍛造。

鍛造工藝操作規(guī)范

圖4 中心壓實(shí)

萬(wàn)噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)體型巨大，施工狀況復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)管理中，為了保證施工過(guò)程順利推進(jìn)，需要考慮各個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的具體要求進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制與規(guī)劃，并將風(fēng)險(xiǎn)降到最低。這就需要通過(guò)萬(wàn)噸級(jí)鍛造液壓機(jī)的操作工藝守則與工裝輔具使用說(shuō)明書(shū)來(lái)規(guī)范施工工人的行動(dòng)，這不僅能保證鍛件可以順利地加工出來(lái)，確保其質(zhì)量，而且保護(hù)工人的人身安全，保證施工裝備不被損害。

結(jié)束語(yǔ)

本文的工藝體系運(yùn)用在國(guó)內(nèi)某重機(jī)廠建造了18500t 自由鍛造液壓機(jī)，經(jīng)過(guò)不斷的生產(chǎn)實(shí)踐，可以鍛造500t 級(jí)及以下的鋼錠，為船舶、冶金、航空、核電和軍工等各行業(yè)鍛造所需的大型鍛件。萬(wàn)噸級(jí)自由鍛造液壓機(jī)工藝體系的建立，為全面提升國(guó)內(nèi)大型鍛件生產(chǎn)能力提供了堅(jiān)實(shí)可靠的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。