國內(nèi)外多向模鍛工藝及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

文/喻興娟，陳文勛·中國聯(lián)合工程公司

馮會(huì)來·大連世杰航空鍛造有限公司

國內(nèi)外多向模鍛工藝及設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

文/喻興娟，陳文勛·中國聯(lián)合工程公司

馮會(huì)來·大連世杰航空鍛造有限公司

多向模鍛工藝優(yōu)點(diǎn)分析

多向模鍛在精化鍛件、節(jié)約材料、改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率以及將模鍛擴(kuò)大應(yīng)用到難成形材料的成形等方面具有許多優(yōu)點(diǎn)和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。自20世紀(jì)50年代以來，美、英、法、德國和原蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，紛紛發(fā)展并推廣應(yīng)用多向模鍛技術(shù)。我國是從20世紀(jì)60年代中期開始研發(fā)多向模鍛設(shè)備和工藝技術(shù)的，但發(fā)展相當(dāng)緩慢，工程應(yīng)用則更少。

多向模鍛是在多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行分模模鍛的一種精密鍛造技術(shù)，其變形原理實(shí)質(zhì)上是復(fù)合了擠壓與模鍛，且以擠壓變形為主。與普通模鍛及分模模鍛相比，具有以下特點(diǎn)：

⑴可成形內(nèi)有多向空腔、外有凸凹變化的復(fù)雜模鍛件。內(nèi)有空腔、無飛邊，鍛件形狀和尺寸精度高，多數(shù)情況下可一火次完成鍛造成形，可實(shí)現(xiàn)部分表面的少無切削加工，材料利用率高，切削加工量小，后續(xù)加工臺(tái)時(shí)少、制造周期短。

⑵鍛件內(nèi)在質(zhì)量高。金屬材料處在高靜液應(yīng)力、大等效應(yīng)變條件下成形，組織致密、材料缺陷易于彌合。

鍛件的流線分布合理，有助于提高其力學(xué)性能。從大量多向模鍛件的低倍組織檢驗(yàn)結(jié)果看出，多向模鍛件的金屬流線沿鍛件輪廓分布流暢，有利于鍛件力學(xué)性能的提高。此外，因多向模鍛不產(chǎn)生飛邊，也沒有因?yàn)榍羞叾a(chǎn)生流線末端外露的問題，這對(duì)提高零件的抗應(yīng)力腐蝕性能尤為重要。

⑶坯料形狀簡單，制坯成本低廉。火次少，通常為單模腔、一火成形，能耗低，模具投入少，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。

⑷可將模鍛工藝的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到溫度較窄、塑性較低的材料。

⑸模具結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，對(duì)降低鍛件成本有利。

傳統(tǒng)的模鍛方法消耗在飛邊上的金屬有的可達(dá)到鍛件質(zhì)量的15%～30%。閥體改用多向分模模鍛之后，不僅能大大降低飛邊的金屬消耗，還可鍛出無模鍛斜度或斜度很小(1°～3°）的深孔件，公差和余量可減少1/3～1/2，余料可大大減少或消除，并能鍛制其他難以成形的復(fù)雜形狀的精密鍛件，大大提高了金屬材料的利用率。由于材料利用率的提高和鍛件尺寸的精確化，切削加工量可減少40%～60%，從而能源消耗降低20%以上。

多向模鍛可以獲得無飛邊、無模鍛斜度(或有局部小斜度）、帶有多個(gè)枝丫、凸臺(tái)和孔腔的復(fù)雜形狀鍛件，就其本質(zhì)而言，可以將其歸屬于熱鍛精密成形工藝。又因?yàn)榕髁显诔尚螘r(shí)處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于金屬塑性的改善，適用于生產(chǎn)鍛造溫度區(qū)間較窄、塑性較低的高合金材料的鍛造成形，為軍工裝備上關(guān)鍵零件的生產(chǎn)提供保障。

多向模鍛能以相當(dāng)?shù)偷哪芎暮筒暮摹O其簡單的坯料、高效率、低成本地鍛制出高性能、高精度的復(fù)雜鍛件。多向模鍛件已擴(kuò)大應(yīng)用到石油、化工、電力、航空、軍工等領(lǐng)域。它們的共同特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)形狀十分復(fù)雜，材料多為高強(qiáng)鋼、不銹鋼、高溫合金或鈦合金等特殊材料，而且鍛件質(zhì)量越來越大，一般都在數(shù)百公斤，最大可達(dá)到3084kg。

多向模鍛應(yīng)用實(shí)例

三通、閥體、球形接頭等屬于采用聯(lián)合分模多向模鍛生產(chǎn)的典型鍛件，需要用3個(gè)沖頭從左右和垂直三個(gè)方向擠壓凹模中的坯料，使坯料沿著這三個(gè)方向充填模膛。在多向模鍛的三種分模方式中(垂直分模、水平分模和聯(lián)合分模），以聯(lián)合分模多向模鍛的成形工藝和模具結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，同時(shí)要求多向模鍛液壓機(jī)除了有垂直和水平液壓缸外，還應(yīng)有垂直穿孔缸。

我國對(duì)聯(lián)合分模多向模鍛技術(shù)的研究比較薄弱，至今僅對(duì)幾個(gè)典型鍛件做過試驗(yàn)研究和小批量生產(chǎn)，如小型三通、球形接頭、燃油泵殼體等。目前國內(nèi)制造高壓三通零件所用的鍛件，小的三通鍛件是采用普通熱模鍛或胎模鍛生產(chǎn)，其外形和內(nèi)孔都需要機(jī)械加工，生產(chǎn)成本非常高。因此，采用先進(jìn)的多向模鍛工藝技術(shù)生產(chǎn)三通類鍛件，已成為我國鍛造行業(yè)亟待推廣的課題。

三通類零件是石油、化工、火電、核電等重大設(shè)備管路體系中，用于連接管道的重要零件，需求量大。這類管道內(nèi)流動(dòng)的液體多為高壓，用多向模鍛鍛件制作三通類零件是理想的選擇。

三通多向模鍛件按重量和管徑的大小，可分為小型、中型和大型三類；若按左右和垂直三個(gè)方向孔徑的異同劃分，又可分為等徑和不等徑兩類。其中：等徑三通鍛件三個(gè)方向的孔徑相等，軸頸長度相近；而不等徑三通鍛件的左右方向孔徑相同，軸頸方向長度等長，但垂直方向孔徑較大，軸頸長度也較長。圖1為多向模鍛的典型閥體鍛件。

現(xiàn)實(shí)中的宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)極少屬于平穩(wěn)序列，而平穩(wěn)性在經(jīng)濟(jì)計(jì)量模型中具有重要地位。為了判斷變量LGDP和LTTL在長期過程中是否具有平穩(wěn)性，即上述兩變量在長期是否具有均衡關(guān)系，需要進(jìn)行協(xié)整檢驗(yàn)。為檢驗(yàn)兩變量是否具有協(xié)整關(guān)系，Engle和Grange于1987年提出了兩步檢驗(yàn)法，稱為EG檢驗(yàn)，其基本思想是：首先對(duì)兩變量進(jìn)行單位根檢驗(yàn)，以判斷它們的單整階數(shù)，如果它們同為d階單整，則用一個(gè)變量對(duì)另一個(gè)變量回歸，若殘差估計(jì)值則兩變量具有協(xié)整關(guān)系。在上述的平穩(wěn)性檢驗(yàn)中，變量LGDP和LTTL都是一階單整的，可以繼續(xù)進(jìn)行協(xié)整分析。

圖1 6英寸真空閥體鍛件

國內(nèi)外多向模鍛的發(fā)展現(xiàn)狀

國外多向模鍛的發(fā)展歷程

20世紀(jì)40年代末，美國喀麥隆公司(Camenon）宣布成功開發(fā)出“多向模鍛”工藝，當(dāng)時(shí)全球正處于第二次世界大戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的時(shí)期，許多行業(yè)，特別是石油、化工、電力、航空、軍工等行業(yè)的產(chǎn)品向大型化快速發(fā)展，有很多形狀復(fù)雜的大型零件需要采用多向模鍛的方法生產(chǎn)。為了滿足如此龐大的市場需求，喀麥隆公司相繼研制了100MN、180MN、300MN三臺(tái)大型多向模鍛水壓機(jī)(300MN安裝在英國）?？溌≈两袷鞘澜缟蠐碛写笾行投嘞蚰ｅ憠簷C(jī)最多的企業(yè)。圖2為該公司的180MN板框組合結(jié)構(gòu)多向模鍛水壓機(jī)。

圖2 喀麥隆180MN多向鍛壓機(jī)

在20世紀(jì)50年代，工業(yè)發(fā)達(dá)國家設(shè)計(jì)、制造和安裝了一批大中型多向模鍛液壓機(jī)，其中在美國除了喀麥隆公司安裝的以外，其他公司還安裝了36MN、72MN、315MN多向模鍛水壓機(jī)各1臺(tái)；在德國安裝了1臺(tái)單缸300MN多向模鍛水壓機(jī)，在前蘇聯(lián)安裝了20MN、50MN、100MN、500MN多向模鍛水壓機(jī)各1臺(tái)。

20世紀(jì)80年代以后，由于受到石油能源危機(jī)的沖擊，國外制造業(yè)開始十分重視生產(chǎn)過程中的節(jié)材與節(jié)能。由于多向模鍛技術(shù)具有這方面的優(yōu)勢，各種中小型的高壓閥體、管接頭以及有色金屬等多向模鍛件的市場需求量逐年增大，前蘇聯(lián)、日本、德國等都加快了中小型多向模鍛件生產(chǎn)的步伐。在設(shè)備方面，前蘇聯(lián)成系列生產(chǎn)了1.6MN、3.5MN、4MN、6MN、10MN、20MN小型多向模鍛液壓機(jī)。這些液壓機(jī)除了模鍛二通、三通、四通管接頭外，還能模鍛各種閥體、汽車萬向節(jié)叉、十字軸以及多聯(lián)齒輪等。

我國最新研制的多向模鍛壓機(jī)

⑴2012年4月2日，由清華大學(xué)與二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司合作研制的40MN多向模鍛壓機(jī)，成功鍛造出主要用于核燃料制造的真空閥體，填補(bǔ)了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。閥體鍛件經(jīng)檢測，主要機(jī)械性能提高30%，節(jié)約加工工時(shí)50%以上。

多向模鍛壓機(jī)的研制成功，解決了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)壓機(jī)無法攻克的難題，是目前世界先進(jìn)的精密、高效、節(jié)能鍛造設(shè)備技術(shù)。我國大型鑄鍛件行業(yè)長期存在的“缺少優(yōu)質(zhì)閥門鍛件”的問題即將成為歷史。

在40MN多向模鍛液壓機(jī)研制成功的前提下，二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司與清華大學(xué)再度合作又研制成功120MN多向模鍛液壓機(jī)，并已投入試生產(chǎn)。圖3為120MN多向模鍛壓機(jī)。

圖3 120MN多向模鍛壓機(jī)

⑵中國二重研制的200MN多向模鍛壓機(jī)，正在安裝調(diào)試，主要用于航空領(lǐng)域多向模鍛件的生產(chǎn)。

⑶南京迪威爾公司已訂購一臺(tái)200MN多向模鍛壓機(jī)，垂直合模力為200MN，水平側(cè)向合模力為130MN，主要用于陸地及水下采油樹鍛件的生產(chǎn)。該壓機(jī)由Wepuko-Pahnke設(shè)計(jì)，機(jī)械部分迪威爾按照設(shè)計(jì)圖紙正在國內(nèi)尋求合適的制造商制造，液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)系由Wepuko-Pahnke總包。

⑷天鍛研制成功的28MN多向模鍛壓機(jī)，垂直合模力為28MN，水平側(cè)向合模力為10MN，2012年出口美國，主要用于石油鉆桿接頭的生產(chǎn)。圖4為28MN多向模鍛壓機(jī)。

圖4 28MN多向模鍛壓機(jī)

結(jié)束語

未來，隨著制造技術(shù)的不斷提高，鍛件形狀會(huì)愈加復(fù)雜。如何獲得理想的鍛件，多向模鍛以其特殊的成形方式和效果，受到越來越多企業(yè)的青睞。多向模鍛技術(shù)產(chǎn)生了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也要求相關(guān)工作人員在多向模鍛設(shè)備與工藝這兩方面不斷地進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，以滿足不斷增長的技術(shù)需求。