國(guó)內(nèi)外多向模鍛技術(shù)發(fā)展形勢(shì)分析

中國(guó)聯(lián)合工程公司高級(jí)工程師 喻興娟，陳文勛

喻興娟

我國(guó)經(jīng)過50余年多向模鍛技術(shù)的研究發(fā)展，在工藝、模具設(shè)計(jì)、壓力機(jī)設(shè)計(jì)制造方面積累了不少經(jīng)驗(yàn)，但批量生產(chǎn)多向模鍛件的企業(yè)很少，有些技術(shù)如聯(lián)合分模的多向模鍛技術(shù)尚待提高。與國(guó)外多向模鍛技術(shù)相比，工藝、設(shè)備都相差較大。采用先進(jìn)的多向模鍛工藝生產(chǎn)三通類鍛件，已成為我國(guó)鍛造行業(yè)亟待推廣的課題。

多向模鍛工藝特點(diǎn)

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)上是擠壓與模鍛的復(fù)合，且以擠壓變形為主。與普通模鍛及分模模鍛相比，具有以下技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)：①可獲得無飛邊、無模鍛斜度（或有局部小斜度）、帶有多個(gè)枝丫、凸臺(tái)及孔腔的復(fù)雜形狀鍛件。②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。③坯料形狀簡(jiǎn)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)率較高，成本低。④可將模鍛工藝應(yīng)用范圍擴(kuò)大到溫度較窄、塑性較低的材料。⑤模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)，對(duì)降低鍛件成本有利。

多向模鍛壓力機(jī)特點(diǎn)

多向模鍛鍛件成形是在具有多分模面的可分凹模封閉式模腔內(nèi)進(jìn)行?？煞职寄Ｏ乳]合，然后一個(gè)沖頭或多個(gè)沖頭在水平或垂直方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)凹模內(nèi)坯料進(jìn)行擠壓。在坯料變形過程中，部分金屬平行于沖頭運(yùn)動(dòng)方向流動(dòng)，部分金屬垂直于沖頭運(yùn)動(dòng)方向或與沖頭運(yùn)動(dòng)方向成一定角度的方向流動(dòng)，從而得到具有多個(gè)分模面的外形多分支、內(nèi)腔多孔、尺寸精確及形狀復(fù)雜的各類鍛件。圖1為典型多向模鍛成形鍛件。

為實(shí)現(xiàn)多向模鍛，必須采用多向模鍛專用液壓機(jī)。多向模鍛專用液壓機(jī)與普通模鍛液壓機(jī)的區(qū)別在于其機(jī)架采用整體框架結(jié)構(gòu)，上橫梁裝有垂直工作缸，工作臺(tái)兩側(cè)各裝有一個(gè)水平工作缸。根據(jù)多向模鍛工藝需要，有的壓力機(jī)還在上橫梁與活動(dòng)橫梁中間裝有垂直穿孔缸，并在下橫梁上裝有頂出缸。多向模鍛壓力機(jī)核心結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 1

國(guó)外多向模鍛發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)50年代后，美、英、法、聯(lián)邦德國(guó)和前蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，紛紛發(fā)展并推廣應(yīng)用多向模鍛技術(shù)。在美國(guó)Cameron Iron公司宣布成功開發(fā)出“多向模鍛”新工藝的20世紀(jì)40年代末，全球正處于第二次世界大戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇期，石油、化工、電力、航空、軍工等行業(yè)產(chǎn)品向大型化方向發(fā)展迅速，很多形狀復(fù)雜的大型零件需要采用多向模鍛方法生產(chǎn)。為滿足如此龐大的市場(chǎng)需求，Cameron Iron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(guó)）。Cameron Iron至今是世界上擁有大中型多向模鍛壓機(jī)最多的企業(yè)。

圖3為1961年美國(guó)Cameron Iron公司自己設(shè)計(jì)、制造、自己使用的180MN板框組合結(jié)構(gòu)多向模鍛水壓機(jī)正在生產(chǎn)核電設(shè)備大型三通鍛件。壓機(jī)公稱壓力（主柱塞壓力）180MN，側(cè)柱塞壓力2×45MN，穿孔柱塞壓力38MN，頂出器壓力5.9MN，設(shè)有8個(gè)主缸、1個(gè)穿孔缸、2個(gè)水平缸，由12塊板拼焊成整體機(jī)架，采用水泵——蓄勢(shì)器傳動(dòng)。

圖4為美國(guó)Cameron Iron公司100MN多向模鍛壓力機(jī)，該壓力機(jī)由美國(guó)Baldwin—Lima--Hamilton公司制造，采用雙缸四柱下拉式與臥式單缸壓機(jī)組合結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)穿孔缸，水泵——蓄勢(shì)器——增壓器傳動(dòng)，公稱壓力（主柱塞壓力）100MN，側(cè)柱塞壓力2×55MN，穿孔柱塞壓力27MN，頂出器壓力6.8MN。圖5為美國(guó)Ellwood texas Forge公司110MN多向模鍛壓力機(jī)及該壓力機(jī)生產(chǎn)的模鍛件。

20世紀(jì)50年代，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造、安裝了一批大中型多向模鍛液壓機(jī)，其中在美國(guó)除Cameron Iron公司外，其他公司還安裝了36MN、72MN、315MN多向模鍛水壓機(jī)各1臺(tái)；在前聯(lián)邦德國(guó)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)。

圖 3

圖 4

圖 5

20世紀(jì)80年代后，由于受到石油能源危機(jī)的沖擊，國(guó)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，因多向模鍛技術(shù)優(yōu)越性眾多，各種中小型高壓閥體、管接頭及有色金屬多向模鍛件等市場(chǎng)需求量逐年增大，前蘇聯(lián)、日本、德國(guó)等都加快了中小型多向模鍛壓件生產(chǎn)得發(fā)展步伐。在設(shè)備方面，前蘇聯(lián)成系列地生產(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、汽車萬向接叉、十字軸及多聯(lián)齒輪等。

圖 6

圖 7

我國(guó)多向模鍛發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)60年代中期就開始研發(fā)多向模鍛設(shè)備和工藝技術(shù)，但發(fā)展相當(dāng)緩慢，工程應(yīng)用則更少。20世紀(jì)60年代初，我國(guó)有關(guān)部門和產(chǎn)業(yè)界就開始注意國(guó)外多向模鍛技術(shù)的發(fā)展，從60年代中期算起，至今已有50余年歷史，但應(yīng)用發(fā)展緩慢。1970年在開封高壓閥門廠安裝了我國(guó)第一臺(tái)9.6MN多向模鍛水壓機(jī)。該機(jī)采用三梁四柱結(jié)構(gòu)，垂直壓力為9.6MN，水平壓力為2×5MN，不帶穿孔缸。但因公稱壓力小又無穿孔功能，故一直未能用于多向模鍛，一直只能當(dāng)普通模鍛水壓機(jī)用于一般的分模模鍛。

1975年在西南鋁公司安裝了一臺(tái)100MN多向模鍛水壓機(jī)。該機(jī)機(jī)架采用三梁四柱結(jié)構(gòu)，水平機(jī)架采用四柱預(yù)緊，垂直壓力分級(jí)為30MN/70MN/100MN，水平壓力為2×50MN，沒設(shè)穿孔缸。因該廠主要生產(chǎn)鋁合金鍛件，而需要多向模鍛的鋁合金件并不多，只有整體盤頭鍛件和汽車輪轂鍛件等幾種，該臺(tái)壓力機(jī)沒能發(fā)揮其最大功能。70年代，清華大學(xué)與中國(guó)二重合作，研制了650MN多向模鍛壓機(jī)工業(yè)樣機(jī)，采用預(yù)應(yīng)力4缸4牌結(jié)構(gòu)，鋼絲纏繞后張法預(yù)緊，公稱壓力10MN。該壓機(jī)1980年投產(chǎn)，曾獲機(jī)械部二等獎(jiǎng)。

1979年?yáng)|北重型機(jī)械學(xué)院自主研制了1臺(tái)6.5MN多向模鍛油壓機(jī)，安裝在現(xiàn)燕山大學(xué)鍛壓研究所壓力加工實(shí)驗(yàn)中心內(nèi)。完整擁有垂直液壓缸、水平液壓缸、穿孔液壓缸。垂直缸壓力（包括穿孔缸）6.5MN，穿孔缸壓力1.35MN，水平缸壓力2×0.7MN。1991年中國(guó)一重研制了1臺(tái)20MN整體框架結(jié)構(gòu)多向模鍛水壓機(jī)，作為研制200MN多向模鍛液壓機(jī)的預(yù)研樣機(jī)，采用整架組合結(jié)構(gòu)，設(shè)有4個(gè)垂直液壓缸，垂直壓力分級(jí)為10MN/20MN；2個(gè)水平缸，壓力為7MN；1個(gè)穿孔缸，穿孔力為5MN。

1993年國(guó)家計(jì)委審批下達(dá)“2000t多向模鍛工業(yè)性試驗(yàn)”項(xiàng)目，要求形成小批量生產(chǎn)多向模鍛水壓機(jī)的能力，且要求該機(jī)要一機(jī)多能，即具有普通模鍛、多向模鍛、擠壓型材與管材的能力，1996年完成。隨后在其上進(jìn)行了高頸法蘭的普通模鍛、球形接頭和等徑三通的多向模鍛、叉車門架型材和厚壁無縫鋼管的熱擠壓模擬試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)，其中

多項(xiàng)模鍛曾交由用戶使用，反映良好。20MN多向模鍛液壓機(jī)經(jīng)完善、改進(jìn)、增添配套設(shè)備后，投入了小批量生產(chǎn)。以后也陸續(xù)研制了好幾臺(tái)3.15～25MN的多向模鍛水壓機(jī)。

我國(guó)最新多向模鍛壓機(jī)

2012年4月2日，由清華大學(xué)與中冶京唐合作研制的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。閥體鍛件經(jīng)檢測(cè)，主要力學(xué)性能提高30%，節(jié)約加工工時(shí)50%以上。在40MN多向模鍛液壓機(jī)研制成功的前提下，中冶京唐與清華大學(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)（見圖6）。

中國(guó)二重研制200MN多向鍛模鍛壓機(jī)，正在安裝調(diào)試，主要用于航空領(lǐng)域多向模鍛件生產(chǎn)。 南京迪威爾已訂購(gòu)一臺(tái)200MN多向模鍛壓機(jī)，垂直合模力200MN，水平側(cè)向合模力130MN，主要用于陸地及水下采油樹鍛件的生產(chǎn)。該壓力機(jī)由weipuke-panke設(shè)計(jì)，機(jī)械部分迪威爾按照設(shè)計(jì)圖樣正在國(guó)內(nèi)尋求合適的制造商制造，液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)系weipuke-panke總包，預(yù)計(jì)2016年年底投產(chǎn)。

天鍛研制成功的28MN多向鍛模鍛壓機(jī)，垂直合模力28MN，水平側(cè)向合模力10MN，2012年出口美國(guó)，主要用于石油鉆桿接頭的生產(chǎn)（見圖7）。

多向模鍛技術(shù)的推廣與應(yīng)用

三通、閥體、球形接頭等屬于典型的應(yīng)該采用聯(lián)合分模多向模鍛的鍛件。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，用于連接三個(gè)相互垂直管道的重要零件，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（見圖8、圖9）。

圖 8

圖 9

國(guó)外在20世紀(jì)70年代初便能成功生產(chǎn)幾十種多向模鍛典型件，都是關(guān)系到國(guó)家重大裝備和國(guó)防建設(shè)的重要關(guān)鍵零部件。

隨著我國(guó)機(jī)械制造朝著大型化方向發(fā)展，許多組裝件改為整體結(jié)構(gòu)；產(chǎn)品零件形狀越來越復(fù)雜，越來越需要多向模鍛技術(shù)來滿足高質(zhì)量鍛坯的要求。這也預(yù)示多向模鍛技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展有著非常廣闊的空間。

為推廣多向模鍛工藝，需要解決以下問題：從政府角度，加強(qiáng)宏觀指導(dǎo)與行業(yè)協(xié)調(diào)，根據(jù)我國(guó)行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，合理引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，加快消化吸收進(jìn)程。從行業(yè)管理層面的角度，應(yīng)該給批量適合多向鍛生產(chǎn)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化不存在技術(shù)泄密的問題，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后將為多向模鍛技術(shù)提供廣闊的發(fā)展空間。 借助市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)這個(gè)無形的手，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)集中度，促進(jìn)專業(yè)化、系列化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)能力，加快創(chuàng)新體系的建立，盡快形成企業(yè)的自我開發(fā)能力。