63 t模鍛設(shè)備上錘頭制造工藝研究

李志信

(山西太重北特機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西030024)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)航空工業(yè)發(fā)展迅速，高強(qiáng)度耐熱合金及鈦鎂合金大型鍛件主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部位。在生產(chǎn)這些鍛件產(chǎn)品的主要設(shè)備中，模鍛設(shè)備占據(jù)相當(dāng)重要的地位。

上錘頭是63 t無(wú)砧座模鍛設(shè)備中的主要零件，它直接參與對(duì)擊鍛造，產(chǎn)生巨大的沖擊載荷，以實(shí)現(xiàn)工件的變形，其受力環(huán)境十分惡劣，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)備使用頻率增加，錘頭的需求量增多，然而錘頭的更換很不方便，需要停機(jī)拆卸和安裝，比較復(fù)雜，嚴(yán)重影響著設(shè)備的正常使用。錘頭的造價(jià)高昂，制造周期長(zhǎng)，給生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，提高錘頭的使用壽命，是企業(yè)亟待解決的難題，因此，有必要對(duì)錘頭的制造工藝進(jìn)行深入的研究。

1 63 t無(wú)砧座模鍛設(shè)備簡(jiǎn)介

63 t無(wú)砧座模鍛設(shè)備屬于大型熱模鍛設(shè)備，適于與配套設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，成批量生產(chǎn)大型模鍛件，效率較高，經(jīng)濟(jì)較好。該設(shè)備的額定打擊能量為63 t，即630 MPa的打擊力，主要技術(shù)參數(shù)為：最大打擊速度3.13 m/s；錘頭長(zhǎng)度2500 mm；最高打擊次數(shù)35次/min；平均打擊次數(shù)6次/min；允許最大鍛造偏心150 mm；頂出裝置的最大頂出壓力600 kN；設(shè)備重量總計(jì)450 t；輪廓尺寸6000 mm×8000 mm×7410 mm。設(shè)備主要部件有：機(jī)架、氣缸與配汽機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)部分、油缸、操縱機(jī)構(gòu)、補(bǔ)油管道、緩沖器、打擊面控制器、頂出器潤(rùn)滑系統(tǒng)等[1]。

鍛錘的主要機(jī)構(gòu)都安裝在機(jī)架上，上錘頭屬于63 t無(wú)砧座鍛錘的運(yùn)動(dòng)部分，是實(shí)現(xiàn)對(duì)擊鍛打的執(zhí)行零件，上下錘頭在壓力介質(zhì)的作用下，通過(guò)聯(lián)動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下對(duì)擊聯(lián)動(dòng)，上錘頭自上而下，下錘頭自下而上，產(chǎn)生動(dòng)能，上下錘頭對(duì)擊面均有燕尾槽鏈接模具，模具內(nèi)為鍛造零件毛坯。上下錘頭帶動(dòng)模具打擊坯料，進(jìn)行鍛造生產(chǎn)。由于機(jī)架內(nèi)零部件較多，還配有液壓、氣動(dòng)管路，上錘頭重量大，因此拆卸更換比較繁瑣，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，成本也高。

2 上錘頭設(shè)計(jì)特點(diǎn)

上錘頭為主要受力件，沖擊載荷大，尺寸規(guī)格大，形狀比較復(fù)雜，從綜合成本、制造工藝性考慮，設(shè)計(jì)采用鑄焊結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，上錘頭由錘桿與錘頭兩部分對(duì)焊而成，焊接后整體機(jī)械加工，保證錘桿的中心與錘頭的中心一致，誤差不大于0.10 mm；四處導(dǎo)滑面平行度誤差不大于0.10 mm，與錘桿中心的對(duì)稱(chēng)度誤差不大于0.05 mm；燕尾槽底面與四處導(dǎo)滑面垂直度不大于0.05 mm，側(cè)面平行度誤差不大于0.10 mm，與錘桿中心的對(duì)稱(chēng)度誤差不大于0.05 mm；上錘頭由錘桿與錘頭焊接組成，無(wú)損檢測(cè)對(duì)接焊縫，按照GB/T 11345—2013的I級(jí)驗(yàn)收。焊后消除焊接應(yīng)力，整體加工完成后，對(duì)導(dǎo)滑面及燕尾槽淬火，硬度達(dá)到35～40HRC。

圖1 上錘頭Figure 1 The upper hammer head

2.1 上錘頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

上錘頭為鑄鋼焊接件，總重58 t，外形尺寸規(guī)格為4300 mm×2840 mm×2500 mm，由錘桿和錘頭兩部分焊接組成，錘桿和錘頭均為鑄鋼件，焊接完成后進(jìn)行精加工。

圖紙要求：錘桿重17 t，外形規(guī)格?1595 mm×2300 mm，空心鑄鋼件，材料為ZG35Ⅱ；錘頭重42 t，外形規(guī)格2840 mm×2500 mm×1998 mm，實(shí)心鑄鋼件，材料為ZG35Ⅱ。

錘桿結(jié)構(gòu)如圖2所示，頂部密封部位及光桿部分安裝在氣缸體內(nèi)，錘桿頂部有密封槽，用來(lái)安裝密封，上錘頭的向下打擊動(dòng)力是由氣缸體內(nèi)部的蒸汽提供，錘桿相當(dāng)于活塞的作用，在被蒸汽驅(qū)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)一體的錘頭部位進(jìn)行打擊作業(yè)。錘桿尾部為焊接坡口，由于焊接形式采用窄間隙焊接，坡口角度為1.5°，深度為255 mm，與錘頭部位形成窄U型坡口，寬度32.6 mm，鈍邊3 mm?？湛谖恢脼槎ㄎ恢箍冢脕?lái)安裝定位環(huán)，直徑770 mm，寬度100 mm，厚度25 mm，主要作用是保證錘桿與錘頭的組裝精度。焊接前錘桿只進(jìn)行外形粗加工、端面坡口、定位止口加工，其余部分在焊接成整體后進(jìn)行精加工，保證零件的幾何尺寸、形位精度。

圖2 上錘頭的錘桿Figure 2 Hammer rod of the upper hammer head

如圖3所示，錘頭部位四周有導(dǎo)軌導(dǎo)滑面，導(dǎo)滑面要求淬火處理，增加導(dǎo)滑面的耐磨性，用于上錘頭運(yùn)動(dòng)軌跡導(dǎo)向，端面設(shè)計(jì)為燕尾槽形式，用于安裝模具，燕尾槽各個(gè)連接面也要求淬火處理增加耐磨性。錘頭兩側(cè)面的兩處凸起是上錘頭緩沖裝置的安裝孔，在工作過(guò)程中用于保護(hù)上錘頭。焊接坡口與錘桿相同，焊前只加工坡口及粗加工部位。

圖3 上錘頭的錘頭Figure 3 Hammer head of the upper hammer head

2.2 制造過(guò)程中的關(guān)鍵控制

(1)63 t上錘頭受沖擊載荷大，尤其在將所鍛工件厚度減小到最薄，溫度下降到終鍛溫度時(shí)，工件的彈性變形很小，錘頭受到的沖擊載荷最大，基本為上下錘頭相對(duì)的沖擊；錘頭容易產(chǎn)生裂紋。

(2)錘頭、錘桿均為大型鑄鋼件，容易有氣孔、砂眼、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。

(3)錘頭、錘桿壁厚達(dá)250 mm，焊接質(zhì)量的控制也是關(guān)鍵，焊接后焊接應(yīng)力大。

(4)焊接后重量58 t，外形尺寸規(guī)格為4.3 m×2.84 m×2.5 m，回轉(zhuǎn)半徑大，尺寸精度高，需要大型車(chē)床和鏜銑設(shè)備。

(5)對(duì)導(dǎo)滑面及燕尾槽淬火，硬度達(dá)到35～40HRC。

3 上錘頭制造工藝研究

從兩件大型的鑄鋼件組焊為一件大型、受巨大沖擊載荷、精度要求高的大型加工件為出發(fā)點(diǎn)考慮，安排了如下的制造工藝流程：鑄造→正火→取樣→UT檢測(cè)→粗加工→無(wú)損檢測(cè)→焊接→消除應(yīng)力→精加工→MT檢測(cè)

3.1 錘頭和錘桿鑄造工藝

上錘頭由錘頭和錘桿兩部分構(gòu)成，其中錘頭凈重42 t，鑄件毛坯重量約50 t，錘桿凈重17 t，鑄件毛坯重量約23 t，錘頭與錘桿均屬于大型鑄造零件，鑄造工藝相對(duì)比較復(fù)雜，為保證材料特性要求，采用精煉鋼方法，冶煉鋼液過(guò)程中去除夾雜物，進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，并進(jìn)行成分微調(diào)等。根據(jù)零件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)材料的要求，上錘頭的材料選擇ZG35Ⅱ，相當(dāng)于ZG270-500，見(jiàn)表1。

表1 ZG270-500的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of ZG270-500 (mass fraction，%)

為保持錘頭冷卻速度均勻，在鑄造砂箱內(nèi)有規(guī)律的預(yù)先放置冷鐵，以均衡鑄件內(nèi)外溫度差異，避免鑄造過(guò)程中由于熱應(yīng)力產(chǎn)生裂紋。但冷鐵的位置應(yīng)遠(yuǎn)離錘頭與錘桿焊接部位、燕尾槽以及錘桿根部，讓開(kāi)直接吸收震動(dòng)沖擊、應(yīng)力集中的位置，也不能放置在臨近表面位置。鑄造冒口不能放置在與錘桿對(duì)接的方向，最好放置在燕尾槽端面位置，燕尾槽不必鑄造成型，全部填充鋼水，保證錘頭毛坯質(zhì)量。

鑄造后進(jìn)行正火+回火，正火溫度控制在Ac3以上30～50℃的區(qū)間即880～900℃，保溫一定時(shí)間，然后進(jìn)行空冷處理。但是正火后空冷，如果冷卻較快則會(huì)容易產(chǎn)生熱應(yīng)力，所以一般正火處理后再次進(jìn)行回火處理以便消除熱應(yīng)力，提高力學(xué)性能。ZG270-500的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 ZG270-500的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of ZG270-500

對(duì)錘頭及錘桿的焊接部位長(zhǎng)度200 mm范圍、錘頭的R100 mm圓弧部位、導(dǎo)滑面、燕尾槽部位精整、修磨后進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)按JB/T 5000.14—2007的3級(jí)執(zhí)行。

尺寸公差按GB/T 6414—1999 CT13級(jí)執(zhí)行，非加工面粗糙度為Ra100 μm。

3.2 錘頭錘桿焊前加工

鑄造毛坯余量大，焊接前要求將兩種零件分別加工到工藝要求余量，對(duì)接焊縫位置按圖紙要求加工到位，其余部分按10～15 mm留焊后加工量。

因?yàn)殄N桿內(nèi)腔不加工，避免加工余量分布不均造成錘桿壁厚度差異過(guò)大，因此加工外圓時(shí)，應(yīng)以不加工的內(nèi)孔為基準(zhǔn)，均衡錘桿壁的厚度余量。

錘頭部分加工按照焊接部位內(nèi)圓錐孔為中心基準(zhǔn)，檢查均衡各平面的加工余量，將所有的精加工位置進(jìn)行粗加工，留10～15 mm精加工余量。

粗加工后再次進(jìn)行UT檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)按JB/T 5000.14—2007的3級(jí)執(zhí)行。

對(duì)表面缺陷進(jìn)行處理時(shí)，要求將缺陷全部清除后才能進(jìn)行補(bǔ)焊，焊前局部預(yù)熱，焊后局部保溫。根據(jù)缺陷大小、補(bǔ)焊面積、深度等情況，確定補(bǔ)焊缺陷后是否回爐進(jìn)行消除焊接應(yīng)力退火。

與錘桿對(duì)焊位置嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求加工坡口，定位止口，采用樣板檢測(cè)。

3.3 錘頭錘桿對(duì)裝及焊接

兩零件安裝位置有相應(yīng)的定位止口，增加定位環(huán)，要求定位環(huán)與兩處安裝位的配合公差不大于0.2 mm，保證裝配精度，焊后錘頭、錘桿的中心偏差不大于2 mm，通過(guò)焊接聯(lián)接板進(jìn)行固定。

錘頭錘桿對(duì)焊時(shí)，由于錘桿壁厚超過(guò)100 mm，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)采用窄間隙焊接方式進(jìn)行焊接。施焊前對(duì)整個(gè)錘頭對(duì)焊位置進(jìn)行火焰預(yù)熱，工件安裝在變位器上，勻速旋轉(zhuǎn)，加熱位置按四處均勻設(shè)置，預(yù)熱時(shí)間12 h以上，焊縫周?chē)?00 mm范圍的預(yù)熱溫度達(dá)到300℃。窄間隙焊接施焊前檢測(cè)焊嘴前的定位傳感器的靈敏性和準(zhǔn)確性，參數(shù)全部合適后進(jìn)行施焊，焊接過(guò)程中不能中斷，應(yīng)連續(xù)進(jìn)行直到焊縫全部填滿(mǎn)。焊后用環(huán)形加熱毯對(duì)焊縫及影響區(qū)進(jìn)行保溫緩冷處理。完全冷卻后，對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。按照GB/T 11345—2013的I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。窄間隙焊接坡口見(jiàn)圖5。

圖5 焊接坡口圖Figure 5 Welding groove diagram

3.4 上錘頭焊接消應(yīng)力處理

上錘頭焊后整體進(jìn)退火爐進(jìn)行完全消除應(yīng)力退火，退火溫度580℃，保溫時(shí)間40 h，然后隨爐冷卻至300℃以下，室溫空冷。在完全消除應(yīng)力后轉(zhuǎn)入精加工工序。

3.5 上錘頭精加工工藝

按照錘桿的外圓定中心，均衡各個(gè)加工面的余量，畫(huà)出加工參考基準(zhǔn)線(xiàn)；在200鏜銑床上，按照錘桿部位的外圓找正，修錘桿頂端的中心孔，修錘頭底部燕尾中心孔。考慮錘頭的回轉(zhuǎn)半徑大，錘桿部位加工選用16 m臥式車(chē)床，兩端用固定頂尖定位，保證錘桿與錘頭的中心一致，對(duì)錘桿進(jìn)行精車(chē)，使用寬刃光刀滿(mǎn)足表面光潔度要求，尤其是錘桿根部?jī)商巿A弧R的部位，不允許出現(xiàn)接刀刀紋，明顯切削痕跡等環(huán)向拉痕，保證圓弧部位表面光潔度。為提高表面光潔度，提高表面硬度，在活塞桿部位以及圓弧表面采用豪克能激光滾壓技術(shù)，提高耐磨性，提高預(yù)置壓應(yīng)力，表面粗糙度值Ra≤0.2 μm。

錘頭部位的加工設(shè)備選用200鏜銑床，嚴(yán)格對(duì)加工好的錘桿找正和分中，加工四周導(dǎo)滑面、燕尾槽等部位。

加工后對(duì)四周導(dǎo)滑面、燕尾槽進(jìn)行磁粉檢測(cè)，按JB/T 5000.14—2007的2級(jí)執(zhí)行。

3.6 上錘頭導(dǎo)滑面等部位表面淬火處理

根據(jù)上錘頭使用要求，滑動(dòng)部位應(yīng)當(dāng)具備耐磨特性。為增加金屬表面耐磨能力，一般采用表面滲氮處理、淬火處理、堆焊硬質(zhì)合金層等方式。根據(jù)上錘頭的外形、重量、表面硬化部位、面積等條件，只能采取表面淬火處理。針對(duì)上錘頭的特點(diǎn)采用傳統(tǒng)的火焰方式進(jìn)行，對(duì)燕尾槽各面、導(dǎo)滑面各面進(jìn)行淬火處理，增加導(dǎo)滑面的耐磨特性。須注意的是在進(jìn)行表面淬火前，應(yīng)當(dāng)將各處需要處理的表面倒角打磨圓滑，消除尖角，避免出現(xiàn)細(xì)微的表面淬火皸裂，降低上錘頭從燕尾槽處發(fā)生破壞的幾率。

4 結(jié)語(yǔ)

從上錘頭的工作環(huán)境、工作工況、設(shè)計(jì)特點(diǎn)等方面進(jìn)行了分析描述，從上錘頭制作過(guò)程著手，研究了上錘頭的制作工藝，對(duì)每一道工藝過(guò)程進(jìn)行了分析和研究，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。