宋 濤，趙升噸，劉洪寶

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

徑向鍛造的基本原理由奧地利科學(xué)家B.Rralowetz博士于1946年提出。第一臺(tái)四錘頭徑向鍛機(jī)誕生于上世紀(jì)60年代。到70年代中期已有6.5MN至25MN的徑向鍛機(jī)相繼問世并應(yīng)用于高合金鋼和其他合金的大型坯料和連鑄錠的鍛造。目前，全世界不同型號(hào)和配置的徑向鍛機(jī)已有數(shù)百臺(tái)。國(guó)外徑向鍛技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)技術(shù)已相對(duì)成熟。世界上主要的徑向鍛機(jī)和附屬設(shè)備制造商，如奧地利的GFM，德國(guó)的西馬克·梅爾 (SMS Meer)和意大利的Danieli等公司已制造出可鍛打最大外徑1.2 m的徑向鍛機(jī)并應(yīng)用于生產(chǎn)。

隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高性能鍛造的強(qiáng)勁需求，我國(guó)于上世紀(jì)70年代中期開始研究液壓式徑向鍛機(jī)，目前研發(fā)和制造水平都有了很大提高。本文將從徑向鍛壓的工作原理和特點(diǎn)，論述其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用和發(fā)展。

1 徑向鍛造的工作原理和特點(diǎn)

徑向鍛造是一種在同一平面上同時(shí)對(duì)軸類零件施加多個(gè)周向均勻分布的鍛打力的成形方法［1］。徑向鍛機(jī)的基本原理如圖1所示。沿零件周向均勻分布的多個(gè)錘頭在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在徑向方向進(jìn)行開合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)零件在夾持機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下沿軸向送進(jìn)，在送進(jìn)的過程中根據(jù)工藝的要求控制工件旋轉(zhuǎn)的速度。個(gè)別徑向鍛機(jī)在鍛打過程中錘頭可在軸向進(jìn)行微小擺動(dòng)或低速轉(zhuǎn)動(dòng)。零件受到均勻分布的高速、高頻、短沖程的鍛壓力，材料在高靜水壓力的應(yīng)力狀態(tài)下沿軸向、徑向流動(dòng)。

圖1 徑向鍛原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of radial forging

影響材料可加工性的因素有材料的成分、金相組織狀態(tài)等內(nèi)在因素，以及加工時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)、溫度、變形速率等外在因素。徑向鍛造在加工過程中在周向同時(shí)施加壓力，使得在變形過程中材料內(nèi)部產(chǎn)生較高的靜水壓力，材料在較高靜水壓力狀態(tài)下的延展性得以提高，裂紋敏感的脆性材料在該狀態(tài)下變形不易產(chǎn)生裂紋，一些已有的裂紋也可被壓合。由于高頻鍛打，產(chǎn)生的變形熱使得整個(gè)鍛打過程中溫降小，容易實(shí)現(xiàn)等溫鍛造，特別適用于高溫下偏析嚴(yán)重的高合金鋼。等溫鍛造能較好地控制晶粒大小，可實(shí)現(xiàn)全截面細(xì)晶鍛造。同時(shí)整個(gè)零件的鍛打過程可以在一次加熱后完成，可減少工廠中的再次加熱設(shè)備數(shù)量。

徑向鍛加工的零件精度高、表面粗糙度低，同時(shí)力學(xué)性能好。熱鍛管件的內(nèi)徑尺寸公差可達(dá)±0.1 mm;冷鍛工件外徑尺寸公差達(dá)±0.1 mm，內(nèi)徑公差達(dá)±0.025，工件表面粗糙度可達(dá)3.2～0.4 μm［2］。由于徑向鍛過程中溫降小，模具的致冷作用弱，相對(duì)常規(guī)鍛造過程不會(huì)在工件表面形成變形死區(qū)，相反表面變形大于心部變形。在鍛打過程中工件的大部分材料處于相同的變形狀態(tài)。對(duì)一般的實(shí)心軸坯或高合金鋼錠的開坯，只要達(dá)到足夠的鍛造比，心部均可鍛透。鍛打后的工件內(nèi)部金屬纖維流線較為理想，晶粒的解離增多，使其強(qiáng)度大幅度增加。

徑向鍛機(jī)自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)率高，材料消耗低。目前徑向鍛機(jī)已采用數(shù)控技術(shù)，鍛打頻率高，工步之間無間斷，所以生產(chǎn)效率高。由于徑向鍛所鍛工件精度高，加工余量小，可顯著節(jié)約原材料，特別針對(duì)空心臺(tái)階軸相對(duì)切削加工可節(jié)約材料30% ～50%［3］。

盡管上述各種優(yōu)點(diǎn)，徑向鍛也有其固有的缺點(diǎn)和不足。由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、錘頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程范圍被限定在了特定區(qū)間。在不更換錘頭的情況下，工件的變形空間較小。相比自由鍛液壓機(jī)，同噸位的徑向鍛機(jī)鍛錘的最大鍛打力相對(duì)較小。對(duì)高強(qiáng)度材料，高頻的鍛打和設(shè)備的最大鍛打力限制了每次鍛打的變形量，變形區(qū)域容易限定在靠近零件表面的區(qū)域。同時(shí)，徑向鍛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、前期投入大、維護(hù)成本高，可鍛打的零件多為軸類零件，且坯料的最佳鍛打直徑和尺寸都有限定。雖然徑向鍛的生產(chǎn)效率高，但只針對(duì)批量生產(chǎn)，對(duì)單件小批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性不佳。另外，如果坯料冶金品質(zhì)差，徑向鍛造鍛合坯料芯部缺陷的能力較鍛錘差。

2 徑向鍛的分類

根據(jù)鍛打時(shí)工件的溫度不同，徑向鍛可分為熱鍛工藝和冷鍛工藝。目前大多數(shù)徑向鍛工件都采用熱鍛工藝，鍛前坯料可為鑄錠或預(yù)制的軸類坯料。冷鍛工藝主要應(yīng)用于對(duì)成品尺寸精度要求較高的接近成品的工件，常被應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中。

根據(jù)工件鍛打時(shí)的送進(jìn)方法不同，可分為沿軸送進(jìn)、隨模送進(jìn)和鐓粗送進(jìn)，如圖2所示。［1］

圖2 鍛造的不同送進(jìn)方法Fig.2 Different feed-in modes of forging

(1)沿軸送進(jìn)。工件從鍛機(jī)的一側(cè)進(jìn)入，夾頭在鍛機(jī)的一側(cè)或兩側(cè)控制工件的通過錘頭的旋轉(zhuǎn)和送進(jìn)速度。該方法是圓棒和圓坯加工的最常用方法。

(2)隨模送進(jìn)。工件在一端被夾持，模具特定區(qū)域形成所需要的形狀。該方法常被用來配合芯模鍛打空心件以及閉模鍛打。

(3)局部鐓粗。棒管料局部加熱后施加一個(gè)軸向力，將加熱處局部鐓粗后徑向鍛打成形。在鐓粗過程中或采用芯模來控制內(nèi)孔的形狀和尺寸。

根據(jù)設(shè)備配置不同，徑向鍛可分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)液混合驅(qū)動(dòng)三大類。

(1)機(jī)械驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)。該鍛機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示［4］。安裝在外圍的偏心軸帶動(dòng)連接其上的雙滑塊機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。通過蝸輪蝸桿帶動(dòng)的行程調(diào)節(jié)螺紋將運(yùn)動(dòng)傳遞給錘頭。錘頭的同步通過驅(qū)動(dòng)四個(gè)偏心軸的齒輪系保證鍛錘的行程位置可通過四組蝸輪蝸桿同時(shí)或成對(duì)地同步改變從而可加工圓形、方形或長(zhǎng)方形橫截面的工件。全機(jī)械驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)的剛度較高，可得到較高的工件尺寸精度。

圖3 機(jī)械驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of mechanical drive for radial forging press

(2)液力驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)。該鍛機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。錘頭和模具直接連接在液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行部件上。變形量和變形速率可被很好地控制。與機(jī)械驅(qū)動(dòng)不同，模具運(yùn)動(dòng)速度根據(jù)工件的尺寸、形狀和材料的不同而不同。對(duì)高強(qiáng)度材料大變形鍛打需要鍛機(jī)有較大的鍛打力。相對(duì)機(jī)械式驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)，液力驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)的鍛打頻率往往偏低，這主要是由于液壓系統(tǒng)的特性決定的。同時(shí)因?yàn)橐簤河偷膲嚎s性，液壓驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)加工的工件最終精度相對(duì)較低。

(3)機(jī)液混合驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)。該鍛機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。在該設(shè)備中4個(gè)偏心軸被布置在八角形的機(jī)架上，由集成在鍛造箱中的同步齒輪系驅(qū)動(dòng)。錘頭的主驅(qū)動(dòng)力仍由偏心軸提供，錘頭和偏心軸之間連接液壓墊用以調(diào)節(jié)模具的行程位置，同時(shí)液壓墊也可以起到過載保護(hù)和實(shí)時(shí)測(cè)量鍛打力的功能。液壓墊只需要非常小的安裝空間，使得這類鍛機(jī)的設(shè)計(jì)相當(dāng)緊湊。

該類設(shè)備的鍛打頻率是由偏心軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定的，相對(duì)純液力驅(qū)動(dòng)鍛機(jī)，能得到更高的鍛打頻率，從而獲得更高的尺寸精度，表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖4 液力驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)Fig.4 Diagram of hydraulic drive for radial forging press

圖5 機(jī)液混合驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)Fig.5 Diagram of hydraulic-mechanical combination drive for radial forging press

3 徑向鍛造的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 徑向鍛機(jī)的應(yīng)用

徑向鍛造應(yīng)用范圍廣泛，通過不同的工藝可加工不同形狀的軸類和管類零件。圖6所示為采用徑向鍛工藝加工的零件［5］。這些零件包括大直徑長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體的臺(tái)階軸、錐形軸;薄壁管形件的縮口、縮頸;帶有特定形狀的內(nèi)孔，如內(nèi)花鍵、來復(fù)線槍管;異性材，如矩形、六邊形、八邊形等多邊形棒材。除一般的碳鋼，還可應(yīng)用于合金鋼、工具鋼、銅合金、鋁合金和鎂合金等。特別適用于低塑性、高強(qiáng)度的難溶金屬，如鎢、鉬、鋯、鈮及其合金的開坯和鍛造。同時(shí)也可鍛造粉末燒結(jié)錠、白口鑄鐵等鍛造性很差的材料。

圖6 通過徑向鍛加工的部分零件Fig.6 Partial parts made by radial forging press

3.2 徑向鍛造設(shè)備的發(fā)展方向

隨著工業(yè)界對(duì)高性能鍛件的持續(xù)增長(zhǎng)的需求，徑向鍛機(jī)的最大鍛造能力逐年增大，同時(shí)更加智能化的控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)被廣泛采用，使得徑向鍛機(jī)不斷地向智能化、大型化。精密化的方向發(fā)展。表1～表3為三種典型徑向鍛機(jī)的部分型號(hào)和性能匯總。

表1 GFM公司部分機(jī)械驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)性能Table 1 Performances of some GFM radial forging presses with mechanical drive mode

表2 SMS MEER公司部分液力驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)性能Table 2 Performances of some SMS MEER radial forging presses with hydraulic drive mode

表3 GFM公司部分機(jī)液混合驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)性能Table 3 Performances of some GFM radial forging press with mechanical and hydraulic drive mode

徑向鍛機(jī)的最大加工能力近年來已有了大步提升。但就目前的工業(yè)發(fā)展來看，工業(yè)界依然需求能鍛造更大、更長(zhǎng)的實(shí)心或空心鍛件的徑向鍛機(jī)出現(xiàn)。然而從GFM公司設(shè)計(jì)的30MN的徑向鍛機(jī)來看，設(shè)計(jì)制造同類更大噸位鍛機(jī)的趨勢(shì)明顯放緩。主要原因是一方面超大型鍛件往往需求量不多，即便超大型設(shè)備被研發(fā)出來其利用率和經(jīng)濟(jì)性均不佳，同時(shí)大型徑向鍛機(jī)的制造成本往往是一般開式壓力機(jī)的數(shù)倍甚至更高。因此在上世紀(jì)中葉，人們就嘗試將一般的開式壓力機(jī)改造為徑向四模鍛壓機(jī)。但其商業(yè)化的改造方法直到不久前才得以出現(xiàn)［6］。圖7所示為該 結(jié)構(gòu)的原理圖。該改裝組件的基模1安裝在液壓機(jī)的工作平臺(tái)，上模3直接連接在液壓缸上，基模和上模構(gòu)成的斜鍥驅(qū)動(dòng)側(cè)模2、4同步橫向運(yùn)動(dòng)，從而將通用液壓機(jī)改裝成為徑向開模鍛機(jī)。

圖7 多模徑向鍛改裝組件Fig.7 Modified assembly of multimode radial forging press

俄羅斯重型鍛壓機(jī)械股份公司 (JSC Tyazhpressmash)在該領(lǐng)域?qū)嵙?qiáng)勁。已為10 MN、20 MN、30～45 MN的鍛壓機(jī)進(jìn)行了改造，2012年該公司還將為60 MN的鍛壓機(jī)進(jìn)行徑向四模鍛的改造。同時(shí)該公司已計(jì)劃在不久的將來將該技術(shù)應(yīng)用于150 MN的鍛壓機(jī)上。

3.3 徑向鍛造工藝模擬研究

數(shù)值仿真的方法應(yīng)用于徑向鍛工藝過程和裝備的研究已有較長(zhǎng)的歷史。Domblesky和Altan采用二維軸對(duì)稱有限元法研究了熱徑向鍛過程中機(jī)械和熱力學(xué)行為。Jang和Liou采用三維非線性有限元模型在不考慮工件運(yùn)動(dòng)的情況下研究了鍛打過程中的殘余應(yīng)力。Ghaei采用有限元方法研究了不同形狀模具對(duì)工件成形的影響，計(jì)算中考慮了模具形狀沿軸向和周向的分布對(duì)加工的影響［7］。Chen采用非線性耦合有限元方法預(yù)測(cè)了大直徑管類零件在熱徑向鍛的變形情況，在其模型中考慮了應(yīng)力場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合以及與材料變形速率相關(guān)的彈粘塑性材料模型。H.Afrasiab等采用三維非線性有限元法研究了徑向鍛過程中工件的旋轉(zhuǎn)對(duì)工件內(nèi)部殘余應(yīng)力分布的影響，指出為保證良好的應(yīng)力分布，在鍛打接觸期間工件應(yīng)保持靜止［8］。Chen采用非線性三維有限元方法對(duì)熱徑向鍛過程中材料氣孔壓合的情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明靜水壓應(yīng)力對(duì)氣孔的壓合有明顯的提升;對(duì)于有芯模的徑向鍛，氣孔主要在徑向縮減;對(duì)于無芯模的情況，氣孔主要沿外模具和氣孔的切線方向縮減。研究指出，同時(shí)采用V形外模具和芯模將會(huì)對(duì)氣孔的縮減有很大改善［9］。結(jié)合有限元計(jì)算方法，Poursina還采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)熱徑向鍛的成形力。目前，應(yīng)用于徑向鍛有限元的理論已經(jīng)相對(duì)完善，研究者正采用更加精密的數(shù)學(xué)模型對(duì)加工過程進(jìn)行更接近真實(shí)狀況的模擬。

圖8 采用非線性有限元計(jì)算的不同鍛打次數(shù)后的工件形貌［10］Fig.8 Nonlinear FE calculated features of forging pieces after different forging times

4 我國(guó)徑向鍛造裝備的現(xiàn)狀

我國(guó)在20世紀(jì)60年代，引進(jìn)首臺(tái)機(jī)械傳動(dòng)的4×3400 kN徑向精鍛機(jī)，落戶太原［11］。至今已引進(jìn)各類徑向鍛機(jī)數(shù)十臺(tái)。其中北重集團(tuán)、寶鋼特鋼、中原特鋼、江蘇天工等企業(yè)近幾年引進(jìn)的13～18 MN大噸位徑向鍛機(jī)代表世界徑向鍛機(jī)的先進(jìn)技術(shù)水平。這些設(shè)備主要用于鍛制特種鋼、工具鋼和車軸、炮管等鍛件，整體使用效果比較理想。

我國(guó)早在50年代，機(jī)械工業(yè)部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所就開始了兩錘頭徑向鍛機(jī)的研究工作，至今由該所設(shè)計(jì)的三錘頭、四錘頭小噸位(D65-85、D65-100和D65-125型)徑向鍛機(jī)已投入使用，并積累了一定的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。1979年，大連特鋼廠牽頭制造了一臺(tái)3400kN徑向鍛機(jī);中國(guó)一重采用大連精工鍛壓高新技術(shù)公司提供技術(shù)制造的4×4000 kN徑向鍛機(jī)，投產(chǎn)后的年加工量達(dá)2000噸。然而限于材料、結(jié)構(gòu)和工藝等的制約，我國(guó)大中型徑向鍛機(jī)的研發(fā)至今未完全成功。除此而外，蘭州蘭石集團(tuán)憑借其在液壓快鍛設(shè)備研發(fā)過程中積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)也投入到液力驅(qū)動(dòng)徑向鍛機(jī)的研發(fā)隊(duì)伍中。

隨著我國(guó)機(jī)械加工能力的逐步提升，設(shè)備配套零部件的逐步改進(jìn)以及在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)驗(yàn)的逐漸積累和研發(fā)環(huán)境的持續(xù)改善，大噸位、高精度、高技術(shù)密集的徑向鍛機(jī)國(guó)產(chǎn)化正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

徑向鍛造技術(shù)由于其高速、高精度、高靜水壓力、可控鍛溫度等優(yōu)點(diǎn)，在特種材料、高合金鋼和軸類零件的應(yīng)用越來越廣泛。近些來，隨著機(jī)械制造能力的進(jìn)一步提升，計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法的發(fā)展，徑向鍛設(shè)備和工藝?yán)碚撗芯吭谠O(shè)備優(yōu)化、變形機(jī)理和新工藝探索上日趨成熟。我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域正在展開廣泛和更加深入的研究工作，已取得一定進(jìn)展。

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