文/李湘軍·無(wú)錫透平葉片有限公司

離合器式高能螺旋壓力機(jī)特點(diǎn)

離合器式高能螺旋壓力機(jī)采用液壓傳動(dòng)加速飛輪和螺桿部件，飛輪和螺桿部件把旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的線性能量。

載荷和能量特性

螺旋壓力機(jī)的鍛造載荷通過(guò)滑塊、螺桿和工作臺(tái)傳給壓力機(jī)框架，給定行程位置上的有效能量由飛輪儲(chǔ)存的能量來(lái)供應(yīng)。在鍛造行程的末端，反向旋轉(zhuǎn)之前，飛輪和螺桿停止不動(dòng)。因此，飛輪總能量轉(zhuǎn)變成兩部分，一是鍛造工藝過(guò)程需要的有效能量；二是克服機(jī)械摩擦的能量和設(shè)備的彈性變形能。如果飛輪的總能量大于完成鍛造過(guò)程和克服機(jī)器損失的能量，多余的能量轉(zhuǎn)變成額外的變形能，使壓力機(jī)和鍛模承受不必要的高載荷。離合器式高能螺旋壓力機(jī)裝有能量調(diào)節(jié)器，即液壓離合器的壓力用0～100的數(shù)字輸入，改變離合器的壓力，也就改變離合器的力矩，進(jìn)而改變壓力機(jī)打擊力。本質(zhì)上用能量調(diào)節(jié)器控制飛輪速度和飛輪能量，從而保正壓力機(jī)在連續(xù)打擊時(shí)可以發(fā)出不同的能量。螺旋壓力機(jī)本質(zhì)上是能量限定機(jī)器，載荷和能量彼此相關(guān)。對(duì)于給定的壓力機(jī)，行程末了的有效載荷主要取決于鍛造工藝所需要的變形能（即取決于工件的形狀、溫度和材料）。因此，當(dāng)飛輪能量一定時(shí)，低的變形能引起高的終點(diǎn)載荷；高的變形能引起低的終點(diǎn)載荷。

時(shí)間特性

螺旋壓力機(jī)在負(fù)載條件下每分鐘的行程數(shù)主要取決于具體鍛造工藝所需要的能量和加速飛輪及螺桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率?；瑝K行程向下時(shí)，在壓力作用下，速度增加，直到滑塊打擊到鍛件，實(shí)際變形開(kāi)始后，滑塊速度的降低取決于鍛造工藝所需要的能量。因此，鍛件坯料和鍛件的幾何形狀大大地影響滑塊的加壓速度，這一點(diǎn)上，螺旋壓力機(jī)和其他壓力機(jī)有很大的不同，其他壓力機(jī)滑塊是由壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)所決定，鍛件需要的載荷和能量對(duì)其影響不大?；瑝K行程次數(shù)對(duì)壓力機(jī)的生產(chǎn)率、模具壽命和傳動(dòng)功率有重要影響。為了提高生產(chǎn)率，縮短工作循環(huán)時(shí)間，希望增加每分鐘滑塊行程次數(shù)。但是，模鍛時(shí)可能利用的滑塊行程次數(shù)受到機(jī)械化措施的限制，而且傳動(dòng)的安裝功率增大，又利用不充分，則降低了設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效果。如果進(jìn)料機(jī)構(gòu)不能保證壓力機(jī)滑塊以最大行程次數(shù)工作，那么實(shí)際利用的行程次數(shù)可以規(guī)定按壓力機(jī)循環(huán)時(shí)間確定的行程次數(shù)的1/3～1/2。

精密度特性

螺旋壓力機(jī)承受偏載的能力影響鍛件表面的平行度。由于汽輪機(jī)葉片屬于長(zhǎng)軸類的扭曲鍛件，為了保證葉片鍛件各部位均能充足，葉片鍛件鍛造時(shí)，要旋轉(zhuǎn)一定的合理角度，而且不需預(yù)鍛成形，直接在終鍛型腔里成形，故終鍛型腔中心與螺旋壓力機(jī)中心要基本上保持一致。如果鍛造需要預(yù)鍛成形的非葉片鍛件，終鍛型腔中心要盡可能在螺旋壓力機(jī)中心。實(shí)踐證明，SPKA11200型離合器式液壓螺旋壓力機(jī)適合鍛造單型腔鍛件，因?yàn)槁菪龎毫C(jī)平均偏載能力要遠(yuǎn)小于機(jī)械壓力機(jī)和錘，不適于一火完成幾道工序(如去除氧化皮、預(yù)成形)。螺旋壓力機(jī)工作像錘，即每次打擊時(shí)上下?！按蚩俊?，這樣才能保正鍛件的厚度公差要求。

螺旋壓力機(jī)和其他鍛壓設(shè)備的比較

設(shè)備的比較和具體的生產(chǎn)條件有關(guān)，小噸位的螺旋壓力機(jī)的公稱壓力范圍比熱模鍛曲柄壓力機(jī)低。因此，對(duì)于需要的模鍛小噸位有色金屬零件和小型鋼鍛件，均可廣泛應(yīng)用螺旋壓力機(jī)。由于大型螺旋壓力機(jī)的滑塊底面尺寸、公稱壓力和每分鐘滑塊行程利用次數(shù)均與熱模鍛曲柄壓力機(jī)大致相同，所以對(duì)于大型不需預(yù)成形鍛件采用這兩種設(shè)備任一種均可。由于螺旋壓力機(jī)具有大的能量?jī)?chǔ)備，為有效動(dòng)能的1.5～2倍，滑塊行程不受運(yùn)動(dòng)學(xué)上的限制，并且打擊力允許超過(guò)公稱壓力25%～100%，因此它的工藝適應(yīng)性能好。對(duì)于模鍛同樣的鍛件，可以選用公稱壓力比熱模鍛曲柄壓力機(jī)小25%～50%的螺旋壓力機(jī)。螺旋壓力機(jī)滑塊的最大速度和鍛件變形前的速度相同，而最大速度大致相同的熱模鍛曲柄壓力機(jī)，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)聯(lián)系，到接觸鍛件前滑塊速度只有最大速度的1/2.5～1/5。并且在鍛件變形過(guò)程中，此速度在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和壓力機(jī)零件彈性變形的影響下，按不完全的余弦曲線下降，構(gòu)成了所謂的爬弧時(shí)間。所以，模具與鍛件的受力接觸時(shí)間（變形時(shí)間），在鍛薄壁鍛件時(shí)熱模鍛曲柄壓力機(jī)比螺旋壓力機(jī)長(zhǎng)很多，但隨鍛件厚度的增加，時(shí)間上的差值在減小。在鍛件數(shù)量為幾千件的小批和中批生產(chǎn)的條件下，采用螺旋壓力機(jī)比采用熱模鍛曲柄壓力機(jī)更為合理，其原因是鍛件可以由不經(jīng)過(guò)預(yù)鍛變形的普通坯料模鍛，且允許較大的坯料體積偏差和加熱溫度偏差，重新調(diào)整模具需要的時(shí)間短，由于模具制造精度要求低，相應(yīng)制造成本就低，這樣鍛件成本就跟著降低。除此之外，對(duì)要求精度高以及要求打擊力大的鍛件，不論生產(chǎn)批量大小，由于壓力機(jī)機(jī)身的縱向彈性變形可以通過(guò)滑塊的位移自由補(bǔ)償（不受運(yùn)動(dòng)學(xué)限制），因此，選用螺旋壓力機(jī)比其他鍛造設(shè)備有利。除此之外，離合器式高能螺旋壓力機(jī)綜合了各種鍛造設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：

圖1 三種不同規(guī)格的螺旋壓力機(jī)

⑴與曲柄壓力機(jī)一樣，飛輪始終按同一方向恒速旋轉(zhuǎn)，以便在鍛造結(jié)束后，空轉(zhuǎn)時(shí)儲(chǔ)存能量。

⑵與液壓機(jī)一樣，可在全行程范圍內(nèi)預(yù)選任何所需的行程而能量和打擊力不受影響。

⑶與其他形式的螺旋壓力機(jī)一樣，沒(méi)有固定下死點(diǎn)，不會(huì)悶車(chē)。

⑷同模鍛錘一樣，可以在同一鍛模上進(jìn)行多次打擊，鍛件外形輪廓清晰。

⑸對(duì)于具有銳角形狀的工件，可以突然轉(zhuǎn)換打擊力，使材料在鍛模型腔中充盈良好，該類設(shè)備可以一火連續(xù)不同能量、不同行程位置打擊。

⑹工件所需打擊力可在20%～100%之間進(jìn)行預(yù)選，鍛件每次打擊力的重復(fù)精度高，鍛件尺寸精確。

⑺在高能量打擊時(shí)，功率消耗波動(dòng)甚小。

⑻上下鍛模加壓接觸時(shí)間短，模具壽命長(zhǎng)，這一點(diǎn)在其他鍛造設(shè)備上是不可實(shí)現(xiàn)的。

⑼離合器式高能螺旋壓力機(jī)允許偏載范圍尺寸大。

離合器式高能螺旋壓力機(jī)鍛造的工藝特點(diǎn)

鍛件在離合器式高能螺旋壓力機(jī)塑性變形的基本特點(diǎn)是由其工作機(jī)構(gòu)的性質(zhì)決定的。離合器式高能螺旋機(jī)構(gòu)能夠在滑塊向下空程運(yùn)動(dòng)期間，積蓄大量的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，這些動(dòng)能在工作行程期間全部被消耗，結(jié)果滿足了坯料塑性變形鍛造能量的需求。螺旋壓力機(jī)能夠發(fā)出的克服鍛件變形抗力的能力不僅與工作部分的動(dòng)能儲(chǔ)備多少有關(guān)，而且還與工作行程滑塊的位移大小有關(guān)，即與材料的塑性變形、機(jī)身和螺旋壓力機(jī)的其他零件以及模具在滑塊位移方向上的彈性變形有關(guān)。

鍛件塑性變形越小，螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)剛性就越大，打擊力也就越大。當(dāng)精鍛葉片時(shí)，葉身變形量很小，只有當(dāng)螺旋壓力機(jī)的能量消耗超過(guò)葉片塑性變形抗力的需要時(shí)，才能夠產(chǎn)生很大的打擊力，但在葉片的葉根、葉冠處，由于變形量很大，有時(shí)在此處相當(dāng)于鐓粗變形，這些部位金屬比葉身更易于流動(dòng)。離合器式高能螺旋壓力機(jī)有四種不同的壓力，即額定打擊力(也稱公稱壓力)、連續(xù)許可打擊力(允許壓力)、許可峰值打擊力、最大硬擊力(最大壓力)。額定打擊力通常認(rèn)為是鐓粗在滑塊運(yùn)動(dòng)方向上具有公稱變形量的鍛件時(shí)壓力機(jī)產(chǎn)生的壓力。設(shè)備在額定打擊力下工作，實(shí)際能量的80%～85%可以被鍛件塑性變形有效利用。連續(xù)許可打擊力約為額定打擊力的1.3～1.6倍。由于離合器式高能螺旋壓力機(jī)有摩擦超載保險(xiǎn)裝置，可以在連續(xù)許可打擊力下長(zhǎng)期工作，但在連續(xù)許可打擊力下工作時(shí)，有用功降低，約為實(shí)際能量的45%～50%。許可峰值打擊力不能長(zhǎng)期在此壓力下工作，只能偶而為之。最大硬擊力為沒(méi)有塑性變形時(shí)，即模具型腔中沒(méi)有坯料冷擊狀態(tài)下產(chǎn)生的最大壓力，在這種情況下，工作部分的實(shí)際能量消耗于摩擦、壓力機(jī)零件和模具的彈性變形，而有用功等于零。離合器式高能螺旋壓力機(jī)最大硬擊力約為額定打擊力的1.6倍，用這個(gè)壓力工作是絕對(duì)不可以的，極易造成設(shè)備零件的損壞。由于螺旋壓力機(jī)的滑塊位移不受運(yùn)動(dòng)學(xué)上的限制，終鍛鍛件可以一直進(jìn)行到模具靠合或滑塊停下為止。如果工作部分的能量不足，則不等變形結(jié)束，滑塊就停止了。在這種情況下，如果在終鍛溫度許可范圍內(nèi)，就要重復(fù)幾次滑塊行程，以便使鍛件充足，飛邊能夠出來(lái)。

在模鍛過(guò)程中，壓力機(jī)—模具系統(tǒng)沿滑塊運(yùn)動(dòng)方向上的彈性變形，可由螺桿的附加轉(zhuǎn)角得到自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)際上影響不到鍛件精度。所以在離合器式高能螺旋壓力機(jī)上得到的鍛件，其鍛造方向上的尺寸精度比其他鍛造設(shè)備高1～2級(jí)。該類設(shè)備模具安裝、調(diào)整容易，不需要精確確定滑塊的最下位置和調(diào)整封閉高度或?qū)к夐g隙，這些值會(huì)隨著工作過(guò)程中機(jī)身的溫度變化而變化。離合器式高能螺旋壓力機(jī)滑塊最大線速度為0.5m/s，以這樣速度打擊，模具承受的應(yīng)力為其他鍛造設(shè)備模具的1/5～1/10。由于該設(shè)備地基有液壓減振緩沖裝置，即使鍛造進(jìn)、出汽側(cè)落差大、側(cè)向力大的大葉片需要很大的打擊力，也不會(huì)產(chǎn)生縱向和扭轉(zhuǎn)沖擊，機(jī)身不會(huì)產(chǎn)生扭角變形。為了保證大葉片鍛件的厚度，離合器式高能螺旋壓力機(jī)模座具有碰模裝置，以保證得到所要求的葉片鍛件厚度，并且上、下模座四個(gè)角或四個(gè)側(cè)面帶有導(dǎo)向塊，導(dǎo)向塊精度很高，進(jìn)一步緩解了滑塊導(dǎo)軌間隙和機(jī)身扭角變形對(duì)鍛模錯(cuò)移的影響。

離合器式高能螺旋壓力機(jī)滑塊速度對(duì)鍛件變形過(guò)程的影響

該類設(shè)備滑塊速度(滑塊運(yùn)動(dòng)方向上的鍛件變形速度)，對(duì)于鍛件變形過(guò)程和變形過(guò)程中的其他因素，產(chǎn)生重要影響，在提高變形速度的條件下，平均流動(dòng)應(yīng)力顯著降低，力—位移曲線形狀發(fā)生了重大改變，主要是因?yàn)樽冃螀^(qū)熱交換受到限制而激烈發(fā)熱，表面摩擦降低。另外，葉片坯料屬于長(zhǎng)軸類零件，特別是葉身出汽側(cè)頂端依靠金屬塑性流動(dòng)成形，流動(dòng)部分的加速度引起了慣性力，在變形區(qū)就產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，導(dǎo)致變形抗力降低，促使葉片鍛件充足成形。在熱變形時(shí)，鍛模和變形金屬材料的初始溫差會(huì)造成接觸效應(yīng)，由于熱傳導(dǎo)，葉片坯料接觸部分必然變冷而難于變形，尤其是當(dāng)坯料與模具接觸表面承受很高應(yīng)力時(shí)，金屬材料塑性變形過(guò)程中發(fā)生劇烈的熱交換，這時(shí)熱交換的強(qiáng)度比自由接觸大20～30倍，從坯料放入模具到取出鍛件的總接觸時(shí)間中，其他輔助時(shí)間也影響模具壽命，特別是鍛造完成后到鍛件取出前這段模具和鍛件的接觸時(shí)間，影響更大。由于螺旋壓力機(jī)滑塊速度比較快，一般鍛件的厚壁深腔要布置在上模，又因?yàn)樽冃螘r(shí)間短，瞬時(shí)打擊載荷能量大，在離合器式高能螺旋壓力機(jī)上鍛造扁平的、扭曲的、彎曲的葉片和難變形材料合金盤(pán)、結(jié)構(gòu)鍛件是極其合適和有利的，這樣不僅能保證這些鍛件的幾何尺寸要求，而且也能保證其使用的性能要求。

離合器式高能螺旋壓力機(jī)技術(shù)路線

葉片鍛造技術(shù)路線——小余量緊公差鍛造

無(wú)錫透平葉片有限公司(簡(jiǎn)稱WTB)擁有SPRZ630液壓螺旋壓力機(jī)和SPKA11200、SPKA22400型離合器式高能螺旋壓力機(jī)，該類設(shè)備鍛造重復(fù)精度高，鍛件公差帶可波動(dòng)范圍窄，可以實(shí)現(xiàn)減少鍛件余量鍛造，特別是內(nèi)弧余量，這是WTB技術(shù)選擇的理論基礎(chǔ)。加以綜合成本低，其良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，奠定了WTB葉片鍛造的發(fā)展方向。圖2所示為葉片鍛造工序。將原材料棒料在鐓頭機(jī)上按鍛件每個(gè)截面上的面積按照小余量緊公差鍛造成形對(duì)面積加放系數(shù)的要求，來(lái)進(jìn)行體積分配，達(dá)到所需的葉根鐓頭聚料的作用，得到圓柱+圓臺(tái)的階梯形狀。數(shù)控預(yù)成形機(jī)是數(shù)控自由鍛機(jī)，拔長(zhǎng)時(shí)一邊旋轉(zhuǎn)，一邊軸向移動(dòng)，并通過(guò)行程控制的兩個(gè)錘頭，將鐓頭后的桿身鍛打成所規(guī)定的形狀?？戾懓伍L(zhǎng)后的鍛坯旋轉(zhuǎn)一定的角度將圓形葉根壓扁至規(guī)定的厚度。將壓扁后的鍛坯放在天然氣轉(zhuǎn)爐內(nèi)加熱后，采用SPRZ630或SPKA11200或SPKA22400的螺旋壓力機(jī)進(jìn)行小余量緊公差鍛造成形。由于葉片在鍛造過(guò)程中鍛坯在厚度方向不停地變薄，與鍛模接觸的鍛坯區(qū)域溫度急劇下降，所以要在短時(shí)間內(nèi)可以快速成形，螺旋壓力機(jī)是最合適的鍛造葉片的設(shè)備，可以在短時(shí)間內(nèi)一下子給予鍛坯很大的變形能以實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的鍛造。WTB已經(jīng)具備不同等級(jí)的螺旋壓力機(jī)，再輔之以鐓頭機(jī)和預(yù)成形機(jī)制坯設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)小余量緊公差鍛造不同規(guī)格大小的葉片鍛件。

圖2 葉片的模鍛工序

難變形材料盤(pán)件鍛造技術(shù)路線——小余量模鍛

圖3 GH4169盤(pán)件模鍛工藝

SPKA11200、SPKA22400是離合器式高能螺旋壓力機(jī)，屬于大能量作用在中等工作臺(tái)面利用瞬時(shí)的沖擊載荷通過(guò)模具作用，保證難變形合金盤(pán)件的塑性成形，離合器式高能螺旋壓力機(jī)破碎難變形合金的晶粒能力強(qiáng)、錘擊累積效應(yīng)顯著，錘擊速度、能級(jí)設(shè)置和錘擊變形量控制(行程設(shè)置)可根據(jù)難變合金的變形特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，錘擊變形量公差1～2mm?，F(xiàn)以GH4169直接時(shí)效工藝為例，闡述工藝路線，見(jiàn)圖3，GH4169盤(pán)件是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之一，GH4169盤(pán)件的可靠性、安全壽命主要取決于其冶金質(zhì)量、完整性、均勻性和其熱加工成形過(guò)程的有效控制。

鍛件圖設(shè)計(jì)(余量4～6mm)→下料→平端面→探傷→鐓餅→沖孔→模鍛→水冷→時(shí)效→性能→粗加工→腐蝕→交付。

鐓餅和沖孔需根據(jù)不同的原材料狀況進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鸫魏妥冃瘟康恼{(diào)整，以期達(dá)到模鍛前預(yù)制坯的組織均勻性要求，否則將使不好的混晶組織遺傳到最終的模鍛件上，從而導(dǎo)致盤(pán)件的報(bào)廢。

難變形材料結(jié)構(gòu)件鍛造技術(shù)路線——小余量精密模鍛

難變形材料結(jié)構(gòu)件一般屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、帶有厚薄不均的筋槽，鍛造難度系數(shù)高，成形的關(guān)鍵在于預(yù)成形制坯圖的設(shè)計(jì)，在于材料模鍛前的分配均勻，否則易造成模鍛時(shí)的穿筋折疊鍛造缺陷，現(xiàn)以TA15框?yàn)槔?，闡述工藝路線，見(jiàn)圖4。

圖4 TA15框工藝

鍛件圖設(shè)計(jì)(余量4～6mm)→下料→平端面→探傷→板坯→切割坯料→預(yù)鍛→模鍛→退火→性能→無(wú)損檢測(cè)→交付。

結(jié)束語(yǔ)

離合器式高能螺旋壓力機(jī)是當(dāng)今世界上比較先進(jìn)的鍛造設(shè)備，廣泛運(yùn)用于能源電力、航空、航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵構(gòu)件的成形鍛造，特別適合于難變形材料的鈦合金、高溫合金構(gòu)件的制坯及模鍛成形。不僅能成形復(fù)雜的飛機(jī)框梁構(gòu)件，而且能夠滿足高性能的高溫合金渦輪盤(pán)、壓氣機(jī)盤(pán)改性成形。由于其打擊速度、能級(jí)設(shè)置、行程設(shè)置能夠事先預(yù)選，可以很好地與有限元數(shù)值模擬技術(shù)融合起來(lái)預(yù)先驗(yàn)證工件的成形方案的可行性，有效地協(xié)助工程技術(shù)人員適時(shí)地調(diào)整工藝參數(shù)，可靠地達(dá)到工程運(yùn)用的預(yù)期效果。目前WTB擁有三條螺旋壓力機(jī)生產(chǎn)線，具有較強(qiáng)的工藝研發(fā)和配套生產(chǎn)能力。未來(lái)，WTB將緊緊圍繞“國(guó)家能源大型渦輪葉片研發(fā)中心”這一平臺(tái)，通過(guò)廣泛的產(chǎn)學(xué)研合作來(lái)提升大型長(zhǎng)葉片的工藝制造技術(shù)能力和難變形合金材料鍛件成形改性的工藝制造技術(shù)能力，充分配套好離合器式高能螺旋壓力機(jī)制坯能力、加熱能力、工件轉(zhuǎn)移能力及大型模具的制造能力，以期實(shí)現(xiàn)大型長(zhǎng)葉片鍛件和難變形合金鍛件的自動(dòng)化鍛造。