國內外多向模鍛工藝及設備的發展現狀

文/喻興娟，陳文勛·中國聯合工程公司

馮會來·大連世杰航空鍛造有限公司

國內外多向模鍛工藝及設備的發展現狀

文/喻興娟，陳文勛·中國聯合工程公司

馮會來·大連世杰航空鍛造有限公司

多向模鍛工藝優點分析

多向模鍛在精化鍛件、節約材料、改善產品質量，提高生產效率以及將模鍛擴大應用到難成形材料的成形等方面具有許多優點和顯著的經濟效益。自20世紀50年代以來，美、英、法、德國和原蘇聯等工業發達國家，紛紛發展并推廣應用多向模鍛技術。我國是從20世紀60年代中期開始研發多向模鍛設備和工藝技術的，但發展相當緩慢，工程應用則更少。

多向模鍛是在多向模鍛液壓機上進行分模模鍛的一種精密鍛造技術，其變形原理實質上是復合了擠壓與模鍛，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：

⑴可成形內有多向空腔、外有凸凹變化的復雜模鍛件。內有空腔、無飛邊，鍛件形狀和尺寸精度高，多數情況下可一火次完成鍛造成形，可實現部分表面的少無切削加工，材料利用率高，切削加工量小，后續加工臺時少、制造周期短。

⑵鍛件內在質量高。金屬材料處在高靜液應力、大等效應變條件下成形，組織致密、材料缺陷易于彌合。

鍛件的流線分布合理，有助于提高其力學性能。從大量多向模鍛件的低倍組織檢驗結果看出，多向模鍛件的金屬流線沿鍛件輪廓分布流暢，有利于鍛件力學性能的提高。此外，因多向模鍛不產生飛邊，也沒有因為切邊而產生流線末端外露的問題，這對提高零件的抗應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，生產效率高，生產成本低。

⑷可將模鍛工藝的應用范圍擴大到溫度較窄、塑性較低的材料。

⑸模具結構簡單、使用壽命長，對降低鍛件成本有利。

傳統的模鍛方法消耗在飛邊上的金屬有的可達到鍛件質量的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）、帶有多個枝丫、凸臺和孔腔的復雜形狀鍛件，就其本質而言，可以將其歸屬于熱鍛精密成形工藝。又因為坯料在成形時處于強烈的三向壓應力狀態，有利于金屬塑性的改善，適用于生產鍛造溫度區間較窄、塑性較低的高合金材料的鍛造成形，為軍工裝備上關鍵零件的生產提供保障。

多向模鍛能以相當低的能耗和材耗、極其簡單的坯料、高效率、低成本地鍛制出高性能、高精度的復雜鍛件。多向模鍛件已擴大應用到石油、化工、電力、航空、軍工等領域。它們的共同特點是結構形狀十分復雜，材料多為高強鋼、不銹鋼、高溫合金或鈦合金等特殊材料，而且鍛件質量越來越大，一般都在數百公斤，最大可達到3084kg。

多向模鍛應用實例

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

我國對聯合分模多向模鍛技術的研究比較薄弱，至今僅對幾個典型鍛件做過試驗研究和小批量生產，如小型三通、球形接頭、燃油泵殼體等。目前國內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，其外形和內孔都需要機械加工，生產成本非常高。因此，采用先進的多向模鍛工藝技術生產三通類鍛件，已成為我國鍛造行業亟待推廣的課題。

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。這類管道內流動的液體多為高壓，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。

現實中的宏觀經濟數據極少屬于平穩序列，而平穩性在經濟計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性，即上述兩變量在長期是否具有均衡關系，需要進行協整檢驗。為檢驗兩變量是否具有協整關系，Engle和Grange于1987年提出了兩步檢驗法，稱為EG檢驗，其基本思想是：首先對兩變量進行單位根檢驗，以判斷它們的單整階數，如果它們同為d階單整，則用一個變量對另一個變量回歸，若殘差估計值則兩變量具有協整關系。在上述的平穩性檢驗中，變量LGDP和LTTL都是一階單整的，可以繼續進行協整分析。

圖1 6英寸真空閥體鍛件

國內外多向模鍛的發展現狀

國外多向模鍛的發展歷程

20世紀40年代末，美國喀麥隆公司(Camenon）宣布成功開發出“多向模鍛”工藝，當時全球正處于第二次世界大戰后經濟復蘇的時期，許多行業，特別是石油、化工、電力、航空、軍工等行業的產品向大型化快速發展，有很多形狀復雜的大型零件需要采用多向模鍛的方法生產。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三臺大型多向模鍛水壓機(300MN安裝在英國）。喀麥隆至今是世界上擁有大中型多向模鍛壓機最多的企業。圖2為該公司的180MN板框組合結構多向模鍛水壓機。

圖2 喀麥隆180MN多向鍛壓機

在20世紀50年代，工業發達國家設計、制造和安裝了一批大中型多向模鍛液壓機，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多向模鍛水壓機各1臺；在德國安裝了1臺單缸300MN多向模鍛水壓機，在前蘇聯安裝了20MN、50MN、100MN、500MN多向模鍛水壓機各1臺。

20世紀80年代以后，由于受到石油能源危機的沖擊，國外制造業開始十分重視生產過程中的節材與節能。由于多向模鍛技術具有這方面的優勢，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、日本、德國等都加快了中小型多向模鍛件生產的步伐。在設備方面，前蘇聯成系列生產了1.6MN、3.5MN、4MN、6MN、10MN、20MN小型多向模鍛液壓機。這些液壓機除了模鍛二通、三通、四通管接頭外，還能模鍛各種閥體、汽車萬向節叉、十字軸以及多聯齒輪等。

我國最新研制的多向模鍛壓機

⑴2012年4月2日，由清華大學與二十二冶集團精密鍛造有限公司合作研制的40MN多向模鍛壓機，成功鍛造出主要用于核燃料制造的真空閥體，填補了國內在該領域的空白。閥體鍛件經檢測，主要機械性能提高30%，節約加工工時50%以上。

多向模鍛壓機的研制成功，解決了傳統結構壓機無法攻克的難題，是目前世界先進的精密、高效、節能鍛造設備技術。我國大型鑄鍛件行業長期存在的“缺少優質閥門鍛件”的問題即將成為歷史。

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

圖3 120MN多向模鍛壓機

⑵中國二重研制的200MN多向模鍛壓機，正在安裝調試，主要用于航空領域多向模鍛件的生產。

⑶南京迪威爾公司已訂購一臺200MN多向模鍛壓機，垂直合模力為200MN，水平側向合模力為130MN，主要用于陸地及水下采油樹鍛件的生產。該壓機由Wepuko-Pahnke設計，機械部分迪威爾按照設計圖紙正在國內尋求合適的制造商制造，液壓系統、電氣系統系由Wepuko-Pahnke總包。

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

圖4 28MN多向模鍛壓機

結束語

未來，隨著制造技術的不斷提高，鍛件形狀會愈加復雜。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，受到越來越多企業的青睞。多向模鍛技術產生了良好的社會和經濟效益，同時也要求相關工作人員在多向模鍛設備與工藝這兩方面不斷地進行創新與改進，以滿足不斷增長的技術需求。