國內輥鍛技術裝備的研究與應用（下）

文／洪濤·南京汽輪電機（集團）有限責任公司

蔣鵬·北京機電研究所

國內輥鍛技術裝備的研究與應用（下）

文／洪濤·南京汽輪電機（集團）有限責任公司

蔣鵬·北京機電研究所

《國內輥鍛技術裝備的研究與應用（上）》見2015年第5期

典型件的輥鍛工藝

鋁合金控制臂輥鍛技術開發

鋁合金控制臂鍛造工藝流程為：中頻加熱→四道次輥鍛→彎曲、壓扁→二次加熱→預鍛、終鍛→切邊、沖孔、校正。在工藝模擬中發現，第四道次中間段的厚壁兩側出現飛邊，該飛邊會在后續模鍛中形成折疊或其他缺陷，必須采取措施消除。通過分析輥鍛過程，并檢查相應的模具，發現第四道輥鍛模具厚壁處型腔過于狹窄，不足以容納足量的金屬，因此將該處型腔底部和側面加大，利用修改優化后的模具進行模擬，在其他參數未改變的前提下，模擬得到輥鍛工件與實際生產中得到的輥鍛工件吻合得很好。采用優化后的輥鍛件進行彎曲、壓扁、終鍛，得到的零件飛邊均勻，成形飽滿，這說明輥鍛工藝設計合理，材料分配效果顯著。

銷軌鍛件的特點和典型鍛造工藝

目前國內與采煤機配套使用的銷軌型號有多種，如126型、147型等型號銷軌，圖6所示為126型銷軌鍛件圖。材料為40Mn2，鍛件重量約為63kg，鍛件總長745mm，最寬處161mm，鍛件有五個齒孔，銷排端頭帶有較深的耳部型腔。

圖6 銷軌鍛件圖

輥鍛制坯—摩擦壓力機上模鍛工藝流程為：中頻感應加熱→輥鍛制坯→模鍛→切邊→沖孔。銷軌輥鍛工藝采用150mm×150mm方坯料三道次制坯輥鍛，第一道輥出菱形轉90°進入第二道，第二道輥出方形回轉45°進入第三道，第三道將中間齒形基本輥出。圖7所示為輥鍛工步圖。

圖7 輥鍛工步圖

超長輥鍛件的自動輥鍛工藝

超長輥鍛件的輥鍛工藝是這樣實現的，即第一道輥鍛是后半部分壓扁，先在第一道輥鍛模中輥鍛坯料后半部分，前半部分不變形；第二道輥鍛是后半部分輥圓，把第一道壓扁的部分在第二道中輥圓，前半部分不變形；第一、二道輥鍛后的部分已經達到制坯的尺寸要求，在第三、四道輥鍛過程中不參與變形；第三道輥鍛是前半部分壓扁，后半部分已經成形不參與變形；第四道輥鍛是前半部分輥圓，把第三道壓扁的部分在第四道中輥圓，后半部分已經成形，不參與變形；圖8所示A端為機械手夾持端，在整個輥鍛過程中機械手的前后位置保持不變。

以φ460mm輥鍛機為例，輥鍛機要求輥鍛件長度小于710mm，輥鍛件的最大坯料直徑為φ75mm，對于輥鍛件長度超過輥鍛機的最大允許值，而其他參數沒有達到輥鍛機要求的最大尺寸，即裝?？臻g小于鍛輥可使用寬度，輥鍛件直徑小于最大坯料直徑等，這種情況就可采用分段輥鍛工藝。

大型內燃機連桿掉頭輥鍛工藝

280連桿為鐵路內燃機車用柴油機連桿，鍛件材料為42CrMo，鍛件重量約49kg，連桿體和連桿蓋的結合面不與連桿主軸線垂直，傾斜45°。形狀比較特殊，所需坯料兩頭較小，最大處在中間，需掉頭輥鍛才能完成。根據生產線的情況，確定工藝過程為感應加熱→輥鍛制坯→彎曲→預鍛→終鍛→切邊→熱校正。

輥鍛工藝方案的選擇確定：

⑴4模4輥工藝方案。受輥鍛模寬度的制約，φ1000mm輥鍛機的鍛輥上只能安裝4副輥鍛模，因此，設計了4模4輥的工藝方案，見圖9。該方案中，使用4副輥鍛模，進行4道次輥鍛。在第一、二道輥鍛后進行掉頭，再進行第三、四道輥鍛。

圖8 輥鍛工步圖

圖9 4模4輥輥鍛工藝方案

按該種工藝方案，連桿毛坯和小頭對應部分坯料外徑由φ170mm經輥鍛后變為φ130mm，延伸系數較小，因此該部分用2道次輥鍛成形，本工藝方案安排在第一、二道輥鍛成形，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓，輥出φ130mm小端后掉頭，以該端作為后續輥鍛工步的機械手夾持端。連桿毛坯和桿部對應部分坯料外徑由φ170mm經輥鍛后變為φ87mm，延伸系數為3.82，該部分應該采用4道次輥鍛成形，在本工藝方案中，第一、二、三、四道次輥鍛過程中每一道都參與變形，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓→橢圓→圓。

連桿毛坯和開口彎頭大頭部位對應部分坯料外徑由φ170mm經輥鍛后變為φ102mm，延伸系數為2.78，該部分應該采用2道次輥鍛成形，但平均每道次的延伸系數較大，若采用圓→橢圓→圓的孔型進行兩道次輥鍛，極易失穩，有可能造成整個工藝的不穩定。若采用圓→橢圓→方的孔型進行兩道次輥鍛，可保持工藝穩定。

⑵4模6輥工藝方案：4模4輥方案有許多優點，但最終輥鍛制坯后大頭部分坯料的產品截面形狀為方形，和原設計不符，所以另外設計了4模6輥方案，輥鍛工步圖見圖10。

該方案中，仍使用4副輥鍛模，但進行6道次輥鍛。在第一、二道次輥鍛后進行掉頭，輥鍛機械手回到起始工位，利用第一、二道次輥鍛模的孔型進行第三、四道次輥鍛，即第一、三道次輥鍛合用一副輥鍛模，第二、四道次輥鍛合用一副輥鍛模，然后再在其余2道輥鍛模上進行第五、六道次輥鍛。該種工藝方案的第一、二道次輥鍛和4模4輥方案相同，連桿毛坯和小頭對應部分坯料外徑由φ170mm經2道次輥鍛后變為φ130mm，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓，輥出φ130mm小端后掉頭，以該端作為后續輥鍛工步的機械手夾持端。連桿毛坯和桿部對應部分坯料外徑由φ170mm經輥鍛后變為φ87mm，該部分采用4道次輥鍛成形，在本工藝方案中，第一、二、三、四道次輥鍛過程中每一道次都參與變形，輥鍛孔型為圓→橢圓→圓→橢圓→圓。連桿毛坯和開口彎頭大頭部位對應部分坯料外徑由φ170mm經輥鍛后變為φ102mm，該部分可采用4道次輥鍛成形，第三、四道次輥鍛完成后隨輥鍛模的形狀變成臺階形，該形狀經第五、六道次輥鍛后最終變成φ102mm的圓形。

4模6輥方案在用戶工廠現場調試過程中，經工藝、設備、電控三方的共同努力，達到了預期的效果，證明該工藝是可行的。但是，由于該方案的復雜性，工藝在調試過程中耗費了大量的人力和時間。

圖10 4模6輥輥鍛工藝方案

鐵路貨車鉤尾框鍛件的精密輥鍛工藝

鐵路車輛17型鉤尾框展開后的鍛件三維造型如圖11所示，該鍛件具有以下特點：⑴鍛件重量約100kg，鍛件展開長約為2000mm，鍛造工藝比較復雜，需要大噸位設備來模鍛成形；⑵鍛件主軸線上下部分形狀有較大不對稱性，而鍛件主軸線前后的形狀是對稱的；⑶鉤尾框屬形狀復雜的、異形長鍛件，局部很薄，形狀難以控制，在兩端金屬較難填充成形；⑷鍛件縱向截面起伏變化較多，某些部位具有較大的高度落差。

圖11 17型鉤尾框鍛件三維造型圖

鍛造鉤尾框工藝路線為：下料→中頻感應加熱→φ1000mm輥鍛機上4道次部分成形輥鍛→3150t以上摩擦壓力機或高能螺旋壓力機上鍛造→切邊→在通用設備上用專用工裝或用專用液壓折彎機折彎→整形，工藝流程圖見圖12。圖13是用精密輥鍛—模鍛復合成形技術生產出來的17型鍛造鉤尾框輥鍛成品圖。采用該工藝后比采用傳統的自由鍛工藝每件產品節約成本220元以上，經濟效益良好。

圖12 鉤尾框輥鍛—模鍛復合成形工藝流程

圖13 17型鍛造鉤尾框成品圖

φ1250mm輥鍛機的開發

16型鍛造貨車鉤尾框，需要將φ180mm圓棒料輥鍛制坯，而國產輥鍛機最大型號為φ1000mm，最大可輥鍛坯料尺寸為φ160mm，不能滿足要求，因此發展大型自動輥鍛機有著重要的現實意義，為滿足市場對大型輥鍛機的需求，開發了φ1250mm大型輥鍛機，沿用傳統的整體式結構，主要包括飛輪系統、電機、減速箱和鍛輥系統。

為保證足夠的輸出扭矩，φ1250mm輥鍛機采用四級直齒輪減速，轉速為8r/min，最大輸出扭矩1000kNm。由于輥鍛過程上下軋輥是反向旋轉的，最簡單的傳動形式是兩鍛輥間采用一對標準齒輪傳動，利用單偏心套調節中心距，中心距調節量為上下10mm，中心距調整后，會產生齒側間隙，為克服齒側間隙，采用浮動齒輪配以氣動平衡裝置。經過有限元計算和實際現場測試，輥鍛機的主要振動形式表現為左右擺動，φ1250mm輥鍛機加厚了左立柱，同時加長了鍛輥軸承，以增大輥鍛機的低階固有振動頻率。飛輪由于是懸臂放置，并且飛輪較小，輥鍛機重量增加不少，因此φ1250mm輥鍛機設置了飛輪卸荷套，使飛輪脫離于傳動軸，保證傳動的平穩，也保證了輥鍛機的安全可靠。表2為φ1250mm輥鍛機參數表，圖14是安裝在現場的輥鍛機照片。

圖14 安裝在現場的φ1250mm輥鍛機

表2 φ1250mm輥鍛機參數

近期發展展望

⑴小型輥鍛機將進入更多的工廠，替代空氣錘為軸類鍛件制坯，在提高效率，降低料耗和能耗的同時，還可為自動化操作提供必要的條件。

⑵大型輥鍛機經歷了前軸、鉤尾框、銷軌和刮板等典型鍛件的制坯輥鍛技術發展后，在大型葉片、大型連桿等鍛造工藝中有望取得更多的應用。

⑶小型伺服驅動輥鍛機具有較高研究價值和應用需求，是一種值得關注的輥鍛新裝備。

⑷輥鍛模具設計計算過程復雜，國內目前還沒有成熟的專用輥鍛模具設計軟件，開發此類軟件非常必要，對推動輥鍛機的應用推廣，減輕技術人員的設計工作量，乃至減少輥鍛模調試時間都有好處。