工業化大生產模式下熱鍛成形設備的發展

文/張長龍·中機鍛壓江蘇股份有限公司孫國強·北京機電研究所

工業化大生產模式下熱鍛成形設備的發展

文/張長龍·中機鍛壓江蘇股份有限公司孫國強·北京機電研究所

熱鍛工業的發展

伴隨著經濟全球化、工業化發展，社會化大生產特征逐步呈現，社會分工越來越細。為了便于實現規模經營，工業生產模式也逐步從多品種小批量生產模式，逐漸向單一特性零件專業化大批量生產轉變。熱鍛工業也不例外，為了更易于實現自動化、智能化生產，以零件特定的鍛造成形工藝為特征，如汽車連桿、曲軸、搖臂、轉向節、五金工具及鎂鋁合金、鈦合金鍛件等均已逐漸呈現集約化、規模化、專業化生產。熱鍛工業企業也從單純的鍛造成形生產逐漸拉長產業鏈，實現從單一零件毛坯到成品甚至到部件總成的專業化大批量生產。

設備是為了滿足工藝需要，與此相適應的各類熱鍛成形設備，也將伴隨著工業化大生產模式的轉變而各自扮演不同的角色。

幾種熱鍛成形設備工藝參數及性能比較

詳見表1。

表1 幾種熱鍛成形設備工藝參數及性能比較

圖1 模鍛錘

工業化大生產模式下幾種模鍛設備的適應性及發展趨勢

熱鍛成形設備的基本選用原則：設備使用特性（或參數）必須滿足模鍛件成形的工藝要求及環保要求，還要盡可能滿足自動化、智能化要求，并盡量降低生產成本。

鍛錘

鍛錘的突出優點在于打擊速度塊、頻次高，工藝適應性強，因而模具接觸時間短，特別適合要求高速變形來充填模具的場合。例如帶有薄筋板、形狀復雜的而且有重量公差要求的鍛件。但是由于打擊速度快，變形速率敏感的低塑性材料不宜在錘上模鍛。模鍛錘可進行多模膛鍛造，無需配備預鍛設備，操作簡單靈活，適應性非常強，適合一模多件鍛造成形的場合。一般情況下需要人工操作，可以小設備干大活。小型鍛錘為了提高效率往往采用夾鉗操作，以適應工序間的快速變換，由于上模難以設置頂料裝置，加之打擊振動，一般機械手很難適應。

鍛錘是性能價格比最優的成形設備，特別是大型模鍛件的成形，鍛錘優勢十分明顯。一臺800kJ對擊錘相當于4萬噸的模鍛壓力機，其投資成本相當于壓力機的三分之一。小噸位鍛錘由于使用頻率高，往往采用液壓驅動，以提高能源利用率，超過400kJ大噸位鍛錘則更多從經濟性、可靠性出發，往往采用壓縮空氣驅動更為理想。

小型鍛錘為了提高效率往往采用夾鉗操作，以適應工序間的快速變換，由于上模難以設置頂料裝置，加之打擊振動，一般機械手很難適應。大噸位鍛錘則采用裝取料機或者重載機器人實現工件的抓取動作，而不會考慮夾鉗操作。

鍛錘在工業化大生產模式下，依賴其工藝特性，更多的適用于多品種、小批量薄類及復雜零件的生產，很難實現自動化生產。

熱模鍛壓力機

熱模鍛壓力機整體剛度高，滑塊抗偏載能力強，因而鍛出的鍛件尺寸精度高，表面質量好，加工余量小，主要用于精密模鍛、熱擠壓和鍛件精整工藝等。曲柄壓力機行程和壓力不能隨意調節，不適宜進行拔長、滾擠等制坯操作。此外，曲柄壓力機模鍛具有靜壓力的特性，可以鍛造一些對變形速率敏感的低塑性材料。設備具有自動頂料裝置，便于實現機械化和自動化。熱模鍛壓力機剛性高，鍛件精度得到保證，因而適用于單一零件大批量生產。但工藝特性不適用于薄類及復雜零件的鍛造成形，一般情況屬于大設備干小活。

熱模鍛壓力機在工業化大生產模式下，適合中批量、大批量生產，特別適合形狀簡單的盤類、軸類零件的連續自動化生產。

圖2 熱模鍛壓力機

平鍛機

平鍛機的工作部分作水平往復運動，鍛造過程中坯料水平放置，其長度不受設備工作空間的限制，特別適用于局部鐓粗的長桿形鍛件和帶孔的鍛件。鍛模有兩個分模面，鍛件出模方便，可以鍛出其他設備難以鍛成的，在兩個方向上有凹槽、凹孔的鍛件（如雙凸緣軸套等）。但是，平鍛機是模鍛設備中結構最復雜的一種，價格貴，投資大，而且需配備對棒料局部加熱的專用加熱爐。

平鍛機由于裝模空間較小，很難實現自動化。依賴其工藝特性，一般適用于半軸類產品的單件小批量生產，工業化大生產模式下適應性較差。

圖3 平鍛機

螺旋壓力機

螺旋壓力機具有鍛錘和曲柄壓力機的雙重工作特性，能實現各種主要鍛壓工步，工藝用途廣。由于每分鐘行程次數少，打擊速度低，因而比較適合于模鍛一些再結晶速度較低的低塑性合金鋼和有色金屬。螺旋壓力機一般適于單槽模鍛，對于厚實的復雜鍛件往往采用多機聯動來分步完成零件的成形。

電動螺旋壓力機、離合器式高能螺旋壓力機可實現打擊能量、鍛打節拍的精確控制，模具可以設置上下頂料裝置，很容易與機器人聯動實現自動化。工業化大生產模式下適應性較強。

圖4 螺旋壓力機

液壓機

液壓機靠液體靜壓力使工件變形，變形力均勻，容易獲得大的工作壓力和工作行程，便于壓制大型工件或較長、較高的工件，由于工作速度可控，特別適合于等溫模鍛、超塑性模鍛和對應變速率敏感的有色合金鍛件模鍛。隨著輕量化鍛件產量與品種的增加，適應于輕質合金熱模鍛造及等溫鍛造的高速伺服壓力機將有所發展。

模鍛液壓機趨勢：

(1）提高空行程速度，可提高工作頻率，中機高速伺服模鍛液壓機空行程速度可達1m/s，其他普通液壓機空行程速度一般不超過0.3 m/s；

(2）實現工作過程速度的伺服控制，成形速度可調范圍更廣。

(3）模具的軟接觸，方便采用電加熱保持模具的溫度控制。

圖5 液壓機

(4）在高速伺服液壓機基礎上，研發適應鋁合金成形的專用多向鍛造或復動成形壓機，實現鋁合金復雜零件在一次合模條件下完成多次鐓擠成形，保證鋁合金零件在三向壓應力下鐓擠鍛造成形，從而減少成形工序與工步，便于鍛造過程自動化的實現，配備機器人極易實現自動上下料及模具的自動潤滑。

(5）模具的自動夾緊、定位、溫控加熱及頂料裝置；

工業化大生產模式下，中機鍛壓研發的高速伺服液壓機依賴其工藝特性，更多應用于輕質有色合金的批量生產及自動化生產。

結束語

熱鍛常用的設備主要是模鍛錘、熱模鍛曲柄壓力機、平鍛機、螺旋壓力機和液壓機，每種模鍛設備都擁有各自的結構性能特點，具有不同的適應性。在工業化大生產模式下，應依據成形零件的特點遵循工藝主導的原則，綜合考慮專業化、批量化、自動化、低成本化及環保因素，選擇最為恰當的熱鍛成形設備。