徑向鍛造設備與工藝綜述

楊 震 ，王炳正 ，宋道春 ，魏海東

（1.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730314；3.蘭州蘭石鑄鍛有限責任公司，甘肅 蘭州730314）

徑向鍛造技術最早可以追溯到1946年奧地利的GFMGmbH公司申請的精鍛機專利[1]。40年前GFM開發了數控鍛造設備，整合該設備成為一個自動化工藝--徑鍛工藝，是一個成功的工藝[2]。目前，全球徑鍛機生產廠家主要有奧地利GFM公司，德國SMS等少數公司。我國的徑鍛機大多依靠進口，近年來，開始仿制和研制，目前國內蘭石集團已開發試制了1.6MN機械式徑鍛機，并建成了一條加熱、鍛造、矯直的棒材徑鍛自動生產線，在國內徑鍛機研發領域處于領先地位[3]。

徑鍛機一般徑向對稱分布有2～8個錘頭，通過對坯料的對稱打擊和坯料的軸向送進實現軸件或管件的截面減徑、變型或管內表面成形等的精密成形。由于徑鍛工藝具有錘頭打擊頻率高（240～1800次/分），成形速率高等特點，從而大大減少鍛造用時。同時，錘頭打擊坯料的過程也是機械能轉化為熱能的過程。因此，徑向鍛造大大減少了鍛造過程溫降，縮減了鍛造溫度范圍，特別適合于鍛造傳統工藝難以鍛造的高強度、低塑性的高合金鋼、高溫合金、鈦合金、中高合金工模具鋼，尤其適用于難熔金屬如鎢、鉬、鈮等合金材料的開坯和鍛造[4]。

1 徑向鍛造設備

目前，徑向鍛造設備的驅動類型主要分為三種類型，是一種機、電、液高度一體化的現代化裝備。

1.1 機械驅動

早期的徑鍛機都采用這種驅動方式，如GFM SX系列，銷量巨大，最具有代表性。1995年設計出的一種新型的SKK型號的徑鍛機也是這種類型。該型鍛造錘桿行程始于偏心軸，偏心軸安裝在箱體中，對四個鍛造錘桿的行程位置進行調整，1～2個電機通過驅動偏心軸，同時控制4個偏心軸的同步運動。行程位置中改變鍛造錘頭，可以四個錘頭或兩個錘頭同步來鍛造圓的、方的或矩形截面[2]。

國內蘭石集團研制的1.6MN徑鍛機鍛造結構是SX型，由齒輪箱和鍛造箱組合在一起構成。齒輪箱中有11個齒輪，主電機驅動齒輪箱中的一個小齒輪轉動，這個小齒輪帶動其他齒輪轉動，其他10個齒輪中，6個小齒輪保證4個大齒輪轉動同步，從而使錘頭運動同步。4個大齒輪通過浮動盤與偏心軸連接，驅動偏心軸運動從而驅動錘頭運動。偏心軸安裝在鍛造箱中的偏心套中，偏心套的旋轉中心與偏心軸的旋轉中心不同心，當液壓油缸帶動偏心套旋轉時即可實現偏心軸的位置變化，同時帶動連桿和錘頭的位置變化[5]。這樣，通過雙偏心結構，實現錘頭位置的調節和錘頭的鍛打動作。

1.2 機械液壓驅動

在SX徑鍛機的基礎上，GFM公司結合機械和液壓設備設計的優點，開發了RF液壓機械徑鍛機系列。RF型徑鍛機通過調節錘桿后帽與錘桿之間液壓油的容積改變來調節錘頭位置。在油缸中注油，體積增大，可以增大錘桿與錘桿后帽間距離，減小相對錘頭間距離，從而可以鍛小尺寸鍛件。進行鍛打時需封住油口，使得錘桿與錘桿后帽之間的距離不發生變化，同時需隨時補充油液的泄露。當鍛造大尺寸鍛件時，向外排液，使容積變小，從而使錘桿相對于錘桿后帽之間的距離變小，相對錘頭間距離增大。

1.3 全液壓驅動

液壓驅動的原理是通過液壓驅動活塞帶動錘桿實現錘頭的往復運動。GFM公司在上世紀70年代申請了四錘頭徑向鍛造系統的專利，由于大量風險、高壓同步等困難，一直未付諸實施，但液壓缸的原理一直未變，直到在電子和伺服閥技術上取得更大發展，才開發出全液壓驅動徑鍛機[2]。液壓式徑向鍛造機主要由德國SMS-Meer公司開發制造，是近30年逐步開發、發展和應用的新型徑鍛機[6]。

全液壓驅動徑鍛機可根據自身特點，根據錘頭壓下量和負載大小自動實現鍛造速度和打擊頻次的無級可調。鍛造壓下量大，鍛造頻次低。這一特點對鍛高合金工模具鋼、高溫合金、鈦合金等材料是非常有利的。因為這類材料變形時溫升效應明顯，初鍛時變形量大，低的變形速度和打擊頻次可防止溫升過快，產生過熱，后期較高的打擊頻次又可防止工件溫降過多。可實現變形過程中保持在相對穩定、狹窄的變形溫度區間內[6]。

該型鍛機的主要缺點是液壓系統龐大，導致接觸時間長和功率消耗高，能量損失大，產生熱量以及冷卻費用。

另外，針對徑鍛機的操作，劉貴明等介紹了液壓式徑向鍛造機的主缸對稱校正、先導缸校正和鍛造尺寸校正[7]。

2 徑向鍛造工藝

2.1 徑向鍛造工藝的目的

選擇徑向鍛造工藝的首要目的是軸類、管類大型零部件的近凈成形。徑向鍛造具有較高的表面質量和加工精度，包括臺階軸的同心度，這大大減少了工件后續機加工的成本。其次基于前述其適合鍛造溫度區間窗口較窄的合金，也可以降低鍛件的加熱溫度，從而減小原始晶粒尺寸。孔永華等對比了不同鑄造工藝，與傳統鍛造棒材相比，徑向鍛造?95nmGH4169合金棒材晶粒度可細化1～2級，且從邊緣到心部晶粒度差異縮小到1.5級左右，近表面晶粒度達到10.5級，心部晶粒度達到9.5級[8]。而且，由于錘頭鍛打頻次高，徑向鍛造效率高。同時，徑向鍛造工藝具有較高的成材率，節約了昂貴的原材料費用。最后，該工藝具有較高的自動化程度，大大改善了作業環境。

2.2 主要徑鍛產品

徑鍛工藝可鍛圓軸、方軸、六方軸、異形截面軸、臺階軸、錐軸等各種軸類零件。也可在有或無芯棒的條件下鍛造各種管材，甚至可以鍛造錐管。主要用來生產車軸、炮管、身管等各種產品。

2.3 徑向鍛造工藝參數

（1）溫度。徑向鍛造針對不同的材質和工件，可以采取熱鍛、溫鍛或冷鍛工藝。

（2）徑向壓下量。第一道次為去氧化皮，防止氧化皮壓入工件，應選擇較小壓下量。末道次精整，也應選擇小壓下量。其他道次在設備負荷允許和滿足鍛件表面品質的前提下，應選用較大徑向壓下量，可以減小工步，增加鍛透性，減小鍛件端部凹坑。

（3）軸向送進速度。選擇合理的軸向送進速度，可以保證生產效率和鍛件表面品質的平衡。

（4）夾頭/鍛件轉速。在保證外表面品質的前提下，夾頭轉速越大，生產率越大。但是對一半徑鍛機，夾頭轉速非可調。

2.4 徑向鍛造工藝的研究方法

目前，就徑向鍛造工藝的研究主要是針對某種材質和某種結構，用實驗和模擬相結合的手段，來論證徑向鍛造工藝的有效性和優勢。

2.4.1 實驗方法

主要實驗研究方法是在徑鍛件上取樣進行金相分析和力學性能分析，得到鍛件組織晶粒度，進而說明采用徑鍛工藝所達到的改善組織和性能的效果，也作為軟件模擬實驗的結果的驗證。另有黃少東等[9]為了實現具有膛線的鈦合金精密管件的成形，針對鈦合金TC4管光管及帶有膛線的管件冷徑向鍛造進行了冷鍛性模擬實驗和冷徑向鍛造工藝試驗，得出了較優的工藝參數和該工藝能夠細化晶粒，提高拉伸強度，生產出性能合格的產品的結論。

2.4.2 模擬方法

由于計算技術的發展，目前，計算機模擬技術已經能夠比較成熟可靠地模擬鍛造等金屬塑性流變成形過程。將塑性成形理論、加工方法與有限元法相結合，能夠快速高效地分析坯料在變形時的載荷變化規律、溫度變化規律、單元運動規律、應力應變分布、模具磨損程度、鍛件成形缺陷等信息[10]，從而更好地實現機械零件的塑性成形，降低生產成本、提高生產效率，促進國民經濟發展，實現現代化建設[11]。金屬塑性成形計算方法主要有上限法、有限元法、主應力法、滑移線法等。而應用較多的是有限元法，包括Deform、SIMUFACT、ABAQUS、DYNAFORM、MARC 等有限元分析軟件。大量學者基于模擬計算方法，開展了徑向鍛造工藝的大量研究。主要模擬了工藝參數（包括鍛造溫度）對材料內部應力應變分布、變形抗力、溫度分布的影響，從而得出合理的徑鍛工藝參數。如樊黎霞等[12]以某身管膛線精鍛加工過程為研究對象，使用通用有限元商業軟件Abaqus建立了三維軸對稱有限元模型，對身管膛線的成形過程進行數值模擬，分析了膛線嵌入芯棒過程中的金屬流動情況。此外，還分析了芯棒結構及斷面減縮率對膛線成形的影響，為實際加工過程中工藝參數的選取提供依據。牛力群等基于FORGE-3D模擬了1.6MN徑鍛機鍛造45鋼在不同參數下溫度場和等效應變的分布，得出較優的工藝參數并用實驗驗證。熊慶華等[13]研究了鈦合金管材的徑向鍛造成形，運用DEFORM（有限元模擬軟件）模擬分析了模具錐角、徑向進給量、鍛造模具的形狀結構等參數對TC4鈦合金徑向鍛造成形的影響。采用有限元數值模擬仿真技術與理論計算相結合的方法，確定了該零件采用徑向溫鍛成形所需要的關鍵參數。

3 對徑鍛機錘頭的研究

3.1 徑鍛機錘頭的結構

徑鍛機錘頭分為通用錘頭、矩形錘頭、六方錘頭和異形錘頭，用于鍛制不同截面的鍛件。錘頭表面分為預鍛面和工作面，可分為單端有預鍛面和雙端有預鍛面錘頭[14]。錘頭橫截面為4°～6°橫截面，與坯料的旋轉方向一致，以避免卡傷鍛件和實現鍛透。

3.2 錘頭預鍛面輪廓對徑鍛工藝的影響

為反映鍛造變形的各向同性，選擇殘余應力分布評定鍛造質量，這是因為變形越各向同性，殘余應力越小。M.Afrasiab等人[15]通過數值模擬研究了三種徑鍛機錘頭預鍛面輪廓對管件鍛后內表面殘余應力的影響，表明預鍛面具有二次曲線輪廓的錘頭具有最小的殘余應力，三次曲線的次之，直線的最大。同時模擬了不同錘頭徑向鍛造時沿鍛造軸線的軸向壓力分布，表明預鍛面具有二次曲線輪廓的錘頭產生了最大的徑向壓力，因而，需要的鍛造力和能量最大，同時，中性面移向預鍛部分，因此，必須要有更小的軸向送進力和壓下量以防過載。另一方面，預鍛面具有三次曲線輪廓的錘頭在鍛造過程中對錘頭產生最小的徑向力而中性面一線性錘頭相比移動不大，而且鍛造質量比較理想，因此，它是三種錘頭里最有優勢的。文獻并沒有提供最優的錘頭設計，但是，它提供了設計更優錘頭的方法。

3.3 徑鍛機錘頭的制作和修復

（1）錘頭基體材質一般為56NiCrMoV7等模具鋼，淬火回火至強度達到900～1500MPa。在基體上堆焊6mm過渡層E23-250或Bo Fox Saca，堆焊前，及時清理待堆焊部位及其周圍的水、油、銹、氧化皮及雜物，保證焊接表面的清潔度。并將錘頭整體電爐預熱至450℃，在整個焊接過程中保持溫度不低于400℃。再在過渡層上堆焊8mm工作層UDIMET520。焊接后經機加工堆焊面至凈尺寸，PT、MT和UT探傷堆焊層無裂紋、無分層存在。進行性能檢測，要求過渡層硬度為40HRC，工作層硬度為52～54HRC。

（2）錘頭修復時，首先將存在凹點和磨損的這層金屬車削掉，并銑削裂紋和瑕疵至滲透檢測合格。如果銑削至過渡層，則必須按照錘頭圖紙焊接E23-250至要求厚度，然后焊接工作層UDIMET520。焊接過程需保證預熱至350℃并保溫。最后去應力，機加工至規定尺寸。

4 結語

結合目前徑鍛領域國內國外技術進展，本文討論了徑向鍛造設備，徑向鍛造工藝，徑向鍛造錘頭等徑鍛領域的關鍵核心技術。比較了三種驅動方式的徑鍛設備，綜述了徑鍛工藝能夠達到傳統自由鍛工藝難以鍛制的材質和產品并簡要介紹了徑鍛工藝研究方法；介紹了徑鍛機錘頭的結構、制作、修復，重點闡明徑鍛機預鍛面輪廓對徑鍛工藝的影響。

徑鍛工藝設備和技術經過70多年的發展，并伴隨電液伺服閥、自動控制、液壓等技術的進步，已經比較成熟。但是，國內徑鍛機雖有大量應用，而自主研制工作還是不太充分。伴隨著國內經濟升級、提質增效，更多領域對徑鍛件提出需求，因此，相關單位和人員應重視和落實徑鍛機的國產化研制。

在未來徑鍛機發展上，將更多地與計算機技術相結合。因此，相關企業應注意采集數據、完善數據庫，注意模擬軟件的開發與應用、積累模擬經驗，并升級徑鍛機控制程序，以便形成更智能化和自動化的徑鍛產品生產流水線。