淺談鈦合金自由鍛造設備的選擇

文／李進元，張智，楊佩，李維，贠鵬飛·西部鈦業有限責任公司韻海鷹·青海聚能鈦業股份有限公司

鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕、生物相容性好、高溫性能好、無磁性和高韌性等一系列重要特性，廣泛應用于航空、航天、艦船、核電、醫療、化工、冶金、電子和兵器等領域。鈦合金產品主要采用鍛造、軋制、粉末冶金及近年來興起的3D打印等方法制備，鍛造是金屬材料最廣泛的一種成形方式，利用塑性變形生產出各種尺寸的產品，能夠通過變形溫度、變形程度及變形速率的控制來改善合金的顯微組織和性能，與其他生產方式相比，鍛造可以生產橫截面積更大的產品，同時通過合理的加工和嚴格的工藝控制，產品性能穩定性很好。

自由鍛造在鈦合金生產中是非常重要的、必不可少的加工工序。一般來說，鍛鋼的鍛造設備可以鍛鈦，但鈦合金的變形抗力大，而且鈦合金的變形抗力隨溫度降低急劇變大，因此，在變形程度相同的情況下，鍛造鈦合金比鍛造低合金鋼需要更大噸位的設備，單位時間內鍛打次數更高些。

目前，鈦合金自由鍛造設備主要有兩大類：鍛錘和液壓機。在鍛造過程中，一般根據鈦合金坯料的大小，不同牌號鈦合金的金屬性能，鍛造的成品尺寸、形狀等因素，選擇不同的鍛造設備。下面通過鍛錘和液壓機來介紹鈦合金自由鍛造設備的選擇。

鍛錘

⑴鍛錘的分類。

通常按照驅動形式將鍛錘分為四類：機械錘，蒸汽-空氣錘，空氣錘，液壓錘。

機械錘是由電動機驅動，靠機械傳動提升錘頭的鍛錘。這種錘的優點就是結構簡單，投資少。它的缺點就是打擊頻次低，能量利用率低，生產效率低，鍛件精度差。

蒸汽-空氣錘是以來自動力站的蒸汽或壓縮空氣作為工作介質，通過滑閥配汽機構和氣缸驅動落下部分做上下往復運動的鍛錘，是生產中小型自由鍛件的主要設備，它的落下部分重量一般為0.5～5t。它的優點是：結構簡單，操作方便，造價低，維修方便。缺點是：能量利用率極低，在1%～2%之間；鍛造精度低，由于是梳形導軌形式，錘頭導向差，打出的鍛件精度低。

空氣錘是中小型鍛造車間使用最廣泛的設備。工作介質也是壓縮空氣，但它的壓縮空氣是由設備本身的傳動機構帶動壓縮活塞，將壓縮空氣傳遞到工作活塞（錘桿）上進行動作的。常用的規格有250kg、400kg、560kg和750kg。空氣錘與其他類型錘相比：投入成本低、無污染，具有使用靈活，操作方便，控制性能可靠等優點，得到了廣大用戶的認可。

液壓錘是以液壓油為工作介質，利用液壓傳動來帶動錘頭做上下運動，完成鍛壓工藝的鍛造設備。優點是抬錘快，打擊快，打擊頻次高。通電即可工作，節省了輔助動力設備投資，安裝方便、占地小，便于車間生產管理。近幾十年來，隨著現代液壓技術和電控技術的高速發展，液壓錘因其高效、節能、環保、操作方便、動作靈活可靠等優勢，已經逐步成為鍛錘中的主力軍。

⑵鍛錘的使用。

目前，考慮到環保、節能的要求，鍛造產品的品質及尺寸精度的要求，機械錘和蒸汽-空氣錘在鈦合金的鍛造中已經基本被淘汰，主要使用的鍛錘設備為空氣錘和液壓錘。其中3t錘以下基本未配備操作機械手，主要靠人使用手鉗來完成鍛造，這種噸位的鍛錘主要生產單重較小，利用人工操作的靈活性來鍛造形狀復雜的環件、階梯軸件、異形件等。另外大于3t的鍛錘一般都配備有機械手，可以完成單重較小坯料的鐓拔及一般產品的拔長、滾圓、沖孔、擴孔等工序。

對于鍛錘鍛造鈦合金，主要優點有鍛造靈活、可以生產各類異形件，鍛件表面良好。缺點主要有鍛造力不足，只能生產一些單重較小的坯料；另外由于擊打頻率過快容易引起坯料心部的溫升，導致鍛件過燒而報廢。一般情況下，對于組織要求比較高的鈦合金棒材及鍛件不建議采用鍛錘鍛造。

液壓機

隨著鈦合金在海洋、化工、航空航天領域的快速發展，鍛件大型化趨勢日益明顯；加之熔煉技術的快速發展，目前西部鈦業和寶鈦均能生產出直徑超過1000mm，單重超過10t的鈦合金鑄錠。因此，鍛錘已不能滿足鈦合金鍛造發展的需求，使用鍛造力更大的液壓機鍛造，金屬在靜壓力下變形，其特點是變形速度低，金屬變形熱小，容易獲得均勻組織，適于鍛造各種鍛件。

液壓機與鍛錘相比主要有以下優點：動作平穩、噪聲較小、自動化程度高、鍛造力更大。

⑴液壓機的分類。

液壓機是一種利用液體靜壓力來加工金屬等制品的機械。它常用于壓制工藝和壓制成形工藝，如鍛壓、沖壓、冷擠、校直、彎曲、翻邊、薄板拉深、粉末冶金、壓裝等等。它的原理是帕斯卡定律，是利用液體壓強傳動的機械。

液壓機按照使用工作介質的不同分為水壓機和油壓機。液壓機對工作介質的基本要求是：1)有適宜的流動性和低可壓縮性，以提高傳動效率；2)能防銹蝕；3)有好的潤滑性能；4)易于密封；5)抗氧化，性能穩定，長期工作而不變質。液壓機最初用水作為工作介質，以后改用在水中加入少量乳化油而成的乳化液，以增加潤滑性并減少銹蝕。后來出現了以礦物油為工作介質的油壓機。油有良好的潤滑性、防腐蝕性和適度的粘性，有利于改善液壓機的性能。目前鈦合金在用的液壓機大多數是以油為介質的。

液壓機按照鍛造速度分為普鍛機和快鍛機。由于鈦合金的鍛造溫度區間很窄，加之隨著現代工業的快速發展，人們對自由鍛件的尺寸精度和生產效率提出了越來越高的要求，因而對液壓機的鍛造速度和壓下精度的要求也隨之提高，為了適應這種要求，快鍛液壓機應運而生。快鍛機的液壓系統采用具有快速反應的電磁閥作先導閥，其切換頻率高達250次/min，故該閥動態響應快、動作靈敏、啟閉迅速，能滿足壓機快速性要求。在20世紀80年代中期，由西安重型機械研究所和北京重型機械廠研制成國內第1臺800t快鍛液壓機組，在蘭石公司投入運行。目前，蘭石公司已能生產800t、1600t、2000t、4500t快鍛液壓機，制造水平有了很大提高，但其液壓系統的主要部件如泵、先導閥等還需國外配套。我國快鍛液壓機的總體水平與德國等發達國家的制造技術相比還有較大的差距。

由于快鍛機相比普鍛機，具有自動化程度高、運行速度快、可控制壓下量、節能節材效果顯著等特點，使工作效率更高，提高了鍛件外觀質量和組織性能、減少了操作人員。因此目前鈦合金的自由鍛造設備主要使用快鍛機。一般不同噸位快鍛機的工作范圍見表1。

表1 不同噸位快鍛機的工作范圍

展望

快鍛機發展到現在，下一步的發展趨勢就是數控聯動化和大型化。

⑴數控聯動化。

通過采用數控系統來控制鍛造液壓機的液壓系統，實現設備工作智能化，從而實現精密定程壓制和定壓壓制。主機和操作機通過計算機控制，可實現聯動。極大地提高了生產效率，鍛件精度也有很大程度的提高，鍛件成本可得到有效控制。

⑵大型化。

隨著現代工業快速發展，大型鍛件的應用越來越多，在自由鍛設備中快鍛機被認為是發展的主要方向之一，而國內超過4500t的快鍛機技術還不成熟，相信在不久的將來，我們國家將研制成功更大噸位的快鍛機，來滿足工業和國防現代化建設，獲取更高的經濟收益和社會效益。