0 前言
金屬鍛造是國民經濟的基礎產業，在工業生產和國民經濟中占有重要地位。經過多年的發展，我國已成為世界鍛造生產大國。據中國鍛壓學會統計，2009年我國的鍛件總產量達776萬t，比2008年增長43％。但我國鍛造產品多集中在中小型、低價值、非精密、高污染的鍛件上，高端精密鍛件嚴重依賴進口。據統計，我國每噸鍛件平均消耗的能源為1.3~1.5t標準煤，而日本每噸鍛件耗能僅為0.515t標準煤，只有我國的37％。因此，在我國推廣精密、節能、省材的綠色鍛造新技術，是重要而緊迫的任務。
1 多向模鍛——綠色優良的鍛造技術
多向模鍛技術是一種理想的精密優質、節能省材的鍛造技術，其特點是模具閉合后，幾個沖頭自不同方向對毛坯進行穿孔/擠壓，從而在一次加熱和壓機一次行程中完成復雜鍛件，特別是帶內空腔或凹凸外形鍛件的成形(圖1)。
圖1 多向模鍛的復合分模工藝示意圖
多向模鍛結合了普通模鍛與擠壓的特點，既具有擠壓工藝在巨大三向壓應力下塑性變形的優點，如材料塑性提高、變形均勻、組織致密、流線完整、易于消除缺陷、制件力學性能和耐腐蝕性能好等；又具有閉式模鍛的優點，如制件形狀復雜、成形精度高等。同時還具有坯料形狀簡單、制坯成本低、復雜零件可一次成形、工序少、火次少、有效降低能耗和材料燒損的優點，是大型、高性能和高價值復雜鍛件(如核電和超超臨界電站高溫高壓閥門閥體、火箭和魚雷殼體、導彈噴管、飛機起落架以及渦輪盤等)的理想鍛造工藝。
由于多向模鍛可以鍛造出零件的內孔和側向結構，所以可提高材料利用率近1倍，并減少后續切削加工約70％的工作量。僅提高材料利用率一項，每年就可以為一個年產5萬t大中型多向精密鍛件的生產企業，節省原材料8.3萬t。若按每噸鍛件耗能1.4t標準煤計算，可節省11.6萬t標準煤，相當于減少C02排放22.5萬t。可見，多向模鍛技術是一種具有顯著節能減排效果的鍛造技術。
多向模鍛還是一種精密、優質鍛件的生產技術，是生產核電和超超臨界火電閥門閥體以及航空航天領域難變形、高強度、復雜零件的關鍵制造技術(圖2)。例如：壟斷全球核電閥門市場的Velan公司，其閥門閥體的鍛造就是依托Cameron公司(1997年后與Wyman.Gordon合并)的100MN、180MN和300MN等三臺多向模鍛液壓機的制造能力。若不掌握重型多向模鍛液壓機及多向模鍛工藝，就無法解決大規格、高等級閥門的制造技術瓶頸，就無法實現核電、超超臨界核電閥門的自主化產生。
圖2 多向模鍛制造的精密鍛件
航空航天鍛件是Cameron公司最重要的鍛件產品，特別是鈦合金、高溫合金等貴重金屬鍛件以及起落架、套筒、火箭噴管、渦輪盤等復雜鍛件。Cameron公司利用其裝備的300MN多向模鍛液壓機，生產的起落架鍛件可節材50％，而力學性能大大提高；生產的壓氣機盤強度達1250~1650MPa，比標準的1200MPa高出4％~38％，而伸長率達20％，比標準的10％提高l倍。
20世紀70年代，美國空軍及波音公司的對比研究證明：多向模鍛制造的起落架鍛件壽命可提高3~4倍，而制造成本可降低20％。因此，英美飛機起落架等筒形零件，多數是在該300MN多向模鍛液壓機上進行鍛造的。
我國在20世紀80年代初對起落架外套進行多向模鍛與普通模鍛的對比研究，證明多向模鍛鍛件的組織致密，力學性能提高20％，而材料利用率則提高了1倍，由原來的17.3％提高到34.3％。
總之，多向模鍛制造技術是一種優質、省材、低耗的綠色鍛造技術，開展多向模鍛制造技術的研究和推廣，在促進我國鍛造行業的節能、減排技術進步的同時，還能滿足我國核電、超超臨界火電和航空航天領域對大中型精密、高端鍛件的迫切需求。
2 多向模鍛液壓機及其結構特點
多向模鍛技術最早由美國Cameron公司于20世紀50年代提出，并建造了100MN、180MN和300MN三臺多向模鍛液壓機，使多向模鍛技術迅速投入工業生產。到20世紀60年代末，美國先后裝備了36~300MN多向模鍛液壓機7臺。德國的1臺300MN液壓機配置了10MN的水平側缸。
前蘇聯于20世紀70年代開始研制多向模鍛液壓機。在進行了6.3~10MN小型多向模鍛液壓機的研究后，開始研制30~160MN的大型多向模鍛液壓機。而且在為法國建造650MN模鍛液壓機時，提出了配置兩個70MN水平液壓缸的多向模鍛液壓機方案。但該壓機最終只完成了垂直部分。
前蘇聯還曾計劃建造1臺500MN多向模鍛液壓機，并且研制了5MN和37MN試驗樣機，對其進行了結構和液壓控制方面的研究。
我國在20世紀80~90年代對多向模鍛工藝及設備開展過不少研究。1971年，上重公司和西安重型機械研究所為開封高壓閥門廠曾設計制造了8MN多向模鍛液壓機，1974年，第二重型機器廠為西南鋁建造了100MN多向模鍛液壓機，為我國目前最大的多向模鍛液壓機。1980年，清華大學與第二重型機器廠合作研制了10MN多向模鍛液壓機樣機，1996年，第一重型機器廠和燕山大學開展了“20MN多向模鍛工業試驗”項目。我國還開展了火箭噴管、起落架套筒、球形接頭、閥門閥體等零件的多向模鍛工藝的探索和研究。
2000年后，中北大學和合肥工業大學分別研制12.5MN和6.3MN多向模鍛液壓機，并開展了三通、履帶板等典型多向模鍛鍛件的工藝研究。中南大學采用先進的計算機控制系統，對國內100MN多向模鍛液壓機的液壓控制系統進行了改造。
綜上，目前世界最大的多向模鍛液壓機為Cameron公司于1967年建造的300MN多向模鍛液壓機。而萬噸以上的多向模鍛液壓機也屈指可數，美英擁有最多，有4~5臺，分別屬于Wyman.Gordon公司和Ellwood公司等，俄羅斯擁有1~2臺，德國和中國分別擁有1臺。
萬噸以上、尤其是側向水平壓制力超過2千t的大型或重型多向模鍛液壓機是生產制造高性能大型模鍛件的核心技術，也最能體現多向模鍛制造節材、降耗和鍛件性能優良的技術特點及產品競爭力。然而，大型或重型多向模鍛的水平穿孔力或合模力，對壓機機架的水平承載能力提出較高要求，使機架的設計制造困難增大。
目前，國際重型多向模鍛液壓機的承載機架主要采用整體機架結構和獨立水平機架結構兩種形式(圖3)。整體機架結構(圖3a)是利用一個框架同時承受垂直方向壓制載荷，Fv和水平方向壓制載荷Fh的結構形式。Cameron公司的180MN和300MN都采用該機架結構，其特點是結構簡潔、垂直壓制運動機構不受到水平壓制機構或機架的影響。但在框架的立柱根部（圖3a中的A、B處，立柱與上下橫梁的連接處)，由于垂直載荷Fv和水平載荷Fh的聯合作用，此處的應力會急劇增加。而且立柱內側根部是典型的應力集中區域，又進一步加劇了此處的強度問題，導致機架的強度要求提高。因此，采用整體機架結構的多向模鍛液壓機都采用性能較好的厚鋼板層疊結構，而且水平載荷凡一般不大于垂直載荷Fv的1/4，即側力比f=Fh：Fv≤1：4。以衡量多向模鍛壓機側向壓制能力相對主方向壓制能力的大小。
圖3 多向模鍛液壓機的承載機架結構形式
獨立水平機架結構(圖3b)是在只承受垂直方向壓制載荷Fv的垂直機架基礎上，增加一個水平機架來獨立地承受水平方向壓制載荷Fh。我國和Cameron公司的100MN都采用這一結構，其特點是水平載荷與垂直載荷分別由不同結構承載，不會造成應力的疊加，水平和垂直方向的壓制能力可以非常接近。但由于工作區重疊，兩個機架在工作區域(即垂直壓制的動梁與工作臺之間)必須相互避讓，水平機架的立柱需要穿過或繞過垂直機架。尤其是當壓機的垂直噸位增大，垂直機架和工作臺也隨之加大時，水平機架的設計難度會急劇增加。若水平機架繞過垂直機架，則水平機架的結構會變得非常龐大，而且會影響到垂直壓制機構的布置和維護操作：若水平機架穿過垂直機架，則會嚴重削弱垂直機架(包括動梁和工作臺)，并影響水平機架的上下對稱性，使水平機架處于嚴重的偏心受力狀態。因此，采用獨立水平機架結構的多向模鍛液壓機的噸位較小，一般在100MN左右；但其水平載荷Fh較大，側力比f可達l/2，即f=Fh：Fv≤1：2=0.5。
上述分析表明，重型多向模鍛液壓機的承載機架設計存在著受力合理性和結構合理性的矛盾。整體機架結構在垂直和水平壓制結構上相互影響小，但垂直和水平壓制載荷產生的應力會相互疊加。即滿足了結構的獨立性，但受力相互影響；獨立水平機架結構則是垂直和水平壓制載荷互不影響，但垂直和水平壓制結構相互干涉、影響，即滿足了受力的獨立性，但結構相互干涉。
因此，重型多向模鍛液壓機機架設計的核心矛盾是受力和結構的獨立性不能同時滿足，即受力獨立性與結構獨立性間存在沖突。而目前的多向模鍛液壓機機架結構都不能很好地解決這一核心矛盾，因此當今多向模鍛液壓機的最大噸位只達到300MN，而最大的水平壓制能力只達到60MN。這一由重型多向模鍛液壓機功能特點導致的結構設計矛盾，制約了多向模鍛制造技術的進一步發展。
3 多向承載結構設計的突破
在教育部985II期重點項目——多功能金屬成形試驗平臺的實施過程中，為了克服多向承載結構的設計難題，基于預應力鋼絲纏繞技術，提出了“正交預緊機架”結構，即利用高強度預應力鋼絲纏繞在多段圓弧和直線組成的整體機架外輪廓上，產生與多向壓制載荷方向對應的預緊力，平衡多向載荷產生的應力，進而消除應力疊加對機架的不利影響和強度要求。
普通預應力鋼絲纏繞機架如圖4a所示。機架由上下半圓梁和兩根立柱組成，構成由上下兩段180°圓弧和兩段直線組成的機架輪廓。預應力鋼絲纏繞在機架外輪廓上，在圓弧段鋼絲改變方向，對弧面產生壓力，并隨纏繞層的增多，壓力逐漸增大。而圓弧上壓力的合力就是鋼絲纏繞產生的預緊力Pv。對于普通預應力鋼絲纏繞機架，其機架輪廓的圓弧集中在上下兩端，因此鋼絲纏繞的預緊力Pv也就集中在上下兩個位置，與機架所承受的壓制力重合，一般沿垂直方向。這是預應力鋼絲纏繞壓機機架的典型結構，已大量應用于重型模鍛壓機、擠壓機等重型液壓機上。
在普通預應力鋼絲纏繞機架的基礎上，可以將機架輪廓的圓弧分成4段，分別置于壓機結構的上下和兩側，圓弧之間則用立柱的直線連接(圖4b)。由于纏繞的鋼絲在直線段不會產生預緊力，因此如圖4b所示的機架輪廓可以將預應力鋼絲纏繞產生的預緊力集中到上下和左右4個位置，構成垂直和水平兩個正交方向的預緊力(Pv和Ph)，與多向模鍛需要的垂直和水平壓制力(Fv和Fh)重合(圖5)，并平衡壓制載荷對機架的影響。
圖4 普通鋼絲纏繞機架與“正交預緊機架”比較
圖5 預應力鋼絲纏繞“正交預緊機架”的受力
由于預應力鋼絲纏繞技術的特點，正交預緊機架在垂直和水平方向上產生的預緊力能夠分別達到多向模鍛在垂直和水平方向上最大壓制噸位的1.2~2.0倍，甚至更高，可以有效地保證整體機架在承受多向載荷單獨或聯合作用時的安全性。因此即使是在多向壓制載荷引起應力疊加的區域，鋼絲纏繞產生的預應力也足夠大，不會出現拉應力。
由于有效克服了整體機架多向載荷相互影響、危險應力相互疊加的問題，同時預緊力的施加沒有產生新的結構干涉或強度要求，因此可以說預應力鋼絲纏繞正交預緊方案很好地解決了重型多向模鍛液壓機機架設計的核心矛盾，為多向模鍛液壓機設計提供了新的結構形式。
利用這一新型結構，設計了1臺40MN/64MN多向模鍛液壓機，其垂直最大壓制噸位為40MN，水平最大壓制噸位為2X8MN(側力f=0.2)，下穿孔最大噸位為8MN，四個方向總共64MN壓制能力。在清華大學和中國二十二冶集團有限公司的共同努力下，該壓機于2010年7月31日熱試成功(圖6)。隨后進行的多向壓制試驗表明，正交預緊機架有效地承受了垂直和水平壓制載荷的作用，保持了良好的整體性和承載能力。
圖6 應用“正交預緊機架”設計制造的40MN/64MN多向模鍛液壓機
在40MN/64MN多向模鍛液壓機上，先后試壓了76.2mm(3in)閥門閥體(圖7)和152.4mm(6in)真空閥閥體(圖2b)。一火成形的閥體鍛件充型飽滿、致密，尺寸精確。40MN/64MN多向模鍛液壓機的研制及工藝試驗，實踐了預應力鋼絲纏繞正交預緊機架的設計、加工、纏繞以及安裝調試的整個制造過程，充分證明了該結構在更大噸位多向模鍛液壓機上應用的可行性。
圖7 在40MN/64MN多向模鍛液壓機上一次成形的20鋼76.2mm(3in)閥體
4 發展我國重型多向模鍛制造技術
2010年9月11日，由中冶集團、中國二十二冶集團有限公司和清華大學在唐山召開了“大型多向模鍛設備及工藝研討會”。國內二十多位領導、院士、專家出席并參觀了40MN/64MN多向模鍛液壓機及76.2mm(3in)閥體的鍛造演示。專家一致認為：“正交預緊機架”結構有效地解決了多向模鍛液壓機水平壓制力承載結構設計的難題，為發展我國的多向模鍛制造技術奠定了獨立自主的技術基礎；這是一個填補國內空白的技術突破，希望利用該項新技術，早日實現核電閥門以及航空航天等復雜精密鍛件的自主化、產業化生產，為振興民族工業做出貢獻。
為此，中國二十二冶集團有限公司和清華大學合作，開展了120MN和400MN多向模鍛液壓機的研究和設計工作，為建立我國重型多向模鍛生產基地做準備。
120MN多向模鍛液壓機的機架設計充分利用了正交預緊機架的結構優勢，其水平壓制設計噸位將達到70MN，側力比f=l：1.71≈0.58，皆為目前世界最大值。強大的水平壓制能力，將使此臺壓機具有強大的垂直分模成形能力。建成后將實現不大于300mm(12in)口徑以下的閥體以及套筒等復雜零件的多向鍛造生產。該壓機的設計、制造，以及配套的模具、工藝研究已獲得2012年“高端數控機床及基礎裝備”重大專項共性技術項目支持。
400MN多向模鍛液壓機將是世界最大的多向模鍛液壓機，其垂直最大合模力達400MN，水平最大合模力達100MN，側力比f=0.25。生產的產品對象是300~600mm(12~24in)閥體和大型精密復雜模鍛件。建成后將徹底改變多向模鍛生產的世界格局，打破美英公司在重型多向模鍛裝備及相關產品生產上的壟斷地位，建立我國在此領域的自主化生產能力，并促進我國鍛造行業綠色制造技術水平的提高。
5 結論
多向模鍛制造是一種優質、精密、省材、降耗的先進鍛造技術，是核電、超超臨界火電、石化，以及航空航天精密復雜鍛件的理想成形技術。但重型多向模鍛裝備及生產工藝的技術難度較大，目前只有美英兩國的個別公司所掌握。
正交預緊機架結構設計，通過無貫穿件的多向預緊手段，提高了整體機架承受多向載荷的能力，并且避免了水平壓制結構對垂直壓制結構的影響。新型機架結構突破了多向模鍛液壓機結構設計的核心矛盾，為開發我國自主知識產權的重型多向模鍛裝備，打破國際壟斷，在我國推廣多向模鍛制造技術，奠定了裝備設計的技術基礎。
通過多向模鍛制造技術發展和應用，將提高我國航空航天、核電、火電、石化等關鍵領域的基礎制造能力和技術水平，實現核心零部件的自主化生產。同時還將極大地促進傳統行業的技術提升，并取得顯著的節能減排效果。
