金屬鍛造是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。經(jīng)過多年的發(fā)展,我國已成為世界鍛造生產(chǎn)大國。據(jù)中國鍛壓學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì),2009年我國的鍛件總產(chǎn)量達(dá)776萬t,比2008年增長43%。但我國鍛造產(chǎn)品多集中在中小型、低價(jià)值、非精密、高污染的鍛件上,高端精密鍛件嚴(yán)重依賴進(jìn)口。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國每噸鍛件平均消耗的能源為1.3~1.5t標(biāo)準(zhǔn)煤,而日本每噸鍛件耗能僅為0.515t標(biāo)準(zhǔn)煤,只有我國的37%。因此,在我國推廣精密、節(jié)能、省材的綠色鍛造新技術(shù),是重要而緊迫的任務(wù)。
多向模鍛技術(shù)是一種理想的精密優(yōu)質(zhì)、節(jié)能省材的鍛造技術(shù),其特點(diǎn)是模具閉合后,幾個(gè)沖頭自不同方向?qū)γ鬟M(jìn)行穿孔/擠壓,從而在一次加熱和壓機(jī)一次行程中完成復(fù)雜鍛件,特別是帶內(nèi)空腔或凹凸外形鍛件的成形(圖1)。
多向模鍛結(jié)合了普通模鍛與擠壓的特點(diǎn),既具有擠壓工藝在巨大三向壓應(yīng)力下塑性變形的優(yōu)點(diǎn),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(xué)性能和耐腐蝕性能好等;又具有閉式模鍛的優(yōu)點(diǎn),如制件形狀復(fù)雜、成形精度高等。同時(shí)還具有坯料形狀簡單、制坯成本低、復(fù)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(yōu)點(diǎn),是大型、高性能和高價(jià)值復(fù)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(dǎo)彈噴管、飛機(jī)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(nèi)孔和側(cè)向結(jié)構(gòu),所以可提高材料利用率近1倍,并減少后續(xù)切削加工約70%的工作量。僅提高材料利用率一項(xiàng),每年就可以為一個(gè)年產(chǎn)5萬t大中型多向精密鍛件的生產(chǎn)企業(yè),節(jié)省原材料8.3萬t。若按每噸鍛件耗能1.4t標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算,可節(jié)省11.6萬t標(biāo)準(zhǔn)煤,相當(dāng)于減少C02排放22.5萬t。可見,多向模鍛技術(shù)是一種具有顯著節(jié)能減排效果的鍛造技術(shù)。
多向模鍛還是一種精密、優(yōu)質(zhì)鍛件的生產(chǎn)技術(shù),是生產(chǎn)核電和超超臨界火電閥門閥體以及航空航天領(lǐng)域難變形、高強(qiáng)度、復(fù)雜零件的關(guān)鍵制造技術(shù)(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(tái)多向模鍛液壓機(jī)的制造能力。若不掌握重型多向模鍛液壓機(jī)及多向模鍛工藝,就無法解決大規(guī)格、高等級(jí)閥門的制造技術(shù)瓶頸,就無法實(shí)現(xiàn)核電、超超臨界核電閥門的自主化產(chǎn)生。
航空航天鍛件是Cameron公司最重要的鍛件產(chǎn)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(fù)雜鍛件。Cameron公司利用其裝備的300MN多向模鍛液壓機(jī),生產(chǎn)的起落架鍛件可節(jié)材50%,而力學(xué)性能大大提高;生產(chǎn)的壓氣機(jī)盤強(qiáng)度達(dá)1250~1650MPa,比標(biāo)準(zhǔn)的1200MPa高出4%~38%,而伸長率達(dá)20%,比標(biāo)準(zhǔn)的10%提高l倍。
20世紀(jì)70年代,美國空軍及波音公司的對(duì)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(jī)起落架等筒形零件,多數(shù)是在該300MN多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行鍛造的。
我國在20世紀(jì)80年代初對(duì)起落架外套進(jìn)行多向模鍛與普通模鍛的對(duì)比研究,證明多向模鍛鍛件的組織致密,力學(xué)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(shù)是一種優(yōu)質(zhì)、省材、低耗的綠色鍛造技術(shù),開展多向模鍛制造技術(shù)的研究和推廣,在促進(jìn)我國鍛造行業(yè)的節(jié)能、減排技術(shù)進(jìn)步的同時(shí),還能滿足我國核電、超超臨界火電和航空航天領(lǐng)域?qū)Υ笾行途堋⒏叨隋懠钠惹行枨蟆?/div>
2 多向模鍛液壓機(jī)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
多向模鍛技術(shù)最早由美國Cameron公司于20世紀(jì)50年代提出,并建造了100MN、180MN和300MN三臺(tái)多向模鍛液壓機(jī),使多向模鍛技術(shù)迅速投入工業(yè)生產(chǎn)。到20世紀(jì)60年代末,美國先后裝備了36~300MN多向模鍛液壓機(jī)7臺(tái)。德國的1臺(tái)300MN液壓機(jī)配置了10MN的水平側(cè)缸。
前蘇聯(lián)于20世紀(jì)70年代開始研制多向模鍛液壓機(jī)。在進(jìn)行了6.3~10MN小型多向模鍛液壓機(jī)的研究后,開始研制30~160MN的大型多向模鍛液壓機(jī)。而且在為法國建造650MN模鍛液壓機(jī)時(shí),提出了配置兩個(gè)70MN水平液壓缸的多向模鍛液壓機(jī)方案。但該壓機(jī)最終只完成了垂直部分。
前蘇聯(lián)還曾計(jì)劃建造1臺(tái)500MN多向模鍛液壓機(jī),并且研制了5MN和37MN試驗(yàn)樣機(jī),對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和液壓控制方面的研究。
我國在20世紀(jì)80~90年代對(duì)多向模鍛工藝及設(shè)備開展過不少研究。1971年,上重公司和西安重型機(jī)械研究所為開封高壓閥門廠曾設(shè)計(jì)制造了8MN多向模鍛液壓機(jī),1974年,第二重型機(jī)器廠為西南鋁建造了100MN多向模鍛液壓機(jī),為我國目前最大的多向模鍛液壓機(jī)。1980年,清華大學(xué)與第二重型機(jī)器廠合作研制了10MN多向模鍛液壓機(jī)樣機(jī),1996年,第一重型機(jī)器廠和燕山大學(xué)開展了“20MN多向模鍛工業(yè)試驗(yàn)”項(xiàng)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(xué)和合肥工業(yè)大學(xué)分別研制12.5MN和6.3MN多向模鍛液壓機(jī),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(xué)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)國內(nèi)100MN多向模鍛液壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。
綜上,目前世界最大的多向模鍛液壓機(jī)為Cameron公司于1967年建造的300MN多向模鍛液壓機(jī)。而萬噸以上的多向模鍛液壓機(jī)也屈指可數(shù),美英擁有最多,有4~5臺(tái),分別屬于Wyman.Gordon公司和Ellwood公司等,俄羅斯擁有1~2臺(tái),德國和中國分別擁有1臺(tái)。
萬噸以上、尤其是側(cè)向水平壓制力超過2千t的大型或重型多向模鍛液壓機(jī)是生產(chǎn)制造高性能大型模鍛件的核心技術(shù),也最能體現(xiàn)多向模鍛制造節(jié)材、降耗和鍛件性能優(yōu)良的技術(shù)特點(diǎn)及產(chǎn)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(duì)壓機(jī)機(jī)架的水平承載能力提出較高要求,使機(jī)架的設(shè)計(jì)制造困難增大。
目前,國際重型多向模鍛液壓機(jī)的承載機(jī)架主要采用整體機(jī)架結(jié)構(gòu)和獨(dú)立水平機(jī)架結(jié)構(gòu)兩種形式(圖3)。整體機(jī)架結(jié)構(gòu)(圖3a)是利用一個(gè)框架同時(shí)承受垂直方向壓制載荷,F(xiàn)v和水平方向壓制載荷Fh的結(jié)構(gòu)形式。Cameron公司的180MN和300MN都采用該機(jī)架結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔、垂直壓制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不受到水平壓制機(jī)構(gòu)或機(jī)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(lián)合作用,此處的應(yīng)力會(huì)急劇增加。而且立柱內(nèi)側(cè)根部是典型的應(yīng)力集中區(qū)域,又進(jìn)一步加劇了此處的強(qiáng)度問題,導(dǎo)致機(jī)架的強(qiáng)度要求提高。因此,采用整體機(jī)架結(jié)構(gòu)的多向模鍛液壓機(jī)都采用性能較好的厚鋼板層疊結(jié)構(gòu),而且水平載荷凡一般不大于垂直載荷Fv的1/4,即側(cè)力比f=Fh:Fv≤1:4。以衡量多向模鍛壓機(jī)側(cè)向壓制能力相對(duì)主方向壓制能力的大小。

圖3 多向模鍛液壓機(jī)的承載機(jī)架結(jié)構(gòu)形式
獨(dú)立水平機(jī)架結(jié)構(gòu)(圖3b)是在只承受垂直方向壓制載荷Fv的垂直機(jī)架基礎(chǔ)上,增加一個(gè)水平機(jī)架來獨(dú)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(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是水平載荷與垂直載荷分別由不同結(jié)構(gòu)承載,不會(huì)造成應(yīng)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(qū)重疊,兩個(gè)機(jī)架在工作區(qū)域(即垂直壓制的動(dòng)梁與工作臺(tái)之間)必須相互避讓,水平機(jī)架的立柱需要穿過或繞過垂直機(jī)架。尤其是當(dāng)壓機(jī)的垂直噸位增大,垂直機(jī)架和工作臺(tái)也隨之加大時(shí),水平機(jī)架的設(shè)計(jì)難度會(huì)急劇增加。若水平機(jī)架繞過垂直機(jī)架,則水平機(jī)架的結(jié)構(gòu)會(huì)變得非常龐大,而且會(huì)影響到垂直壓制機(jī)構(gòu)的布置和維護(hù)操作:若水平機(jī)架穿過垂直機(jī)架,則會(huì)嚴(yán)重削弱垂直機(jī)架(包括動(dòng)梁和工作臺(tái)),并影響水平機(jī)架的上下對(duì)稱性,使水平機(jī)架處于嚴(yán)重的偏心受力狀態(tài)。因此,采用獨(dú)立水平機(jī)架結(jié)構(gòu)的多向模鍛液壓機(jī)的噸位較小,一般在100MN左右;但其水平載荷Fh較大,側(cè)力比f可達(dá)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(jī)的承載機(jī)架設(shè)計(jì)存在著受力合理性和結(jié)構(gòu)合理性的矛盾。整體機(jī)架結(jié)構(gòu)在垂直和水平壓制結(jié)構(gòu)上相互影響小,但垂直和水平壓制載荷產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)相互疊加。即滿足了結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性,但受力相互影響;獨(dú)立水平機(jī)架結(jié)構(gòu)則是垂直和水平壓制載荷互不影響,但垂直和水平壓制結(jié)構(gòu)相互干涉、影響,即滿足了受力的獨(dú)立性,但結(jié)構(gòu)相互干涉。
因此,重型多向模鍛液壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的核心矛盾是受力和結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性不能同時(shí)滿足,即受力獨(dú)立性與結(jié)構(gòu)獨(dú)立性間存在沖突。而目前的多向模鍛液壓機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)都不能很好地解決這一核心矛盾,因此當(dāng)今多向模鍛液壓機(jī)的最大噸位只達(dá)到300MN,而最大的水平壓制能力只達(dá)到60MN。這一由重型多向模鍛液壓機(jī)功能特點(diǎn)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矛盾,制約了多向模鍛制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
3 多向承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破
在教育部985II期重點(diǎn)項(xiàng)目——多功能金屬成形試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)施過程中,為了克服多向承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難題,基于預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù),提出了“正交預(yù)緊機(jī)架”結(jié)構(gòu),即利用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞在多段圓弧和直線組成的整體機(jī)架外輪廓上,產(chǎn)生與多向壓制載荷方向?qū)?yīng)的預(yù)緊力,平衡多向載荷產(chǎn)生的應(yīng)力,進(jìn)而消除應(yīng)力疊加對(duì)機(jī)架的不利影響和強(qiáng)度要求。
普通預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架如圖4a所示。機(jī)架由上下半圓梁和兩根立柱組成,構(gòu)成由上下兩段180°圓弧和兩段直線組成的機(jī)架輪廓。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞在機(jī)架外輪廓上,在圓弧段鋼絲改變方向,對(duì)弧面產(chǎn)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(chǎn)生的預(yù)緊力Pv。對(duì)于普通預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架,其機(jī)架輪廓的圓弧集中在上下兩端,因此鋼絲纏繞的預(yù)緊力Pv也就集中在上下兩個(gè)位置,與機(jī)架所承受的壓制力重合,一般沿垂直方向。這是預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞壓機(jī)機(jī)架的典型結(jié)構(gòu),已大量應(yīng)用于重型模鍛壓機(jī)、擠壓機(jī)等重型液壓機(jī)上。
在普通預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架的基礎(chǔ)上,可以將機(jī)架輪廓的圓弧分成4段,分別置于壓機(jī)結(jié)構(gòu)的上下和兩側(cè),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(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力,因此如圖4b所示的機(jī)架輪廓可以將預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞產(chǎn)生的預(yù)緊力集中到上下和左右4個(gè)位置,構(gòu)成垂直和水平兩個(gè)正交方向的預(yù)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(duì)機(jī)架的影響。

圖4 普通鋼絲纏繞機(jī)架與“正交預(yù)緊機(jī)架”比較

圖5 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞“正交預(yù)緊機(jī)架”的受力
由于預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)的特點(diǎn),正交預(yù)緊機(jī)架在垂直和水平方向上產(chǎn)生的預(yù)緊力能夠分別達(dá)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(jī)架在承受多向載荷單獨(dú)或聯(lián)合作用時(shí)的安全性。因此即使是在多向壓制載荷引起應(yīng)力疊加的區(qū)域,鋼絲纏繞產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力也足夠大,不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。
由于有效克服了整體機(jī)架多向載荷相互影響、危險(xiǎn)應(yīng)力相互疊加的問題,同時(shí)預(yù)緊力的施加沒有產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)干涉或強(qiáng)度要求,因此可以說預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊方案很好地解決了重型多向模鍛液壓機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的核心矛盾,為多向模鍛液壓機(jī)設(shè)計(jì)提供了新的結(jié)構(gòu)形式。
利用這一新型結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了1臺(tái)40MN/64MN多向模鍛液壓機(jī),其垂直最大壓制噸位為40MN,水平最大壓制噸位為2X8MN(側(cè)力f=0.2),下穿孔最大噸位為8MN,四個(gè)方向總共64MN壓制能力。在清華大學(xué)和中國二十二冶集團(tuán)有限公司的共同努力下,該壓機(jī)于2010年7月31日熱試成功(圖6)。隨后進(jìn)行的多向壓制試驗(yàn)表明,正交預(yù)緊機(jī)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(yīng)用“正交預(yù)緊機(jī)架”設(shè)計(jì)制造的40MN/64MN多向模鍛液壓機(jī)
在40MN/64MN多向模鍛液壓機(jī)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(jī)的研制及工藝試驗(yàn),實(shí)踐了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞正交預(yù)緊機(jī)架的設(shè)計(jì)、加工、纏繞以及安裝調(diào)試的整個(gè)制造過程,充分證明了該結(jié)構(gòu)在更大噸位多向模鍛液壓機(jī)上應(yīng)用的可行性。

圖7 在40MN/64MN多向模鍛液壓機(jī)上一次成形的20鋼76.2mm(3in)閥體
4 發(fā)展我國重型多向模鍛制造技術(shù)
2010年9月11日,由中冶集團(tuán)、中國二十二冶集團(tuán)有限公司和清華大學(xué)在唐山召開了“大型多向模鍛設(shè)備及工藝研討會(huì)”。國內(nèi)二十多位領(lǐng)導(dǎo)、院士、專家出席并參觀了40MN/64MN多向模鍛液壓機(jī)及76.2mm(3in)閥體的鍛造演示。專家一致認(rèn)為:“正交預(yù)緊機(jī)架”結(jié)構(gòu)有效地解決了多向模鍛液壓機(jī)水平壓制力承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題,為發(fā)展我國的多向模鍛制造技術(shù)奠定了獨(dú)立自主的技術(shù)基礎(chǔ);這是一個(gè)填補(bǔ)國內(nèi)空白的技術(shù)突破,希望利用該項(xiàng)新技術(shù),早日實(shí)現(xiàn)核電閥門以及航空航天等復(fù)雜精密鍛件的自主化、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),為振興民族工業(yè)做出貢獻(xiàn)。
為此,中國二十二冶集團(tuán)有限公司和清華大學(xué)合作,開展了120MN和400MN多向模鍛液壓機(jī)的研究和設(shè)計(jì)工作,為建立我國重型多向模鍛生產(chǎn)基地做準(zhǔn)備。
120MN多向模鍛液壓機(jī)的機(jī)架設(shè)計(jì)充分利用了正交預(yù)緊機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),其水平壓制設(shè)計(jì)噸位將達(dá)到70MN,側(cè)力比f=l:1.71≈0.58,皆為目前世界最大值。強(qiáng)大的水平壓制能力,將使此臺(tái)壓機(jī)具有強(qiáng)大的垂直分模成形能力。建成后將實(shí)現(xiàn)不大于300mm(12in)口徑以下的閥體以及套筒等復(fù)雜零件的多向鍛造生產(chǎn)。該壓機(jī)的設(shè)計(jì)、制造,以及配套的模具、工藝研究已獲得2012年“高端數(shù)控機(jī)床及基礎(chǔ)裝備”重大專項(xiàng)共性技術(shù)項(xiàng)目支持。
400MN多向模鍛液壓機(jī)將是世界最大的多向模鍛液壓機(jī),其垂直最大合模力達(dá)400MN,水平最大合模力達(dá)100MN,側(cè)力比f=0.25。生產(chǎn)的產(chǎn)品對(duì)象是300~600mm(12~24in)閥體和大型精密復(fù)雜模鍛件。建成后將徹底改變多向模鍛生產(chǎn)的世界格局,打破美英公司在重型多向模鍛裝備及相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)上的壟斷地位,建立我國在此領(lǐng)域的自主化生產(chǎn)能力,并促進(jìn)我國鍛造行業(yè)綠色制造技術(shù)水平的提高。
5 結(jié)論
多向模鍛制造是一種優(yōu)質(zhì)、精密、省材、降耗的先進(jìn)鍛造技術(shù),是核電、超超臨界火電、石化,以及航空航天精密復(fù)雜鍛件的理想成形技術(shù)。但重型多向模鍛裝備及生產(chǎn)工藝的技術(shù)難度較大,目前只有美英兩國的個(gè)別公司所掌握。
正交預(yù)緊機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過無貫穿件的多向預(yù)緊手段,提高了整體機(jī)架承受多向載荷的能力,并且避免了水平壓制結(jié)構(gòu)對(duì)垂直壓制結(jié)構(gòu)的影響。新型機(jī)架結(jié)構(gòu)突破了多向模鍛液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心矛盾,為開發(fā)我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(shù),奠定了裝備設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)。
通過多向模鍛制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用,將提高我國航空航天、核電、火電、石化等關(guān)鍵領(lǐng)域的基礎(chǔ)制造能力和技術(shù)水平,實(shí)現(xiàn)核心零部件的自主化生產(chǎn)。同時(shí)還將極大地促進(jìn)傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)提升,并取得顯著的節(jié)能減排效果。