王侃， 安建軍， 何雪龍·蘭州蘭石重工有限公司
國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)2MN 徑鍛機(jī)由我公司研發(fā)成功并交付使用，該設(shè)備為臥式機(jī)械結(jié)構(gòu)，公稱(chēng)鍛造力2MN，鍛造頻次620 次/分鐘，鍛造控制精度±0.5mm/m，該設(shè)備可徑鍛軸類(lèi)、方棒類(lèi)材料，并預(yù)留鍛管結(jié)構(gòu)功能。
徑向鍛造技術(shù)是一種無(wú)模鍛造近凈成形技術(shù)，突破了傳統(tǒng)材料鍛造成形技術(shù)的限制，是鍛造裝備高端化、智能化發(fā)展的方向。徑鍛機(jī)作為一種先進(jìn)的鍛造設(shè)備，具有鍛打頻率高、速度快、每次變形量小等優(yōu)勢(shì)。徑鍛機(jī)利用夾頭夾爪夾持坯料，被周?chē)植嫉亩鄠€(gè)(2 ～8 個(gè))錘頭進(jìn)行快速、同步鍛打，鍛件處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有效提高金屬塑性。該機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及液壓、機(jī)械和電氣多系統(tǒng)集成工作，且大多核心部件材料都擁有保禁技術(shù)，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)一直掌握在少數(shù)國(guó)外企業(yè)手中，截至目前，全世界徑向鍛造機(jī)的供貨基本被奧地利GFM公司和德國(guó)MEER 公司壟斷。目前國(guó)內(nèi)徑向鍛造機(jī)基本依賴(lài)進(jìn)口，主要用于炮管、槍管、艦船主軸、高鐵輪對(duì)車(chē)軸以及特殊鋼坯等鍛件的加工。
蘭石重工徑鍛機(jī)發(fā)展史
我公司是國(guó)內(nèi)成熟度最高的徑鍛機(jī)裝備研發(fā)設(shè)計(jì)中心和生產(chǎn)制造基地，2006 年開(kāi)始徑鍛機(jī)的研發(fā)工作，2007 年成立專(zhuān)業(yè)研究團(tuán)隊(duì)并正式立項(xiàng)研究國(guó)產(chǎn)1.6MN 徑鍛機(jī)。2012 年成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的1.6MN 徑鍛機(jī)組并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，2017 年實(shí)現(xiàn)1.6MN 徑鍛機(jī)整機(jī)出口緬甸并投產(chǎn)使用。截至目前，先后完成1.25MN、1.6MN、5MN、8MN、10MN、16MN 等系列化徑鍛機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作，并實(shí)現(xiàn)6 臺(tái)(套)徑鍛機(jī)的工程化應(yīng)用。
該套2MN 四錘頭臥式徑鍛機(jī)，結(jié)構(gòu)與1.6MN 徑鍛機(jī)類(lèi)似，具有自動(dòng)化程度高、鍛造精度高、生產(chǎn)效率高、節(jié)能降耗等特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)控軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鍛件與程序的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，保證每個(gè)動(dòng)作指令的可編程、可保存、高可靠和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)鍛造過(guò)程的數(shù)字化控制。該設(shè)備為國(guó)內(nèi)首臺(tái)自主研發(fā)的2MN 徑鍛機(jī)，打破了國(guó)外徑鍛機(jī)長(zhǎng)期壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的現(xiàn)狀。
國(guó)內(nèi)外技術(shù)參數(shù)對(duì)比
該套設(shè)備可用于高合金鋼、鈦合金、銅及銅合金棒材的冷熱徑鍛加工，能夠滿(mǎn)足合金軸類(lèi)、方棒類(lèi)鍛件的各種工藝要求，并預(yù)留鍛管功能，設(shè)備技術(shù)實(shí)力已達(dá)國(guó)際水平，與國(guó)外設(shè)備技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。
表1 技術(shù)參數(shù)對(duì)比
機(jī)組特點(diǎn)
⑴高頻鍛造，低能耗高效率。徑鍛機(jī)錘頭打擊頻次620 次/分鐘，極高的打擊頻次通過(guò)提高變形金屬的溫度以抵消金屬變形過(guò)程的溫降，使鍛造過(guò)程中工件的始鍛溫度與終鍛溫度差僅為40 ～50K，可一火完成鍛造，節(jié)省能源。
圖1 蘭石2MN 徑鍛機(jī)
⑵程序鍛造，智能化程度高。應(yīng)用了計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning，簡(jiǎn)稱(chēng)CAPP)技術(shù)。這一技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了鍛造工藝設(shè)計(jì)和編制效率，保證了鍛造工藝質(zhì)量，工藝設(shè)計(jì)結(jié)果第一時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便查閱、管理以及數(shù)據(jù)積累。通過(guò)徑向鍛造工藝軟件，對(duì)新產(chǎn)品、新材料的鍛造提供工藝支持，結(jié)合少量的實(shí)踐，不斷優(yōu)化，固化新產(chǎn)品的鍛造工藝，大大提高了新產(chǎn)品鍛造工藝的開(kāi)發(fā)周期。已優(yōu)化的工藝將固化存儲(chǔ)在設(shè)備的控制系統(tǒng)中，隨用隨調(diào)，實(shí)現(xiàn)“智能鍛造”，為高效生產(chǎn)出符合技術(shù)要求的精密鍛件提供了有力保障。
⑶近凈成形，高精度、低成本。徑向鍛造技術(shù)是一種無(wú)模鍛造近凈成形技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)毛坯鍛造成形技術(shù)的壁壘，鍛造成形的產(chǎn)品僅需少量加工或不再加工，具有極高的外形尺寸精度、形位精度和表面成形精度。采用此技術(shù)制造的產(chǎn)品質(zhì)量好、精度高，能源與材料消耗低，生產(chǎn)成本低、效率高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高。
機(jī)組結(jié)構(gòu)及功能
本套設(shè)備公稱(chēng)鍛造力2MN，主傳動(dòng)方式為電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)鍛造。鍛后工件最大長(zhǎng)度8000mm，可鍛工件最大重量600kg,占地(長(zhǎng)×寬×高)35000mm×13700mm×3500mm。
整個(gè)鍛造流程為，坯料輸送至上料輥道，由上料機(jī)械手抓取送至夾頭夾緊，坯料在主機(jī)中心四錘頭正中間鍛打成形，在成形過(guò)程中使工件軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供必要的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并根據(jù)成形行程對(duì)工件的延長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，最后將工件由下料機(jī)械手傳送到下料輥道上。
主機(jī)
主機(jī)是徑向鍛造機(jī)的核心鍛造單元，主要由齒輪箱、鍛造箱、錘頭調(diào)節(jié)裝置等組成。
鍛造箱是徑鍛機(jī)向工件實(shí)施鍛打的工作單元，是徑鍛機(jī)的核心部件。4 個(gè)鍛造錘頭在鍛造箱中呈X 形布置在同一個(gè)平面。鍛造錘頭的正弦運(yùn)動(dòng)保證被鍛材料的理想變形，且每一次的變形行程的末端變形速度逐漸降低。帶飛輪的偏心軸通過(guò)齒輪完全同步，這種布置使四個(gè)鍛造單元的偏心鍛打動(dòng)作實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的機(jī)械同步，而且大質(zhì)量飛輪的旋轉(zhuǎn)能量可以獲得高的成形能量或鍛造力的輸出。
齒輪箱是徑向鍛機(jī)工作動(dòng)力的傳動(dòng)單元。一臺(tái)主電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器連接到齒輪。這種布置使四個(gè)鍛造裝置的行程動(dòng)作實(shí)現(xiàn)4 個(gè)錘頭機(jī)械同步。每個(gè)錘頭的鍛造頻次為620 次/分鐘。主電機(jī)輸出軸通過(guò)彈性聯(lián)軸器與齒輪軸相連，齒輪軸和與其嚙合的輸出大齒輪組成減速機(jī)構(gòu)，大齒輪再通過(guò)三對(duì)結(jié)構(gòu)完全相同的過(guò)渡齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到另外三個(gè)大齒輪。保證了四個(gè)大齒輪的運(yùn)動(dòng)同步。四個(gè)大齒輪的傳動(dòng)軸為動(dòng)力輸出軸，通過(guò)浮動(dòng)盤(pán)聯(lián)軸器將扭矩傳遞到鍛造箱體。齒輪箱由四個(gè)工作齒輪和六個(gè)同步齒輪組成，整個(gè)齒輪系實(shí)現(xiàn)了四個(gè)錘頭最終工作的同步性。
錘頭調(diào)節(jié)裝置是調(diào)整錘頭位置的部件，使錘頭張開(kāi)或閉合，用于鍛造不同規(guī)格及截面形狀的鍛件。本機(jī)組設(shè)有兩組錘頭調(diào)節(jié)裝置，分別控制四個(gè)錘頭的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角兩對(duì)錘頭兩兩對(duì)稱(chēng)調(diào)節(jié)，一對(duì)錘頭的調(diào)節(jié)范圍為100mm，四個(gè)錘頭在調(diào)節(jié)過(guò)程中始終保證鍛造中心不變。
夾頭部件
夾頭部件主要由A、B夾頭、軌道和托料支架構(gòu)成，在鍛造過(guò)程中工件的所有運(yùn)動(dòng)均在夾頭夾持的狀態(tài)下完成。
夾頭在上料循環(huán)結(jié)束時(shí)夾緊工件，在成形過(guò)程中使工件軸向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提供必要的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，并根據(jù)成形行程對(duì)工件的延長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，最后將工件傳送到下料機(jī)械手上。夾頭在軌道上滑動(dòng)，工件的縱向運(yùn)動(dòng)在整個(gè)成形過(guò)程中相對(duì)于鍛造尺寸保持獨(dú)立。
上料夾頭(A 夾頭)和下料夾頭(B 夾頭)結(jié)構(gòu)完全一致，分別安裝在徑向鍛機(jī)主機(jī)上料側(cè)和下料側(cè)，夾頭中心線(xiàn)與徑鍛機(jī)主機(jī)的中心線(xiàn)重合。用于夾持工件，配合徑鍛機(jī)主機(jī)實(shí)施鍛造。可完成夾持、旋轉(zhuǎn)工件，沿中心線(xiàn)雙向移動(dòng)完成工件鍛造時(shí)的進(jìn)給。
軌道由床身及上部的導(dǎo)軌等組成，為夾頭的支撐與行走提供基本的保障，使夾頭能安全平穩(wěn)的工作，床身由板焊件拼裝而成，要保證其具有足夠的強(qiáng)度。軌道連接到主機(jī)底座上，通過(guò)精確調(diào)整，確保了主機(jī)鍛造中心和夾頭鍛造中心的重合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了夾頭在軌道上精確的滑動(dòng)。
托料支架用于在鍛造和下料運(yùn)行過(guò)程中的支撐，托料支架由帶液壓缸的復(fù)合杠桿裝置，可自由旋轉(zhuǎn)的耐磨輥組成，在正常生產(chǎn)中可根據(jù)工件規(guī)格自動(dòng)調(diào)整升起高度。
輔助裝置
輔助裝置主要用于將工件自動(dòng)運(yùn)送并抓取到鍛造設(shè)備。它們適用于不同尺寸工件的上下料，并與其他設(shè)備有安全聯(lián)鎖。主要由以下四部分組成：上料輥道、上料機(jī)械手、下料機(jī)械手和下料輥道。
設(shè)備性能驗(yàn)證
以某銅合金材料進(jìn)行熱試鍛造，驗(yàn)證帶料狀態(tài)下設(shè)備鍛造力、鍛造頻次等重要參數(shù)以及設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。
某銅合金材料性能
該銅合金是一種具有優(yōu)異高溫強(qiáng)度，良好導(dǎo)電導(dǎo)熱的高性能功能材料。在保持銅合金良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性的同時(shí)又提高了機(jī)械強(qiáng)度?？捎糜趪?guó)防軍工、航天航空、海洋工程、工程機(jī)械、智能裝備等領(lǐng)域。
鍛造工藝
坯料送進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、主機(jī)鍛造頻次均為項(xiàng)目重要影響參數(shù)，初始設(shè)計(jì)采用中等送進(jìn)速度和極限轉(zhuǎn)速、鍛造頻次，鍛造過(guò)程中，根據(jù)出料端的產(chǎn)品情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，并記錄相關(guān)參數(shù)變化。鍛造工藝見(jiàn)表2。
表2 鍛造工藝
設(shè)備性能最終驗(yàn)證
徑向鍛造機(jī)組各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)均通過(guò)以太網(wǎng)與數(shù)控系統(tǒng)連接，并將數(shù)據(jù)通過(guò)高速采集卡實(shí)時(shí)記錄在工控機(jī)中，同時(shí)在HMI 中以圖像形式顯示，下列參數(shù)均為設(shè)備熱試鍛造過(guò)程中的實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。
圖2 為設(shè)備鍛造過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)控制器記錄的鍛造力曲線(xiàn)，設(shè)備最大鍛造力可達(dá)到2MN，此時(shí)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)振動(dòng)異響，設(shè)備鍛造力符合設(shè)計(jì)要求。
圖2 鍛造力曲線(xiàn)圖
圖3 為旋轉(zhuǎn)編碼器記錄主機(jī)偏心軸鍛打次數(shù)，掃描周期為10ms，經(jīng)記錄，單次鍛造時(shí)間約為96.7ms，即鍛造頻次620 次/分鐘，符合設(shè)計(jì)要求。
圖3 鍛造頻次曲線(xiàn)表
圖4 為成品實(shí)物照片，可以看出成品表面光滑，且形成致密細(xì)晶硬化層，無(wú)螺旋形凹坑、裂紋、彎曲等鍛件常見(jiàn)缺陷。
圖4 合格成品
最終成形后，對(duì)成品棒料進(jìn)行測(cè)量工作，總長(zhǎng)約3m，每0.5m 測(cè)量一次共取5 個(gè)截面，每個(gè)截面同方向測(cè)量一組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)90°再測(cè)量一組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。數(shù)值均在φ(93±0.5)mm 以?xún)?nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。
表3 成品直徑統(tǒng)計(jì)表
結(jié)束語(yǔ)
2MN 徑鍛機(jī)的成功研制，具有重大意義，增強(qiáng)了蘭石重工的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。經(jīng)過(guò)本次應(yīng)用實(shí)踐表明，徑鍛工藝可大大縮減材料浪費(fèi)，降低成本；2MN 徑鍛機(jī)采用臥式結(jié)構(gòu)，主傳動(dòng)采用機(jī)械傳動(dòng)穩(wěn)定可行；熱試成功標(biāo)志著蘭石重工研制徑鍛機(jī)的能力達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域空白，為后續(xù)徑鍛機(jī)系列化的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。
鍛造行業(yè)是國(guó)家基礎(chǔ)行業(yè)，徑向鍛造機(jī)為航空航天、軍工、軌道交通、汽車(chē)、船舶、新材料等國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)的發(fā)展提供必需的制造裝備，進(jìn)而為各領(lǐng)域提供硬件支撐。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)實(shí)力的不斷提升和政策的支持，國(guó)產(chǎn)徑向鍛造機(jī)有望逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。這將為國(guó)內(nèi)企業(yè)帶來(lái)巨大的市場(chǎng)機(jī)遇和發(fā)展空間。
