王侃， 安建軍， 何雪龍·蘭州蘭石重工有限公司
國內(nèi)首臺自主研發(fā)2MN 徑鍛機由我公司研發(fā)成功并交付使用，該設備為臥式機械結(jié)構，公稱鍛造力2MN，鍛造頻次620 次/分鐘，鍛造控制精度±0.5mm/m，該設備可徑鍛軸類、方棒類材料，并預留鍛管結(jié)構功能。
徑向鍛造技術是一種無模鍛造近凈成形技術，突破了傳統(tǒng)材料鍛造成形技術的限制，是鍛造裝備高端化、智能化發(fā)展的方向。徑鍛機作為一種先進的鍛造設備，具有鍛打頻率高、速度快、每次變形量小等優(yōu)勢。徑鍛機利用夾頭夾爪夾持坯料，被周圍分布的多個(2 ～8 個)錘頭進行快速、同步鍛打，鍛件處于三向壓應力狀態(tài)，有效提高金屬塑性。該機組結(jié)構復雜，涉及液壓、機械和電氣多系統(tǒng)集成工作，且大多核心部件材料都擁有保禁技術，其設計和制造技術一直掌握在少數(shù)國外企業(yè)手中，截至目前，全世界徑向鍛造機的供貨基本被奧地利GFM公司和德國MEER 公司壟斷。目前國內(nèi)徑向鍛造機基本依賴進口，主要用于炮管、槍管、艦船主軸、高鐵輪對車軸以及特殊鋼坯等鍛件的加工。
蘭石重工徑鍛機發(fā)展史
我公司是國內(nèi)成熟度最高的徑鍛機裝備研發(fā)設計中心和生產(chǎn)制造基地，2006 年開始徑鍛機的研發(fā)工作，2007 年成立專業(yè)研究團隊并正式立項研究國產(chǎn)1.6MN 徑鍛機。2012 年成功研制出國內(nèi)首臺擁有自主知識產(chǎn)權的1.6MN 徑鍛機組并實現(xiàn)工業(yè)化應用，2017 年實現(xiàn)1.6MN 徑鍛機整機出口緬甸并投產(chǎn)使用。截至目前，先后完成1.25MN、1.6MN、5MN、8MN、10MN、16MN 等系列化徑鍛機的研發(fā)設計工作，并實現(xiàn)6 臺(套)徑鍛機的工程化應用。
該套2MN 四錘頭臥式徑鍛機，結(jié)構與1.6MN 徑鍛機類似，具有自動化程度高、鍛造精度高、生產(chǎn)效率高、節(jié)能降耗等特點，通過數(shù)控軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)鍛件與程序的一一對應關系，保證每個動作指令的可編程、可保存、高可靠和穩(wěn)定性，實現(xiàn)整個鍛造過程的數(shù)字化控制。該設備為國內(nèi)首臺自主研發(fā)的2MN 徑鍛機，打破了國外徑鍛機長期壟斷國內(nèi)市場的現(xiàn)狀。
國內(nèi)外技術參數(shù)對比
該套設備可用于高合金鋼、鈦合金、銅及銅合金棒材的冷熱徑鍛加工，能夠滿足合金軸類、方棒類鍛件的各種工藝要求，并預留鍛管功能，設備技術實力已達國際水平，與國外設備技術參數(shù)對比見表1。
表1 技術參數(shù)對比
機組特點
⑴高頻鍛造，低能耗高效率。徑鍛機錘頭打擊頻次620 次/分鐘，極高的打擊頻次通過提高變形金屬的溫度以抵消金屬變形過程的溫降，使鍛造過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
⑵程序鍛造，智能化程度高。應用了計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning，簡稱CAPP)技術。這一技術的應用，極大地提高了鍛造工藝設計和編制效率，保證了鍛造工藝質(zhì)量，工藝設計結(jié)果第一時間存入數(shù)據(jù)庫中，方便查閱、管理以及數(shù)據(jù)積累。通過徑向鍛造工藝軟件，對新產(chǎn)品、新材料的鍛造提供工藝支持，結(jié)合少量的實踐，不斷優(yōu)化，固化新產(chǎn)品的鍛造工藝，大大提高了新產(chǎn)品鍛造工藝的開發(fā)周期。已優(yōu)化的工藝將固化存儲在設備的控制系統(tǒng)中，隨用隨調(diào)，實現(xiàn)“智能鍛造”，為高效生產(chǎn)出符合技術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。徑向鍛造技術是一種無模鍛造近凈成形技術。該技術突破了傳統(tǒng)毛坯鍛造成形技術的壁壘，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，市場競爭力顯著提高。
機組結(jié)構及功能
本套設備公稱鍛造力2MN，主傳動方式為電機機械傳動，能夠?qū)崿F(xiàn)手動、半自動、全自動鍛造。鍛后工件最大長度8000mm，可鍛工件最大重量600kg,占地(長×寬×高)35000mm×13700mm×3500mm。
整個鍛造流程為，坯料輸送至上料輥道，由上料機械手抓取送至夾頭夾緊，坯料在主機中心四錘頭正中間鍛打成形，在成形過程中使工件軸向運動，同時提供必要的旋轉(zhuǎn)動作，并根據(jù)成形行程對工件的延長進行補償，最后將工件由下料機械手傳送到下料輥道上。
主機
主機是徑向鍛造機的核心鍛造單元，主要由齒輪箱、鍛造箱、錘頭調(diào)節(jié)裝置等組成。
鍛造箱是徑鍛機向工件實施鍛打的工作單元，是徑鍛機的核心部件。4 個鍛造錘頭在鍛造箱中呈X 形布置在同一個平面。鍛造錘頭的正弦運動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齒輪完全同步，這種布置使四個鍛造單元的偏心鍛打動作實現(xiàn)聯(lián)鎖的機械同步，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。
齒輪箱是徑向鍛機工作動力的傳動單元。一臺主電機通過彈性聯(lián)軸器連接到齒輪。這種布置使四個鍛造裝置的行程動作實現(xiàn)4 個錘頭機械同步。每個錘頭的鍛造頻次為620 次/分鐘。主電機輸出軸通過彈性聯(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構，大齒輪再通過三對結(jié)構完全相同的過渡齒輪將運動傳遞到另外三個大齒輪。保證了四個大齒輪的運動同步。四個大齒輪的傳動軸為動力輸出軸，通過浮動盤聯(lián)軸器將扭矩傳遞到鍛造箱體。齒輪箱由四個工作齒輪和六個同步齒輪組成，整個齒輪系實現(xiàn)了四個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，使錘頭張開或閉合，用于鍛造不同規(guī)格及截面形狀的鍛件。本機組設有兩組錘頭調(diào)節(jié)裝置，分別控制四個錘頭的位置，可以實現(xiàn)對角兩對錘頭兩兩對稱調(diào)節(jié)，一對錘頭的調(diào)節(jié)范圍為100mm，四個錘頭在調(diào)節(jié)過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、軌道和托料支架構成，在鍛造過程中工件的所有運動均在夾頭夾持的狀態(tài)下完成。
夾頭在上料循環(huán)結(jié)束時夾緊工件，在成形過程中使工件軸向運動，同時提供必要的旋轉(zhuǎn)動作，并根據(jù)成形行程對工件的延長進行補償，最后將工件傳送到下料機械手上。夾頭在軌道上滑動，工件的縱向運動在整個成形過程中相對于鍛造尺寸保持獨立。
上料夾頭(A 夾頭)和下料夾頭(B 夾頭)結(jié)構完全一致，分別安裝在徑向鍛機主機上料側(cè)和下料側(cè)，夾頭中心線與徑鍛機主機的中心線重合。用于夾持工件，配合徑鍛機主機實施鍛造?？赏瓿蓨A持、旋轉(zhuǎn)工件，沿中心線雙向移動完成工件鍛造時的進給。
軌道由床身及上部的導軌等組成，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度。軌道連接到主機底座上，通過精確調(diào)整，確保了主機鍛造中心和夾頭鍛造中心的重合，同時實現(xiàn)了夾頭在軌道上精確的滑動。
托料支架用于在鍛造和下料運行過程中的支撐，托料支架由帶液壓缸的復合杠桿裝置，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)格自動調(diào)整升起高度。
輔助裝置
輔助裝置主要用于將工件自動運送并抓取到鍛造設備。它們適用于不同尺寸工件的上下料，并與其他設備有安全聯(lián)鎖。主要由以下四部分組成：上料輥道、上料機械手、下料機械手和下料輥道。
設備性能驗證
以某銅合金材料進行熱試鍛造，驗證帶料狀態(tài)下設備鍛造力、鍛造頻次等重要參數(shù)以及設備運行穩(wěn)定性。
某銅合金材料性能
該銅合金是一種具有優(yōu)異高溫強度，良好導電導熱的高性能功能材料。在保持銅合金良好導電導熱性的同時又提高了機械強度。可用于國防軍工、航天航空、海洋工程、工程機械、智能裝備等領域。
鍛造工藝
坯料送進速度、轉(zhuǎn)速、主機鍛造頻次均為項目重要影響參數(shù)，初始設計采用中等送進速度和極限轉(zhuǎn)速、鍛造頻次，鍛造過程中，根據(jù)出料端的產(chǎn)品情況進行現(xiàn)場調(diào)整，并記錄相關參數(shù)變化。鍛造工藝見表2。
表2 鍛造工藝
設備性能最終驗證
徑向鍛造機組各項關鍵參數(shù)均通過以太網(wǎng)與數(shù)控系統(tǒng)連接，并將數(shù)據(jù)通過高速采集卡實時記錄在工控機中，同時在HMI 中以圖像形式顯示，下列參數(shù)均為設備熱試鍛造過程中的實時記錄數(shù)據(jù)。
圖2 為設備鍛造過程中，運動控制器記錄的鍛造力曲線，設備最大鍛造力可達到2MN，此時設備運行平穩(wěn)，無振動異響，設備鍛造力符合設計要求。
圖2 鍛造力曲線圖
圖3 為旋轉(zhuǎn)編碼器記錄主機偏心軸鍛打次數(shù)，掃描周期為10ms，經(jīng)記錄，單次鍛造時間約為96.7ms，即鍛造頻次620 次/分鐘，符合設計要求。
圖3 鍛造頻次曲線表
圖4 為成品實物照片，可以看出成品表面光滑，且形成致密細晶硬化層，無螺旋形凹坑、裂紋、彎曲等鍛件常見缺陷。
圖4 合格成品
最終成形后，對成品棒料進行測量工作，總長約3m，每0.5m 測量一次共取5 個截面，每個截面同方向測量一組數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)90°再測量一組數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)見表3。數(shù)值均在φ(93±0.5)mm 以內(nèi)，符合設計要求。
表3 成品直徑統(tǒng)計表
結(jié)束語
2MN 徑鍛機的成功研制，具有重大意義，增強了蘭石重工的市場競爭力，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。經(jīng)過本次應用實踐表明，徑鍛工藝可大大縮減材料浪費，降低成本；2MN 徑鍛機采用臥式結(jié)構，主傳動采用機械傳動穩(wěn)定可行；熱試成功標志著蘭石重工研制徑鍛機的能力達到了國際先進水平，填補了國內(nèi)相關領域空白，為后續(xù)徑鍛機系列化的開發(fā)提供了基礎數(shù)據(jù)保障。
鍛造行業(yè)是國家基礎行業(yè)，徑向鍛造機為航空航天、軍工、軌道交通、汽車、船舶、新材料等國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場的發(fā)展提供必需的制造裝備，進而為各領域提供硬件支撐。隨著國內(nèi)企業(yè)技術實力的不斷提升和政策的支持，國產(chǎn)徑向鍛造機有望逐步實現(xiàn)進口替代。這將為國內(nèi)企業(yè)帶來巨大的市場機遇和發(fā)展空間。
