光轴类大锻件锻造余量及其标准的研究

齐作玉

(外资企业独立撰稿人，上海200240)

1 研究锻造余量及其标准的目的和意义

为使零件具有一定的加工尺寸和表面光洁度，在零件外表面需要加工的部分，留下一层需要加工用的金属，叫做机械加工余量。

水压机上自由锻件机械加工余量在许多情况下也叫锻造余量。

锻成锻件的实际尺寸，不可能恰好精确达到锻件的零件尺寸加上锻造余量这个数值。为此，允许有一定限度的误差，这个误差叫做锻造公差。锻造公差的确定相对比较简单，传统上总是设定为三分之一的余量。为此，本文将不讨论锻造公差，只讨论锻造余量。

本文把圆轴、方轴和矩形截面类统称为光轴类。光轴类的余量标准最值得重视，因为其它各种轴类，包括台阶轴的余量标准都是在光轴类余量标准的基础上得到的。为此，本文只讨论光轴类锻件的锻造余量及其标准。

锻造余量通常根据企业内部标准确定。但是，标准只是在限定期内应当遵守的尺度和规矩，它不是一成不变的。企业内部标准也需要根据企业和行业的技术进步、企业和社会的节能降耗目标而不断发展、变化和更新。

文献[1]提出了我国大锻件生产行业比起国际先进水平生产还不够精益的问题。事实上，市场经济带来了越来越激烈的企业竞争，企业只有不断推行精益生产、降低运营成本才能使自己立于不败之地。另一方面，不可再生能源的日益减少和自然环境的不断恶化，正在给全人类生存带来威胁。为此，企业承担社会责任、进一步节能减排既是国家和政府的要求，也是企业对社会义不容辞的责任。

对于锻造企业来讲，减少锻件的肥头大耳，使锻造余量尽可能的小，也就是节约材料、节能降耗的重要内容和任务。工艺人员精确计算、选择尽可能小的余量来设计锻件图，锻造操作人员选择下偏差来减少后面不必要的机加工量等等，这些无疑都是对节约材料、节能降耗作出的贡献。但这些只是对特殊的事例和局部的范围所作出的贡献。要想广泛、普遍和长期有效的实现节约材料、节能降耗，企业必须不断改进和提高锻造余量标准的水平。

为此，研究锻造余量及其标准的主要目的和意义在于：(1)在保证机械加工尺寸和表面光洁度的的条件下进一步实现节能节材；(2)改进和提高锻造余量确定方法的标准化、效率和可靠度。

2 传统锻造余量确定的标准

目前，所见到的水压机上自由锻件锻造余量的确定标准主要有两种：

2.1 坐标曲线[2]

这种标准是，在横坐标为零件长度或高度、纵坐标为零件直径或其它尺寸的坐标图上，根据每个可控制的基本余量值，画出所适合的尺寸(长度和直径，或高度和另一尺寸)的范围曲线。即两轴是零件尺寸，中间是基本余量曲线。

应用时，按横坐标与纵坐标的交叉点上找到所对应曲线，查出基本锻造余量。

该标准直观、简便。但不便绘制并难以直接实现计算机应用。

2.2 数据表格

这是比较常见的两维数据表，通过两个尺寸(长度和直径，或高度和另一尺寸)来查出基本锻造余量。

该标准容易读取，表格容易制作。容易直接利用计算机进行比较计算和查表。目前的行业标准也是按此方法。

以上两种标准的共同缺点是为了简便表达而使得基本余量有不合理的跳跃。比如，有时在划分点上，当长度或直径中的任何一个数值只增加了1 mm，而按照表格的基本余量就需要增加5 mm。就是说，大锻件上基本尺寸有1 mm的变化，就导致了基本余量5 mm的增加，偏差近达10%的总基本余量数值，这显然不合理。又比如，对于两种尺寸相差巨大的锻件，长度相差达4 000 mm，直径相差500 mm，竟然还会出现查出两者的余量完全相等。这也明显不太合理。解决这些不合理问题需要对余量标准作进一步的改进。

3 余量标准的改进

余量太小难以保证锻件的机加工尺寸和表面光洁度，余量太大则浪费金属材料和增加加工成本。为此，精确确定最佳余量是很有必要的。然而，通常余量的确定是按企业标准，要想改进余量就需要改进余量的企业标准。

虽然通常余量的确定是按企业余量标准，但从根本上讲，余量标准还是来自可行的实践中的余量经验数据。表面上余量标准上只含有锻件尺寸和形状影响，现行我国最新行业余量标准：JB/T 9179.2—1999水压机上自由锻件机械加工余量与公差也只是增加了设备影响，但从原理上讲，最佳锻造余量的实际控制主要取决于五大因素：操作者、设备、工艺、工具和材料。为此，改进锻造余量标准，应该是根据这五大因素得出的经验数据，再进行标准化处理的结果。当然，许多情况下，标准需要借鉴和照搬，因为这样处理比较安全和保险。

上重厂1992年以前一直使用70年代的标准。1992年后的锻造余量标准基本上参照了国家专业标准ZB J32 003.2—1988水压机上自由锻件机械加工余量与公差。这个标准比原来使用的标准变化不小。对于光轴类锻件，新标准的划分刻度密度比原来增加了，这更加合理。另一方面，它比原来的上重内部标准简化了取值条件。即将原来长度小于等于4 000 mm时取两倍基本余量，而长度大于4 000 mm时取三倍基本余量，统一改为取三倍基本余量。笔者拿具体锻件，用新老标准进行大量试算后发现，新标准里小型锻件的实际长度余量被放大了，比如∅200 mm × 2 500 mm的余量增加了65%。而大型锻件的实际长度余量被缩小了，比如∅800 mm × 6 300 mm的余量减小了11%。尽管该标准还存在着问题，但这是十多年来企业的一次标准化改进和更新，仍然是企业进步的重要表现。

专业标准ZB J32 003.2—1988后来被改进为现行的行业标准JB/T 9179.2—1999。这个新标准虽然保持了旧标准上的基本余量不变，但它又重新考虑了锻件尺寸和设备大小对实际长度余量的影响，分别用1，1.2，1.5三个系数来计算。它改进并细化了长度余量系数的确定，并增加了按水压机吨位分档次确定来转换修正大尺寸的影响。与1992年前上重使用的余量标准相比，它是螺旋式的上升，该标准是对锻造余量标准精细化的一个重要贡献。

企业要发展，标准是需要不断改进和发展的。

具体改进余量及其标准的实现，主要应当由工艺人员提出，与锻造操作人员、机械加工人员和检验人员共同确定。还应对理论方法和经验数据进行总结和归纳。

随着(1)锻造高级技术工人的培养和技能提高(操作者)；(2)水压机移动横梁精确定位控制水平的提高(设备)；(3)先进的尺寸成形工艺和控制原理更加成熟(工艺)；(4)锻造操作机及先进尺寸测量仪器和定位装置的使用(工具)；(5)充分认识了锻造材料最后成形尺寸大小的影响、材料自身尺寸的变化规律和材料机械加工的属性(材料)以及计算机技术的广泛应用等等，我认为未来企业内部锻造余量标准的发展趋势应当是：

参数化：用公式或函数表达式来表示余量标准，这将更加精确合理，还可以解决传统余量的不合理的跳跃问题。

精细化：划分更多的锻件刻度和余量变化值，考虑更多的余量控制影响因素、用更多更细的数据表格来表示，这将有利于精确控制余量和实现节能节材。

系统化：开发建立锻造余量的管理系统，只要根据研究成果和实际经验数据，调整部分余量，计算机系统就能自动完成曲线拟合与参数化的工作，形成周期动态新标准。系统还会将最终锻件尺寸测量结果，机加工的最后结果进行反馈，形成统计报告和人工智能的决策报告，循环建立和运行动态的锻造余量标准系统，实现最优化的标准化。

4 新的参数化余量确定方法

文献[3]曾提出了大锻件锻压工艺参数化的方法，这种方法具有工艺标准化的作用，还是实现先进生产管理信息化的基础。

根据大锻件锻压工艺参数化的方法，按照现有的坐标曲线法或数据表格法或成熟的实际经验，经过数学推导可以得出锻造余量确定的参数化公式。

例如，根据国家专业标准ZB J32 003.2—1988或者国家行业标准JB/T 9179.2—1999，可以推导出光轴类锻件的基本余量公式。

(1)矩形截面轴

T=(A-160) × 0.017 341+(L-1 600)×0.001 340+20

(1)

式中，T为基本余量，A为矩形截面轴的宽度或高度，L为轴长度。所有尺寸单位为mm。

根据ZB J32 003.2—1988，当方轴细长比L/A≤15时，实际截面上的单面锻造余量为0.5T，实际轴向单面锻造余量为1.5T。当方轴细长比L/A>15时，实际截面上的单面锻造余量为0.6T，其它不变。

根据JB/T 9179.2—1999，当细长比(L/A)等于或大于15 时，截面上的单面余量取0.6a，大于30 时取0.8a。上、下偏差相应放大。长度余量系数的确定按不同吨位分别取1，1.2，1.5。

(2)圆轴

T=(D-160)×0.017 341+(L-1 600)×0.001 340+20

(2)

式中，T为基本余量，D为圆轴的直径，L为轴长度。所有尺寸单位均为mm。

根据ZB J32 003.2—1988，实际截面上的单面锻造余量为0.5T，实际轴向单面锻造余量为1.5T。

根据JB/T 9179.2—1999，当细长比(L/D)等于或大于15 时，截面上的单面余量取0.6a，大于30 时取0.8a。上、下偏差相应放大。长度余量系数的确定按不同吨位分别取1，1.2，1.5。

将上述公式用国家专业标准ZB J32 003.2—1988或者国家行业标准JB/T 9179.2—1999给出的所有零件长度尺寸和零件截面尺寸进行计算，然后与两个标准进行对比，结果是：单向放大基本余量的最大值发生在截面尺寸∅160 mm×1 000 mm处，放大20%；单向缩小基本余量的最大值发生在截面尺寸∅1 250 mm × 12 500 mm 处，缩小10%。当然，如果计算实际长度余量，按比例与两个标准比较，最大放大误差还是20%，最大缩小误差还是10%。但若与上重1992年前使用的实际标准相比，发生在截面尺寸∅160 mm×1 000 mm 处的误差仅为5%，而且是缩小。为此，总体误差不大，完全可以认为，这种方法得出的结果是可以直接在实践中使用的，其结果还可方便地用于计算机辅助大锻件锻造工艺的设计。

式(1)、(2)只是根据国家专业标准ZB J32 003.2—1988或者国家行业标准JB/T 9179.2—1999的数据，经过线性计算和数学线性叠加求出的。如果采用实际经验数据，再加以进一步研究，比如用更加精确的数值方法中的曲线拟合方法，得出的结果将会更加可靠和准确。

[1] 齐作玉.大锻件生产企业面临的问题与挑战.大型铸锻件，2009(6)：36-39.

[2] 锻工手册编写组编.锻工手册：第四分册 自由锻造.1版.北京：机械工业出版社，1974.

[3] 齐作玉.大锻件锻压工艺参数化的研究.大型铸锻件，2010(1)：9-29.