径向锻技术的应用及其发展

宋 涛，赵升吨，刘洪宝

(西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049)

0 前言

径向锻造的基本原理由奥地利科学家B.Rralowetz博士于1946年提出。第一台四锤头径向锻机诞生于上世纪60年代。到70年代中期已有6.5MN至25MN的径向锻机相继问世并应用于高合金钢和其他合金的大型坯料和连铸锭的锻造。目前，全世界不同型号和配置的径向锻机已有数百台。国外径向锻技术和设备的研发技术已相对成熟。世界上主要的径向锻机和附属设备制造商，如奥地利的GFM，德国的西马克·梅尔 (SMS Meer)和意大利的Danieli等公司已制造出可锻打最大外径1.2 m的径向锻机并应用于生产。

随着国内市场对高性能锻造的强劲需求，我国于上世纪70年代中期开始研究液压式径向锻机，目前研发和制造水平都有了很大提高。本文将从径向锻压的工作原理和特点，论述其在国内外的应用和发展。

1 径向锻造的工作原理和特点

径向锻造是一种在同一平面上同时对轴类零件施加多个周向均匀分布的锻打力的成形方法［1］。径向锻机的基本原理如图1所示。沿零件周向均匀分布的多个锤头在驱动机构的带动下在径向方向进行开合运动，同时零件在夹持机构的带动下沿轴向送进，在送进的过程中根据工艺的要求控制工件旋转的速度。个别径向锻机在锻打过程中锤头可在轴向进行微小摆动或低速转动。零件受到均匀分布的高速、高频、短冲程的锻压力，材料在高静水压力的应力状态下沿轴向、径向流动。

图1 径向锻原理示意图Fig.1 Schematic diagram of radial forging

影响材料可加工性的因素有材料的成分、金相组织状态等内在因素，以及加工时的应力状态、温度、变形速率等外在因素。径向锻造在加工过程中在周向同时施加压力，使得在变形过程中材料内部产生较高的静水压力，材料在较高静水压力状态下的延展性得以提高，裂纹敏感的脆性材料在该状态下变形不易产生裂纹，一些已有的裂纹也可被压合。由于高频锻打，产生的变形热使得整个锻打过程中温降小，容易实现等温锻造，特别适用于高温下偏析严重的高合金钢。等温锻造能较好地控制晶粒大小，可实现全截面细晶锻造。同时整个零件的锻打过程可以在一次加热后完成，可减少工厂中的再次加热设备数量。

径向锻加工的零件精度高、表面粗糙度低，同时力学性能好。热锻管件的内径尺寸公差可达±0.1 mm;冷锻工件外径尺寸公差达±0.1 mm，内径公差达±0.025，工件表面粗糙度可达3.2～0.4 μm［2］。由于径向锻过程中温降小，模具的致冷作用弱，相对常规锻造过程不会在工件表面形成变形死区，相反表面变形大于心部变形。在锻打过程中工件的大部分材料处于相同的变形状态。对一般的实心轴坯或高合金钢锭的开坯，只要达到足够的锻造比，心部均可锻透。锻打后的工件内部金属纤维流线较为理想，晶粒的解离增多，使其强度大幅度增加。

径向锻机自动化程度高，生产率高，材料消耗低。目前径向锻机已采用数控技术，锻打频率高，工步之间无间断，所以生产效率高。由于径向锻所锻工件精度高，加工余量小，可显著节约原材料，特别针对空心台阶轴相对切削加工可节约材料30% ～50%［3］。

尽管上述各种优点，径向锻也有其固有的缺点和不足。由于设备的结构复杂、锤头往复运动行程范围被限定在了特定区间。在不更换锤头的情况下，工件的变形空间较小。相比自由锻液压机，同吨位的径向锻机锻锤的最大锻打力相对较小。对高强度材料，高频的锻打和设备的最大锻打力限制了每次锻打的变形量，变形区域容易限定在靠近零件表面的区域。同时，径向锻机结构复杂、造价高、前期投入大、维护成本高，可锻打的零件多为轴类零件，且坯料的最佳锻打直径和尺寸都有限定。虽然径向锻的生产效率高，但只针对批量生产，对单件小批量生产经济性不佳。另外，如果坯料冶金品质差，径向锻造锻合坯料芯部缺陷的能力较锻锤差。

2 径向锻的分类

根据锻打时工件的温度不同，径向锻可分为热锻工艺和冷锻工艺。目前大多数径向锻工件都采用热锻工艺，锻前坯料可为铸锭或预制的轴类坯料。冷锻工艺主要应用于对成品尺寸精度要求较高的接近成品的工件，常被应用于自动化生产线中。

根据工件锻打时的送进方法不同，可分为沿轴送进、随模送进和镦粗送进，如图2所示。［1］

图2 锻造的不同送进方法Fig.2 Different feed-in modes of forging

(1)沿轴送进。工件从锻机的一侧进入，夹头在锻机的一侧或两侧控制工件的通过锤头的旋转和送进速度。该方法是圆棒和圆坯加工的最常用方法。

(2)随模送进。工件在一端被夹持，模具特定区域形成所需要的形状。该方法常被用来配合芯模锻打空心件以及闭模锻打。

(3)局部镦粗。棒管料局部加热后施加一个轴向力，将加热处局部镦粗后径向锻打成形。在镦粗过程中或采用芯模来控制内孔的形状和尺寸。

根据设备配置不同，径向锻可分为机械驱动、液压驱动和机液混合驱动三大类。

(1)机械驱动径向锻机。该锻机的典型结构如图3所示［4］。安装在外围的偏心轴带动连接其上的双滑块机构将转动转换为直线运动。通过蜗轮蜗杆带动的行程调节螺纹将运动传递给锤头。锤头的同步通过驱动四个偏心轴的齿轮系保证锻锤的行程位置可通过四组蜗轮蜗杆同时或成对地同步改变从而可加工圆形、方形或长方形横截面的工件。全机械驱动径向锻机的刚度较高，可得到较高的工件尺寸精度。

图3 机械驱动径向锻机机械驱动结构Fig.3 Structure of mechanical drive for radial forging press

(2)液力驱动径向锻机。该锻机的典型结构如图4所示。锤头和模具直接连接在液压驱动的执行部件上。变形量和变形速率可被很好地控制。与机械驱动不同，模具运动速度根据工件的尺寸、形状和材料的不同而不同。对高强度材料大变形锻打需要锻机有较大的锻打力。相对机械式驱动径向锻机，液力驱动径向锻机的锻打频率往往偏低，这主要是由于液压系统的特性决定的。同时因为液压油的压缩性，液压驱动径向锻机加工的工件最终精度相对较低。

(3)机液混合驱动径向锻机。该锻机的典型结构如图5所示。在该设备中4个偏心轴被布置在八角形的机架上，由集成在锻造箱中的同步齿轮系驱动。锤头的主驱动力仍由偏心轴提供，锤头和偏心轴之间连接液压垫用以调节模具的行程位置，同时液压垫也可以起到过载保护和实时测量锻打力的功能。液压垫只需要非常小的安装空间，使得这类锻机的设计相当紧凑。

该类设备的锻打频率是由偏心轴的驱动系统决定的，相对纯液力驱动锻机，能得到更高的锻打频率，从而获得更高的尺寸精度，表面质量和生产效率。

图4 液力驱动径向锻机Fig.4 Diagram of hydraulic drive for radial forging press

图5 机液混合驱动径向锻机Fig.5 Diagram of hydraulic-mechanical combination drive for radial forging press

3 径向锻造的应用及发展趋势

3.1 径向锻机的应用

径向锻造应用范围广泛，通过不同的工艺可加工不同形状的轴类和管类零件。图6所示为采用径向锻工艺加工的零件［5］。这些零件包括大直径长回转体的台阶轴、锥形轴;薄壁管形件的缩口、缩颈;带有特定形状的内孔，如内花键、来复线枪管;异性材，如矩形、六边形、八边形等多边形棒材。除一般的碳钢，还可应用于合金钢、工具钢、铜合金、铝合金和镁合金等。特别适用于低塑性、高强度的难溶金属，如钨、钼、锆、铌及其合金的开坯和锻造。同时也可锻造粉末烧结锭、白口铸铁等锻造性很差的材料。

图6 通过径向锻加工的部分零件Fig.6 Partial parts made by radial forging press

3.2 径向锻造设备的发展方向

随着工业界对高性能锻件的持续增长的需求，径向锻机的最大锻造能力逐年增大，同时更加智能化的控制系统和管理系统被广泛采用，使得径向锻机不断地向智能化、大型化。精密化的方向发展。表1～表3为三种典型径向锻机的部分型号和性能汇总。

表1 GFM公司部分机械驱动径向锻机性能Table 1 Performances of some GFM radial forging presses with mechanical drive mode

表2 SMS MEER公司部分液力驱动径向锻机性能Table 2 Performances of some SMS MEER radial forging presses with hydraulic drive mode

表3 GFM公司部分机液混合驱动径向锻机性能Table 3 Performances of some GFM radial forging press with mechanical and hydraulic drive mode

径向锻机的最大加工能力近年来已有了大步提升。但就目前的工业发展来看，工业界依然需求能锻造更大、更长的实心或空心锻件的径向锻机出现。然而从GFM公司设计的30MN的径向锻机来看，设计制造同类更大吨位锻机的趋势明显放缓。主要原因是一方面超大型锻件往往需求量不多，即便超大型设备被研发出来其利用率和经济性均不佳，同时大型径向锻机的制造成本往往是一般开式压力机的数倍甚至更高。因此在上世纪中叶，人们就尝试将一般的开式压力机改造为径向四模锻压机。但其商业化的改造方法直到不久前才得以出现［6］。图7所示为该 结构的原理图。该改装组件的基模1安装在液压机的工作平台，上模3直接连接在液压缸上，基模和上模构成的斜锲驱动侧模2、4同步横向运动，从而将通用液压机改装成为径向开模锻机。

图7 多模径向锻改装组件Fig.7 Modified assembly of multimode radial forging press

俄罗斯重型锻压机械股份公司 (JSC Tyazhpressmash)在该领域实力强劲。已为10 MN、20 MN、30～45 MN的锻压机进行了改造，2012年该公司还将为60 MN的锻压机进行径向四模锻的改造。同时该公司已计划在不久的将来将该技术应用于150 MN的锻压机上。

3.3 径向锻造工艺模拟研究

数值仿真的方法应用于径向锻工艺过程和装备的研究已有较长的历史。Domblesky和Altan采用二维轴对称有限元法研究了热径向锻过程中机械和热力学行为。Jang和Liou采用三维非线性有限元模型在不考虑工件运动的情况下研究了锻打过程中的残余应力。Ghaei采用有限元方法研究了不同形状模具对工件成形的影响，计算中考虑了模具形状沿轴向和周向的分布对加工的影响［7］。Chen采用非线性耦合有限元方法预测了大直径管类零件在热径向锻的变形情况，在其模型中考虑了应力场和热场的耦合以及与材料变形速率相关的弹粘塑性材料模型。H.Afrasiab等采用三维非线性有限元法研究了径向锻过程中工件的旋转对工件内部残余应力分布的影响，指出为保证良好的应力分布，在锻打接触期间工件应保持静止［8］。Chen采用非线性三维有限元方法对热径向锻过程中材料气孔压合的情况进行了研究。结果表明静水压应力对气孔的压合有明显的提升;对于有芯模的径向锻，气孔主要在径向缩减;对于无芯模的情况，气孔主要沿外模具和气孔的切线方向缩减。研究指出，同时采用V形外模具和芯模将会对气孔的缩减有很大改善［9］。结合有限元计算方法，Poursina还采用人工神经网络方法预测热径向锻的成形力。目前，应用于径向锻有限元的理论已经相对完善，研究者正采用更加精密的数学模型对加工过程进行更接近真实状况的模拟。

图8 采用非线性有限元计算的不同锻打次数后的工件形貌［10］Fig.8 Nonlinear FE calculated features of forging pieces after different forging times

4 我国径向锻造装备的现状

我国在20世纪60年代，引进首台机械传动的4×3400 kN径向精锻机，落户太原［11］。至今已引进各类径向锻机数十台。其中北重集团、宝钢特钢、中原特钢、江苏天工等企业近几年引进的13～18 MN大吨位径向锻机代表世界径向锻机的先进技术水平。这些设备主要用于锻制特种钢、工具钢和车轴、炮管等锻件，整体使用效果比较理想。

我国早在50年代，机械工业部济南铸造锻压机械研究所就开始了两锤头径向锻机的研究工作，至今由该所设计的三锤头、四锤头小吨位(D65-85、D65-100和D65-125型)径向锻机已投入使用，并积累了一定的研发经验。1979年，大连特钢厂牵头制造了一台3400kN径向锻机;中国一重采用大连精工锻压高新技术公司提供技术制造的4×4000 kN径向锻机，投产后的年加工量达2000吨。然而限于材料、结构和工艺等的制约，我国大中型径向锻机的研发至今未完全成功。除此而外，兰州兰石集团凭借其在液压快锻设备研发过程中积累的相关经验也投入到液力驱动径向锻机的研发队伍中。

随着我国机械加工能力的逐步提升，设备配套零部件的逐步改进以及在设计过程中经验的逐渐积累和研发环境的持续改善，大吨位、高精度、高技术密集的径向锻机国产化正在逐步成为现实。

5 结束语

径向锻造技术由于其高速、高精度、高静水压力、可控锻温度等优点，在特种材料、高合金钢和轴类零件的应用越来越广泛。近些来，随着机械制造能力的进一步提升，计算机技术和有限元方法的发展，径向锻设备和工艺理论研究在设备优化、变形机理和新工艺探索上日趋成熟。我国对该领域正在展开广泛和更加深入的研究工作，已取得一定进展。

［1］ Atin，S．L．S．，ASM Handbook Metalworking:Bulk Forming ［M］．ASM International，2005．

［2］ Walter，L．，The use of precision dorging machines［J］．Metal treat drop forg，1965，32(239):296－303．

［3］ 中国机械工程学会塑性工程学会，锻压手册［M］．2008．

［4］ Blaimschein，G．and Seeber A，Swaging machine［M］．US Patents 6308546，2001．

［5］ Sahoo，A．K．，Tiwari M．K，Mileham A R，Six Sigma based approach to optimize radial forging operation variables［J］．Journal of Materials Processing Technology，2008．202(1-3):125 －136．

［6］ Lazorkin，V，Melnykov Y，New technologies of forging of ingots and blanks by four dies in open-die forging presses［A］．in Proc．18th IFM 2011 ［C］．2011:Pittsburgh，USA．326－332．

［7］ Ghaei，A，Movahhedy M．R，．Die design for the radial forging process using 3D FEM ［J］．Journal of Materials Processing Technology，2007．182(1 –3):534－539．

［8］ Afrasiab，H，Movahhedy M．R．，Numerical study of the workpiece rotation effect on the strain and residual stress distribution in the cold radial forging process［A］．ASME Conference Proceedings［C］，2010:785－792．

［9］ Chen，J．Study of void closure in hot radial forging process using 3D nonlinear finite element analysis［J］．The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012(1):1－11．

［10］ Chen，J．，et al．，Three-Dimensional nonlinear finite element analysis of hot radial forging process for large diameter tubes［J］．Materials and Manufacturing Processes，2010，25(7):669 －678．

［11］ 解卓明，四锤头精锻机国产化的初探 ［J］．锻压机械，1995．