万吨级锻造液压机工艺体系的建立

文／袁海伦，史宇麟，王康·北京机电研究所有限公司，中机（济南）精密成形工程技术有限公司

随着工业经济的发展，大型化甚至超大型锻件的市场需求日益增大，尤其是国防工业和重工业用大锻件的需求更为迫切。大型锻件通常在大型自由锻造液压机上锻造成形，大型锻件制造技术是重大装备制造的基础，因此，大型自由锻造液压机的规格和装备水平经常作为衡量一个国家大型装备制造能力、经济与国防实力的重要标志之一。无论是发达国家还是发展中国家，都十分重视大型自由锻造液压机的发展。

自由锻造液压机的发展

根据帕斯卡流体静力传动的基本原理，液压机是利用高压液体传递工作压力的锻造设备。自由锻造液压机主要在工作缸的压力下，利用其上砧、下砧及相应的辅助工具，对待加工的大型钢锭或锻件进行锻压，使其发生塑性变形，以达到所需的形状和尺寸。

1884 年，英国在曼彻斯特制造了首台自由锻造水压机用来锻造钢锭。在20 世纪中期，随着工业革命的发展，液压传动技术和电子信息技术迅速发展，具有现代控制技术的自由锻造液压机相继出现。自由锻造液压机具有自动化生产、高精锻次数和锻件厚度尺寸精确控制等功能。近年来，我国大型自由锻造液压机在吸收和消化现有的大型自由锻造设备的技术基础上，经过再次创新，研制出具有完全自主知识产权的自由锻造设备与工艺，满足了船舶、冶金、航空、核电和军工等行业对大型锻件产品的需求。

图1 万吨级锻造液压机

现代自由锻造液压机组由于压机速度快，转换频率高，配有操作机等锻造工装辅具，大大缩短了锻造作业时间；操作机送料定位准，机组动作控制精度高；操作机与液压机配合实现自动控制和联动控制。国内现在已具备5 ～195MN 全系列现代自由锻造液压机组的供货能力，全球最大的三台自由锻造液压机相继在国内投产，分别为2008 年于上海重型机器厂投产的由中国重型院设计的165MN 锻造液压机(图1a），2011 年于中信重工投产的由德国PAHNKE 公司设计的185MN 双柱锻造液压机(图1b），2014 年于江苏国光投产的由中国重型院设计的195MN 锻造液压机(图1c）。这些大型锻造液压机的成功建立，说明我国自由锻造装备代表了国际先进的装机水平，提升了我国大型锻压装备的加工能力和机械化水平，为我国核电和火电等行业大型锻件的生产奠定了基础。

万吨级锻造液压机工艺体系分析

万吨级锻造液压机具有规模大，技术复杂，涉及到多个学科和专业，操作起来需要各相关系统相配合，这就要求工艺体系必须具有清晰的逻辑结构、科学的工艺流程、各步骤之间的关系明确，这样才能高效、有条理地管理大型锻件的锻造生产。万吨级锻造液压机的建立需要多领域技术为设备的正常运行提供支撑，总的来说，万吨级锻造液压机工艺体系的逻辑结构是工艺支撑和工艺流程这两部分构成的运行生命体，图2 是4300mm 轧机支承辊锻件在万吨级锻造液压机上的工艺体系结构。

图2 锻造工艺体系结构

工艺支撑

工艺技术基础要素包括各类标准、规范、准则、数据、工具及软件等，万吨级锻造液压机的工艺支撑具体表现为锻件图纸设计标准、钢锭及坯料加热工艺规范、锻造变形方法、冷却及热处理规范、各个步骤操作的工装辅具等。这些要素是客观存在的，必须科学合理地加以使用，并使其创造和产生价值，因此需要将工艺流程加入到工艺体系中去。

工艺流程

在万吨级锻造液压机工艺体系中，工艺流程是工艺技术的体现，大型锻件进行到哪一个生产环节，就需要相应的工艺支撑对其进行规范，确保万吨级锻造液压机正确、合理地加工出合格的大型锻件，使得设计与加工过程都有据可依。工艺支撑和工艺流程在万吨级锻造液压机工艺体系的建立中都是不可或缺的。

锻造工艺体系建立

锻造工艺体系的建立，是万吨级锻造液压机正常运行及锻造出合格产品的关键所在，图3 所示为万吨级锻造液压机的锻造工艺体系设计过程。锻造工艺体系与液压机、操作机、车间布局、大钢锭规格、锻造工艺方法息息相关，建立锻造工艺体系必须考虑这些因素，并在此基础上形成锻造工艺规范，设计制造工装辅具及形成锻造工艺操作规范。

图3 锻造工艺体系的设计

锻造工艺规范

万吨级锻造液压机的锻造工艺规范一般由自由锻件机械加工余量与公差、钢锭及坯料的加热工艺规范、锻后冷却及热处理规范及锻件修整工艺守则等组成。

大型锻件在大型自由锻造液压机上锻造时，需要留有加工余量，以便去除锻件表面不平、歪扭等缺陷，并通过后续加工达到零件所要求的精度和表面粗糙度。结合相关的理论基础、实际经验与厂内现实情况，对可能遇到的各种不同吨位的大型锻件，制定合理的机械加工余量与公差；对各种型号的钢锭及坯料，选择相应的加热炉型、加热速度与保温时间，确保锻件被烧透且能正常锻造，同时避免过烧及烧不透的情况发生；锻件锻造冷却速度的控制以及锻后热处理的选用，这是保证大型锻件获得优良的内部组织以及为后续机加工做准备的必要工艺过程；对大型锻件进行修整，可以进一步消除锻件表面不平、歪扭等缺陷，使锻件达到锻件图纸要求。

从锻件图纸设计的源头开始到大型锻件转移出锻造车间都要遵守这些锻造工艺规范，这些锻造工艺规范的出现不仅为工程师设计锻件加工工艺提供了参考，而且规范了工人施工行为，确保了万吨级锻造液压机被合理地使用，并加工出合格产品。

工装辅具

将数百吨的钢锭及锻件在万吨级自由锻造液压机上进行锻造，需要相配套的工装模具，对大型锻件的各种成形过程进行辅助，并且大型锻件的转移、放置与翻转也需要相应的工装辅具，这不是人力可以达到的。

在大锻件的成形过程中，亦需要相应的辅具配合完成锻造成形。在预锻时，中心压实常用WHF 法、FM 法及KD 法等，它们对于锻造需要的宽砧有不同的要求，增加了砧形，如平砧、V 形砧等，如图4 所示。还有一系列形状的锻件最终成形，需要有相应的工装辅具辅助加工，如，生产轴类锻件的工装辅具主要有各种宽砧及平砧、V 形砧、上下V 形砧、下剁刀、漏盘、平台、垫环、盖板等，生产圈类锻件的工装辅具主要有马架、马架砧子、马杠、芯棒、冲子、回转工作台等。除此之外，还有转移大型钢锭及锻件的通用吊具，主要有铁链、四爪吊钳和套筒等。

万吨级自由锻造液压机在一系列工装辅具的帮助下，可以把大型钢锭如面团一样轻松地反复锻造，使得各种形状的大型锻件被合格地加工出来；万吨级自由锻造液压机在操作机和工装辅具的配合下，可以更快速、高效地完成大型锻件的锻造。

锻造工艺操作规范

图4 中心压实

万吨级自由锻造液压机体型巨大，施工状况复杂，在实际生产管理中，为了保证施工过程顺利推进，需要考虑各个环节之间的关系，对每个环节实现的具体要求进行风险控制与规划，并将风险降到最低。这就需要通过万吨级锻造液压机的操作工艺守则与工装辅具使用说明书来规范施工工人的行动，这不仅能保证锻件可以顺利地加工出来，确保其质量，而且保护工人的人身安全，保证施工装备不被损害。

结束语

本文的工艺体系运用在国内某重机厂建造了18500t 自由锻造液压机，经过不断的生产实践，可以锻造500t 级及以下的钢锭，为船舶、冶金、航空、核电和军工等各行业锻造所需的大型锻件。万吨级自由锻造液压机工艺体系的建立，为全面提升国内大型锻件生产能力提供了坚实可靠的理论和实践基础。