文/洪濤·南京汽輪電機（集團）有限責任公司

蔣鵬·北京機電研究所

國內(nèi)輥鍛技術裝備的研究與應用（上）

文/洪濤·南京汽輪電機（集團）有限責任公司

蔣鵬·北京機電研究所

在金屬塑性體積成形領域中，連續(xù)局部塑性成形是一個重要的組成部分。這種工藝在軋制領域的應用已相當成熟，如板材、型材和管材等軋制技術。軋制成形的特點之一是只能生產(chǎn)不同形狀橫截面的產(chǎn)品，生產(chǎn)變截面產(chǎn)品的連續(xù)局部成形工藝如輥鍛、楔橫軋、旋壓和擺輾等是在20世紀50年代逐漸發(fā)展起來的，并迅速取得了廣泛的應用。

輥鍛是指用一對相向旋轉的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝。在工業(yè)應用中，輥鍛既可作為模鍛前的制坯工序為長軸類鍛件提供鍛造用毛坯（稱為制坯輥鍛或普通輥鍛），亦可在輥鍛機上實現(xiàn)主要的鍛件成形過程或直接輥制出鍛件（稱為成形輥鍛或稱精密輥鍛）。

國內(nèi)外的技術狀況

輥鍛變形的技術特點

圖1 輥鍛原理圖

輥鍛是將軋制變形引入鍛造生產(chǎn)中的一種成形工藝，基本原理見圖1?？梢钥闯觯谳佸懽冃芜^程中，坯料在高度方向經(jīng)輥鍛模壓縮后，除一小部分金屬橫向流動外，大部分金屬沿坯料的長度方向流動。因此，輥鍛變形的實質是坯料在壓力下的延伸變形過程，適用于減小坯料截面，如軸類件的拔長，板坯的輾片等。輥鍛工藝具有以下優(yōu)點：

⑴提高鍛件質量和降低廢品率。輥鍛制坯不僅可以獲得形狀、尺寸和表面質量較好的毛坯，避免因制坯形狀問題造成的鍛件折疊、充不滿等缺陷，而且輥鍛過程中的連續(xù)局部變形使得金屬纖維的走向和鍛件形狀一致，金相組織均勻、致密、機械性能高，有利于得到機械性能良好的鍛件。另外，由于輥鍛機節(jié)拍穩(wěn)定，輥鍛坯料溫度一致性好，有利于得到尺寸穩(wěn)定的模鍛件。

⑵提高生產(chǎn)效率。輥鍛制坯效率大大高于空氣錘或模鍛錘上制坯的效率，解決了一般鍛造線中錘類設備制坯效率低影響整線生產(chǎn)效率的問題，為提高生產(chǎn)節(jié)拍提供了保證，例如采用φ460mm自動輥鍛機四道次制坯的效率可達8s一件，一般使用自動輥鍛機的連桿生產(chǎn)線年生產(chǎn)能力可達100萬件。

⑶節(jié)約原材料。由于輥鍛制坯精度高，尺寸穩(wěn)定，可減小下料重量，在模鍛工步采用小飛邊鍛造，鍛件材料利用率和空氣錘制坯相比有較大提高。

⑷節(jié)約能源。有以下幾點原因：材料利用率提高，下料重量變小，所需加熱能量減??；輥鍛機組主電機功率遠小于同能力空氣錘電機功率；由于效率高，實際每件工件的占用制坯設備時間即用電時間減少。

⑸減小模鍛主機打擊力，提高鍛造模具壽命。輥鍛制坯的坯料精化，鍛造飛邊小，因而對模具的磨損小，有利于鍛造模具壽命的提高，同時減小了模鍛主機的打擊力，對延長模鍛主機的使用壽命有利。

教師或樓管員到達系統(tǒng)圖像識別區(qū)域時，高清攝像頭會對其面部進行圖像拍攝，圖片將會被傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部，并對其進行人臉檢測與識別。系統(tǒng)集成云日志、RFID雙層驗證、手機管理認證等一系列安全保障機制，以進一步加強系統(tǒng)的安全性。圖2為人臉識別工作原理圖。

⑹改善勞動條件，減少操作人員。輥鍛是連續(xù)局部靜壓成形，沖擊、振動、噪聲小，改善勞動工人條件，降低勞動強度，自動輥鍛機理論上可以做到無人操作。

國外的研究與應用情況

國外20世紀50年代開始熱模鍛壓力機得到迅速發(fā)展，由于熱模鍛壓力機上不適合拔長、輥擠等制坯工步，因此在熱模鍛壓力機上模鍛軸類鍛件時，必須配有制坯輔助設備，這就大大促進了輥鍛工藝和輥鍛機的應用和推廣。如美國雪佛蘭（CHEVROLET）汽車公司1955年安裝的模鍛設備中，14臺16000～60000kN熱模鍛壓力機就配有10臺規(guī)格不同的輥鍛機。德國某汽車廠的前軸鍛造工藝，原用3臺空氣錘制坯供應坯料還很緊張，鍛件質量低，金屬消耗大，飛邊損失達20%，后來采用一臺自動輥鍛機制坯就滿足了生產(chǎn)要求，且鍛件質量好，材料利用率提高。前蘇聯(lián)某汽輪機葉片廠對200余種葉片采用了輥鍛制坯工藝，使材料消耗降低16%，一年即可節(jié)約合金鋼585t。

現(xiàn)在，自動輥鍛機和熱模鍛壓力機及步進式機械手組合成的先進鍛造生產(chǎn)線已成為一種標準配制而被世界各大鍛造廠采用。在制坯輥鍛的孔型設計方面美國國立機械公司、德國EUMUCO公司等都總結出了自己的設計方法。在輥鍛CAD技術的研究上，德國漢諾威大學的Deoge于1991年開發(fā)出Semgment軟件至今仍在被應用，近年來又有輥鍛模具三維CAD專用軟件開發(fā)成功并獲得良好的應用效果。圖2是德國EUMUCO公司的取得了廣泛應用的ARWS型自動輥鍛機的結構圖。

圖2 ARWS型自動輥鍛機的結構圖（EUMUCO公司）

國內(nèi)的研究與應用概況

我國從20世紀60年代開始研究輥鍛技術，原吉林工業(yè)大學在這方面做了大量的工作，發(fā)表了專著，并取得了很有價值的研究和應用成果，例如連桿的成形輥鍛應用研究，汽車變截面板簧的輥鍛技術與設備，機引犁鏵、護刃器具和農(nóng)墾鋤頭的輥鍛，扳鉗工具輥鍛工藝，以及一些其他種類的軸類件的輥鍛工藝的研究與開發(fā)等。北京機電研究所對葉片精密輥鍛技術應用作了長期深入研究，其成果曾獲得國家科技進步二等獎。上海交通大學、原第二汽車制造廠、河北科技大學、大連鐵道學院等單位的技術人員也對輥鍛工藝理論和應用做了有益的探索。

近年來輥鍛技術裝備的應用范例

汽車前軸精密輥鍛技術及其持續(xù)改進

20世紀90年代初開發(fā)出前軸精密輥鍛模鍛工藝，主要工藝流程為：中頻感應加熱→4道次精密輥鍛（1000mm帶程控機械手自動輥鍛機）→彎曲、模鍛（25MN以上螺旋壓力機）→切邊（10MN摩擦壓力機）→熱校正（16MN摩擦壓力機）。由于該工藝不需要萬噸級的壓力機，可大幅度降低生產(chǎn)線的投資。

前軸精密輥鍛模鍛工藝和裝備技術進步過程主要體現(xiàn)在以下4方面：

⑴輥鍛機輥鍛能力的提高。最初開發(fā)出加強型680mm輥鍛機，可用于50kg以下的小型前軸的精密輥鍛，后來在引進德國技術的930mm輥鍛機的基礎上開發(fā)出1000mm輥鍛機，在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)，該種輥鍛機在進行100kg以上的前軸精密輥鍛生產(chǎn)時有能力不足的現(xiàn)象，于是2003年又開發(fā)了加強型1000mm輥鍛機。

⑵從最初的有料頭輥鍛改進到無料頭輥鍛提高了材料利用率。最初的前軸精密輥鍛件中包含自動輥鍛夾持部分的料頭，后來嘗試將夾持部分作為模鍛坯料的一部分模鍛成形，這樣可以明顯提高材料利用率，目前鍛件材料利用率一般可以達到90%以上。

⑶采用數(shù)值模擬等先進手段輔助設計，使設計精準化，大大縮短了工藝調試時間。圖3為前軸精密輥鍛工藝的模擬結果，為第一至第四道次的輥鍛件形狀。

⑷減少輥鍛道次。最初的精密輥鍛設計為四道次輥鍛，其中第一道次輥鍛的變形比較小，變形部位不多，變形部位的延伸率一般在1.1以下。后來將第一道次和第二道次合并，開發(fā)了三道次精密輥鍛技術，可以明顯提高生產(chǎn)效率，縮短工藝調試時間，改進后的工藝有利于彈簧座部分的成形。

圖3 前軸精密輥鍛工藝的模擬結果

表1 鍛件材料利用率等的對比

前軸的預成形輥鍛技術開發(fā)推廣

⑴16t模鍛錘上采用預成形輥鍛技術的應用實例。

中國重汽鍛造廠一直用16t錘生產(chǎn)前軸，后來開發(fā)出預成形輥鍛模鍛工藝，流程如下：中頻感應加熱(1600kW中頻感應加熱爐)→預成形輥鍛(φ1000mm輥鍛機)→彎曲、終鍛(16t電液錘)→熱切邊→熱校正。

表1所示為鍛件的材料利用率的對比，圖4是預成形輥鍛和制坯輥鍛工藝飛邊大小的對比?？梢钥闯?，預成形輥鍛工藝的材料利用率得到了很大的提高，相對于前兩種工藝，預成形輥鍛工藝的材料利用率提高了8%左右。材料利用率的提高隨之帶來的是鍛件材料費用和加熱費用的降低，每年按生產(chǎn)15萬件計算，年節(jié)約材料費用在千萬元以上。

圖4 預成形輥鍛和制坯輥鍛工藝飛邊大小的對比

圖5 前軸鍛件照片

⑵萬噸電動螺旋壓力機自動化生產(chǎn)線上應用。

湖北三環(huán)車橋公司的前軸鍛造九線由中頻感應加熱爐、1000mm輥鍛機和德國舒勒公司生產(chǎn)的PZS900電動螺旋壓力機和KUKA機器人組成，其前軸生產(chǎn)工藝流程為：中頻感應加熱(兩臺2000kW中頻感應加熱爐)→預成形輥鍛(φ1000mm輥鍛機)→彎曲、終鍛(PZS900電動螺旋壓力機)→熱切邊(J55-1600高能螺旋壓力機)→熱校正（YD32-2000四柱液壓機）。采用兩道次預成形輥鍛，輥鍛調試周期相對較短，圖5所示為該工藝調試后最終打出的鍛件，鍛件充填飽滿，輪廓清晰，質量優(yōu)良。

《國內(nèi)輥鍛技術裝備的研究與應用（下）》見《鍛造與沖壓》第7期