陳全，張亞好

(1.中色科技股份有限公司，河南洛陽(yáng)471039;2洛陽(yáng)卓聯(lián)液壓機(jī)械有限公司，河南洛陽(yáng)471000)

我國(guó)有色金屬工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃(以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)劃)中明確提出要針對(duì)國(guó)家航空航天等重大工程需求，著力發(fā)展大規(guī)格棒材和鍛件、大直徑管材及擠壓型材等。而自由鍛工序的作用是將鑄錠開(kāi)坯成板帶軋制用的板坯和管材、型材擠壓用的棒坯和大型模鍛件生產(chǎn)用的坯料，以及生產(chǎn)鍛棒和鍛件。目前我國(guó)能生產(chǎn)鈦及鈦合金鍛棒的最大尺寸為Φ400mm，但隨著我國(guó)大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)等重大項(xiàng)目的上馬，要求鍛棒最大尺寸達(dá)到Φ500 mm，甚至達(dá)到Φ600 mm［1］。規(guī)劃中將“大規(guī)格棒材，熱軋鈦合金中厚板，厚度0.4 ～1.0mm、寬度1500mm 冷軋鈦薄板，大卷重(單重3t以上)鈦帶等產(chǎn)品生產(chǎn)項(xiàng)目”列為鈦產(chǎn)業(yè)的“精深加工重點(diǎn)工程”。可以預(yù)見(jiàn)的是，在未來(lái)的鈦加工行業(yè)中，大規(guī)格鈦合金棒材和寬幅板帶材等將會(huì)是行業(yè)發(fā)展的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，必然會(huì)新上一批專(zhuān)用于鈦合金棒材鍛造和寬幅板帶材開(kāi)坯的自由鍛快鍛機(jī)。

現(xiàn)代化鈦?zhàn)杂慑戃?chē)間的主要工藝設(shè)備，包括快鍛機(jī)及其操作機(jī)、鍛造加熱爐、機(jī)加設(shè)備和修磨設(shè)備等，其中快鍛機(jī)的設(shè)備投資占整個(gè)鍛造車(chē)間設(shè)備投資的60%以上，且快鍛機(jī)的基礎(chǔ)深度和設(shè)備高度決定了廠房的基礎(chǔ)深度和高度，決定了整個(gè)鍛造車(chē)間的工程造價(jià)。因此在確定了快鍛機(jī)的結(jié)構(gòu)型式以后，合理選擇快鍛機(jī)的主要設(shè)備參數(shù)如設(shè)備最大載荷、凈空高和鍛造頻次等，將影響快鍛機(jī)的設(shè)備設(shè)計(jì)與投資，對(duì)節(jié)約項(xiàng)目投資具有重要意義，本文將從這幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 快鍛機(jī)的最大載荷

快鍛機(jī)的最大載荷主要根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)格來(lái)確定，是快鍛機(jī)開(kāi)坯能力的體現(xiàn)，主要影響設(shè)備的裝機(jī)功率、主缸的大小和設(shè)備重量，是快鍛機(jī)最重要的參數(shù)之一。確定最大載荷有兩種方式，一種是根據(jù)理論計(jì)算來(lái)確定，另一種是依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

1.1 理論計(jì)算確定

一般情況下，鑄錠鐓粗時(shí)需要的壓力是最大的。根據(jù)鐓粗力計(jì)算公式:

其中:P——鐓粗力，kg;

f——摩擦系數(shù)，取 0.5［3］，

D——鐓粗后坯料的直徑，mm;H——鐓粗后坯料的高度，mm;

F——鐓粗后坯料的橫截面積，mm2;

σb——鐓粗溫度下坯料的抗拉強(qiáng)度，kg/mm2。

可以看出，鑄錠直徑越大，鐓粗力越大;鐓粗后坯料的橫截面積越大、徑高比越大則需要的鐓粗力越大。因此可以根據(jù)成品的合金品種和尺寸以及所選擇的鑄錠尺寸來(lái)計(jì)算快鍛機(jī)的最大載荷。

要實(shí)現(xiàn)鐓粗必須滿(mǎn)足的鐓粗工藝條件，一是鑄錠高徑比≤3，最好控制在2 ～2.5［3］;二是鐓粗變形量應(yīng)充分，應(yīng)大于其臨界變形量，并考慮鐓粗后拔長(zhǎng)的可操作性。就我國(guó)目前情況來(lái)看，能生產(chǎn)的工業(yè)純鈦?zhàn)畲髨A錠為 Φ1600mm［1］(15t VAR 爐生產(chǎn))，能生產(chǎn)的最大鈦合金圓錠為 Φ860mm［4］(TC4合金，EB 爐生產(chǎn))。如果按照高徑比2.5，鐓粗變形量40%計(jì)算，即最大純鈦錠的尺寸為Φ1600mm×4000mm(實(shí)際上不可能，因其重量已超過(guò)36t)，鐓粗后的坯料尺寸為Φ2065mm×2400mm;最大鈦合金錠的尺寸為Φ860mm×2150mm(重約5.6t)，鐓粗后的坯料尺寸為Φ1110mm×1290mm。根據(jù)鐓粗公式計(jì)算，則純鈦錠需要的鐓粗力為 95MN(σb取 2.5MPa，900℃［3］)，TC4鈦合金錠所需的鐓粗力為 72MN(σb取 6.5MPa，900℃［3］)。

1.2 依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)一些鈦材加工企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，40MN快鍛機(jī)可鍛造開(kāi)坯10t的工業(yè)純鈦錠，提供寬度1300mm的鍛造板坯;60MN快鍛機(jī)可鍛造開(kāi)坯15t的工業(yè)純鈦錠，提供寬度1600mm的鍛造板坯。

國(guó)外鈦鍛造企業(yè)的快鍛機(jī)一般為30～60MN，可以生產(chǎn)最大直徑為Φ500mm的鈦合金棒材［1］，國(guó)內(nèi)目前僅有寶鈦和寶鋼可以穩(wěn)定生產(chǎn)Φ350mm的鈦合金鍛棒，Φ400mm的鈦合金鍛棒產(chǎn)品性能和質(zhì)量還不穩(wěn)定。從國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)鈦合金大規(guī)格棒材的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，可以選擇60～100MN的快鍛機(jī)來(lái)生產(chǎn)Φ500mm、甚至Φ600mm的大規(guī)格鈦合金鍛棒。

需要指出的是，快鍛機(jī)的最大載荷不一定是快鍛機(jī)的名義載荷。例如某廠的80MN快鍛機(jī)其名義載荷為80MN，但可以將液壓系統(tǒng)壓力由31.5MPa提升至40MPa，把最大載荷提升至100MN。這樣做的好處是既滿(mǎn)足了鐓粗時(shí)的載荷要求，又減少了主缸的直徑和設(shè)備功率，從而減輕了設(shè)備重量，降低了設(shè)備投資。

2 快鍛機(jī)的凈空高

快鍛機(jī)砧子夾緊面之間的凈空高度L(即活動(dòng)橫梁耐磨板底緣至移動(dòng)工作臺(tái)上緣之間的凈距)(圖1)，是由快鍛機(jī)所能生產(chǎn)鍛件的最大高度或開(kāi)坯鐓粗鑄錠的最大長(zhǎng)度來(lái)決定的。凈空高主要影響快鍛機(jī)設(shè)備本體重量、總高度和廠房高度，根據(jù)是否考慮大規(guī)格成品環(huán)件(Φ≥3m)的生產(chǎn)來(lái)確定凈空高。

2.1 不考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)

圖1 快鍛機(jī)的凈空高Fig.1 Clearance height of fast forging press

在此情況下，快鍛機(jī)的凈空高可由活動(dòng)橫梁的工作行程S(圖2)確定?；顒?dòng)橫梁的工作行程即主工作缸的行程，在不考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)的情況下，主要由鐓粗時(shí)最大鑄錠長(zhǎng)度和最薄工件厚度決定?，F(xiàn)代化的快鍛機(jī)為了減少換上、下砧，尤其是換上砧的時(shí)間，要求上下砧能夠閉合，以便快速換上砧。一般情況下認(rèn)為快鍛機(jī)的凈空高減去上下平砧的高度就是活動(dòng)橫梁的工作行程。特殊情況下，如為了方便鍛造餅類(lèi)鍛件，設(shè)置了旋轉(zhuǎn)鍛造臺(tái)，而旋轉(zhuǎn)鍛造臺(tái)高度一般都比下砧的高度要低，此時(shí)就要求活動(dòng)橫梁的工作行程更大一些?；顒?dòng)橫梁的工作行程越大，快鍛機(jī)的凈空高就越大，設(shè)備總高度就越高，廠房的高度就越大;同時(shí)由于工作缸裝在上橫梁，工作缸的行程越大，工作缸就越長(zhǎng)，相應(yīng)的上橫梁高度和快鍛機(jī)的立柱高度就要增加，從而增加了設(shè)備重量;在鍛造速度一定的情況下，主缸越長(zhǎng)，所需的液壓油量也越大，就需要更大的泵和主電機(jī)，增加了設(shè)備的裝機(jī)容量。

圖2 活動(dòng)橫梁的工作行程Fig.2 Working stroke of the movable beam

2.2 考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)

在考慮成品環(huán)件生產(chǎn)時(shí)，快鍛機(jī)的凈空高主要由最大環(huán)件的尺寸來(lái)確定。環(huán)件的生產(chǎn)包括沖孔和擴(kuò)孔兩道主要工序，擴(kuò)孔時(shí)需要去掉下砧并換成馬架(又稱(chēng)馬杠)進(jìn)行擴(kuò)孔(圖3)。因此，快鍛機(jī)的凈空就由最大環(huán)件的外徑Φmax、上砧高度h上確定，根據(jù)圖3可知，L=Φmax+h上+h1，其中h1是實(shí)現(xiàn)鍛造所必需的安全距離，一般取100～300mm。如前所述，要實(shí)現(xiàn)上下平砧的閉合，快鍛機(jī)的凈空高減去上下平砧的高度就是活動(dòng)橫梁的工作行程。因此如果所生產(chǎn)的最大環(huán)件的外徑越大，在上下砧高度確定的情況下，則活動(dòng)橫梁的工作行程也就越大，設(shè)備造價(jià)越高。有時(shí)為了降低設(shè)備投資，而選擇較小的活動(dòng)橫梁工作行程，增加下砧的高度，因?yàn)樵黾酉抡韪叨人鶐?lái)的設(shè)備造價(jià)的增加，遠(yuǎn)小于因主缸長(zhǎng)度和上橫梁高度增加而帶來(lái)的設(shè)備造價(jià)的增加。

圖3 馬架擴(kuò)孔簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of saddle forging

隨著更加高效、節(jié)能且成本更低的輾環(huán)(又稱(chēng)軋環(huán))工藝的不斷發(fā)展，快鍛機(jī)將只為輾環(huán)機(jī)提供環(huán)件坯料，不再生產(chǎn)環(huán)件成品，尤其是直徑超過(guò)3m的大規(guī)格環(huán)件。

3 快鍛機(jī)的鍛造頻次

快鍛對(duì)于鈦合金的鍛造尤為重要，因?yàn)殁伜辖鸬腻懺鞙囟确秶?、散熱快，需要在較窄的溫度范圍內(nèi)爭(zhēng)取到較多的鍛造時(shí)間，否則就需要增加鍛造火次，增加生產(chǎn)成本。因此，鍛造頻次高有利于鈦合金的鍛造。鍛造頻次是指在一定鍛造力下和一定鍛透深度前提下快鍛機(jī)每分鐘連續(xù)加載的次數(shù)，它與活動(dòng)橫梁的空程、回程和工作行程速度密切相關(guān)。

一般認(rèn)為，在快鍛機(jī)設(shè)備載荷確定的條件下，活動(dòng)橫梁的工作行程速度越快、空程和回程的速度越快，鍛造頻次就越高，生產(chǎn)效率越高。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，快鍛機(jī)和操作機(jī)是聯(lián)動(dòng)動(dòng)作的，快鍛機(jī)空程和回程時(shí)，操作機(jī)也要進(jìn)行鉗杠提升、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，需要一定的操作時(shí)間。例如對(duì)于大型快鍛機(jī)(40MN以上的快鍛機(jī))來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)類(lèi)似于平板、法蘭軸、環(huán)件或襯套時(shí)，當(dāng)操作機(jī)需要6 s時(shí)間將坯料從相對(duì)水平位轉(zhuǎn)到高位時(shí)，快鍛機(jī)用400mm/s速度只在3 s內(nèi)達(dá)到上極限的位置是完全沒(méi)有用處的，因?yàn)椴僮鳈C(jī)跟不上鍛造的節(jié)奏。

另一方面，快鍛機(jī)在空程移動(dòng)時(shí)，無(wú)論速度多快，都沒(méi)有生產(chǎn)任何鍛件，但是，當(dāng)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，快鍛機(jī)運(yùn)行越快需要耗能越多，而且額外的組件像充液閥和油箱或大型的低壓管道，會(huì)減少快鍛機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性和可用性，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下。所以，高的空程和回程速度對(duì)快鍛機(jī)頻次的提升并不明顯。因此決定鍛造頻次的主要因素在于活動(dòng)橫梁的工作行程速度，工作行程速度越高，材料的變形速度就越高，就越節(jié)省鍛造時(shí)間，有利于鈦合金的鍛造。

鍛造頻次越高，設(shè)備的裝機(jī)功率就越大，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)需要的液壓油量越大，所需主泵就越大，快鍛機(jī)裝機(jī)功率就越高，造成快鍛機(jī)的設(shè)備投資越大。根據(jù)我國(guó)幾個(gè)鍛壓設(shè)備廠的經(jīng)驗(yàn)，快鍛機(jī)電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)成本占快鍛機(jī)制造成本的30%～40%，機(jī)械本體部分占60% ～70%，鍛造頻次提升帶來(lái)的設(shè)備成本增加不可忽視。根據(jù)我國(guó)幾個(gè)大型鈦加工企業(yè)快鍛機(jī)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，40～100MN快鍛機(jī)活動(dòng)橫梁的工作行程速度達(dá)到70mm/s，空程、回程速度達(dá)到250mm/s，鍛造頻次達(dá)到80次/min即可滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需要。

4 結(jié)論

在滿(mǎn)足鈦材生產(chǎn)工藝參數(shù)的前提下，合理選擇快鍛機(jī)的設(shè)備參數(shù)將降低快鍛機(jī)的設(shè)備造價(jià)，從而降低鍛造項(xiàng)目的工程造價(jià)，有利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，具體表現(xiàn)在:

(1)10t的工業(yè)純鈦錠鍛造開(kāi)坯可選擇40MN快鍛機(jī)，15t的工業(yè)純鈦錠鍛造開(kāi)坯可選擇60MN快鍛機(jī);對(duì)于大直徑工業(yè)純鈦(Φ1600mm)和鈦合金鑄錠開(kāi)坯(Φ860mm)，理論上需要80～100MN的快鍛機(jī);對(duì)于Φ400mm以上的鈦合金棒材生產(chǎn)則需要60～100MN的快鍛機(jī)。

采用液壓系統(tǒng)增壓來(lái)實(shí)現(xiàn)快鍛機(jī)的最大載荷，既可滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需要，還可減輕設(shè)備重量，降低設(shè)備裝機(jī)功率，從而降低設(shè)備造價(jià);

(2)不考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)時(shí)，快鍛機(jī)的凈空高由活動(dòng)橫梁的工作行程和上下平砧的高度確定;考慮大規(guī)格成品環(huán)件生產(chǎn)時(shí)，快鍛機(jī)的凈空高由最大環(huán)件外徑和上砧高度確定。

由于輾環(huán)機(jī)的大量應(yīng)用，快鍛機(jī)生產(chǎn)環(huán)件不具備任何優(yōu)勢(shì)，因此在確定快鍛機(jī)的凈空高時(shí)，建議不考慮直徑超過(guò)3m的大規(guī)格環(huán)件的生產(chǎn)，以降低設(shè)備高度和廠房高度，從而降低工程投資;

(3)高的鍛造頻次有利于鈦合金鍛造，但是工作行程速度和鍛造頻次過(guò)高將引起設(shè)備重量和裝機(jī)容量的增加，從而提高設(shè)備造價(jià)。建議40MN以上快鍛機(jī)活動(dòng)橫梁的工作行程速度達(dá)到70mm/s，空程、回程速度達(dá)到250mm/s，鍛造頻次達(dá)到80次/min即可滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝需要。

［1］中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鈦鋯鉿分會(huì).鈦行業(yè)“十二五規(guī)劃”研究［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，(4):

［2］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑形工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)第一卷［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］稀有金屬材料加工手冊(cè)編寫(xiě)組.稀有金屬材料加工手冊(cè)［M］.冶金工業(yè)出版社，1984.

［4］段軍偉.冷床爐熔煉鈦及鈦合金技術(shù)及其應(yīng)用［J］.有色金屬加工，2011，(2):