大型自由锻非自由化的研究方向

吕亚臣 任运来 齐作玉

(上海重型机器厂有限公司，上海200240)

1 大型自由锻的概念和特征

自由锻的概念是针对模锻而言的。模锻指的是在锻压设备压力作用下，毛坯在锻模形槽中被迫塑性成形的金属塑性成形方法；而自由锻则指的是在锻压设备压力作用下，毛坯部分表面与工具相接触、变形比较自由的金属塑性成形方法。

通常情况下，模锻与自由锻的特点有显著差异，具体见表1。

表1 模锻与自由锻的特点比较Table 1 The comparison between die forging and open forging

大型锻件的特点是锻件的体积大，重量重，其订单需求和生产数量上通常是单件小批量。因此，根据成形方法的主要特点和优点，大型锻件的锻造通常是采用自由锻。

自由锻，尤其是大型自由锻，其自由的概念除了变形比较自由外，其自由的含义在实际生产中也常常被潜移默化的放大了。由于人的天性是向往“自由”，锻造工艺的灵活性和生产操作的个性化也就成了许多人认为是理所当然和天经地义的“自由”。这种“自由”给我们带来了便利，同时也带来了问题。

2 大型自由锻考虑非自由化的意义

2.1 解决大型自由锻所面临的问题

目前我国的大型自由锻液压机数量已居世界首位，据统计，国内100 MN级液压机已经达到16台。从我国整个大锻件生产行业来看，存在着高端能力不足、低端能力过剩、整个行业生产能力不平衡的问题。在这样的环境下，只有提高大锻件的技术水平和产品质量、降低大锻件和生产成本，才能提高企业竞争力。

另一方面，大锻件生产企业都是耗能大户，面对炭排放对人类生存空间造成的严重危害，我们有责任尽一切可能节能降耗。

为此，本文提出了大型自由锻非自由化的必要性，也指出了大型自由锻非自由化的研究方向。

2.2 自由锻非自由化的含义

本文提出自由锻非自由化的含义主要有两层：

(1)研究和应用自由锻塑性成形的非自由化，以便提高材料利用率和锻件质量

有资料表明[1]，100 MN级模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件，而100 MN级自由锻水压机则能锻造重达几百吨的大型锻件。提高模锻压机的设备能力肯定可以提高模锻件的重量，但直接把现有的大型自由锻生产完全转化为模锻生产是不可能的。我们有必要研究各种塑性成形中非自由化的模锻和精密塑性成形方法并在自由锻秤中加以适当引用，以达到提高材料利用率和提高锻件质量的目的。

模锻可以按锻压设备、工艺工序和锻模形槽特点分类。若按锻模形槽特点分类，则主要有开式模锻和闭式模锻。开式模锻要形成飞边，而闭式模锻正常情况下不产生飞边。开式模锻锻造过程中，飞边桥口部分的阻力是逐渐增大的，这种阻力是保证金属充满模腔所必需的。闭式模锻比开式模锻有两个显著优点：一个是不产生飞边，节约材料；另一个是所需的变形力和变形功低，约为开式模锻的30%～50%。前面所说的100 MN级模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件，这种情况下的模锻通常指的是开式模锻。

另外还有一种胎模锻。胎膜锻所需的变形力和变形功比开式模锻低，通常也不会高于闭式模锻。胎膜锻应该是大型自由锻非自由化的一个重要研究内容。

还有许多成熟的特殊或专用锻造工艺，如精密锻造、顶镦工艺、挤压、辊轧、径向锻造、电加热镦粗、曲轴弯曲锻模工艺(全纤维锻造)、多向模锻等，也都各有特色，值得大型自由锻行业研究、学习、借鉴和发展。

我们研究自由锻非自由化成形的目的就是在现有自由锻设备的基础上，研究借鉴各种锻造方法，开创出新的方法，以便克服或减少自由锻的一些缺点。

(2)研究和实施自由锻工艺细节的非自由化，以便减少大锻件质量波动和质量失控

大型自由锻的工艺灵活性在许多情况下属于工艺上的粗糙和随心所欲。同种锻件的生产工艺过程和细节常常是因人而异或大相径庭。其结果是，在许多情况下，人们不能确切知道大锻件的质量好是怎么好的，坏是怎么坏的。许多大锻件的质量也相当不稳定。为了解决这些问题，本文提出研究和实施自由锻工艺细节的非自由化。

自由锻工艺细节的非自由化含义也就是工艺细化和工艺标准化(标准化的含义包括系统化和最优化)。只有有了细化和标准化的工艺，才能评定、改进和稳定工艺，实现稳定控制大锻件产品的质量，减少质量的波动和失控。因此，研究和实施自由锻工艺细节的非自由化之主要目的，就是减少大锻件质量波动和防止大锻件的质量失控。

3 大型自由锻非自由化的可能性

3.1 大型自由锻成形非自由化的可能性

首先是核电、化工和船用等异形大锻件的不断涌现和市场需求数量的稳定增加，使得通过大型自由锻非自由化来提高锻件质量和降低锻件成本有了更大的必要性和驱动力。

其次，大型自由锻设备数量的增加和设备能力的加大，也为锻造上实现非自由化提供了可能的条件。设备控制精度的提高还为成形非自由化提供了成形控制的有利条件。

再者，国内外锻造方面涌现出一些成熟的技术和先进经验，大锻件行业原始胎膜锻技术的应用、积累和发展等，也为自由锻成形非自由化的开展奠定了一定基础。

3.2 曲轴成功案例的启迪

(1)波兰全纤维曲轴TR镦锻法[2]

该方法是20世纪50年代在波兰最先研究成功的一种曲轴弯曲镦锻装置和方法。其原理是通过肘杆机构，把压机的压力分解成垂直弯曲力和比例增加的水平镦粗力，一次成形一拐，从而锻造出整个曲轴。这种装置可以用于包括自由锻液压机在内的多种压机上。这种方法比以前的自由锻方法有材料省、质量高、废品少、生产率高和劳动强度低等显著优点。

(2)天津康库得全纤维曲轴NTR镦锻法

天津市康库得机电技术有限公司在TR法的机构原理上，自己研究设计和制造了专用曲轴的弯曲镦锻机和机构，开发了成熟的工艺，并称之为NTR法。根据其公开的专利信息和样本介绍可知，康库得发明了多项专利(专利申请号：200520025451.7等)。归纳其主要特点有：把TR机构发展成了NTR新型专机；把原来固定机械匹配的弯曲与镦锻发展为计算机控制匹配；发明了可靠的锁模机构，从而减少了压机的功率需求并保证了单拐精度质量；可靠、简单、精确的分度定位装置保证了整体形状精度质量，对置中空柱塞缸、可往复移动供油装置保证了结构紧凑和高效率，新压力机和机构的占地和重量相对传统水压机要小得多，大大节省了设备投资；新设备的能耗较低，加工精度更高，曲轴产品材料利用率达到65%～75%，有很大提高。

(3)日本室兰的曲轴曲臂插板模锻

低速大型船用组合曲轴的曲臂目前还是单独锻造的。日本室兰最早采用了下模和上插板的套模对长方形锻坯进行一种模锻，生产出接近曲臂外形的曲臂锻件。该方法应该属于胎模锻，优点是原理简单、火次少、质量高和节约锻件材料，实际应用效果也很明显。上重在20世纪80年代曾派人在日本室兰学习过该技术，但后来韩国斗山买断和引进了该技术。韩国斗山在使用该方法多年后又放弃了。其原因可能是因为模具装拆操作复杂，曲臂新品种的不断增加和单件小批量的订货也会使模具成本偏高。

(4)武汉重工的曲轴曲臂插板模锻

武汉重工铸锻有限责任公司公开了“船用大型柴油机曲轴曲拐制造工艺及装置”的发明专利(专利申请号：200410060819.3)。与日本室兰制钢所的模具和工艺相比，似乎基本原理相同，应该属于在日本曲轴曲臂插板模锻基础上的发展。然而，武汉重工在国内率先在相对小的压机上用插板模锻法生产出了一定规格的曲臂锻件，有其独到之处。

3.3 自由锻工艺细节非自由化的可能性

传统上，我国大锻件自由锻工艺只是给出每一火次坯料变形的开始与终止尺寸。这些锻造工艺对中间过程的变形参数没有具体规定，实际变形在很大范围内是自由的，工艺细节也是灵活开放的。在质量问题的检查分析过程中，许多高级管理者和技术专家认为，这种自由是质量不稳定的主要原因之一。但是，这种自由却有着其存在的客观原因。比如：不清楚工艺上如何细化才能获得更好的质量；细化会增加操作和控制的难度。

直到20世纪80年代我国部分重机厂(包括上重)引进了日本室兰工艺，我们才看到了工艺细化的效果。我们引进的高温宽砧强压WHF法就是针对单次压下量和每次进砧量作出了详细确切的规定。实践证明，这种细化工艺的WHF法为提高和稳定转子类大锻件的质量发挥了巨大作用。这个例子充分说明了对自由锻工艺进行非自由化研究和推广的必要性及可能性。

另一方面，新的液压机和操作机都实现了数字控制，这些为工艺上详细规定压下量和进砧量，为变形的非自由化工艺表达和实现提供了更加好的控制条件。

4 大型自由锻非自由化研究需要考虑的内容

4.1 困难和挑战

在自由锻塑性成形的非自由化方面存在以下困难：

(1)模具设计制造的成本问题。大锻件单件小批量的生产特征客观存在，成本难以分摊。

(2)设备能力限制问题。非自由化或者限制自由变形必然会增加变形力、提高对设备能力的要求，而为此去投资增加设备能力通常是不可行的。

(3)坯料计算与变形控制问题。非自由化变形的主要目的是减少锻件余量，如果余量大了不仅有悖初衷，还会像开式模锻那样由于飞边的产生而大大增加变形力，难以成形。但是，如果余量小了，金属就可能流不到我们想要充满的地方，导致缺陷。非自由化变形增加了约束条件，坯料的变形规律也比自由锻复杂，坯料的体积计算也难以准确和恰当。

在自由锻工艺的非自由化方面存在以下困难：

(1)工艺细化的关键点难以把握。工艺细化的目的是控制提高大锻件质量。但是，目前还很难把握一个工艺细节对大锻件质量的确切影响程度。其主要原因是大锻件生产无法摆脱两个方面的限制:其一，大锻件生产过程中许多工序都属于特殊工序。特殊工序的加工质量不易或不能通过其后的检验和试验得到充分验证。因此，特殊工序的工序能力通常比较低，难以稳定生产出质量好、可靠性高的产品。其二，大锻件产品属于单件小批量生产，每种产品都有各自的特征，其具体生产过程也都有所不同。其它行业的一些先进的质量控制和改进方法，如科学的统计学分析技术和精密控制装置等，在大锻件生产领域里也统统遇到了应用上的障碍。质量问题的关键原因找不到，工艺细化的关键点也就难以把握。

(2)系统化工艺方法的研究太薄弱。为了实现锻件拔长的中心压实，日本室兰研究出了WHF法，该方法对锻件加热温度、上下拔长工具尺寸、不同直径坯料条件下锻压操作人员必须实施的进给量和相对送进量等做出了系统化的规定。相比而言，我们在这方面的研究基础很薄弱，资源投入也不足。

(3)在推广应用方面较困难。细化工艺会增加工艺人员、操作人员和检验人员的工作量，通常人们都不愿意增加工作难度和工作负荷。

4.2 一些值得研究的方向

(1)低成本的模具和工具

主要内容包括：调研过去、现在和未来的订单数量以及零件尺寸与形状规律，研究共用模具，达到节约模具材料的目的；设计组合式胎模，让变动部分的模块尽可能数量少，造价低；以提高制坯效率和精度为目标，研究大型简便的号印等工具。

(2)利用现有设备干大件的方法和装置

研究非同步或局部成形方法以及使用局部成形模具，实现小设备干大活。

研究多向增力节能机构，如TR机构、下框架四肘杆机构增力机构、其它四连杆或滑块增力机构。

(3)加热方式和加热控制

有资料[2]表明，影响锻件尺寸精度的最主要因素是加热温度。因此研究如何控制加热温度和保证锻件温度的均匀性至关重要。自由锻多采用火焰加热，但应当在一定的生产条件下，考虑和研究感应加热方式。感应加热的优点是可局部加热、节能环保、烧损少(仅相当于火焰加热的四分之一)、质量高、利于实现自动化。

(4)变形的模拟和实验

为了降低成本和把握方向，可通过模拟和实验完成对成形方案和工艺细化步骤的研究。

(5)工艺记录测量和分析系统

通过对工艺细化的记录测量和分析研究，掌握工艺细节对大锻件质量的确切影响程度。

(6)工艺参数化

大锻件锻压工艺参数化的含义主要是将大锻件锻压工艺的参数用科学的函数式来予以表达，对工艺参数进行系统化并实现公式化[3]。大锻件的生产是单件小批量，只有工艺参数化才能把握一个工艺细节对大锻件质量的确切影响程度。只有通过参数化才能得到像WHF法那样的细化工艺的锻造方法。

(7)管理创新

加强和改进管理是实现工艺非自由化的保证，解决人们在接受细化工艺方法上存在的客观和主观困难。生产企业应该通过管理创新让操作人员在接受细化工艺方法上产生自觉自愿的动力。

(8)解放思想，加强边缘学科的研究

我们一直在强调金属塑性成形的非自由化和工艺细节的非自由化，但是，在研究如何做到非自由化的方法上，我们却应当解放思想，大胆创新，摆脱传统理论和片面经验的束缚。比如，在塑性成形原理中，求解圆柱体镦粗变形力时，通常用著名的齐别尔公式[4]计算单位流动压力，再乘以被镦粗体的面积。然而，这样的计算对于大型锻件并不准确。理论计算的镦粗力会远大于实际所需要的镦粗力。这时，我们不能因为计算的设备镦粗力不够而放弃创新的方案。古布金提供的数据表明，当锻件体积曾大1 000倍时，变形抗力将减少60%。这说明，我们在研究探索中，不能因一些传统理论的限制而望而生畏，止步不前。

日本JSW制钢所是世界领先的大锻件制造商。它在其2010年年报的首页上声称：“现今的JSW企业，已经满足信息技术相关工业的需要，如信息和通讯。JSW的全球活动范围已经延伸到它原有领域以外，包括发展一些边缘交叉技术……”。为了早日实现创新，我们在自由锻非自由化方面，也应该学习JSW，跨技术专业、跨组织部门和跨国内外企业的全面展开研究。

[1] 张志文主编，锻造工艺学.1版.北京：机械工业出版社，1983.

[2] 日本锻造协会技术资料汇编9， 锻造生产管理1，中国锻压协会编译，北京.

[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.

[4] 汪大年主编，金属塑性成形原理.1版. 北京：机械工业出版社，1982.