工业化大生产模式下热锻成形设备的发展

文/张长龙·中机锻压江苏股份有限公司孙国强·北京机电研究所

工业化大生产模式下热锻成形设备的发展

文/张长龙·中机锻压江苏股份有限公司孙国强·北京机电研究所

热锻工业的发展

伴随着经济全球化、工业化发展，社会化大生产特征逐步呈现，社会分工越来越细。为了便于实现规模经营，工业生产模式也逐步从多品种小批量生产模式，逐渐向单一特性零件专业化大批量生产转变。热锻工业也不例外，为了更易于实现自动化、智能化生产，以零件特定的锻造成形工艺为特征，如汽车连杆、曲轴、摇臂、转向节、五金工具及镁铝合金、钛合金锻件等均已逐渐呈现集约化、规模化、专业化生产。热锻工业企业也从单纯的锻造成形生产逐渐拉长产业链，实现从单一零件毛坯到成品甚至到部件总成的专业化大批量生产。

设备是为了满足工艺需要，与此相适应的各类热锻成形设备，也将伴随着工业化大生产模式的转变而各自扮演不同的角色。

几种热锻成形设备工艺参数及性能比较

详见表1。

表1 几种热锻成形设备工艺参数及性能比较

图1 模锻锤

工业化大生产模式下几种模锻设备的适应性及发展趋势

热锻成形设备的基本选用原则：设备使用特性（或参数）必须满足模锻件成形的工艺要求及环保要求，还要尽可能满足自动化、智能化要求，并尽量降低生产成本。

锻锤

锻锤的突出优点在于打击速度块、频次高，工艺适应性强，因而模具接触时间短，特别适合要求高速变形来充填模具的场合。例如带有薄筋板、形状复杂的而且有重量公差要求的锻件。但是由于打击速度快，变形速率敏感的低塑性材料不宜在锤上模锻。模锻锤可进行多模膛锻造，无需配备预锻设备，操作简单灵活，适应性非常强，适合一模多件锻造成形的场合。一般情况下需要人工操作，可以小设备干大活。小型锻锤为了提高效率往往采用夹钳操作，以适应工序间的快速变换，由于上模难以设置顶料装置，加之打击振动，一般机械手很难适应。

锻锤是性能价格比最优的成形设备，特别是大型模锻件的成形，锻锤优势十分明显。一台800kJ对击锤相当于4万吨的模锻压力机，其投资成本相当于压力机的三分之一。小吨位锻锤由于使用频率高，往往采用液压驱动，以提高能源利用率，超过400kJ大吨位锻锤则更多从经济性、可靠性出发，往往采用压缩空气驱动更为理想。

小型锻锤为了提高效率往往采用夹钳操作，以适应工序间的快速变换，由于上模难以设置顶料装置，加之打击振动，一般机械手很难适应。大吨位锻锤则采用装取料机或者重载机器人实现工件的抓取动作，而不会考虑夹钳操作。

锻锤在工业化大生产模式下，依赖其工艺特性，更多的适用于多品种、小批量薄类及复杂零件的生产，很难实现自动化生产。

热模锻压力机

热模锻压力机整体刚度高，滑块抗偏载能力强，因而锻出的锻件尺寸精度高，表面质量好，加工余量小，主要用于精密模锻、热挤压和锻件精整工艺等。曲柄压力机行程和压力不能随意调节，不适宜进行拔长、滚挤等制坯操作。此外，曲柄压力机模锻具有静压力的特性，可以锻造一些对变形速率敏感的低塑性材料。设备具有自动顶料装置，便于实现机械化和自动化。热模锻压力机刚性高，锻件精度得到保证，因而适用于单一零件大批量生产。但工艺特性不适用于薄类及复杂零件的锻造成形，一般情况属于大设备干小活。

热模锻压力机在工业化大生产模式下，适合中批量、大批量生产，特别适合形状简单的盘类、轴类零件的连续自动化生产。

图2 热模锻压力机

平锻机

平锻机的工作部分作水平往复运动，锻造过程中坯料水平放置，其长度不受设备工作空间的限制，特别适用于局部镦粗的长杆形锻件和带孔的锻件。锻模有两个分模面，锻件出模方便，可以锻出其他设备难以锻成的，在两个方向上有凹槽、凹孔的锻件（如双凸缘轴套等）。但是，平锻机是模锻设备中结构最复杂的一种，价格贵，投资大，而且需配备对棒料局部加热的专用加热炉。

平锻机由于装模空间较小，很难实现自动化。依赖其工艺特性，一般适用于半轴类产品的单件小批量生产，工业化大生产模式下适应性较差。

图3 平锻机

螺旋压力机

螺旋压力机具有锻锤和曲柄压力机的双重工作特性，能实现各种主要锻压工步，工艺用途广。由于每分钟行程次数少，打击速度低，因而比较适合于模锻一些再结晶速度较低的低塑性合金钢和有色金属。螺旋压力机一般适于单槽模锻，对于厚实的复杂锻件往往采用多机联动来分步完成零件的成形。

电动螺旋压力机、离合器式高能螺旋压力机可实现打击能量、锻打节拍的精确控制，模具可以设置上下顶料装置，很容易与机器人联动实现自动化。工业化大生产模式下适应性较强。

图4 螺旋压力机

液压机

液压机靠液体静压力使工件变形，变形力均匀，容易获得大的工作压力和工作行程，便于压制大型工件或较长、较高的工件，由于工作速度可控，特别适合于等温模锻、超塑性模锻和对应变速率敏感的有色合金锻件模锻。随着轻量化锻件产量与品种的增加，适应于轻质合金热模锻造及等温锻造的高速伺服压力机将有所发展。

模锻液压机趋势：

(1）提高空行程速度，可提高工作频率，中机高速伺服模锻液压机空行程速度可达1m/s，其他普通液压机空行程速度一般不超过0.3 m/s；

(2）实现工作过程速度的伺服控制，成形速度可调范围更广。

(3）模具的软接触，方便采用电加热保持模具的温度控制。

图5 液压机

(4）在高速伺服液压机基础上，研发适应铝合金成形的专用多向锻造或复动成形压机，实现铝合金复杂零件在一次合模条件下完成多次镦挤成形，保证铝合金零件在三向压应力下镦挤锻造成形，从而减少成形工序与工步，便于锻造过程自动化的实现，配备机器人极易实现自动上下料及模具的自动润滑。

(5）模具的自动夹紧、定位、温控加热及顶料装置；

工业化大生产模式下，中机锻压研发的高速伺服液压机依赖其工艺特性，更多应用于轻质有色合金的批量生产及自动化生产。

结束语

热锻常用的设备主要是模锻锤、热模锻曲柄压力机、平锻机、螺旋压力机和液压机，每种模锻设备都拥有各自的结构性能特点，具有不同的适应性。在工业化大生产模式下，应依据成形零件的特点遵循工艺主导的原则，综合考虑专业化、批量化、自动化、低成本化及环保因素，选择最为恰当的热锻成形设备。