浅谈钛合金自由锻造设备的选择

2019-04-13李进元张智杨佩李维贠鹏飞西部钛业有限责任公司韵海鹰青海聚能钛业股份有限公司

锻造与冲压 2019年7期

文／李进元，张智，杨佩，李维，贠鹏飞·西部钛业有限责任公司韵海鹰·青海聚能钛业股份有限公司

钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、生物相容性好、高温性能好、无磁性和高韧性等一系列重要特性，广泛应用于航空、航天、舰船、核电、医疗、化工、冶金、电子和兵器等领域。钛合金产品主要采用锻造、轧制、粉末冶金及近年来兴起的3D打印等方法制备，锻造是金属材料最广泛的一种成形方式，利用塑性变形生产出各种尺寸的产品，能够通过变形温度、变形程度及变形速率的控制来改善合金的显微组织和性能，与其他生产方式相比，锻造可以生产横截面积更大的产品，同时通过合理的加工和严格的工艺控制，产品性能稳定性很好。

自由锻造在钛合金生产中是非常重要的、必不可少的加工工序。一般来说，锻钢的锻造设备可以锻钛，但钛合金的变形抗力大，而且钛合金的变形抗力随温度降低急剧变大，因此，在变形程度相同的情况下，锻造钛合金比锻造低合金钢需要更大吨位的设备，单位时间内锻打次数更高些。

目前，钛合金自由锻造设备主要有两大类：锻锤和液压机。在锻造过程中，一般根据钛合金坯料的大小，不同牌号钛合金的金属性能，锻造的成品尺寸、形状等因素，选择不同的锻造设备。下面通过锻锤和液压机来介绍钛合金自由锻造设备的选择。

锻锤

⑴锻锤的分类。

通常按照驱动形式将锻锤分为四类：机械锤，蒸汽-空气锤，空气锤，液压锤。

机械锤是由电动机驱动，靠机械传动提升锤头的锻锤。这种锤的优点就是结构简单，投资少。它的缺点就是打击频次低，能量利用率低，生产效率低，锻件精度差。

蒸汽-空气锤是以来自动力站的蒸汽或压缩空气作为工作介质，通过滑阀配汽机构和气缸驱动落下部分做上下往复运动的锻锤，是生产中小型自由锻件的主要设备，它的落下部分重量一般为0.5～5t。它的优点是：结构简单，操作方便，造价低，维修方便。缺点是：能量利用率极低，在1%～2%之间；锻造精度低，由于是梳形导轨形式，锤头导向差，打出的锻件精度低。

空气锤是中小型锻造车间使用最广泛的设备。工作介质也是压缩空气，但它的压缩空气是由设备本身的传动机构带动压缩活塞，将压缩空气传递到工作活塞（锤杆）上进行动作的。常用的规格有250kg、400kg、560kg和750kg。空气锤与其他类型锤相比：投入成本低、无污染，具有使用灵活，操作方便，控制性能可靠等优点，得到了广大用户的认可。

液压锤是以液压油为工作介质，利用液压传动来带动锤头做上下运动，完成锻压工艺的锻造设备。优点是抬锤快，打击快，打击频次高。通电即可工作，节省了辅助动力设备投资，安装方便、占地小，便于车间生产管理。近几十年来，随着现代液压技术和电控技术的高速发展，液压锤因其高效、节能、环保、操作方便、动作灵活可靠等优势，已经逐步成为锻锤中的主力军。

⑵锻锤的使用。

目前，考虑到环保、节能的要求，锻造产品的品质及尺寸精度的要求，机械锤和蒸汽-空气锤在钛合金的锻造中已经基本被淘汰，主要使用的锻锤设备为空气锤和液压锤。其中3t锤以下基本未配备操作机械手，主要靠人使用手钳来完成锻造，这种吨位的锻锤主要生产单重较小，利用人工操作的灵活性来锻造形状复杂的环件、阶梯轴件、异形件等。另外大于3t的锻锤一般都配备有机械手，可以完成单重较小坯料的镦拔及一般产品的拔长、滚圆、冲孔、扩孔等工序。

对于锻锤锻造钛合金，主要优点有锻造灵活、可以生产各类异形件，锻件表面良好。缺点主要有锻造力不足，只能生产一些单重较小的坯料；另外由于击打频率过快容易引起坯料心部的温升，导致锻件过烧而报废。一般情况下，对于组织要求比较高的钛合金棒材及锻件不建议采用锻锤锻造。

液压机

随着钛合金在海洋、化工、航空航天领域的快速发展，锻件大型化趋势日益明显；加之熔炼技术的快速发展，目前西部钛业和宝钛均能生产出直径超过1000mm，单重超过10t的钛合金铸锭。因此，锻锤已不能满足钛合金锻造发展的需求，使用锻造力更大的液压机锻造，金属在静压力下变形，其特点是变形速度低，金属变形热小，容易获得均匀组织，适于锻造各种锻件。

液压机与锻锤相比主要有以下优点：动作平稳、噪声较小、自动化程度高、锻造力更大。

⑴液压机的分类。

液压机是一种利用液体静压力来加工金属等制品的机械。它常用于压制工艺和压制成形工艺，如锻压、冲压、冷挤、校直、弯曲、翻边、薄板拉深、粉末冶金、压装等等。它的原理是帕斯卡定律，是利用液体压强传动的机械。

液压机按照使用工作介质的不同分为水压机和油压机。液压机对工作介质的基本要求是：1)有适宜的流动性和低可压缩性，以提高传动效率；2)能防锈蚀；3)有好的润滑性能；4)易于密封；5)抗氧化，性能稳定，长期工作而不变质。液压机最初用水作为工作介质，以后改用在水中加入少量乳化油而成的乳化液，以增加润滑性并减少锈蚀。后来出现了以矿物油为工作介质的油压机。油有良好的润滑性、防腐蚀性和适度的粘性，有利于改善液压机的性能。目前钛合金在用的液压机大多数是以油为介质的。

液压机按照锻造速度分为普锻机和快锻机。由于钛合金的锻造温度区间很窄，加之随着现代工业的快速发展，人们对自由锻件的尺寸精度和生产效率提出了越来越高的要求，因而对液压机的锻造速度和压下精度的要求也随之提高，为了适应这种要求，快锻液压机应运而生。快锻机的液压系统采用具有快速反应的电磁阀作先导阀，其切换频率高达250次/min，故该阀动态响应快、动作灵敏、启闭迅速，能满足压机快速性要求。在20世纪80年代中期，由西安重型机械研究所和北京重型机械厂研制成国内第1台800t快锻液压机组，在兰石公司投入运行。目前，兰石公司已能生产800t、1600t、2000t、4500t快锻液压机，制造水平有了很大提高，但其液压系统的主要部件如泵、先导阀等还需国外配套。我国快锻液压机的总体水平与德国等发达国家的制造技术相比还有较大的差距。

由于快锻机相比普锻机，具有自动化程度高、运行速度快、可控制压下量、节能节材效果显著等特点，使工作效率更高，提高了锻件外观质量和组织性能、减少了操作人员。因此目前钛合金的自由锻造设备主要使用快锻机。一般不同吨位快锻机的工作范围见表1。