現代自由鍛造新思考

文/孫嫘·中國第二重型機械集團公司

現代自由鍛造新思考

文/孫嫘·中國第二重型機械集團公司

自由鍛造的傳統定義是利用沖擊力或壓力使金屬在上下砧面間向各個方向自由變形，而獲得所需形狀、尺寸和一定機械性能鍛件的一種加工方法。自由鍛造是靠人工操作來控制鍛件的形狀和尺寸的，所以鍛件精度低，加工余量大，勞動強度大，生產率也不高。因此它主要應用于單件、小批量生產。

同鑄造毛坯相比，自由鍛件能夠在很大程度上鍛合鑄造缺陷，使毛坯具有更高的力學性能。因此，它在重型機器及重要零件的制造上應用廣泛，并且具有特別重要的意義。據統計，我國目前年產約370萬噸的鍛件中，自由鍛件約占27％，約100萬噸，足見自由鍛在我國國民經濟中的重要地位。而現代的自由鍛，從尺寸規格、技術等級到外觀形狀都有了很大的變化，只有在科技如此發達的今天才能得到滿足。

新特點

近年來，我國電力、石油、化工等行業迅速發展，這在很大程度上加速了我國自由鍛行業的發展，它不僅促進了我國鍛造設備不斷升級更新，而且加快了該行業許多新技術、新材料的誕生。許多幾年前根本無法想象的鍛件，都慢慢出現在我們的視野里，也正是這些不斷涌現的新事物，改變了我們腦海中陳舊的觀念，不斷豐富著我們的視野。

⑴產品的尺寸規格不斷放大。2007年，以中國第二重型機械集團公司為例，我們所生產的最大鋼錠僅僅260t，筒體類鍛件極限外徑剛剛達到φ5000mm，最大功率僅僅600MW的轉子鍛件，核電鍛件的生產還是一張白紙。而就在短短幾年間，這一切都被改寫，我們突破了一個又一個極限，伴隨著鋼錠向新的等級不斷躍進，我們成功生產出了長5000mm軋機支承輥、φ6500mm的雙超加氫筒節，核電汽輪機整鍛半速轉子用的560t特大型鋼錠，大型異形封頭鍛件，錐形筒體、接管段筒體，百萬千瓦級已經成了轉子功率的常用單位。

⑵產品的技術等級不斷提升。這幾年，大型自由鍛逐漸延伸到了其他重要領域，石化容器和核電產品這些對質量、安全等級要求極高的自由鍛產品在鍛件產品中已經占據了越來越大的比重。許多自由鍛產品對技術指標的要求已經到了近乎苛刻的程度，材料潛力幾乎被挖掘到了極限，鍛造質量對產品最終質量指標的影響顯得日益突出。自由鍛件在很多方面，諸如風電、火電、核電等高端領域的應用，都到了不可替代的程度。高質量的自由鍛件促進了高科技的發展，而高科技的發展又帶動了更多高質量自由鍛件的誕生。

⑶產品外形越來越復雜。幾年前，自由鍛的產品形狀，尤其是大型自由鍛件，由于受集體作業手工操作方式的制約，通常都簡化了零件的輪廓，鍛件形狀大都較為簡單。但是，近幾年，隨著鍛造技術的不斷發展，用戶要求的不斷提升，自由鍛的外形越來越豐富，許多原來根本無法想象的形狀都逐漸實現了自由鍛。例如，一體化接管段、一體化頂蓋、一體化錐體、水室封頭等形狀怪異的龐然大物都實現了自由鍛。圖1、2就是AP1000一體化接管段（AP1000 Integrated Nozzle Shell）和AP1000水室封頭（AP1000 Channel Head）的示例圖。

圖1 AP1000一體化接管段

新思考

現代自由鍛，尤其是大型自由鍛被注入了太多新的含義，作為一個從事自由鍛行業的技術人員，筆者認為有必要重新審視人們對現在自由鍛的認識，在日常生產中，尤其需要注意以下幾點：

⑴鍛造專業技術人員看待自由鍛問題的角度應該更高、更綜合?，F在的大企業，專業分工都非常細，但對一個高品質的自由鍛件而言，技術人員除了要關注鍛造專業方面的問題。例如，怎樣簡化鍛件圖、怎樣加放余量、怎樣成形，怎樣保證鍛透性和外部幾何形狀和尺寸等。我們還應該把關注的視角投向更多的方向，具體包括這種鍛件對應的鋼種材質，材料性質如何，冶金環節容易出現什么問題，材料在熱處理環節有什么樣的組織轉變特點，甚至加工過程中容易暴露出什么缺陷等。經過一系列的分析，再把分析結果應用于對鍛造工藝的綜合考慮中，只有這樣的工藝思路才是對目前自由鍛發展情況最大程度的適應。

⑵從工藝到操作，進行一系列監控。對于目前這些大型高端產品的自由鍛造工藝，鍛造工藝人員所需要做的，首先是對工藝進行縝密的分析，并充分結合現場設備工裝條件，進行周密完善的工藝制定。工藝下發僅是一個高規格自由鍛件成功的一個重要組成部分。下一步，工藝人員就需要根據產品的特點和質量控制要點，進行現場的全面質量控制。

圖2 AP1000水室封頭

自由鍛造是一種集體手工作業，而不同的個人，不同的群體顯然有著操作能力水平的差異。若鍛造形狀簡單，尺寸易于控制的產品，自然不會出現太大的差異，即使有所偏差，通過加工時簡單的調整、借偏等操作也非常容易解決問題。但是若鍛造復雜形狀的產品則必須改變思路，這些復雜大規格鍛件往往需要經過多個火次、多個步驟來達到所需要的形狀尺寸，若前面的火次出現偏差，在后面的火次中誤差會不斷放大，將對鍛件的形狀尺寸產生致命的影響。

圖3 AP1000錐形筒體

比如，圖3 所示的AP1000錐形筒體（AP1000 Conical Shell）在制造時，錐度處于動態變化過程中，而錐度的大小與制坯的壁厚均勻性相關性極大，特別是對于一個兩端帶直段的一體化錐體，試想錐度若稍有偏差，而在加工時由于各部分幾乎相互獨立，因而幾乎無法靠互相補給來補償形位誤差。我們也不可能為了保險起見而把整體鍛造余量過度放大。所以，我們必須嚴格重視超大型自由鍛件的鍛造全過程，做到操作和工藝并重。

⑶新技術要求更多新設備、新工裝的投入。隨著產品質量等級的不斷提高，幾何形狀不斷復雜化，幾何尺寸不斷增大，現有設備的負荷越來越大，已經無法滿足更大規格的自由鍛件需求，必須投入新的設備來解決。許多形狀復雜的鍛件按幾年前的思路通常應該是包容鍛造，但是大尺寸鍛件的包容不僅帶來了巨大的材料浪費。更重要的是，包容鍛造使產品的質量發揮不到極致，滿足不了許多產品極為嚴苛的要求。因此，最大程度的仿形鍛造已經成為新時代鍛造人追求的目標，而許多形狀的實現是非常困難的，何況還要兼顧組織晶粒度，兼顧性能，這就需要鍛造人轉變觀念，拓展思路，樹立依靠投入新設備、新工裝來實現更高工藝的目的。

⑷從中小件到超大件，是一個從量變到質變的過程，需要技術人員及時更新思路。越來越多的實踐證明，即使形狀完全相同，只是等比放大，超大件和中小件的制造也完全不可能相提并論。對于一個極其復雜的形狀，我們可以利用比例件進行物理模擬，以此驗證工件的成形方法是否合理。但絕不能把工藝參數簡單放大，直接應用到大件上去，否則將造成不可預見的后果。例如，中國第二重型機械集團公司近兩年成功生產的超大型核電常規島半速轉子（Nuclear Half-Speed Generator Rotor）如圖4所示，從形狀上看跟普通火電轉子幾乎無異，但我們根本不可能直接將普通火電轉子的經驗和參數直接套用到超大型核電常規島半速轉子上。從工藝設計到制造，超大型核電常規島半速轉子就是一個系統工程，其成功制造極其不易。

圖4 核電常規島半速轉子

⑸數值模擬技術的應用將成為一種常態思維。面對現在日益復雜的自由鍛件形狀，靠手工計算不僅難以實現，而且有些問題根本不可解。但是我們不可能對所有問題進行實體模擬，因此借助數值模擬技術來輔助進行工藝設計顯得越來越重要。生產過程中，把數值模擬結果與實踐經驗、工廠實際設備工裝條件相結合，不僅能很大程度地縮短研發周期，降低研發成本，更是我們工藝日趨于完美的一條捷徑。據資料介紹，德國目前已經開發了自由鍛在線優化技術，這給自由鍛的發展注入了很多新鮮的高科技元素。

⑹對測量和檢測手段的更新也是現代自由鍛新的要求。測量手段尤其是熱態測量手段的更新是目前自由鍛發展面臨的重要問題。以往的產品，尺寸規格小、形位關系簡單，用簡單的測量工具和方法就能夠滿足要求。而大型復雜自由鍛件的熱態準確測量對我們而言無疑是一個新的課題，從制坯的測量到成品測量，測量不準確所導致的結果可能是尺寸直接超差，也可能使得工人原本認為合格的產品發出到加工機床上重測后才發現尺寸不符而必須重新鍛造。此類的問題，不僅給技術人員現場決策造成困擾，更給生產造成了不必要的成本浪費和周期損失。檢測手段尤其是內部質量檢測手段的更新，可以幫助我們在檢測更復雜的產品時將質量盡最大可能地掌握。

結束語

隨著社會的不斷進步和發展，自由鍛行業所面臨的挑戰仍在接踵而至。目前，自由鍛未來的發展方向已經十分明確，各國自由鍛企業紛紛進行了新的戰略定位，并在此基礎上進行不同程度和形式的投資。為了適應對鍛件越來越高的要求，一些更新、更好的科技手段，必將用于完善和更新鍛造技術。作為一個現代企業的鍛造從業人員，只有不斷地用現代科技知識和創新意識充實自己，更新理念，才能適應新時代的發展，為我國鍛造事業做出貢獻。

孫嫘，高級工程師，德陽市有突出貢獻優秀專家。主要從事鍛造工藝設計，致力于核電和石化產品的鍛造工藝開發，取得了多項技術成果，典型成果有CPR1000、AP1000型產品鍛造工藝。目前重點在新產品、新材料鍛件工藝開發以及超大型鍛件鍛造方法研究。