在鍛造液壓機上用四錘頭對鋼錠進行鍛造的工藝優點

文/ 阿·米·沃洛京，尼·巴·彼得羅夫·俄羅斯重型鍛壓機械股份公司

巴·阿·拉佐爾金·俄羅斯重型鍛壓機械股份公司駐烏克蘭區域代表技術科學副博士

在鍛造液壓機上用四錘頭對鋼錠進行鍛造的工藝優點

文/ 阿·米·沃洛京，尼·巴·彼得羅夫·俄羅斯重型鍛壓機械股份公司

巴·阿·拉佐爾金·俄羅斯重型鍛壓機械股份公司駐烏克蘭區域代表技術科學副博士

在鍛造液壓機上用四錘頭鍛造裝置（鍛造模塊）鍛造鋼錠的工藝是不久前（不到10年）才開始在一些工業企業運用的。盡管該工藝本身早在20世紀80年代就已經研制成功，但由于缺少能在艱苦鍛造生產條件下連續兩班或三班工作的鍛造模塊的可靠結構，該工藝方法在生產中的運用受到遏制。2004年，俄羅斯重型鍛壓機械股份公司開始設計在2500t鍛造液壓機上用的工業鍛造模塊，以便用于自己的生產。

現在可以充滿信心地說，俄羅斯重型鍛壓機械股份公司在世界上首次成功掌握了四錘頭鍛造裝置（鍛造模塊）的生產。已經制造的四錘頭鍛造裝置目前分別在俄羅斯幾家工廠的4臺2000t和2臺2500t鍛造液壓機上成功使用，同時還有7臺鍛造模塊正在中國幾家工廠的1000～4500t鍛造液壓機上工作，1臺正在德國的1000t鍛造液壓機上使用。

四錘頭鍛造裝置是惟一集合徑向鍛機的徑向鍛造優點和兩錘頭液壓機的傳統鍛造優點于一身的鍛造工具。四錘頭鍛造裝置可以安裝固定在任何鍛造液壓機（200～15000t的液壓機）的工作臺上，代替普通的錘頭，可以對鋼錠和坯件進行四面鍛造并同時帶有額外的切向力。

四錘頭鍛造裝置側向導板的獨特結構不僅可以保證該裝置的上機體對準下機體以及滑塊對準機體的中心，而且無需使用任何附加機構便可撥開上面固有側向錘頭的滑塊，如圖1所示，以此保證該裝置的緊湊性及其工作中的高度可靠性。

圖1 四錘頭鍛造裝置

四錘頭鍛造裝置可裝備錘頭水冷系統。此外，該鍛造裝置還具有向摩擦部件自動供給潤滑油的系統。該系統的控制裝置配置在液壓機操縱臺上。冷卻系統和潤滑系統使四錘頭鍛造裝置能夠長時間工作，可以在液壓機上三班工作，并且摩擦部件不會出現過熱現象，同時可以保證錘頭工作面的磨損最小。在鍛造液壓機負載工作的情況下，摩擦損耗不大于5％。從經濟和生產工藝角度看，使用四錘頭鍛造裝置的壓機采用的鍛造工藝和徑向鍛機上廣泛采用的鍛造鋼錠和坯件的方法相比，具有一系列優勢。

坯件和獲得的鍛件

在四錘頭鍛造裝置上可以鍛造圓形、方形和多邊形橫截面的鋼錠和坯件。在這種情況下，坯件長度上的橫截面可以是固定的，也可以是變化的。還可以使用通過開口電弧冶煉、電渣重熔、真空電弧熔煉、連鑄及其他方法煉出的鋼錠，使用預先變形的坯件。例如，可以使用在液壓機、鍛錘或者徑向鍛機上鍛造的坯件，也可以使用軋鋼。鋼錠和坯件可以是實心的，也可以是空心的（例如，管子）。

鋼錠和坯件的材料可以是碳素鋼、中合金鋼、工具鋼、高合金鋼和合金，也可以是任何其他的可鍛造金屬和合金。獲得的鍛件橫截面可以是圓形的、方形的和長方形的，也可以是變截面圓形的。四錘頭鍛造裝置也可以用空心坯件鍛造出橫截面變化的各種鍛件如圖2所示。

圖2 變截面空心鍛件

按照傳統工藝，可使用長芯棒在鍛造模塊上制造管狀鍛件如圖3所示。

圖3 帶毛坯的長芯棒

該工藝需要使用標準芯棒和涂抹到芯棒上的潤滑材料。為了取下鍛件，芯棒沿長度方向有相應錐度，所鍛管件也開有錐形孔。在鍛造過程中，芯棒與毛坯一起使鍛件經錘頭逐漸移動。這樣一來，變形源也縱向沿芯棒移動。

鍛件尺寸取決于芯棒尺寸和鍛造力。芯棒按照具體鍛件的內尺寸設計，要考慮其制造材料的許可強度。舉例說明：在俄羅斯重型鍛壓機械股份公司2500t鍛造液壓機上，用一臺操作機和直徑φ500mm的芯棒，可制造出最大長度為5000mm的管件，而采用φ160mm的芯棒，可制造長度為3000mm的管件。俄羅斯重型鍛壓機械股份公司開發并推廣了用四錘頭鍛造裝置及短芯棒鍛打管件的工藝如圖4所示。

圖4 用四錘頭及短芯棒在液壓機上鍛打管件

為了實現該工藝，不僅要有液壓機、操作機和鍛造裝置，還要有芯棒支撐裝置。第2臺操作機或專用裝置可作為該裝置使用。具有專門幾何形狀、且內部帶水冷的短芯棒通過長支架直接安裝在錘頭下方。

毛坯變形源總是位于芯棒的同一區域內（不縱向沿其位移），因此，在被鍛管件中的孔缺乏較大錐度。按照該工藝，可獲得更長的管子，因為該長度不取決于芯棒的強度。俄羅斯重型鍛壓機械股份公司擁有鍛打合金鋼管的經驗，其尺寸為外徑650mm、壁厚100mm、長度7500mm。用液壓機加兩臺操作機進行鍛造，鍛管的工作原理如圖5所示。

該方法主要難度在于要保證毛坯在不粘連的情況下經芯棒步進式通過。這需要由多種因素保證，其中包括芯棒幾何形狀、錘頭、潤滑劑、冷卻劑以及其他方法。俄羅斯重型鍛壓機械股份公司已經掌握了該工藝。

圖5 鍛打管件的工作原理

工藝生產效率

當按照傳統的工藝用兩錘頭鍛造時，每次擠壓后金屬會出現很大的側面展寬。因此，坯件在其縱向軸心方向上的拉伸強度實際上就降低了。這就導致必需對坯件進行補充翻轉和擠壓，以便獲得所需的橫截面和長度。

坯件通過在四錘頭鍛造裝置內四面擠壓后，其金屬沒有側面展寬或者側面展寬達到最小限度。這樣，只需要對坯件進行較少的擠壓和翻轉，就會提高鍛造效率。我們通過將φ350mm的坯件鍛造成φ150mm的鍛件對兩種工藝進行了比較分析。

按照第一種工藝，在液壓機上用兩個凹砧對φ350mm的高速切削工具鋼的鋼錠按以下示意流程對坯件進行了鍛造：φ350mm→320mm×365 mm→φ320mm→290mm×330mm→φ290mm→260mm×300mm→φ260mm→240mm×270mm→φ240mm→220mm×250mm→φ220mm→200mm×230mm→φ200mm→ 180mm×210mm→φ180mm→ 160mm×190mm→ φ160mm→150mm×170mm→φ150mm。鍛造出φ150mm的粗毛坯需要18次鍛造行程。

按照第二種工藝在四錘頭鍛造裝置上鍛造同樣φ350mm坯件的示意流程如下：φ350mm→ 240mm×355mm→ 240mm×200mm→150mm×150mm→φ150mm。鍛造出φ150mm的粗毛坯，在四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時總共需要4次鍛造行程，也就是說比用兩錘頭鍛造約減少了7/9的行程次數。

在四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時，每次單一擠壓時金屬變形較大，這就使得金屬能夠在最佳溫度范圍的較大時間間隔內進行鍛造。這同樣可以減少坯件工序間的加熱次數，因此可縮短生產工藝周期。由于減少了坯件的鍛造行程次數和縮短了坯件的工序間加熱次數，與兩錘頭鍛造相比，在四錘頭鍛造裝置上的鍛造工藝流程效率提高了50％～200％，根據原始坯件和獲得的鍛件的不同而定。

能量消耗

與傳統的兩錘頭鍛造相比，在四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時，采用了更加經濟的鍛造方法減少了能量的消耗。在坯件進行每次單一擠壓時，金屬的整個變形是縱向沿軸心流動，而沒有側面展寬。在這種情況下，鍛造行程次數減少了數倍。

在АKP500/2.5型成套鍛造設備上對幾個毛坯進行鍛造，以便確定能耗，該成套鍛造設備包括一個500t的液壓機和一個載荷量為2.5t的操縱機。在АKP500/2.5型鍛造機組上，將φ210mm、長度1070mm的40ХН型鋼材坯件鍛造成φ95mm鍛件的機時為：用凹砧鍛造需18.0833min，用四錘頭鍛造裝置鍛造僅需7.25min，折合為鍛造1t鍛件需相應花費1.04h和0.42h的機時。所以，在該條件下凹砧的鍛造生產率等于0.96t/h，而四錘頭鍛造裝置的鍛造生產率等于2.38t/h。

通過提高鍛造生產率，減少了各種液壓機工作時實現的鍛造能量消耗。用凹砧鍛造時，制造1t鍛件所需的能量消耗見公式⑴：

用四錘頭鍛造裝置鍛造時，制造1t鍛件所需的能量消耗見公式⑵：

式中 E1、E2——能量消耗，J；

t1和t2——用凹砧和四錘頭鍛造裝置進行鍛造的相應機時，s；

λ——考慮到設備負載的系數， 0.75；

W——電機總的額定功率，W。

生產1t鍛件節省的能量見公式⑶：

在SX26型四錘頭徑向鍛上機鍛造相同的坯件的鍛造機器時間為0.45h。

在徑向鍛機上制造1t鍛件的能量消耗見公式⑷：

這樣一來，在SX26型四錘頭徑向鍛機上鍛造1t鍛件的能量消耗比在帶有四錘頭鍛造部件的液壓機上多18.5kW·h。由于在四錘頭鍛造裝置液壓機上鍛造行程次數減少和強力變形后反向生熱作用，得以從工藝過程中減少一些額外的工序間加熱或者完全放棄兩錘頭鍛造時采用的工序間加熱。鋼錠或坯件一次加熱的拉伸系數可達4～9。例如，在四錘頭АKP500/2.5鍛造裝置上，用工具鋼鍛造1t鍛件的天然氣耗量可減少120～230m3。

節約金屬

在四錘頭鍛造裝置上用特種結構的錘頭進行四面擠壓的方式可保證坯件表面區域的壓縮應力，這樣完成的鍛件就不會有表面的缺陷?？蓽p少輾軋加工時金屬不合格表面層的出現，增加合格金屬的產出量。此外，減少了坯件額外加熱的次數，也就減少了金屬的燒損，這會增加合格金屬的產出量。

俄羅斯重型鍛壓機械股份公司完成的研究證明，在2500t壓機的四錘頭鍛造裝置上用表面有裂縫狀缺陷的、質量為7～10t的結構鋼和工具鋼鋼錠進行鍛造時，這些缺陷的深度不但沒有增加，相反卻由于其坯件縱向軸向的拉伸而縮小了，同時提高了鍛造比。俄羅斯重型鍛壓機械股份公司為電鋼股份公司冶金廠提供的2500t液壓機的四錘頭鍛造裝置上用08Х18Н10Т、ЭИ696А和ЭИ703鋼錠進行的鍛造試驗證明：

⑴四錘頭鍛造裝置的鍛造工藝甚至可以把因表面缺陷不合格的ЭИ696А和ЭИ703鋼錠鍛造成合格的鍛件。要是在電鋼股份公司冶金廠使用兩錘頭按照傳統的工藝流程對這樣的鋼錠進行鍛造，金屬就會因裂縫而報廢。

⑵與用兩錘頭鍛造相比，減少了坯件的兩次額外加熱。

⑶金屬質量（機械性能、宏觀和微觀結構）符合標準技術文件的要求并且達到在液壓機上用傳統方法鍛造的金屬水平。在電鋼股份公司的實驗室對金屬的質量進行了研究。

在四錘頭鍛造裝置上進行鍛造可保證鍛件尺寸的高度精確性。這可使鍛造企業進行鍛造的生產周期內節省30％～50％的鍛件余量。因此，可提高金屬的利用率，同時也可減少鍛件機械加工時的能量消耗和切削工具的消耗。

鍛件精度

只有采用專門為該工具研制的、用四個錘頭鍛造的新方法時，四錘頭鍛造裝置才能有效地工作。鍛造方法，包括用兩副錘頭對坯件進行擠壓。這兩副錘頭位于兩個相互垂直的平面上，同時在下錘頭方向上向坯件施加標準的擠壓力和剪力，進給坯件在每次行程后將坯件翻轉45°。在這種情況下，根據鋼錠和成品鍛件橫截面尺寸的不同，在鍛造裝置上可以有幾種四錘頭鍛造方法。其中一種工藝規程是在方形和八面形橫截面坯件的中間行程內進行交替輪換。

為了對金屬的鑄造結構進行更強烈的變形加工，需對鋼錠進行擠壓，使其變形程度達到部分金屬被擠壓到錘頭之間的空間內。其結果是被擠壓坯件部分的金屬體積會發生額外變形。坯件翻轉45°后，被擠出的金屬體積壓入變形程度很大的坯件內，以此保證對坯件金屬鑄造結構、軸心區進行強力變形加工。這種四錘頭擠壓的方式不僅可以對坯件的表面，而且可以對坯件的整個橫截面造成壓縮應力，這會減少金屬表面缺陷層的厚度（或者完全沒有表面缺陷層），同時還可消除金屬鑄造結構的內部缺陷。

俄羅斯重型鍛壓機械股份公司完成的研究證明：在2500t液壓機的四錘頭鍛造裝置上用質量7～10t的碳素鋼鋼錠進行鍛造時，當鍛造比為3.1～3.8時，可保證獲得的鍛件沒有內部氣孔并且符合金屬微觀結構質量的高指標要求。在四錘頭鍛造裝置上鍛造的鍛件不僅金屬質量高，而且精度也高。與傳統的兩錘頭鍛造相比，在四錘頭鍛造裝置上用特種結構的錘頭對鍛件進行校準可減少1/2～3/5的公差和1/3的余量，還可以鍛造近似軋制坯件表面粗糙度的棒材。這樣一來，鍛造質量為1t的φ（300～370）mm的鍛件就可節省近50kg的金屬。

為了在工作中確定鍛造的變形效應，對在四錘頭鍛造裝置上用圓形橫截面坯件鍛造的鍛件內的最終變形情況進行了實驗性研究，坯件內放置了坐標格柵，上面帶有縱向配置的心軸。研究表明：即使在鍛造比系數不大的情況下（K＝1.56～2.49），也可發現鍛件軸心區內變形強度的增加。

為了確定在四錘頭鍛造裝置上的鍛造效果，還對鍛件的金屬質量進行了比較研究，這些鍛件是在鍛造液壓機和徑向鍛機上按照第聶泊特鋼股份公司冶金廠采用的工藝流程鍛造的。按照兩種工藝規程用Х12МФ鋼鍛造的φ122mm鍛件，在四錘頭鍛造裝置上鍛造坯件可大大降低鍛件整個橫截面的碳化不均勻性，即根據奧地利某公司的等級表，表面層從32降到13級，半徑中間從35降到14級，鍛件截面中心從35降到14級。同時，在徑向鍛機上鍛造的鍛件內，金屬的微觀結構很不好：半徑中間的碳化不均勻性為24級，而橫截面中心的碳化不均勻性為34級。

工作中研究了在四錘頭鍛造裝置包括500t液壓機在內的АKP500/2.5型鍛造機組上用復雜合金鋼和合金鍛造的坯件的主要微觀結構質量指標（形態、分散性和碳化相的分布）和特性。研究表明，由 于 對В11М7К23-МОД、USP18K23-MODPM合金坯件的強度徑向移動鍛造，保證了細散性金屬間化合物（Fe、Co）7、（W、Mo）6型相和Fe2W（Mo）型萊夫斯相的均勻分布。用這些合金鍛造的坯件經過淬火和陳化后具有很高的硬度（69～70 HRC）、抗彎曲強度（σ＝2300～2600MPa）和耐熱性（690～700℃）。除此之外，在該工作中進行的研究還證明，用兩錘頭鍛造時，由P12M3K8Ф2鋼鍛造的φ（80～100）mm的坯件內保存有5～6級的碳化不均勻性。在四錘頭鍛造裝置上鍛造這種鋼，可將φ（80～100）mm坯件內的碳化不均勻性降低至3～4級。同時，與傳統的兩錘頭鍛造方法相比，還可實現對坯件整個橫截面金屬的深加工。

結束語

在鍛造行業專家國際會晤上（西班牙，桑坦德市，2008年11月3日～7日），來自西班牙，雷諾薩市的專家提交的報告中說，四錘頭徑向鍛造裝置的結構可造成金屬扭轉效果，這會改善鍛件的宏觀結構。根據完成的模擬試驗和進行的實驗性研究證明，使用四錘頭徑向鍛造裝置會對坯件整個橫截面上的變形分布產生良好作用，同時還可消除冶金起源的缺陷（例如，空洞、縮孔）。在上面進行過研究的四錘頭鍛造部件，從2003年起一直在該公司的2500t鍛壓機上工作，用來鍛造質量5～7t的碳素鋼、合金鋼、結構鋼和工具鋼鋼錠。

在俄羅斯重型鍛壓機械股份公司鍛造車間2500t液壓機的四錘頭鍛造部件上為全蘇輕合金研究所股份公司進行了2В、ЭП742ИД和ЭИ698ВД合金鋼錠的試鍛。在全蘇輕合金研究所股份公司完成的對鍛造棒材質量的研究結果證明，其幾何形狀、直徑極限偏差和宏觀結構完全符合對類似半成品的要求。通過額外的剪力變形，保證了金屬結構的加工，這些額外的剪力變形是通過該裝置的結構和鍛造的工藝形成的。用四錘頭鍛造裝置鍛造這些合金的主要優點是：提高鍛造工藝規程生產率0.5～1倍；通過減少公差范圍提高棒材尺寸精度1倍。

從2005年至今，四錘頭鍛造裝置就在俄羅斯重型鍛壓機械股份公司的兩臺2500t液壓機上工作，用來鍛造質量5～10t的碳素鋼、結構合金鋼和工具鋼鋼錠。使用2500t液壓機四錘頭鍛造裝置的經驗證明了以下幾點：

⑴與在該液壓機上用傳統的兩錘頭鍛造鋼錠相比，鍛造工藝的生產率平均提高一倍。

⑵在四錘頭鍛造裝置上按鍛造工藝鍛造鍛件時，合格金屬的產量增加10％～12％。

⑶在四錘頭鍛造裝置上校準鍛件可獲得高精度的鍛件。

⑷由于不用對坯件進行額外加熱，所以天然氣消耗量減少了25％～30％。

在2500t壓機上長期使用四錘頭鍛造裝置證明，研制的該裝置的結構非?？煽?。經濟效益核算證明，在2500t鍛造液壓機上使用四錘頭鍛造裝置來鍛造結構合金鋼和工具鋼鍛件，與在鍛造液壓機上對鋼錠進行傳統的工藝鍛造相比，降低了生產成本，費用回收期降為1～4個月。由此可見，與眾所周知的傳統的自由鍛造工藝相比，四錘頭鍛造裝置的鍛造工藝具有本質的技術經濟優勢。