文/孫嫘·中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司

現(xiàn)代自由鍛造新思考

文/孫嫘·中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司

自由鍛造的傳統(tǒng)定義是利用沖擊力或壓力使金屬在上下砧面間向各個(gè)方向自由變形，而獲得所需形狀、尺寸和一定機(jī)械性能鍛件的一種加工方法。自由鍛造是靠人工操作來(lái)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(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)率也不高。因此它主要應(yīng)用于單件、小批量生產(chǎn)。

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(xué)性能。因此，它在重型機(jī)器及重要零件的制造上應(yīng)用廣泛，并且具有特別重要的意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前年產(chǎn)約370萬(wàn)噸的鍛件中，自由鍛件約占27％，約100萬(wàn)噸，足見自由鍛在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。而現(xiàn)代的自由鍛，從尺寸規(guī)格、技術(shù)等級(jí)到外觀形狀都有了很大的變化，只有在科技如此發(fā)達(dá)的今天才能得到滿足。

新特點(diǎn)

近年來(lái)，我國(guó)電力、石油、化工等行業(yè)迅速發(fā)展，這在很大程度上加速了我國(guó)自由鍛行業(yè)的發(fā)展，它不僅促進(jìn)了我國(guó)鍛造設(shè)備不斷升級(jí)更新，而且加快了該行業(yè)許多新技術(shù)、新材料的誕生。許多幾年前根本無(wú)法想象的鍛件，都慢慢出現(xiàn)在我們的視野里，也正是這些不斷涌現(xiàn)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(chǎn)品的尺寸規(guī)格不斷放大。2007年，以中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司為例，我們所生產(chǎn)的最大鋼錠僅僅260t，筒體類鍛件極限外徑剛剛達(dá)到φ5000mm，最大功率僅僅600MW的轉(zhuǎn)子鍛件，核電鍛件的生產(chǎn)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(gè)又一個(gè)極限，伴隨著鋼錠向新的等級(jí)不斷躍進(jìn)，我們成功生產(chǎn)出了長(zhǎng)5000mm軋機(jī)支承輥、φ6500mm的雙超加氫筒節(jié)，核電汽輪機(jī)整鍛半速轉(zhuǎn)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(wàn)千瓦級(jí)已經(jīng)成了轉(zhuǎn)子功率的常用單位。

⑵產(chǎn)品的技術(shù)等級(jí)不斷提升。這幾年，大型自由鍛逐漸延伸到了其他重要領(lǐng)域，石化容器和核電產(chǎn)品這些對(duì)質(zhì)量、安全等級(jí)要求極高的自由鍛產(chǎn)品在鍛件產(chǎn)品中已經(jīng)占據(jù)了越來(lái)越大的比重。許多自由鍛產(chǎn)品對(duì)技術(shù)指標(biāo)的要求已經(jīng)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(zhì)量對(duì)產(chǎn)品最終質(zhì)量指標(biāo)的影響顯得日益突出。自由鍛件在很多方面，諸如風(fēng)電、火電、核電等高端領(lǐng)域的應(yīng)用，都到了不可替代的程度。高質(zhì)量的自由鍛件促進(jìn)了高科技的發(fā)展，而高科技的發(fā)展又帶動(dòng)了更多高質(zhì)量自由鍛件的誕生。

⑶產(chǎn)品外形越來(lái)越復(fù)雜。幾年前，自由鍛的產(chǎn)品形狀，尤其是大型自由鍛件，由于受集體作業(yè)手工操作方式的制約，通常都簡(jiǎn)化了零件的輪廓，鍛件形狀大都較為簡(jiǎn)單。但是，近幾年，隨著鍛造技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶要求的不斷提升，自由鍛的外形越來(lái)越豐富，許多原來(lái)根本無(wú)法想象的形狀都逐漸實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(gè)從事自由鍛行業(yè)的技術(shù)人員，筆者認(rèn)為有必要重新審視人們對(duì)現(xiàn)在自由鍛的認(rèn)識(shí)，在日常生產(chǎn)中，尤其需要注意以下幾點(diǎn)：

⑴鍛造專業(yè)技術(shù)人員看待自由鍛問題的角度應(yīng)該更高、更綜合?，F(xiàn)在的大企業(yè)，專業(yè)分工都非常細(xì)，但對(duì)一個(gè)高品質(zhì)的自由鍛件而言，技術(shù)人員除了要關(guān)注鍛造專業(yè)方面的問題。例如，怎樣簡(jiǎn)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(yīng)該把關(guān)注的視角投向更多的方向，具體包括這種鍛件對(duì)應(yīng)的鋼種材質(zhì)，材料性質(zhì)如何，冶金環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)什么問題，材料在熱處理環(huán)節(jié)有什么樣的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)，甚至加工過程中容易暴露出什么缺陷等。經(jīng)過一系列的分析，再把分析結(jié)果應(yīng)用于對(duì)鍛造工藝的綜合考慮中，只有這樣的工藝思路才是對(duì)目前自由鍛發(fā)展情況最大程度的適應(yīng)。

⑵從工藝到操作，進(jìn)行一系列監(jiān)控。對(duì)于目前這些大型高端產(chǎn)品的自由鍛造工藝，鍛造工藝人員所需要做的，首先是對(duì)工藝進(jìn)行縝密的分析，并充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工裝條件，進(jìn)行周密完善的工藝制定。工藝下發(fā)僅是一個(gè)高規(guī)格自由鍛件成功的一個(gè)重要組成部分。下一步，工藝人員就需要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和質(zhì)量控制要點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的全面質(zhì)量控制。

圖2 AP1000水室封頭

自由鍛造是一種集體手工作業(yè)，而不同的個(gè)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(jiǎn)單，尺寸易于控制的產(chǎn)品，自然不會(huì)出現(xiàn)太大的差異，即使有所偏差，通過加工時(shí)簡(jiǎn)單的調(diào)整、借偏等操作也非常容易解決問題。但是若鍛造復(fù)雜形狀的產(chǎn)品則必須改變思路，這些復(fù)雜大規(guī)格鍛件往往需要經(jīng)過多個(gè)火次、多個(gè)步驟來(lái)達(dá)到所需要的形狀尺寸，若前面的火次出現(xiàn)偏差，在后面的火次中誤差會(huì)不斷放大，將對(duì)鍛件的形狀尺寸產(chǎn)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(shí)，錐度處于動(dòng)態(tài)變化過程中，而錐度的大小與制坯的壁厚均勻性相關(guān)性極大，特別是對(duì)于一個(gè)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(shí)由于各部分幾乎相互獨(dú)立，因而幾乎無(wú)法靠互相補(bǔ)給來(lái)補(bǔ)償形位誤差。我們也不可能為了保險(xiǎn)起見而把整體鍛造余量過度放大。所以，我們必須嚴(yán)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(shù)要求更多新設(shè)備、新工裝的投入。隨著產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)的不斷提高，幾何形狀不斷復(fù)雜化，幾何尺寸不斷增大，現(xiàn)有設(shè)備的負(fù)荷越來(lái)越大，已經(jīng)無(wú)法滿足更大規(guī)格的自由鍛件需求，必須投入新的設(shè)備來(lái)解決。許多形狀復(fù)雜的鍛件按幾年前的思路通常應(yīng)該是包容鍛造，但是大尺寸鍛件的包容不僅帶來(lái)了巨大的材料浪費(fèi)。更重要的是，包容鍛造使產(chǎn)品的質(zhì)量發(fā)揮不到極致，滿足不了許多產(chǎn)品極為嚴(yán)苛的要求。因此，最大程度的仿形鍛造已經(jīng)成為新時(shí)代鍛造人追求的目標(biāo)，而許多形狀的實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)變觀念，拓展思路，樹立依靠投入新設(shè)備、新工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)更高工藝的目的。

⑷從中小件到超大件，是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過程，需要技術(shù)人員及時(shí)更新思路。越來(lái)越多的實(shí)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(duì)于一個(gè)極其復(fù)雜的形狀，我們可以利用比例件進(jìn)行物理模擬，以此驗(yàn)證工件的成形方法是否合理。但絕不能把工藝參數(shù)簡(jiǎn)單放大，直接應(yīng)用到大件上去，否則將造成不可預(yù)見的后果。例如，中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司近兩年成功生產(chǎn)的超大型核電常規(guī)島半速轉(zhuǎn)子（Nuclear Half-Speed Generator Rotor）如圖4所示，從形狀上看跟普通火電轉(zhuǎn)子幾乎無(wú)異，但我們根本不可能直接將普通火電轉(zhuǎn)子的經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)直接套用到超大型核電常規(guī)島半速轉(zhuǎn)子上。從工藝設(shè)計(jì)到制造，超大型核電常規(guī)島半速轉(zhuǎn)子就是一個(gè)系統(tǒng)工程，其成功制造極其不易。

圖4 核電常規(guī)島半速轉(zhuǎn)子

⑸數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用將成為一種常態(tài)思維。面對(duì)現(xiàn)在日益復(fù)雜的自由鍛件形狀，靠手工計(jì)算不僅難以實(shí)現(xiàn)，而且有些問題根本不可解。但是我們不可能對(duì)所有問題進(jìn)行實(shí)體模擬，因此借助數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)輔助進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)顯得越來(lái)越重要。生產(chǎn)過程中，把數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、工廠實(shí)際設(shè)備工裝條件相結(jié)合，不僅能很大程度地縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，更是我們工藝日趨于完美的一條捷徑。據(jù)資料介紹，德國(guó)目前已經(jīng)開發(fā)了自由鍛在線優(yōu)化技術(shù)，這給自由鍛的發(fā)展注入了很多新鮮的高科技元素。

⑹對(duì)測(cè)量和檢測(cè)手段的更新也是現(xiàn)代自由鍛新的要求。測(cè)量手段尤其是熱態(tài)測(cè)量手段的更新是目前自由鍛發(fā)展面臨的重要問題。以往的產(chǎn)品，尺寸規(guī)格小、形位關(guān)系簡(jiǎn)單，用簡(jiǎn)單的測(cè)量工具和方法就能夠滿足要求。而大型復(fù)雜自由鍛件的熱態(tài)準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)我們而言無(wú)疑是一個(gè)新的課題，從制坯的測(cè)量到成品測(cè)量，測(cè)量不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的結(jié)果可能是尺寸直接超差，也可能使得工人原本認(rèn)為合格的產(chǎn)品發(fā)出到加工機(jī)床上重測(cè)后才發(fā)現(xiàn)尺寸不符而必須重新鍛造。此類的問題，不僅給技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)決策造成困擾，更給生產(chǎn)造成了不必要的成本浪費(fèi)和周期損失。檢測(cè)手段尤其是內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)手段的更新，可以幫助我們?cè)跈z測(cè)更復(fù)雜的產(chǎn)品時(shí)將質(zhì)量盡最大可能地掌握。

結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，自由鍛行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)仍在接踵而至。目前，自由鍛未來(lái)的發(fā)展方向已經(jīng)十分明確，各國(guó)自由鍛企業(yè)紛紛進(jìn)行了新的戰(zhàn)略定位，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同程度和形式的投資。為了適應(yīng)對(duì)鍛件越來(lái)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(shù)。作為一個(gè)現(xiàn)代企業(yè)的鍛造從業(yè)人員，只有不斷地用現(xiàn)代科技知識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)充實(shí)自己，更新理念，才能適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展，為我國(guó)鍛造事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

孫嫘，高級(jí)工程師，德陽(yáng)市有突出貢獻(xiàn)優(yōu)秀專家。主要從事鍛造工藝設(shè)計(jì)，致力于核電和石化產(chǎn)品的鍛造工藝開發(fā)，取得了多項(xiàng)技術(shù)成果，典型成果有CPR1000、AP1000型產(chǎn)品鍛造工藝。目前重點(diǎn)在新產(chǎn)品、新材料鍛件工藝開發(fā)以及超大型鍛件鍛造方法研究。