文/任運(yùn)來(lái)，牛龍江，任杰，曹峰華·上海多向模鍛工程技術(shù)研究中心

多向模鍛是一種先進(jìn)的鍛造技術(shù),它可一次成形出中空且側(cè)壁帶有凸臺(tái)或多方向枝丫的復(fù)雜鍛件，鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機(jī)械加工量少；鍛件流線(xiàn)完整，抗應(yīng)力腐蝕性好，疲勞強(qiáng)度高。使鍛件更好地滿(mǎn)足了機(jī)器、電力裝備、石油化工裝備、航空航天裝備、船舶車(chē)輛等制造行業(yè)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展的需求，已成為鍛造技術(shù)家族中一個(gè)有良好發(fā)展前景和廣泛應(yīng)用的分支。為了加速多向模鍛技術(shù)的推進(jìn),試驗(yàn)研究了四種閥體的多向模鍛工藝,在滿(mǎn)足鍛件尺寸的條件下，鍛件重量減少15%，坯料重量降低28%。

多向模鍛及其特點(diǎn)

從兩個(gè)或更多個(gè)方向?qū)Π诳煞趾夏Ｇ粌?nèi)的坯料施加工藝力，使坯料成形的模鍛方法，稱(chēng)為多向模鍛。如圖1所示。同其他模鍛方法相比，多向模鍛有如下特點(diǎn)：

圖1 多向模鍛工藝

(1)可成形中空且側(cè)壁帶有凸臺(tái)的復(fù)雜鍛件。圖2所示是采用多向模鍛技術(shù)鍛造的缸體鍛件。

圖2 中空且側(cè)壁帶有凸臺(tái)鍛件

(2)可設(shè)置多個(gè)分模面，能成形外壁具有多方向枝丫的復(fù)雜鍛件。圖3所示是采用多向模鍛技術(shù)鍛造的飛機(jī)球形接頭鍛件。

圖3 球形接頭鍛件

(3)鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機(jī)械加工量少，圖4所示是采用多向模鍛技術(shù)鍛造的油泵殼體鍛件。

圖4 油泵殼體鍛件

(4)鍛件流線(xiàn)完整，抗應(yīng)力腐蝕性好，疲勞強(qiáng)度高。圖5所示是采用多向模鍛技術(shù)鍛造的三通閥體解剖的流線(xiàn)分布。

圖5 三通閥體流線(xiàn)

(5)坯料在三向壓應(yīng)力條件下擠壓成形，可提高材料熱塑性，允許很大的一次性變形。對(duì)于變形溫度區(qū)間窄的低塑性材料的成形具有特別的意義，圖6所示是采用多向模鍛技術(shù)鍛造的導(dǎo)彈噴嘴鍛件。

(6)由于多向模鍛成形需要在多個(gè)方向?qū)δＧ粌?nèi)的坯料施加工藝力，因此要用專(zhuān)門(mén)的鍛造設(shè)備—多向模鍛壓機(jī)。圖7所示是美國(guó)Cameron公司設(shè)計(jì)制造的100MN多向模鍛壓機(jī)。它的垂直合模壓力為100MN，垂直穿孔壓力為27MN，水平壓力為2×55MN。

圖7 Ccameron100MN多向模鍛壓機(jī)和完成的鍛件

多向模鍛技術(shù)的應(yīng)用

電力裝備制造中的應(yīng)用

當(dāng)前，世界范圍內(nèi)火電仍然是主要的電力資源，為提高熱效率，正逐漸由亞臨界到超臨界，再向超超臨界的方向發(fā)展，蒸汽壓力達(dá)30MPa～35MPa,蒸汽溫度達(dá)593℃～600℃或更高的參數(shù)。在高溫、高壓、高濕度和酸性氣氛中，除要求閥體、管件有高的強(qiáng)度和良好的耐高溫性能外，還要求閥體、管件有優(yōu)秀的耐應(yīng)力腐蝕能力。多向模鍛生產(chǎn)的閥體、管件恰恰滿(mǎn)足上述技術(shù)要求。

核電裝備制造中的應(yīng)用

核電站由核島與常規(guī)島組成，在核電站中，核島替代了火電機(jī)組中的鍋爐，核島閥門(mén)除要求具有火力發(fā)電閥門(mén)的性能外，因內(nèi)部介質(zhì)水有強(qiáng)烈放射性，絕對(duì)不允許有泄漏，要求閥門(mén)、管件產(chǎn)品有高的可靠性、安全性，在質(zhì)量管理方面，比其他行業(yè)閥門(mén)、管件的技術(shù)要求更為嚴(yán)格。必須滿(mǎn)足ASME技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)把閥門(mén)、管件都視作耐壓容器。除此之外，為提高核電閥門(mén)、管件和結(jié)構(gòu)件安全性，盡量減少焊縫數(shù)量，因而它們的形狀變得更為復(fù)雜。只有采用多向模鍛技術(shù)，才能生產(chǎn)出滿(mǎn)足技術(shù)要求和復(fù)雜形狀要求的鍛件，如圖8所示。

圖8 采用多向模鍛技術(shù)鍛造電站閥體鍛件

在核電站中，核電閥門(mén)、管件和結(jié)構(gòu)件的數(shù)量大、應(yīng)用面廣，它們連接整個(gè)核電站的300余個(gè)系統(tǒng)，是核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵附件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界現(xiàn)有核電機(jī)組500余座，總裝機(jī)容量達(dá)四億千瓦以上。有閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等；具有代表性閥門(mén)的最高技術(shù)參數(shù)為：最大口徑DN1200mm(核3級(jí)的蝶閥)、DN800mm(核2級(jí)的主蒸汽隔離閥)、DN350mm(核1級(jí)的主回路閘閥)；壓力約15MPa，溫度約350℃。

石油化工裝備制造業(yè)中的應(yīng)用

石化裝備中的許多管件、泵、閥體等零部件服役于高壓或高溫或強(qiáng)烈腐蝕的條件下，這些閥體要符合美國(guó)API6A標(biāo)準(zhǔn)。采用多向模鍛生產(chǎn)這些零件，不僅節(jié)材，而且提高其強(qiáng)度和抗腐蝕能力，如圖9所示。典型零部件有井口裝置的單閘板、雙閘板、有無(wú)導(dǎo)流孔的鍛鋼平行式閘閥、泥漿閥、角式節(jié)流閥、油田專(zhuān)用平行式調(diào)節(jié)閥、油田專(zhuān)用直通式回閥、注水/聚合物專(zhuān)用平行式閘閥、卡箍式平行閘閥、先導(dǎo)式安全閥和止回閥。

圖9 石油化工裝備需求多向模鍛件

天然氣輸送管線(xiàn)應(yīng)用的單閘板、雙閘板、有無(wú)導(dǎo)流孔的平板閘閥；鍛鋼三體式、上裝式固定球球閥；油密封式、壓力平衡式旋塞閥；旋啟式、蝶式止回閥，通球止回閥；清管閥等。

航空裝備制造業(yè)中的應(yīng)用

飛機(jī)等航空設(shè)備離地升空和返回地面的耗能和安全性需要盡可能減小其重量；另一方面，為提高設(shè)備的載貨能力，又需要增大設(shè)備的尺寸或重量，除此之外，設(shè)備在惡劣條件下有高的抗沖擊、抗疲勞能力，也是這些航空設(shè)備成敗的關(guān)鍵。為此，增加一次鍛造過(guò)程中零件成形的復(fù)雜度，提高零件的整體性和零件內(nèi)部流線(xiàn)分布的合理性與連續(xù)性，可有效提高鍛件的使用性能。直升飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)球頭、一般飛機(jī)起落架等重要零件都采用多向模鍛工藝鍛造制坯，圖10所示是飛機(jī)起落架零件。

圖10 飛機(jī)起落架零件

多向模鍛工藝的研究

多向模鍛工藝研究

閥體是多枝丫的空心零件，采用多向模鍛技術(shù)進(jìn)行鍛造制坯，既可以直接鍛出大部分內(nèi)腔，又可省掉飛邊，具有最佳的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。為此，完成了以下四種閥體的多向模鍛工藝研究，并獲得生產(chǎn)應(yīng)用。

(1)無(wú)法蘭三通閥體的多向模鍛。

圖11所示是火電機(jī)組應(yīng)用的一種無(wú)法蘭三通閥體，它的三個(gè)通道出口都沒(méi)有法蘭，采用焊接的方法與外部管道連接。

圖11 無(wú)法蘭三通閥體

無(wú)法蘭三通閥體的另一形狀特點(diǎn)是，主通道內(nèi)徑遠(yuǎn)大于兩側(cè)通道，且主通道深，它的技術(shù)難點(diǎn)是兩側(cè)分料均勻，主通道穿孔偏差小和較高的主穿孔凸模壽命。

(2)帶側(cè)法蘭三通閥體的多向模鍛。

帶側(cè)法蘭三通閥體多用于石油化工行業(yè)，其形狀見(jiàn)圖12，它的技術(shù)難度較無(wú)法蘭三通閥體大，主要集中在兩側(cè)法蘭的成形與測(cè)通道的穿孔。

圖12 帶側(cè)法蘭三通閥體

帶側(cè)法蘭三通閥體的多向模鍛，通常它是由主模腔擠壓坯料向兩側(cè)模腔流動(dòng)分料，由于兩側(cè)臂部模腔較細(xì)長(zhǎng),坯料流動(dòng)阻力大且不等,導(dǎo)致兩側(cè)分料不均，造成后面法蘭成形不佳，其次是，端部坯料降溫大，再加上坯料端部形狀差，更加影響法蘭的最后形狀與尺寸。

(3)帶主法蘭三通閥體的多向模鍛。

帶主法蘭三通閥體的形狀，如圖13所示，其名字源于它的主通道端部帶有法蘭，由于法蘭與側(cè)通道之間，有一小圓柱段，當(dāng)分模面垂直于主軸線(xiàn)時(shí)，鍛件不能脫模，因此，采用現(xiàn)有多向模鍛液壓機(jī)進(jìn)行鍛造時(shí)，必須采用垂直分模方式，并增加輔助合模裝置。

圖13 帶主法蘭三通閥體

(4)全法蘭三通閥體的多向模鍛。

全法蘭三通閥體的幾何形狀，如圖14所示，它的每個(gè)通道端部都設(shè)有法蘭，其名也得于此，是幾何形狀最復(fù)雜的閥體。

圖14 全法蘭三通閥體

由于幾何形狀復(fù)雜，它的成形過(guò)程也相應(yīng)更為復(fù)雜，它兼具前面三種閥體的鍛造成形的技術(shù)難點(diǎn)，首先它需要采用垂直分模的鍛造方式，其次是法蘭成形與坯料的分料同時(shí)進(jìn)行，再次是坯料的分料流動(dòng)量大。

結(jié)論

(1)給出了多向模鍛的定義，分析總結(jié)了多向模鍛的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。為更好的了解多向模鍛技術(shù)提供方便。

(2)試驗(yàn)研究四種閥體的多向模鍛工藝，鍛造出相應(yīng)的鍛件，為閥體鍛造生產(chǎn)提供了技術(shù)參考與依據(jù)。