chengdu

目录 第一部分 行 业 报 告

1

印度自由锻行业当前形势与发展 Sivaprasad Reddy Rachamallu（印度锻造协会）

2 2

大型铸锻件发展及现状综述 王舒（中国重机协会大型铸锻件分会秘书处）

5 5

第二部分 中国各大重型机械公司发展报告

8

中国一重大型自由锻件研制业绩 中国第一重型机械集团公司

9 9

中国二重大锻件研发进展 中国第二重型机械集团公司锻造厂

15 15

上海重型机器厂有限公司介绍 上海重型机器厂有限公司

24 24

依托装备、创新技术——推进企业快速发展 中信重工机械股份有限公司

34 34

通裕重工大锻件产品技术、工艺创新 通裕重工股份有限公司

38 38

第三部分 材 料 技 术 高质量锻造用特殊钢的冶金工艺浅析 李国忠 （江阴兴澄特种钢铁有限公司

40 41 41

214429）

洁净钢技术 朱延果 （铁姆肯中国投资有限公司）

44 44

第四部分 锻 造 工 艺

48

大型锥形筒体的锻造方法 胡朝备 张国刚 孙峰 马明方 （上海重型机器厂有限公司,上海市 200245）

49 49

用差温锻造方法消除锻件白点 付前进，张伟善，付强，何占伟（大连华锐重工铸钢股份有限公司）

53 53

大型锻件锻造裂纹控制技术研究 韩静涛 1、李研 1、蒋新亮 2、张永军 1 （1 北京科技大学，2 中国第二重型机械集团公司）

57 57

发电机护环大锻件制造技术的进展 郭会光，何文武，陈慧琴，刘建生（太原科技大学 中国山西太原

62 62

030024）

船用柴油机大型曲轴锻件的研制 胡朝备，孙峰，张国刚，马明方（上海重型机器厂有限公司,上海市 200245）

66 66

基于热加工图的 Mn18Cr18N 护环钢热变形工艺参数研究 70 朱磊，吕亚臣，任运来，聂绍珉 （燕山大学 机械工程学院，秦皇岛 066004，13785913304，ysuzhu@163.com） 70 国产 9310 钢轴类大锻件自由锻造成形及高、低倍组织缺陷研究 （贵州安大航空锻造有限责任公司） 邹彦博 张宇慧 （哈尔滨东安发动机集团公司） 邹伟 雷静越

76 76

细晶锻件超声波检测幻象波的判定方法 陈祖祥，王斌，罗顺明，张科伟，蒋睿华 （贵州省安顺市贵州安大航空锻造有限责任公司技术中心）

81 81

支撑座异型环锻件碾扩工艺的研究 胡振奇，崔昱，冯娟 (张家港海陆环形锻件有限公司，江苏，张家港 215626，hzq611@126.com)

84 84

第五部分 装 备 技 术

86

提高锻造用钢锭的新方法 生产大型钢锭的多功能 ESR 工业炉原理 87 Medovar L.B.*, Stovpchenko A.P*, Fedorovsky B.B.**, Noshchenko G.V**., Petrenko V.L.*, Zhuravel V.M.* （*E.O. Paton Electric Welding Institute Kyiv, Ukraine；** Elmet-Roll, Kyiv, 乌克兰） 87 大型锻件机械化超声检测(UT)技术的最新发展 Klaus Leupoldt，Heinz-Josef Otte，Willibald Meister（Cegelec NDS, Nürnberg, 德国）

93 93

生产大型钢锭的新型电渣重熔炉理论 Harald Holzgruber1, Bertram Ofner1, Manfred Ramprecht1, Alexander Scheriau1, Technologies GmbH; Wiener Strasse 25; Bruck an der Mur; 8600; 奥地利）

99 （1INTECO Special Melting

带锯床切削速度提升 10 倍 常盤徹， （天田株式会社，技术研究所，高级研究员）

99 109 109

锻造中尺寸的控制：2D 和 3D 激光测量系统的创新 114 Eddy Libralesso, Gianfranco Girardi (Tecnogamma SpA 公司（MERMEC 集团）) Pasquale Antuofermo (Mer Mec SpA 公司(MERMEC 集团)) Prof Giorgio Vassena (布雷西亚大学) Matteo Sgrenzaroli (布雷西亚大学独立子公司) 114 能力最大、最先进的自由锻造设备 121 王春民， （中国洛阳中信重工机械股份有限公司） Michael Pahnke， （德国 Wepuko 液压公司） Rainer Dango, Stefan Krusch, Burkhard Mende, Michael Orthey （DANGO & DIENENTHAL Painer Dango, DDS） 121 锻锤和压机的减振系统 HAROLD E. REINKE, STEVEN M. VEROEVEN, KEITH F. LEATHERWOOD （美国减振技术公司）

125 125

多工位柔性锻造系统 刘林志（天津市天锻压力机有限公司技术部

129 129

天津市

300142）

极具竞争力的无缝环预成形件锻造 Dipl.- Wirt. Ing. (FH) Klaus- Andreas Kienle （Schuler SMG GmbH & Co. KG 德国）

132 132

使用“质量分割”的方法实现锻造操作机的高效和节能 （德国 Glama 机械制造公司 副总裁）Mr.Nowitzki. （中国华诺达公司 技术顾问 高级工程师） 薛定远

138 138

重型锻压机设计与制造 销售经理 FRANCO GIANETTI（意大利达涅利²布莱达公司）

141 141

现代自由锻造液压机的技术经济性分析 —从锻件生产经济性要求看自由锻造液压机的发展趋势 郭玉玺（太原重工股份有限公司 技术中心）

145 145

360MN 无缝钢管挤压机的 30 兆瓦液压驱动系统 151 Michael Pahnke， （德国 Wepuko 液压公司，密支根，德国 www.wepuko.de） 吴任东副教授， （北京清华大学，中国） 雷丙旺总经理，白箴高工，（北方重工，包头，中国） 151 新型全液压自由锻锤 胡大勇. 夏德仕. （北京宁远兴达技术开发有限公司 北京 100089）

154 154

核电及其他大型电站锻件检测中的相控阵技术 Dr. Pierre N. Marty; Mr. Günter Engl. (IntelligeNDT Systems & Services GmbH, 德国)

159 159

用液压机高效锻打管件的工艺 160 尼古拉.彼得罗夫，巴维尔.彼得罗夫（俄罗斯重型锻压机械股份公司 Web: http:// www.tkpo. ryazan.ru E-mail: ks @ tkpo. ryazan.ru） 160 钛合金和超耐热不锈钢锻件的高效生产 Mr. Chris Howie and Mr. Robert Drake （Oilgear International Corp 美国）

164 164

锻锤隔振系统的设计及选配 陈勤儿 (广 州 安 固 隔 振 环 保 科 技 有 限 公 司)

171 171

中小型自由锻造装备的发展趋势及整体解决方案 郭树伟（青岛华东工程机械有限公司）

174 174

THP10-5000 锻造液压机整机有限元分析报告 刘林志（天津市天锻压力机有限公司技术部 天津市 300142）

177 177

锻锤在弹簧和弹性体阻尼隔振系统上的安装 HAROLD E. REINKE, STEVEN M. VEROEVEN, KEITH F. LEATHERWOOD （美国减振技术公司）

188 188

我国自由锻造液压机的发展、看法和建议 姚保森（山东通裕集团有限公司）

193 193

锻造液压机的技术发展与创新 刘宏献 （安阳锻压机械工业有限公司 安阳市 455000）

197 197

第一部分 行 业 报 告

1

印度自由锻行业当前形势与发展 Sivaprasad Reddy Rachamallu（印度锻造协会） 简介： 印度锻造协会是印度锻造行业的代表组织，总部设在印度浦那。 印度锻造行业的市场潜力在不断扩大，主要由于汽车零部件行业的发展。而自由锻行业表现的是一种自由 发展状态。印度每年锻件总产量为 1100000 MT 到 1200000 MT。在生产的全部锻件中，模锻件占 70%，自由 锻件占 20%，精密锻件占 10%。 印度自由锻行业被划分为三个不同领域： 1 行业领域 大型（Large） 中型（Medium） 小型（Small）

2 锻造企业数 12 30 250

3 % 04 10 86

Number of Forging Units Segment Wise Small 86%

Medium 10%

Large 4%

大多数中小型自由锻企业为家族企业，所生产的锻件满足不同行业的需求。而且多数企业分布在印度东部， 用不同规格的材料生产锻圆和锻方，供应整个印度的有钢材库存的经销商。这些钢材经销商主要满足小型工程 企业的需求。少数自由锻企业分布在印度南部，以特钢和铝合金生产应用于国防和航空领域的优质锻件。大型 自由锻企业主要满足钢铁、风电、火电、石油天然气、核电、造船、压力容器、石油化工等领域的需求。出口 的自由锻件仅限于法兰、油田设备等。 在印度，生产建筑自由锻件的材料为碳钢、合金钢、不锈钢及铝合金。其中碳钢和合金钢应用广泛，不锈钢 和铝合金应用于加工设备和航空航天等特殊领域。 Materials of Construction Carbon & Alloy Steel 90%

Aluminium 1%

2

Stainless Steel 9%

Region Wise Production Capacities

East 30%

North 35%

West 25%

South 10%

印度自由锻行业概况： 规模

企业数

年产量/MT

设备

原材料

应用领域

大型

12

60000 - 100000

锻造压力机

钢锭

钢铁、电力、钢金混凝土、 风能、造船、压力容器、石 油天然气等

钢锭、连铸坯

普通工程行业、钢金混凝土、 齿轮、压力容器等

铅锭、 钢坯、 坯料

工程锻件

1600 - 4000 T 中型

30

15000 – 40000

蒸汽/空气锤 5 - 10 T

小型

250

500 - 1500

空气锤 0.25 - 3 T

印度自由锻行业的发展 根据印度政府的战略措施，核电装机容量到 2020 年为 20GW，2032 年为 63GW，因此核锻件有非常大的 生产潜力。主要生产商有 L&T 公司和 NPCIL 公司等，以满足核电行业保持高增长的需求。 L&T 公司和 NPCIL 公司在哈兹拉建立了合资企业（印度核电有限公司），生产特钢和超大型锻件，并拥有 可熔炼重达 600MT 钢锭的国产先进设备，将在 2012 年建造拥有 9000T 和 14000T 锻造压机的大型锻造厂。该 企业将供应核反应堆、压力容器和汽轮机用成品锻件，及火电行业关键设备的大型锻件。

印度新型自由锻压机 Bharat Forge – Areva / Alstom BHEL L & T – NPCIL Field Gun Factory Midhani

能力 14000 T 9000 T 9000 T, 14000 T 3000 T 3500 T

所有制 私有 国有 公私合作 国有 国有

3

辗环机 Bay Forge Echjay HAL Chaudhry Hammers S E Forge Western India Forge

5 Meters 3 Meters 3 Meters 3 Meters 5 Meters 3 Meters

私有 私有 国有 私有 私有 私有

辗环机大部分在私有企业，满足风力发电设备、轴承、铁路、航空航天等行业的需求。 印度自由锻行业的主要问题： 原材料的价格竞争 国内良好锻造设备的可利用性 欧洲及其他国家设备的高成本 资金和财政的高成本 高能源成本 廉价进口的竞争 高技术人员的应用

结束语 在过去十年里，印度自由锻行业在生产和应用上有非常显著的发展。当前的重点是技术升级和自动化改造。 然而，由于原油和锻造优质钢价格的上涨，未来的锻造行业充满了挑战。

4

大型铸锻件发展及现状综述 王舒（中国重机协会大型铸锻件分会秘书处） 大型铸锻件制造业是一个非常特殊的行业，既是我国经济建设、发展国民经济的关键性行业，也是我国重 大装备制造业的基础，更是我国国防建设必需的行业；是关系到国家安全和国家经济命脉的不可或缺的战略性 行业，也是国家能力的重要组成。大型铸锻件产品是电力、冶金、石化、造船、铁路、矿山、航空航天、军工、 工程等装备的基础部件，其经济带动性强，辐射作用大，是产业链上不可缺少的重要一环。 一、大型铸锻件行业发展方向 国务院办公厅 2009 年 5 月 12 日发布《装备制造业调整和振兴规划》，其中第三部分：产业调整和振兴的主 要任务，谈到了提升四大配套产品制造水平，夯实产业发展基础。提升四大配套产品制造水平的第一项就是大 型铸锻件，重点发展大型核电设备铸锻件，百万千瓦级超临界/超超临界火电机组铸锻件，70 万千瓦级以上等级 大型混流式水轮机组铸锻件，石化、煤化工重型容器锻件，冷热连轧机铸锻件，大型船用曲轴、螺旋桨轴锻件， 大型轴承圈锻件等。其制造水平难度主要是： 大型核电铸锻件 大型电站铸锻件 （1）超纯净钢汽轮机低压转子锻件 （2）高中压复合转子锻件 （3）百万千瓦级核电机组常规岛低压转子 （4）大型混流式水轮机铸锻件 （5）大型抽水蓄能水轮机铸件 二、他山之石，可以攻玉 为了加快我国大型铸锻件行业的发展，推动我国大型技术铸锻件行业的技术进步，满足国家重大装备对大 型铸锻件的要求；我们应该了解、掌握国外先进的大型铸锻件企业的现状和发展情况，借鉴国际上先进的大型 铸锻件的技术水平，才能使我国不仅成为大型铸锻件的生产大国，而且真正成为大型铸锻件的生产强国。 1.国外大型铸锻件的生产能力与业绩 （1）国外大型铸锻件的生产能力 重大技术装备制造业的极限制造能力主要体现大型铸锻件的制造能力和水平上。 目前国外大型铸锻件的最大制造能力为： 一次性出钢量：750t 最大的合金钢锭：600t 最大超纯钢钢锭：510t 最大的空心钢锭：320t 最大的铸钢件：450t 最大的锻钢件：350t 最大的锻焊结构件：2000t （2）国外大型铸锻件的产品水平 目前国外已经生产的最大产品等级为： 最大的核电压力容器尺寸达Φ 8440 ㎜³14068 ㎜、重量达 965t； 最大的锻焊结构的加氢反应器 2000t 级； 5

最大的锻钢支承辊超过 200t，最大的复合铸钢 轧辊达Φ 2400 ㎜； 正在研制 650℃以上和 700 ℃以上更高温度下运行的先进的超临界机组材料。 最大的核电一回路汽轮机转子。 600t 钢锭制造的 1000MW 改进型沸水堆压力容器下封头锻件 大型海洋钻井平台支撑腿和大型舰船尾轴 （3）国外已能成熟生产的关键大型铸锻件产品 ——国外目前已经能够成熟生产 1000MW 级的成套超临界和超超临界机组大型铸锻件；目前运行的最大的 超超临界机组的单机容量为 1300MW（2001 年投建的 1000MW 容量的日本桔湾电站 2#机组为目前世界上效率最高 的火电汽轮机组，热效率达 49%） ； ——蒸汽—燃汽轮机联合循环发电机组用大型铸锻件用 2.25CrMoV 钢高低压复合转子及轮盘（LPΦ 1980mm） ； ——百万千瓦级成套大型核电站铸锻件； ——70 万千瓦以上的成套大型水电铸锻件； ——3MW 以上的大型陆上及海上风电设备（主轴、叶片等），风轮直径达 112m 的 7.3MW 的风力发电设备是 目前世界上最大的风电机组； ——大型新材料热壁加氢反应器（2 1/4Cr-1Mo-1/4V 钢，2000t 级）和大型煤液化反应器; ——5%Cr 及以上材质为代表的各种轧机用优质锻钢、铸钢以及铸铁轧辊(包括正在研制的 8%Cr 轧辊)； ——离心铸造大型高速钢轧辊； ——大型超导发电机转子锻件； ——各类大型优质模锻件、航空模锻件和钛合金锻件； ——具有较强韧性的抗磨料抗腐蚀的新材料大型模具； ——长达 19m 的深海钻井平台张力腿锻件； ——氢合金材料的开发及其储藏容器的应用等等。 ——1000MW 大型核电压力容器筒体锻件（日本 JSW、法国克鲁索、 JCFC、韩国 DOOSAN、 ） 2.国外的大型铸锻件制造装备技术水平 炼钢方面 锻造方面 铸造方面 热处理方面 计算机模拟技术方面 加工方面 质量保证方面 试验检测方面 能降耗 环境保护 热加工人才的培养 3.国外主要的大型铸锻件企业情况 国外的重型机械大型铸锻件生产厂家经过联合、兼并、淘汰等方式，分工已经逐渐清晰，主要有两种类型。 一是强强联合，产品覆盖面几乎涉及各种先进的大型铸锻件产品领域，开发及制造能力很强，综合实力居世界 6

之首，如日本的 JSW、JCFC、IHI、三菱重工、韩国斗山重工、英国的谢非尔德等 ；另一种是专业化分工，各有 所长，发展特色产品的专业化生产厂家，如美国的苏尔茨钢公司、日立金属以及俄罗斯的依若尔斯克等。 -

日本

-

产品结构。

-

生产能力

-

近期技改情况（2006 年以来）

-

韩国

-

生产能力

-

近年来的大型铸锻件新技术和新产品开发情况:

-

英国.德国

-

生产能力

-

技术水平

-

法国

-

欧洲中东部

-

美国

其他国家 三、推进我国大型铸锻件行业发展 近些年在国家加快振兴装备制造业政策的引导下，大型铸锻件行业发展明显，大型铸锻件生产企业技术装 备水平提高，到目前国内最大锻造钢锭已达 580 吨，用于锻造核电常规岛低压转子，核电 1100MW 半速转子制造 成功，5 米大型支承辊、1000MW 超超临界发电机转子锻件、自由锻压机已达 185MN。国际竞争力不断提升。 应该看到我国大型铸锻件与国际水平的差距，在材料研究、开发，标准制定、计算机模拟研究、工艺参数 稳定性、系统的质量控制、热态检测技术、节能成本控制、环境保护等等，都有待大型铸锻件生产企业花费较 大的功夫。只要我们的企业充分认识到存在的不足，在国家政策的指导好支持下，大力开展技术创新和技术进 步，形成自己的优势，就一定能够开发生产出我国的优质大型铸锻件，形成在国际上有优势的拳头产品，逐渐 占据国际制高点。

7

第二部分 中国各大重型机械公司发展报告

8

中国一重大型自由锻件研制业绩 中国第一重型机械集团公司 中国第一重型机械股份公司（简称中国一重） ，位于黑龙江省齐齐哈尔市富拉尔基区，其前身为第一重型机 器厂，始建于 1954 年，1993 年经国家批准，以第一重型机器厂为核心企业，组建中国第一重型机械集团，1995 年实行国家计划单列，是中央直属的涉及国家安全和国民经济命脉的国有重要骨干企业之一。 中国一重主要为国民经济各基础行业提供以冶炼、连铸、轧制、整形设备为主的冶金机械设备，以重型电 铲为代表的矿山机械设备，以各类液压机、热模锻压力机、机械压力机为代表的锻压机械设备，为大型水电、 火电机组配套的大型铸锻件，以各类冶金轧辊为主的工矿配件，以大型热壁加氢反应器为主的石化、煤液化重 型容器，以曲轴和舵杆为主的大型船用锻件，以民用核电反应堆压力容器和核岛成套锻件为主的核电设备以及 其它“一重”品牌的重大技术装备。 1993 年经国家批准组建了中国一重技术中心，研发的产品多次获得国家、部、省、市的奖励与表彰。近年 来，中国一重自行设计制造了拥有自主知识产权的多项产品。鞍钢 1780 毫米冷连轧机及平整机组的设计制造， 填补了国内在大型冷连轧机制造领域中的空白，实现了我国重大技术装备的国产化；热壁加氢反应器新型母体 材料及国际上第一台套重达 2000 吨的煤液化反应器制造技术的研制成功、中国首座实验快中子反应堆项目的成 功建设，以及核电大型铸锻件的成功研制，使我国跻身国际重型装备制造领域先进行列。 2005 年经国家批准组建天津重型技术装备国家工程研究中心，以提高我国重型技术装备自主创新能力为核 心，围绕国家重点工程和重型机械行业发展重大技术问题，通过技术引进、合作和自主开发，在大型板带轧制 工艺及设备、重型容器（加氢、核电、煤液化）、电站铸锻件等领域持续不断开发具有自主知识产权的工程化研 究成果。 中国一重高度重视产品质量，建立了科学的质量保障体系并拥有先进的产品质量检测手段，先后取得了 ASME 许可证及 U1、U2 钢印；ASME“N”和“NPT”认证；压力容器、民用核承压设备及英国 LR、美国 ABS、挪威 DNV、 中国 CCS 船级社等多项制造许可证。通过了 ISO9001 及 GJB/Z9001 质量体系认证，并获得了国家质量奖奖旗， 其产品质量始终保持国内领先水平，部分产品达到国际同类产品质量水平。 改革开放以来，中国一重先后与西马克（SMS） 、三菱重工（MHI）、日立造船（HITACHI） 、通用电器（GE）、 P&H 矿山设备(P&H)、法马通(FRAMATOMEANP)、克鲁索（CREUSOT）、奥钢联（VAI）、台尔尼（TERNI）、斗山重工 （DOOSAN）等国际知名公司建立了广泛的合作关系。 中国一重经过 50 多年的不断建设，形成了完整的产品设计和工艺研发的强大综合技术创新体系，具备了炼 钢、铸造、锻造、焊接、热处理、机械加工、装配、检测计量以及包装发运等配套齐全的先进生产装备和能力。 现有生产设备 5000 余台，其中主要生产设备 2165 台。在主要生产设备中，以 15000 吨自由锻水压机为代表的 大型设备 611 台，关键设备 148 台，数控设备 37 台，自主设计研发的 15000 吨自由锻水压机获国家科技进步一 等奖，解决了大型锻件制造瓶颈问题，自 2007 年投入使用以来，年生产锻件 70000 吨左右。公司拥有 Gleeble-33500 热模拟试验机、DT-1000 膨胀仪、ICP 化学快速分析仪、扫描电镜、图象仪、各种型号光学显微 镜、电子拉伸仪、超声波探伤仪等各种分析和检测仪器。年产锻件 20 万吨，一次提供钢水量 700 吨、最大铸件 500 吨、最大钢锭 600 吨，是中国最大的铸锻钢生产基地，生产技术装备精度和制造能力达到国际先进水平，拥 有重型装备组装和出海发运基地及码头。

2006 年 12 月 30 日 15000 吨水压机热负荷试车

一、大型核电锻件

9

中国一重拥有 40 多年研制核容器的历史，成功制造了出口巴基斯坦 300MW 核电一期与二期工程的核反应 堆压力容器及其配套的蒸发器、稳压器与主泵锻件；多台（全部）专项产品核反应堆压力容器以及配套的蒸发 器和稳压器锻件；国家 863 计划中的中国实验快中子增殖核反应堆设备；秦山核电站二期扩建工程中的 600MW 核 反应堆压力容器以及配套的两台稳压器锻件。 经过几年艰苦细致的研发，中国一重在国内率先完成了“二代加”-CPR1000 核电压力容器、蒸发器全套锻 件的研发，14 种锻件均通过了中广核评定中心 M140 评定，标志着中国一重已经掌握了核电大型铸锻件制造技术。 目前中国一重承担了国内在建核电站中三门（AP1000）、海洋（AP1000）、红沿河、阳江、宁德、福清、方家山 等项目中 90%的锻件制造任务，使得一重在软件、硬件及市场各方面均已具备了大型核电锻件产业化条件。几年 来，一重在核电大型锻件研发方面不断加大投入，充分整合社会资源,与国内研究院所广泛合作，目前 CPR1000 型号核岛主锻件已批量生产，AP1000 型号中除主管道锻件正在研制外，其他核岛主锻件的首件研制工作均已取 得成功，质量亦趋于稳定。 中国一重大型核电锻件研制业绩见表一。 表一

核岛关键锻件研制业绩

CPR1000 项目

AP1000

重量 （T）

尺寸（mm）

EPR 重量 （T） 36.60 65.00 132.00 75.80 120.00 217.00

重量（T）

尺寸（mm）

53.334 105.00 281.00

SR=2035 H=1815 T=164 OD=4684 ID=3792 H=835

58.90 110.00 264.00

SR=1974 H=1068 T=158.5 OD=4775 ID=3771 H=788

RPV 一体化接管 段

97.496 190.00 350.00

OD=4694 ID=3814 H=3583.5 T=440/234

111.40 205.00 350.00

OD=4775.2 ID=3798.8 H=3727.7 T=488/213

168.00 --------550.00

SG 椭球封头

18.50 60.00 104.00

OD=4272 T=98

33.438 50+99 82+170

OD=5334 T=120.6

33.70 100.00 156.00

SG 锥形筒体

21.80 65.50 108.00

ODTOP=4270 IDBottom=3286 H=2056 T=115.5

36.274 85 170

RPV 整体 顶盖

上封 头 上封 头法 兰

SG 管板 SG 水室封头

43.70 74.00 172.00 28.93 109.00 211.00

OD=3463 T=718/562 SR=1670 H=1340 T=225

97 165.2 275 51.5 58+160 108+281

ODTOP=5575 ID Bottom=4191 H=2493 T=120.6 OD=4487.7 T=1075.9/ 791.4 SR=1989.9 T=254

43.4 137.0 180.0

OD=5755 ID=4655 H=3440 T=550 OD=5165 T=135 H=1805 OD Nozzle=823 ODTOP=5165 ID Bottom=3603 H=2885 T=135 OD=4100 T=627

23

SR=1770 H=1398 T=157

下图为中国一重公司研制成功的大型核电锻件。 AP1000 核岛主锻件与常规岛转子锻件

接管段

10

SR=2695 H=1073 T=230 OD=5755 ID=4500 H=1030

66.70 136.0 232.0

注：浅灰颜色为已有业绩；深灰颜色为正在研制；其余为待研制和待制造。

整体顶盖

尺寸（mm）

锥形筒体

椭球封头

水室封头

管板

常规岛转子

主管道 CPR1000 核岛主锻件

水室封头

锥形筒体

椭球封头

管板

二、大型转子锻件

11

中国一重具有四十多年大型电站铸锻件生产研制历史，为国内各电站主机厂提供了大量的优质电站铸锻件。 目前可以稳定生产常规亚临界 300-600MW 汽机、电机各类转子锻件，并于 2004 年至今相续开发出高低压联合 转子、超临界和超超临界 600~1000MW 机组转子（主要为超纯低压和 12%Cr 转子锻件）以及核电常规岛低压和 发电机转子。现已达到年生产各类转子锻件 10000 吨以上能力，已经成为国内大型转子锻件最大生产基地。 大型转子锻件是一重集团公司的重点产品。目前一重已成功冶炼、锻造了三包合浇重 292 吨的钢锭，J 系数 ≤5 的 1000MW 超纯净低压转子锻件。其中《引进 300MW 火电机组成套大型铸锻件的研究》获国家科技进步三等 奖。 《无中心孔电站转子锻件的研制》获机械工业部科技进步二等奖。 《300MW 汽轮机低压转子研制》获黑龙江省 科技进步三等奖。AP1000 常规岛转子锻件研制工作进展顺利，已完成 2/3 研制工作内容。 中国一重从 1999 年开始研制汽轮机高低压联合转子锻件，2005-2007 年底陆续为哈尔滨汽轮机厂、上海汽 轮机厂、南京汽轮机厂提供了 6 支质量合格的高低压联合转子锻件，该汽轮机高低压联合转子锻件经过检验， 高压侧的高温性能高于日本和德国相应材料，低压侧强度和 FATT50 在同等水平，完全可以替代进口产品。 2006 年中国一重与哈尔滨汽轮机厂携手开发联合循环汽轮机高压转子锻件。该机组的进汽温度为 566℃， 对材料来说就是超临界机组，高温持久强度要求较高。2006-2007 年，中国一重为哈尔滨汽轮机厂成功研制了 2 支合格的联合循环高压转子锻件。 中国一重从 1995 年开始立项研制“超临界及超超临界汽轮机组大型铸锻件”，从 2002 年起陆续与哈尔滨 汽轮机厂合作展开了 12%Cr 钢材料的研究工作。在取得一定试验基础的条件下,2007 年初经与东方汽轮机厂协商 签订了 1000MW 超超临界 12%Cr 高压转子锻件供货合同，并以此为依托进行 12%Cr 转子锻件的试制工作，2007 年为东方汽轮机厂研制生产的 1000MW 超超临界 12%Cr 高压转子锻件取得突破性进展，2008 年一季度成功交付用 户使用。 在 12％Cr 转子锻件研制过程中，中国一重通过 VCD 冶炼技术、锻造再结晶控制技术；热处理相变过程中 残余奥氏体控制技术等手段，克服了大型双真空钢锭化学成份偏析、易产生冶金缺陷、锻造火次较多、压实效 果不佳、锻造开裂、晶粒难以细化、锻后易产生置裂及机械性能难以控制等难题，相继为哈尔滨、东方、上海 三大汽轮机公司成功研制并交付使用 11 支 12%Cr 转子锻件。

12%Cr 转子锻造

12%Cr 转子调质

2000 年中国一重开始进行汽轮机超纯低压转子的研制工作。对电弧炉氧化渣下脱 P、脱 Mn 及脱 Si 工艺进 行研究。2001 年结合某单位风力发电机轴的生产，进行了在钢包精炼条件下脱 S 的第二步工业性试验工作。2002 年在已取得阶段性成果的基础上，依托某单位高低压联合转子的生产，模拟超纯转子冶炼工艺，进行了工业性 试生产。2002 年 6 月，依托哈尔滨汽轮机厂 600MW 低压转子的生产，采用超纯材料冶炼工艺技术，成功浇注了 国内首支 30Cr2Ni4MoV 钢 205 吨钢锭，用于生产 600MW 超纯净低压转子，达到了美国 EPRI 标准，J 系数为 3.5。 2007 年上半年依托东方汽轮机厂 1000MW 超超临界汽轮机低压转子锻件采购合同，开始百万超纯低压转子锻件的 研制。2007-2009 年共为东方汽轮机厂、哈尔滨汽轮机厂成 功 生 产 了 三 支 超 纯 低 压 转 子 锻 件 并 交 付 使 用 。 中国一 重 开 发 的 大型超临界超纯汽轮机低压转子锻件，属于国内首创，国际先进水平。

580 吨钢锭

百万千瓦核电常规岛低压整锻转子

12

2008 年初中国一重开始研制百万千瓦常规岛低压整锻转子。经过两年的艰苦奋斗，中国一重在钢锭制造 能力上，已由 300 吨级越升到 600 吨级。2009 年 6 月 22 日，中国一重在国内首次成功浇注出重达 580 吨的特 大型钢锭，并于 2009 年 8 月 17 日成功地完成锻造工序。该转子的锻造成功标志着中国一重解决了 600 吨级钢 锭的冶炼和锻造等关键技术难题，具备了生产大型核电关键锻件的能力。 几年来中国一重转子锻件生产情况见下表。 转子年生产总数 （支） 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

2004年

2005年

2006年

2007年

2008年

2009年

三、大型轧辊锻件 中国一重是目前国内研究和生产轧辊的骨干企业之一，多年来为国内各大钢铁公司及有色厂提供了多种规 格轧辊。形成了从轧辊研究、生产管理到质量管理的完整体系，具备了为国内各大钢铁公司批量生产现代化轧 机支承辊锻件的能力。中国一重制造的支承辊锻件，在材料、制造技术、产量和质量方面均处于国内领先水平， 并达到国际先进水平。 大型整锻支承辊的制造质量取决于化学成分及制造技术，两者缺一不可。几十年来中国一重轧辊科技人员 在这两个方面进行了不懈的努力，不断地进行新材料与新工艺的研究，形成了完整的材料—工艺—工装—检测 技术体系，为生产高档优质支承辊锻件提供了有利的技术支撑。在轧辊材料系列化的基础上，不断突破轧辊制 造技术。其中， 《锻造半钢、锻造铸铁轧辊》获国家重大技术装备成果二等奖，机械工业部科技进步二等奖； 《2050MM 热连轧机精轧工作辊》获机械工业部科技进步三等奖； 《2050MM 热连轧机离心复合高铬铸铁工作辊》获国家重大 技术装备成果三等奖，机械工业部科技进步三等奖； 《特大型球墨铸铁中锑的作用凝固模拟研究》获机械工业部 科技进步三等奖； 《4％Cr 锻钢支承辊材料及工艺研究》获国家机械工业局科技进步三等奖； 《5％Cr 大型锻钢支 承辊研制》已通过国家鉴定。 1999 年中国一重开始 5%Cr-Ni-Mo-V 锻钢支承辊研制工作，2001 年 11 月 26 日通过国家鉴定。经过几年来 的努力，已经掌握了 5%Cr-Ni-Mo-V 钢的特性，生产的支承辊锻件足以同进口的支承辊相比。在 1580、2050、1550 支承辊锻件生产成功的基础上，2001 年又先后为宝钢 1580 热带钢连轧机精轧后段，1420 冷连机，1420 平整机 各生产 2 支 Cr5 型支承辊锻件。5%Cr-Ni-Mo-V 材料是代表当今国际上最高档次的支承辊材料，具有极大的发展 前途，其耐磨性及抗疲劳性能大大提高。5%Cr-Ni-Mo-V 锻钢支承辊研制成功，为 5%Cr 型大型支承辊锻件的国产 化打开了广阔的前景，继续巩固了中国一重在国内支承辊锻件制造领域的领先地位，为冶金企业提供了优良备 件。通过实际应用，中国一重所研究的 5%Cr-Ni-Mo-V 钢支承辊材料成份设计合理，无论其淬透性及淬硬性均高 于 70Cr3Mo、45Cr4NiMoV 等系列钢种，特别是碳化物形态由 M3C 型转变为 M7C3 型，使其耐磨性与抗接触疲劳能力 均明显提高。1580、2050、1550 轧机支承辊制造工艺先进合理，热处理组织状态良好，残余应力及残余气体均 较低，抗事故能力明显提高。近年来我公司为国内各大钢铁公司如宝钢、武钢、济钢、鞍钢、本钢和攀钢等生 产 4%Cr、5%Cr 支承辊锻件近 3000 支。 近几年来，中国一重为打造国际一流铸锻钢基地进行了大规模的技术改造，此举对研制生产大型优质轧辊 锻件起到了极大的推动作用，为生产大型优质轧辊锻件提供了有力的保证。目前，中国一重已具备年生产各类 轧辊 40000 吨的生产能力，公司已成为国内大型轧辊锻件的主要生产基地，产品覆盖率在国内达到 60%以上，近 几年产量每年保持在 500 支以上，制造技术先进成熟，产品质量稳定，具有较好的使用业绩和信誉。生产制造 3500 以上大型支承辊锻件 70 余支，其中首件特大型 5000 支承辊锻件已发往用户-韩国现代钢铁公司。

13

目前中国一重已开发出 2%Cr -5%Cr 锻造支承辊系列材料，并正在研制 8%Cr 新材质锻造轧辊（试制件已发 往武钢试用） ，从而形成了一整套更为先进的生产大型整锻支承辊的技术体系，产品质量达到国际先进水平。

特大型 5000 支承辊

新材质 YB-80 支承辊

几年来中国一重轧辊锻件生产情况见下表。 (支)

700 600 500 400 300 200 100 0 2004

2005

2006

中国一重轧辊锻件用户分布情况见下表。

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2007

2008

2009

中国二重大锻件研发进展 中国第二重型机械集团公司锻造厂

一、中国二重概况 2

中国二重是中国最大的重型机械制造基地之一，始建于 1958 年，占地 261.1 万 m ，企业总资产 178.6 亿元， 拥有员工 1 万 3000 余人，其中工程技术人员 3000 多人。 中国二重具有雄厚的物质基础和技术实力，拥有国家级技术中心、工程实验室和博士后工作站等科研机构， 拥有 160MN 水压机等主要生产设备 6600 台。 中国二重具有一次性冶炼 900 吨级优质钢水、 浇铸 600 吨真空钢锭、锻造 300 吨级优质锻件的能力，是中 国最大的冶金、核电、水电、火电成套铸锻件、重型压力容器、大型传动件、大型航空模锻件等重大技术装备 制造基地。 近几年，核电、火电、重型压力容器及大型轧钢设备的飞速发展，对大型锻件的要求越来越高，锻件级别 和需求量也越来越大，我国重型机械企业面临机遇和挑战。为满足国家发展的需要，中国第二重型机械集团公 司，近几年进行了大规模的技改，同时加大了新产品开发力度，近几年在核电、重型压力容器、1000MW 超超临 界电站转子、5M 特大型支撑辊等大型锻件的生产制造方面有了长足的发展。

二、中国二重锻件制造能力概述 1. 冶炼 冶炼采用电炉粗炼钢水，钢包精炼炉精炼、真空注锭，目前最大钢锭已达 560t，最大能力可冶炼浇注 600t 钢锭。主要的冶炼设备有 60t 电弧炉，80t 电弧炉，150t 钢包精炼炉 2 台，真空铸锭室 8 个。 150tLRF 钢包精炼炉：

80t 超高功率电炉：

直读化学光谱分析仪：

2. 锻造 最大锻造能力公称压力为 160MN，最大锻件重量为 350t，主要设备有 160MN、125MN、31.5MN、12.5MN 水压 机。

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160MN 水压机：

3. 热处理 热处理炉最大装载重量为 700t。主要设备有 6³17m700t 台车式热处理炉、5³13m600t 台车式热处理炉， 7.5³15m450t 台车式热处理炉，4³(13+22)m 台车式热处理炉。

4. 机械加工 主要设备有 5³20m 数控车床、3.2³33m 重型车床、RAPID6φ 180mm 数控镗床、T6216 数控镗床、CX61250 数显车床和 DH1000-30 深孔钻床等。

5. 性能热处理 主要设备有φ 3.2³15（20）m 井式热处理炉、φ 2.5³15（20）m 井式热处理炉、φ 1.8³30m 井式热处理炉、 φ 2.3³20m 井式热处理炉、φ 3.8³35m 淬火油槽、φ 9³8m 淬火水槽、35m 大型喷水喷雾淬火装置。

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6. 主要锻件生产设备： 工序

冶炼浇注工序

锻造 工序

机加 工序

性能热处理工序

现有部分大型设备 名称 台(套)数 80T 电弧炉 1 40T 电弧炉 1 150T 钢包精炼炉 2 40T 钢包精炼炉 1 320T 行车 2 真空浇注坑 8 真空系统 2 160MN 水压机 1 125MN 水压机 1 315t 锻造行车 2 550 行车 2 大型台车式加热炉 13 33m 重型车床 1 30m 深孔钻床 1 5m 数控重型卧车 1 3.2m 数控重型卧车 1 350T 行车 1 井式热处理电炉 1 井式热处理电炉 1 井式热处理炉 1 320T 行车 2 大型淬火喷水装置 2 台车式热处理燃气炉 1 台车式热处理燃气炉 1

备注

配 600T 抬梁 最大 600t 极限真空＜60Pa 配操作机

最大载重量 700t 顶尖孔加工 180t 180t

Φ 3.2³15 Φ 2.5³15m 1.8m³30m Φ 5.5³35m 6.5m³14m 7.5m³14m

7. 最近技改计划 （1） （2） （3） （4） （5）

新增真空室 4 个。 160MN 水压机配大型锻造操作机。 新建 60MN 水压机一台。 新建大型井式炉多台。 新建大型台车热处理炉多台。

三、新产品和新技术开发 1. 核电锻件用超纯净钢的研制 二重针对核电锻件用钢要求纯净钢的特点，进行了大量的试验研究。 超纯净钢冶炼和铸锭技术，已经用 于 CPR1000 核电锻件的评定和制造上，钢中有害元素得到很稳定的控制，磷含量（P:≤0.004%）、硫含量（S: ≤ 0.001%） 、氧含量（O≤15ppm）等小五害元素和夹杂物的含量，达到纯净钢的要求，为核电优质锻件的制造创造 了良好的条件。 不锈钢的冶炼和铸锭技术，稳定控制钢中的碳含量(C:≤0.02%)，磷含量(P:≤0.020%),硫含量(S:≤ 0.005%)，氮含量和其它元素达到精确控制。实现了大吨位（100 吨级）不锈钢冶炼浇注。

2. 300 吨以上大型钢锭制造的研制 针对核电等大型锻件制造的需要，研究完成了 300 吨到 600 吨大型钢锭系列的钢锭模的研究、设计和制造。 08 年生产了 290 吨、340 吨和 450 吨大型钢锭， 09 年 3 月生产了核电发电机半速转子锻件用 560 吨钢锭，为 600 吨重量钢锭生产积累了经验。

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450 吨大型钢锭：

560 吨大型钢锭：

3. 百万千瓦级核电管板的研制 CPR1000 管板锻件批量投料制造，其中 15 件管板已交货。从已完成产品的理化检验的结果看，质量优良， 完全满足百万千瓦级核电管板制造的技术要求。

核电管板锻件力学性能分析结果：

管 板 炉 号

试 样 位 置 标

第 二 块

第 三 块 第 四 块

样 坯 A 样 坯 C 样 坯 A 样 坯 C 样 坯 A

热处 理状 态

常温拉伸 方 向

准

350℃高温拉伸

Rp0.2 （MPa）

Rm （MPa）

A5 (%)

Z (%)

Rp0.2 （MPa）

Rm （MPa）

A5 (%)

Z (%)

≥ 420

580～700

≥ 18

/

≥ 350

≥ 522

/

/

HTMP

切 向

440

605

24

71

395

560

22

73

HTMP

切 向

450

590

26

74

450

590

26

74

HTMP

切 向

460

590

24

74

390

555

25

75

HTMP

切 向

450

580

24

75

385

555

27

81

HTMP

切 向

470

610

26

74

390

565

26

76

18

样 坯 C

HTMP

切 向

470

610

24

71

405

580

29

78

核电管板锻件 Akv 和 RTNDT 测试结果：

方 向 标 准

平均值

20℃ AKv(J) /

0℃ AKv(J) ≥56

-20℃ AKv(J) ≥40

最小值

≥72

≥40

≥28

252，216， 224 247，241， 222

196，186， 230 199，236， 260

187，196， 177 238，170， 218

234，258， 208

191，180， 192

171，172， 158

281，250， 268 244，236， 220 236，234， 247

260，212， 212 266，207， 251 276，257， 252

172，182， 190 170，188， 168 184，190， 186

/

切向

实测值

径向

实测值

切向

实测值

径向

实测值

切向

实测值

径向

实测值

第二块

第三块

第四块

4. 整锻一体化封头的研制 目前，整锻一体化封头评定件正在制造中，已经完成锻造，正在进行机械加工。

5. 蒸发器水室封头、上封头锻造的工艺研究 蒸发器上封头、水室封头已投料多件，目前正在产品制造。

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RTNDT ℃ 要求≤0 目标值 ≤-12 -42 -42

≤-62

-52 -40 -45

6. 蒸发器锥形筒体制造技术研究 目前投料多件锥形筒体锻件的制造，已完成 2 件的制造。 锥形筒体锻件：

7. 不锈钢整锻核电波动管及主管道研制 针对百万千瓦级核电波动管和主管道，做了大量的不锈钢锻件制造技术研究，进行了波动管及 SA304L、 SA316LN 不锈钢主管道等锻件的制造技术研究和带管咀长直端主管道模压弯管制造技术研究。 （1） AP1000 主管道制造技术研究 完成了两种热段带管咀一体式主管道模拟件的试验研究工作，掌握了制造技术关键。 已完成 AP1000 主管道评定工作，目前正在进行国内第一件正式合同主管道的制造。

两种规格的主管道锻件模拟件

（2） AP1000 不锈钢主管道锻件化学分析结果： 化学 C Mn Si P S Cr 元素 要求 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 16.00～ 值 0.020 2.00 0.75 0.025 0.005 18.00 熔炼 0.018 0.012 0.003 分析 不锈钢钢锭：102 吨：

Ni

Mo

Cu

Co

N

11.00 14.00

2.00～ 3.00

≤ 0.10

≤ 0.05

0.10 0.16

0.05

0.038

主管道锻件在外表面加工：

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主管道锻件在加工内孔：

弯曲成型后的主管道热段锻件：

8. 百万千瓦核电发电机、汽轮机半速转子研制 100MW 核电发电机转子是核电站中重大关键零件之一，由于该转子尺寸大，质量要求等级高，该锻件同时也 是代表目前世界上大锻件制造最高水平的标志性产品之一。 （1） 转子锻件交货尺寸： 主截面直径：φ 1955mm³7990mm，总长：15226mm。 （2） 转子锻件重量： 交货重量：226.44t； 性能热处理重量：约 260t； 锻件毛坯重量：约 320t； 钢锭重量：约 560t。 二重已经同东方电机签订了 7 支 CPR1000 核电站发电机半速转子制造合同，于 2009 年 3 月份冶炼 560 吨钢 锭，目前该转子已经完成了所有制造，全部指标都达到了采购技术要求，通过了东电和中广核的联检。转子锻 件未发现 φ 1.3 以上缺陷，转子成品 C 含量在 0.22～0.26 之间。 核电汽轮机拼焊转子锻件也同时进行研究，已经同东汽签订制造合同，并投料进行制造。 核电发电件半速转子锻件：

CPR1000 核电发电机半速转子：

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第一支核电半速转子交货状态：

（3） CPR1000 核电发电机半速转子本体性能数据： σb σ 0.2 δ 5 试料 位置 区 MPa MPa % 640～ 要求 ≥550 ≥16 800 DTRE 785 675 22 D DTR1 785 680 21 CTRE 765 665 22 Ⅰ区 C CTR1 765 655 22 ATR1 755 650 20 A ATR2 765 655 22 BTR1 765 660 23 B BTR2 765 655 22 740～ 要求 ≥650 ≥16 900 Ⅱ区 J

JTR

870

790

20

（4） CPR1000 核电发电机半速转子中心棒性能数据： σb σ 0.2 δ 5 位置 试料区 MPa MPa % 要求 ≥600 ≥500 K 径向 780 670 20 K 轴向 785 675 22 G 径向 780 670 18 G 轴向 775 670 20 Ⅰ区 E 径向 780 655 20 E 轴向 780 660 21 F 径向 775 675 16

Ⅱ区

Ψ %

AKV （0℃）

FATT50 ℃

≥50

≥56

≤0

75 75 74 73 73 73 73 72

213、229、 223 244、241、 227 230、207、 181 222、237、 232

低于-80 上平台功：230J 低于-80 上平台功：230J /

≥50

≥56

≤0

71

224、212、 205

低于-80 上平台功：200J

Ψ % 68 75 54 63 58 63 41

Akv 0℃ ≥36 227、233、223 254、261、229 176、168、127 211、205、192 160、162、126 183、170、168 90、160、150

F 轴向

770

655

21

60

211、174、178

要求 H 径向

740～900 880

≥650 765

提供数据 17

提供数据 64

提供数据 145、149、135

H 轴向

850

735

20

72

171、181、175

22

/ /

FATT50 ℃ ≤25 / / / / / / / -30℃ 上平台功：220J ≤20 / -37℃ 上平台功：190J

CPR1000 核电汽轮机半速转子锻件（拼焊转子） ：

9. 宽厚板特大型支撑辊制造 5 米及以上轧机是如今世界上最大级别的宽厚板轧机，其支承辊体积异常庞大，交货重量 200 吨以上，所采 用的钢锭重达 400 吨以上。 中国二重从 2007 年开始进行专用新材料研究，2008 年开始投料试生产，2009 年形成批量生产能力。2009 年起，已分别为营口 5M、沙钢 5M、韩国现代等厂家生产 5M 支撑辊共 20 支，其中交货 8 支。最大交货重量 226.4 吨。 二重宽厚板轧机用特大型支承辊的主要技术性能指标： （1）满足超声波探伤技术要求。 （2）辊身硬度 HS45-55，辊身硬度均匀性 Δ HS≤6HS，辊身淬硬层深度≥100mm； （3）辊颈硬度≥HS40，辊颈机械性能：σ b≥900Mpa，σ s≥700Mpa，δ 5≥12%，ψ ≥37%。 （4）辊身表面金相组织为均匀的回火索氏体。 5M 支撑辊热处理：

5M 支撑辊成品：

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上海重型机器厂有限公司介绍 上海重型机器厂有限公司

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依托装备、创新技术——推进企业快速发展 中信重工机械股份有限公司 中信重工机械股份有限公司隶属于中信集团（CITIC），其前身为洛阳矿山机器厂，属国家“一五”期间 156 个重点建设项目之一。作为中信重工机械股份有限公司的主要下属生产经营单位——洛阳中重铸锻有限责任公 司是集冶炼、锻造、轧环、铸造、热处理于一体的大型综合性热加工生产企业，产品涉及冶金、建材、化工、 煤炭、交通、水利、电力、船舶、航空、航天、环保等领域，能够为国内、外市场提供多种材质与规格的铸件、 锻件和轧环件。 近几年来，公司根据市场变化和国家建设对重型装备的需求，瞄准高端市场和技术前沿，采取强力措施， 取得了显著成效，使企业进入了健康、快速的发展轨道。 公司在 2006 年 12 月 1 日，启动了以 18500t 自由锻油压机为核心的“新重机”技改工程，对原有热加工系 统进行全面升级改造，项目包括新建 80t 电弧炉及相关设备、18500t 自由锻油压机及相关设备、重型机加工设 备、大型热处理设施等。目前，先期建造的重型冶铸工部已全面投产，重型锻造工部、重型机加工工部、重型 热处理工部也将于 2010 年全面进入试生产。

㈠ 重型冶铸工部 重型冶铸工部建成后的主要设备配置为：80t 电弧炉 1 台、50t 电弧炉 1 台、30t 电弧炉 1 台，40tLF 炉、 60tLF 炉、150tLFV 炉及 150tLF/VOD 炉各一台，100t―600t 大型真空浇注罐 10 个，以及 200t－600t 多种规格 电平车、配上料系统、保温工位等配套设施，冶炼、浇注能力居世界同行前列。

80T 电炉

50T 电炉 50T EAF

150 吨 LFVOD 炉

重型冶铸工部的建成投产，使我公司钢水年产量可以达到 45 万吨以上，一次组织钢水的最大能力达到 1100t， 铸钢件单件重量达到 600t 以上，最大单炉冶炼不锈钢钢水量达到 148t，可以浇注最大重量为 600t 的多种材质 和规格的钢锭，能够生产合格的核电用钢、加氢用钢、轴承钢、轧辊钢、电站钢、模具钢、压力容器钢、含铬、 34

钼、镍的结构钢、硅锰结构钢、锰结构钢、碳素工具钢、合金铸钢，优质碳素结构钢、不锈钢、碳素钢及特殊 要求用钢。初炼炉可将钢水中的磷最低脱至 0.0009%,钢水精炼后能够控制［O］含量≤30ppm， ［S］含量≤0.004%， 精炼钢水经真空处理后能够达到［H］≤2.0ppm， ［O］≤25ppm， ［N］≤50ppm。

㈡ 重型锻造工部 重型锻造工部配置有目前世界最大、最先进的 18500t 自由锻造油压机，750t²m 锻造操作机，550t、350t 等多种规格重型运输行吊，φ 2600mm/1600mm 厚大截面切割机以及相关配套的加热炉、热处理炉窑群。 18500t 油压机采用最新的三梁、两柱、上传动、预应力框架式结构，并在关键的立柱上突破常规圆形四立 柱设计，采用两个矩形立柱，使主机的整体性、抗弯性、稳固性达到最佳。18500t 油压机依靠精确的导向和控 制系统，完全可以保证工作两个砧子之间完美的同心度和平行度，实现精确锻造，锻造精度达±2mm。油压机净 空距达到 8.5m，横向开裆达到 7.5m。

18500T 油压机模拟图

750 吨²米操作机模拟图

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8400 吨水压机

18500t 自由锻油压机建成后，将与公司现有的 8400t 水压机、3150t 水压机（配备 70t² m 锻造操作机） 、 1600t 水压机（配备 30t² m 锻造操作机） 、φ 5m 轧环件以及 3t、1t 空气锤等设备形成系列，大型锻件产品年 生产能力将达到 15 万吨，可以制造最大单重 350-380t 的锻件产品，将具备制造大型火电、水电、核电、轧辊、 压力容器等高端锻件产品能力，公司锻件生产的整体水平将跨上更高的发展平台。

㈢ 部分典型锻件业绩 ⒈ 核电锻件制造 我公司依托于山东石岛湾核电站建设工程，以高温气冷堆蒸发器锻件作为切入点，于 2008 年 10 月正式开 始核电锻件的研制和生产，作为第四代试验堆型的高温气冷堆核电锻件，其部分技术要求甚至高于 AP1000 和 EPR 核电锻件的标准。例如，在化学成份方面，硼（B）要求控制在 5PPm 以下，氢（H）要求控制在 0.8PPm 以下， 再热裂纹敏感系数 Cr+3.3Mo+8.1V-2 要求小于等于-0.1；在性能方面要求，RTNDT（参考零塑性转变温度）要求控 制在-20℃以下，-20℃低温冲击要求三个试样冲击功平均值大于等于 41J，并且单个试样最小值要求大于等于 34J，等等。 针对锻件技术要求，我们从钢锭冶炼成份的内控设计、铸锭工艺改进、锻造工艺策划、锻后热处理和最终 性能热处理的工艺优化等 5 个方面进行了深入的研究。例如，在化学成份控制方面，硼（B）控制在 1PPm 以下， 氢（H）控制在 0.5PPm 以下，硫（S）、磷（P）分别控制在 0.0018%和 0.003%，再热裂纹敏感系数小于等于-0.2； 在性能要求方面，RTNDT（参考零塑性转变温度）达到-25℃，-20℃低温冲击三个试样冲击功平均值等于 63J，单 个试样最小值等于 55J，等等。经过深入细致的研究、策划，选择该项目蒸汽发生器压力壳体内部支承法兰为模 拟件进行制造，该锻件工艺尺寸为φ 4380mm/φ 3560mm³1100mm，工艺重量 44120Kg，采用 85t 钢锭制造，通过 公司各部门的密切配合，一次性成功完成了模拟件的冶炼、铸锭、锻造、热处理等工序，检验各项性能指标满 足技术要求，顺利取得了国家核安全局颁发的核一级锻件制造资质。 为东方电气（广州）重型机器有限公司提供的主蒸汽进、出口接管锻件，材质 SA350MLF2Cl2，超声波探伤 按照 DH/ASME1411 标准 100%探伤。由于接管零件形状特殊，现有设备能力难以满足模锻工艺方案，确定采用常 规锻造工艺方案制造。冶炼工艺采用真空碳脱氧、真空浇注方案，共计生产进、出口接管锻件 16 件，一次性全 部满足超声波探伤要求。 36

⒉

大型管板锻件制造

某石化反应器大型管板锻件，规格为φ 6980mm³350mm，技术条件要求晶粒度不粗于 6 级；超声波探伤执行 JB/T4730.3-2005 标准Ⅱ级，对夹杂物含量及有害元素、气体含量控制严格。 该管板采用拼焊结构，锻件工艺重量为 57t，采用 90t 钢锭锻造，冶炼工艺采用真空碳脱氧、真空浇注工艺 方案，共计生产 6 件，一次性检验合格，满足超声波探伤及各项性能指标要求，创造了良好的经济效益和社会 效益。

⒊ 近年来部分典型锻件业绩 近年来部分典型锻件业绩见下表： 序号 产品名称 材质 锻件单重（吨） 锭型（吨） 成品尺寸 1 传动侧耳轴 20MnMoNb 53840 90 Φ 1660³4775 2 转子 25Cr2Ni4MoV 48590 85 Φ 1105³10225 3 支承辊 70Cr3Mo 54610 90 Φ 1455³6000 4 杆 35 55660 90 □1175³L6255 8 主缸体左段 20MnMo 73090 125 Φ 3000/Φ 1670³1855 10 柱塞 45 50470 85 Φ 1465³3755 12 辊套 34CrNi1MoA 19310 69T/2 Φ 1765/Φ 1115³1615 13 主轴 ASTM668D 52080 90 Φ 1835³6755 14 传动侧轴 18MnMoNb 41740 69 Φ 1485³4335 18 大三通 20MnMoNb 42860 75 Φ 1490³4445 20 封头法兰 14Cr1Mo 31840 53 Φ 4040/Φ 3215³830 22 筒体 20 35340 60 Φ 2200/Φ 1700³2800 23 支承法兰 SA508-3-1 44120 85 Φ 4380/Φ 3560³1100 24 主轴 30Cr1Mo1V 41170 75 Φ 1190³7080 25 舵杆 20Mn 45970 75 Φ 1005³9080 26 轧辊 60CrMnMo 31680 53 Φ 1230³4730 27 辊体 42CrMo 35480 69 Φ 1750³3775 28 辊体 30CrNiMo8 33920 60 Φ 1435³4500 29 管板 20MnMoNb 32900 60 Φ 3960³320 31 方板 20MnMoNb 56700 90 □2435³420³6820 33 进出口接管 SA350MLF2CL 16530 69 Φ 2265/Φ 1220³715 34 轴 42CrMo 53710 90 Φ 1335³6200 35 辊体 40CrMnMoA 40930 75 Φ 1755³4160 36 主轴 45MnMo 51390 90 Φ 1610³6850 40 转子 25Cr2Ni4MoV 45250 75 Φ 1125³9815 41 辊轴 42CrMo4V 34790 60 Φ 1170³6055 43 筒体 14Cr1Mo 38140 69 Φ 3045/Φ 2330³1540 44 支承辊 70Cr3Mo 55540 90 Φ 1555³5905 47 缸体中段 28CrNiMoV8-5 62450 125 Φ 2175/Φ 1300³3215 48 柱塞 42CrMo 82370 160 Φ 1475³6055 随着重型装备制造大型化、重型化的发展趋势，锻件产品规格越来越大，技术要求也随之不断提高，从而 对钢锭冶炼及锻造技术、工艺方面提出了更为严格的要求，我们将依托先进的装备制造能力，不断加强技术创 新，为广大国内、外用户提供优质的产品和服务。

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通裕重工大锻件产品技术、工艺创新 通裕重工股份有限公司 通裕重工股份有限公司（原山东通裕集团有限公司，以下简称通裕重工）是国内新兴的重大装备研发制造 企业，注册资本 2.7 亿元，总资产 25 亿元，全员 1600 人，其中中高级专业技术人员 280 人。现已形成集优特 钢、电渣重熔钢冶炼、大型铸锻造、热处理、机械开发设计及制造于一体的产业，形成了较为明显的循环经济 和环境友好型模式，具备了较强的产业特色和优势。是国家级重点高新技术企业、中国科技名牌 500 强企业、 中国大企业集团竞争力 500 强企业、中国机械工业优秀企业、中国工业行业排头兵企业、AAA 级信用企业。拥 有的“通裕”商标被评为中国驰名商标。先后通过了 ISO9001 国际质量体系、ISO14001 环境管理体系、 OHSAS18001 职业健康安全管理体系认证、中国船级社和法国 BV 船级社认证。拥有自营进出口权，已成为国家经 济建设和国防建设所需核心产品和大型高技术重大装备的研发、制造基地。现在我介绍一下通裕重工在大锻件 产品技术、工艺创新方面的主要成果：

一、在节能降耗方面取得的主要成绩 随着我国装备制造业近年来的快速发展，尤其是以大型锻件为主的锻造产业不断扩大，对能源的消耗也日 益增多，为了全面落实科学发展观，大力发展低碳经济，顺利完成“十一五”规划的节能降耗目标，通裕重工 是国内第一家用油压机生产大型自由锻件的厂家，积累了丰富的节能经验，取得了可观的节能效果。

1、生产技术工艺改进 我公司充分认识到技术进步是提高能源利用率、有效节约能源的主要途径之一，因此我们在设备升级改造、 技术工艺改进方面加大了力度，鼓励创新、大胆尝试。通过技术改进将风电主轴的锻造过程由原来的四火变为 现在的两火，有效地节约了天然气消耗、及锻件火耗损失，使每吨锻件天然气消耗降低了 30%，通过技术改进及 工装设计，进一步提高了钢锭的利用率，以 MW 级风力发电机主轴产品为例，将以前的钢锭利用率 75.2%提高到 3 现在的 81.7%，仅此两项使我公司每年节约天然气 220 万 m ，节约钢锭 3500t，使生产成本始终处于较低的水平。

2、对锻后余热的合理利用 近年来由于设备、控制手段等方面的发展，工艺日益完善，利用锻后余热进行正火在生产中日益得到重视。 我公司近年来大胆创新、敢于尝试，利用锻后余热，控制冷却，取代常规的正火处理，在生产实践中取得了较 大突破，实践证明这种余热正火的节能效果和经济效益十分明显。 锻件终锻后，利用缓冷箱，控制其冷却速度，使其冷速均匀，并且不受季节变化引起的环境温度改变对冷 速的影响，获得粗大的平衡组织。硬度较低且很均匀。与常规的正火处理比较，余热正火后，切削阻力小，切 削性能更为理想。节省了二次加热环节，节约了大量天然气、电力等能源。因此，锻后余热正火在生产中的应 用，对节能减耗、节约成本和缩短生产工期、简化工艺等方面均具有重要意义。 目前我公司锻件产品已利用锻后余热控冷代替正火工艺进行生产，从节能降耗及产品质量方面都取得了满 意的效果。

3、加强质量前期策划及过程管理 在产品生产前，重点分析生产中可能遇到的技术难点、失效模式及改进方案，通过 APQP(质量前期策划)、 MPP（质量过程管理）软件的编制，加强了生产的前期策划，并在生产过程中根据实际情况不断修正，使生产过 程更加合理，接近产品预期。 生产过程中，确保按照锻前加热、锻后热处理的工艺曲线执行，定期检查炉体温度的均匀性，避免局部过 热过烧。通过对锻压过程的有效控制，保证了锻比及终锻温度，提高了产品的质量和成品率。

二、自行研发并率先实现了国内 MW 级风电主轴科技成果的产业化 为了应对能源枯竭，大力发展以风能为主的高效清洁能源，已经成为全球能源产业发展的主要方向之一。 在风电装机容量快速增长的同时，风力发电技术也取得了长足的进步。我公司进入风电行业较早，一直致力于 MW级风力发电机主轴的研发及生产。风电主轴是风电装备的核心部件之一，2006年，自行研发的MW级风力发电 机主轴科技成果通过了山东省科技厅组织的专家鉴定，填补了国内空白，并率先在国内实现了产业化。其主要 产品有0.6～0.8MW、1.25MW、1.5MW、2MW风力发电机主轴， 2008年又自行研发成功了国内首支3MW风力发电机 主轴，2009年又开发成功了2.5MW直驱式(纤维保持型)风力发电机主轴，现已形成批量生产。为促进我国的大功 率风电装备国产化作出了贡献。 我公司风力发电机主轴产品已大量出口，现已成为丹麦维斯塔斯（Vestas） 风能集团公司、西班牙歌美飒 (Gamesa) 公司、美国GE公司、美国克里泊（Clipper）公司、德国恩德公司、印度苏斯兰（Suzlon）公司等客 户的长期供应商。在国内，东方电气、上海电气、大连华锐、国电动力、重庆海装等风电行业龙头企业都是我

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公司的长期客户。目前我公司正致力于开发3KW以上大功率直驱式(纤维保持型)风力发电机主轴，以满足国内外 市场的更高需求。

三、1.2343、1.2367 材料锻件产品的成功生产

1.2343、1.2367材料为空冷硬化的铬系热挤压模具钢。该钢具有较高的热强度和硬度，尤其在中温(600℃) 时具有较高的热强度和硬度，高的耐磨性和韧性，较好的耐冷热疲劳性能。由于这种钢具有良好的综合机械性 能，而越来越广泛地被用于制造模锻锤的锻模、热挤压模具与芯棒、锻造压力机模具、精锻机用模具、镶块以 及铝、铜及其合金的压铸模等。 此材料技术含量高，生产难度大，因此国内只有极少数企业能够完成从炼钢到热处理的整个生产过程，我 公司从 2007 年底开始着手攻关，通过多次试验，不断改进，终于彻底攻克了材料炼钢成分控制难度大、可锻温 度范围窄、淬火易开裂等难题，于 2008 年 5 月成功完成了 1.2343、1.2367 材料锻件产品的生产，标志着通裕 重工的原材料冶炼、锻造、热处理水平又提升到了一个新的高度。

四、P91 三通锻件的研制

P91钢是美国上世纪七十年代研制开发的用于火力发电厂锅炉蒸汽管道、集热箱、再热器、蒸汽导管等的热 强钢，该钢具有很高的许用应力、持久强度、蠕变抗力、疲劳强度、热导率，良好的焊接性和抗蚀性。P91新钢 种除具备上述优良的常温、高温力学性能外(与原低合金耐热钢10CrMo910等相比)，还具有与高合金耐热钢 (TP304L等)相近的抗氧化能力，以及低的线膨胀系数，是近几年国内大力推广应用在超临界机组中主蒸汽管道、 三通锻件的首选钢种。目前，由于该材料冶炼工艺十分复杂，国内只有少数企业能够生产，主要依靠进口。因 该材料具有较好的高温力学性能，故锻压过程中变形抗力大，容易出产生白点，废品率高，所以国内能生产P91 材料大型三通锻件的企业很少。 我公司与中科院金属研究所进行合作攻关，研发内容包括炼钢、浇注工艺，锻造工艺及热处理工艺，并于 2010年初研发成功P91大型三通锻件，成分、探伤、性能检测全部合格。目前，我公司的三通锻件已形成批量生 产，得到了用户的肯定和认可。

五、国内首支 AP1000 核电主管道用 316LN 材料 73t 电渣锭研发成功

电渣重熔法是生产优质大型钢锭的可靠方法和有效途径，具有净化和可控快速凝固等优点，对于解决世界 大型钢锭的均匀性和纯净度两大冶金质量难题具有特殊的技术优势。大锻件生产的限制性环节在于缺乏优质大 型钢锭，且电渣重熔锭的利用率远高于电炉锭，因此大型电渣重熔钢锭对于消除大锻件生产的限制性环节发挥 了重要作用。 316LN超低碳控氮奥氏体不锈钢是核电大锻件的主要原材料之一。主要应用于AP1000第三代核电站主管道， 其国际成品件价格在20万欧元/吨左右，由于价格较高，且用量较大，因此将该材料国产化对于我国核电行业发 展有着重要的意义。目前制约该材料大型锻件生产的主要问题是大型钢锭问题。普通的电炉锭，由于其自身存 在的冶金缺陷无法满足该锻件的质量要求，而该材料大型电渣重熔技术尚不成熟。 鉴于此我公司大胆尝试，组织专家、技术人员对316LN大型电渣重熔技术难点进行攻关，对电渣重熔过程中 的短网问题、补缩问题、组织均匀化控制、电渣重熔过程的气氛控制等问题逐一解决，于2009年4月份成功生产 了国内首支73吨316LN材料的电渣重熔钢锭，经用户后期加工的反馈结果证明，用该大型电渣锭生产的核电主管 道试验件性能优异，完全能够满足使用要求。为促进我国的核电装备国产化作出了重要贡献。

六、国内首支 DN1400mm 管模研发成功

当今利用离心铸造技术生产的球墨铸铁管已经基本取代了灰口铸铁管。管模是用于离心浇注机上浇注铸铁 管的核心部件，属易消耗模具，需求量大。我公司在多年的管模生产实践中，不断进行工艺改进、技术创新， 已申请多项生产技术专利。管模一直是我单位的标志性产品，目前我公司管模型号齐全，在国内的市场占有率 达70%以上，国内用户主要有新兴铸管、圣戈班管道系统有限公司、大连万通工业装备有限公司等，国外用户除 法国穆松桥公司、韩国铸管公司、印度电钢公司等主要用户外，产品还销往美国、瑞士、俄罗斯、韩国、马来西 亚、沙特、伊朗、土耳其等国家和地区。 在此基础上我公司于 2009 年开始研发 DN1400 型号的大尺寸管模，通过努力先后解决了生产过程中的锻压、 焊接、热处理等相关技术难点，成功生产出国内首支 DN1400mm 大型管模，产品性能、质量优异，得到客户的充 分认可。 面对金融危机，通裕重工全体员工化挑战为机遇，及时调整经营战略和产品结构，重点提升自主创新力度， 取得了较好的业绩。面对未来，通裕重工将以国家级高新技术企业为依托，大力提升自主创新和产学研合作水 平，优化调整产品结构，升级产业技术，进一步整合提高产业集中度和生产效率，建成国际先进水平的热加工、 冷加工和装备制造业关键零部件的专业化研发、生产中心，力争尽快成为世界知名的重大装备制造优势企业和 快速、健康、可持续发展的上市公司。

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第三部分 材 料 技 术

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高质量锻造用特殊钢的冶金工艺浅析 李国忠 （江阴兴澄特种钢铁有限公司 214429） 摘要：锻造用特殊钢应具有良好的内在和表面质量、良好的淬透性、成分和组织均匀、热处理变形小、冲击韧 性好等综合性能要求。多年来随着特殊钢冶金工艺的进步，特殊钢生产企业创新应用多种冶炼和轧制的前沿工 艺技术，已经能够提供高质量的锻造用特殊钢，二者结合得更紧密。

1 概述 特殊钢一般是指具有特殊性能或特殊用途的钢种，与普通钢相比具有更高的强度和韧性，更严的物理性能、 化学性能、生物相容性和工艺性能，这些决定了它在国民经济及军事工业中占有极其重要的地位。因此，在生 产制造特殊钢时，需要采用特殊的工艺装备技术来实现特殊的化学成分、特殊的组织和性能。 随着科学技术的发展，对特殊钢产量及品种的需要日益扩大，对质量的要求也越来越严格、苛刻。近年来， 围绕提高特殊钢性能、质量、品种、效率，降低特殊钢生产成本、节能降耗、环境友好等方面应用了一系列新 技术、新工艺、新装备，使得特殊钢的洁净度、均匀度、组织细化度和尺寸精度等有了很大提高。 锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零 件具有良好的力学性能及长久的使用寿命，此外，精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件外形和内部质 量好，因此锻造用特殊钢在各个行业均应用广泛。 一般导热性差、塑性低、变形抗力大、尺寸规格大、外形尺寸复杂、内部质量要求高的钢均需要锻造来实 现，锻造用特殊钢要求具有良好的内在和表面质量、高纯净度、成分和组织均匀、晶粒细小、良好的淬透性、 热处理变形小、冲击韧性好等综合性能要求。同时，锻造钢材表面不允许存在影响后部加工的裂纹等缺陷，外 形尺寸上需要满足用户使用方面的特殊要求。

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国内先进的特殊钢工艺流程

目前国内先进的特殊钢工艺流程主要有三种： 1）工艺一：特种冶炼(如真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、等离子熔炼等) →锻造或轧制。 由于航空航天、导弹、火箭、原子能、海洋电子等工业的发展，对所需要的金属或合金质量、性能、可靠 性、稳定性等的要求越来越高，需使用特种冶金技术。但近年来随着二次冶炼技术的发展，用二次精炼方法生 产的特殊钢，在纯洁度方面已可达到甚至超过特种冶炼的产品，使得过去要靠特种冶炼方法才能生产的品种现 在改用二次精炼方法来生产，例如，过去用真空电弧重熔或电渣重熔生产的轴承钢，现在可用 LF+RH 或 LF+VD 来生产。试验结果表明，用二次精炼方法获得的超纯轴承钢与真空电弧重熔的相比，二者具有相同的寿命。 2）工艺二：废钢→电弧炉→LF 精炼炉→VD 真空脱气炉→连铸/模铸→轧制→成品； 3）工艺三：高炉铁水→KR 预处理→转炉→LF 精炼炉→RH 真空脱气炉→连铸→轧制→成品。 4）其他特种冶金工艺：采用钢包精炼加 VD 真空脱气工艺，模铸时采用真空浇铸工艺，同时选择合适的过 热度及铸速。质量特点为残余元素低、气体含量少、纯净度高、钢锭内部致密性好、表面质量好、锭型合理成 材率高等。

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先进的锻造用特殊钢生产工艺的特点

1）采用有害元素控制技术，使得钢中的 P、S 及五害元素含量低。通过对废钢进行分类管理，减少废钢中 的杂质元素带入；电炉采用热装铁水技术，再进一步稀释废钢中有害元素的浓度；转炉则根据冶炼钢种的需要 采用 KR 工艺，对原始铁水分别脱 P、S、Si，加上冶炼过程中的处理，使钢中有害元素含量大幅降低。具有保证 钢中的 P≤0.015%、S≤0.010%、五害元素 As+Sn+Sb+Pb+Bi≤0.030%的能力。 2）采用钢包精炼和真空脱气相结合的炉外精炼工艺技术，使得钢水保持高的纯净度。对碳结或合结钢，在 初炼炉（电炉或转炉）出钢终点及 LF 炉初期加入适量强脱氧剂进行沉淀脱氧，同时控制渣系及进行扩散脱氧， 使得钢液中氧含量迅速降低、夹杂物快速上浮。而后续的真空脱气工艺则使钢水的氧含量、夹杂物进一步降低， 此外钢中 H、N 也得到有效控制。可以使实物质量达到： ［O］含量，高碳轴承钢≤6ppm，低碳齿轮钢≤15ppm； ［H］含量，≤1.5ppm； 41

［N］含量，转炉钢≤30ppm； 非金属夹杂物如表 1。 表1

钢类 连铸大圆坯 油田用钢 齿轮钢 易切削非调质钢

实物质量水平（非金属夹杂物）

A 细系 2.0 1.5 2.0 2.0

B 粗系 1.5 1.0 1.0 1.0

细系 2.0 1.5 1.5 0.5

C 粗系 1.5 1.0 1.0 0.5

细系 1.0 1.0 1.5 1.0

D 粗系 1.0 0.5 1.0 1.0

细系 2.0 1.0 不出现 不出现

粗系 1.0 0.5 不出现 不出现

DS （级） — — ≤2 .0 ≤1.0

3）成分高精度控制。通过入炉及出炉钢水的精确计重、合金的计算机自动加料技术的应用，同时对员工操 作技能进行培训，钢水的成分做到高精确控制。目前兴澄公司实物与目标成分的偏差控制水平可达到 C：±0.01%， Mn： ±0.03%，Cr：±0.02%，Ni：±0.02%，Mo：±0.01%。 4）多项工艺技术集成的优特钢连铸专用工艺，其主要内容包括： ①保护浇注技术：大包到中间包采用长水口，长水口与大包下水口接触处采用密封垫，并吹氩保护；中间包 到结晶器采用整体浸入式水口加保护渣浇注技术；为使大包长水口及中间包浸入式水口安装和使用方便，大包 回转台及中间包小车必须具备升降功能。 ②采用结晶器液面控制技术。如果浇注时结晶器液面波动过大，弯月面附近的保护渣容易卷入坯壳而形成夹 杂物。采用结晶器液面控制技术可以使结晶器钢液面波动大大减小，一般可达≤±2.0mm，消除了卷渣的可能性。 ③采用电磁搅拌技术。目前主要采用结晶器加凝固末端电磁搅拌工艺，该技术的采用可以达到减少铸坯表面 气孔、坯壳结晶均匀、成分偏析减轻、等轴晶比例提高的效果。 ④采用二冷弱冷技术。优特钢由于合金含量高、导热系数小、塑性低等特点，不当的冷却方式容易使铸坯产 生裂纹、变形等缺陷。二冷弱冷就是通过特定的喷嘴将一定压力、流量的水和压缩空气混合而喷向铸坯表面， 其冷却强度较低，铸坯不容易产生裂纹和变形。 ⑤采用中间包感应加热技术。减轻偏析是连铸的重要任务，而低过热度浇注是减轻偏析的最有效手段。中间 包感应加热技术的采用是连铸低过热度浇注的有力保证。兴澄公司引进日本的中间包感应加热技术，可以使中 间包过热度控制在≤20℃。 ⑥采用凝固末端轻压下技术。凝固末端轻压下可以将凝固末端还未凝固的富含溶质元素的钢液向上挤压，从 而使偏析大大减轻，铸坯中心碳偏指数≤1.10，达到世界先进水平。 ⑦大圆坯连铸工艺技术的开发。兴澄特钢立足自己科技创新，开发出世界首创的超大规格（φ 800mm）连铸 圆坯生产工艺技术。其主要工艺特点是：大曲率弧形半径、特殊的二冷工艺、合适的浇注速度、独特的矫直技 术和铸坯下线冷却工艺。连铸大圆坯具有纯净度高，低倍结果较好，成分均匀，[H]含量低等特点。 5）能耗低、环境友好，通过质量专家系统技术及热送热装工艺，采用合适的尽量高的热送温度，铸坯余热 利用率高，减少了重新加热消耗。 6）高表面质量和内在质量，通过火焰清理工艺、磁粉探伤、在线或离线涡流/超声波/红外等多种无损自动 探伤手段，确保钢材的表面及内在质量。 7）轧材尺寸的高精度控制技术。通过减定径机、激光测径仪等装备的应用，实现自由尺寸轧制，可达到 1/4 DIN 标准，满足了锻造工艺的“精、净、省”的发展要求。

4

典型锻造用轴承钢的实物质量水平

作为钢中之王的轴承钢，其质量要求是所有合金钢中最严格、检验项目最多的钢种，广泛用于锻造钢球套 圈等。世界公认轴承钢的水平是一个国家冶金水平的标志。轴承对其材料的要求较高，必须具备高的硬度、耐 磨性、接触疲劳强度、弹性极限，良好的冲击韧性、断裂韧性、尺寸稳定性、防锈性能和冷热加工等性能。为 保证这些性能要求，轴承钢的冶金质量必须保证其严格的化学成分及化学成分均匀性，特别高的纯净度，极低 的氧含量和残余元素含量，严格的低倍组织和高倍组织，严格的碳化物均匀性，严格的表面脱碳层和内部疏松、 偏析、显微孔隙等，不允许存在裂纹、夹渣、毛刺、折迭、结疤、氧化皮、缩孔、气泡、白点和过烧等表面和 内部缺陷。

42

表2

兴澄公司生产的高碳铬轴承钢（GCr15）实物质量水平

特征值 分类

O ppm

Ti ppm

GB/T18254

≤12

/

SKF 标准

≤15

SHAEFFLER 标准

≤13

NSK 标准 产品实物

A类

B类

C类

D类

细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 ≤2.5 ≤1.5 ≤2.0 ≤1.0 ≤0.5 ≤0.5

细系 ≤1.0

粗系 ≤1.0

≤0.5

≤0.5

≤1.0

≤0.5

≤12

≤30 ≤2.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤0.5 ≤0 ≤0 ≤30 ≤2.0 ≤1.0 ≤1.5 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5 ≤30 ≤2.5 ≤1.5 ≤1.5 ≤0.5 ≤0 ≤0

≤1.0

≤0.5

最大值

6.2

20.0

1.5

0

1.0

0

0

0

0.5

0.5

最小值

3.0

7.0

1.0

0

0.5

0

0

0

0

0

平均值 5.5 12.0 1.09 0.00 0.58 0.00 0.00 0.00 0.33 0.09 通过创新应用多种冶炼和轧制的前沿工艺技术并优化集成，兴澄的轴承钢实物质量水平如表 2。兴澄公司已 成为中国唯一一家 SKF 的全球供应商，同时获得了多家国际知名企业的认证，并成为其全球供应商。兴澄牌轴 承钢获得中国名牌称号。

5

结束语

随着工艺技术进步和工艺装备的提升及创新技术的应用，有理由相信中国的特殊钢产品实物质量能达到世 界水平，值得锻造行业用户的信赖。

43

洁净钢技术 1

朱延果 （铁姆肯中国投资有限公司）

摘要：锻造用合金钢应具有优良的内在和表面质量。这就要求锻造用钢必须具有较高的洁净度，较低的夹 杂物含量，稳定一致的化学成分和组织，钢材表面必须保证无折叠、夹杂等有害缺陷。铁姆肯在锻造用洁 净钢的质量、洁净度检测、以及锻造应用上均有其独特的认识和理解。 1.概述 铁姆肯公司位于美国俄亥俄州坎顿市，成立于1899年, 发明了TRB圆锥滚子轴承。从1916年开始冶炼 第一炉钢，到目前已有94年的炼钢历史。铁姆肯公司的钢材均产自其位于美国俄亥俄州坎顿市的两家钢厂。 Faircrest 钢厂是钢锭生产模式，Harrison钢厂是4流连铸生产模式。全球有3500名铁姆肯员工从事钢铁业务， 目前年冶炼能力大于150万吨，常用牌号450种。圆钢产品尺寸从25mm到406mm，无缝钢管外径尺寸从40mm 到330mm，产品从棒材，管材，到半成品零部件，是全球生产合金钢产品最多、尺寸最广的厂家之一。 铁姆肯钢材的质量等级从普通商用到航空航天，包括普通商用、电炉、航空航天、轴承质量等级和 Parapremium 等级。通常，铁姆肯钢材按照 AISI 标准进行生产，此外，也可按照客户的具体要求冶炼非标 准钢材。铁姆肯合金钢制造过程以钢材的洁净度和化学成分稳定为基准，铁姆肯技术中心也可根据客户需 求和客户一起研发具有特殊需求的新钢种。 2. 洁净钢技术 2.1 洁净钢内在质量 众所周知，轴承钢是所有合金钢中要求最严格，检测项目最多的钢种，轴承钢的水平是一个国家冶金 水平的标志。轴承的工作条件极为复杂，承受着各种高的交变应力，如拉力、压力、剪力和摩擦力等，基 于对轴承工作条件和破坏情况的分析，非金属夹杂物是轴承钢基体的异相，破坏了基体的连续性，是造成 轴承早期疲劳、剥落的主要原因之一。轴承钢的冶金质量必须保证严格的化学成分控制和较高的钢材洁净 度，极低的氧含量和有害残余元素含量。因此，能否保证轴承钢的质量稳定和洁净度已是现今轴承钢行业 在市场竞争中能否取胜的主要筹码。 Molybdenum

100.0%

100.0%

80.0%

80.0%

Frequency

Frequency

Chromium

60.0% 40.0% 20.0% 0.0%

40.0% 20.0%

Carbon -0.04 -0.03 -0.02 -0.01

0.0%

0

0.01 0.02 0.03 0.04

100.0%

100.0%

80.0%

80.0%

Frequency

Frequency

60.0%

60.0% 40.0% 20.0%

Manganese -0.04 -0.03 -0.02 -0.01

0

0.01 0.02 0.03 0.04

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01

0

0.01 0.02 0.03 0.04

60.0% 40.0% 20.0%

0.0%

0.0%

-0.04 -0.03 -0.02 -0.01

0

0.01 0.02 0.03 0.04

图 1 铁姆肯钢材化学成分的实测统计结果和目标值的偏差控制水平 铁姆肯既是轴承公司，同时又是钢铁制造公司，其对洁净钢的认识也更加深刻，首先铁姆肯优化钢材 1

电话：021-61138120，传真：021-61138001，电子信箱：zhuyg@timken.com，地址：上海虹桥路 1 号港汇大厦 1 座 27 楼， 邮编：200030 44

标准和成分，生产洁净钢，然后洁净钢应用到轴承中，收集轴承试验和使用数据，进行分析，最终又反馈 给钢铁部门，钢铁部门进一步优化钢材标准和冶金水平，94年的炼钢经验使得铁姆肯成为美国最好的、最 值得信赖的合金钢制造厂家。目前铁姆肯可以保证O ≤ 12ppm，H ≤ 2ppm（锻制后，材料无需扩氢处 理），S ≤ 0.005%，P ≤ 0.010%的有害气体和杂质元素控制。产品质量稳定也是铁姆肯钢材的一大特色， 图1出示了铁姆肯钢材化学成分的实测统计结果和目标值的偏差控制水平。 2.2 洁净钢检测新技术 铁姆肯是美国最大，全球第三大轴承制造商。自1928年至今，每年都有超过3000套的轴承被测试，包 括轴承应用测试和疲劳寿命测试，一般轴承测试周期为1-2年，费时费力，因此需要更快更便利的评估手段。 对钢材洁净度的测试，传统测试方法主要有非金属夹杂物检测（ASTM A295，E45，ISO 4967） ，总氧含 量检测，以及磁粉探伤检测（2300，2301，2304） 。但是非金属夹杂物的检测面积很小，另外，当氧含量 低于10ppm时，氧含量并不是决定轴承钢疲劳寿命的决定因素，祥见图2。因此如何快速准确测定材料中夹 杂物的数量、尺寸分布，以及与疲劳寿命的关系，成为各国研究、关注的焦点。目前较先进的检测方法有： 高分辨率超声波检测，图像分析（光学显微镜），图像/成分分析（ASPEX） ，原位检测（ESZ-PAS） 。高分 辨率超声波检测的原理如图3所示，其优点有三：对钢件产品无损检测，检测体积较大，和材料寿命有合理 的关系（见图4）。而Aspex检测方法是图像分析和成分分析相结合，运用统计学的极值统计理论，对钢中 非金属夹杂物的大小进行定量评价。该极值统计法与原有的ASTM E45法和JIS G0555规定的夹杂物评价法 相比，检测面积大，因此，可以获得精度更高的洁净度评价。ASPEX检测方法一般分析1000个夹杂物，同 时对夹杂物形态(尺寸，形状，来源)、夹杂物的分布（定位）、夹杂物成分进行分析，根据夹杂物数量的新 型统计方法，得出夹杂物分布范围、夹杂物线性范围、和数理统计结果。

滚道 滚道

检测的体积

图2 氧含量和轴承钢的疲劳寿命的关系

图3 高分辨率超声波检查原理

图4 几种夹杂物检测方法所检测的材料体积，铁姆肯高分辨率超声波检测的夹杂物密度和轴承疲劳寿命的 关系 45

2.3 铁姆肯钢包精炼钢材和电渣重熔钢的比较 铁姆肯全部采用100%优质废钢进行冶炼，炼钢过程为：把优质废钢和高品质铁合金加入电弧炉中进行 初炼，当钢水组织均匀，并且达到一定温度时，将钢水底注到经过预热的钢包中进行精炼。在钢包精炼过 程中实现化学成分的精确控制，在真空脱气时用惰性氩气不断搅拌，使杂质上浮，并去除有害气体。之后 通过底部浇注成7t钢锭或是连铸成300³356mm的连铸坯。整个浇注过程全部采用气体保护，防止钢水的 二次氧化。 电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。其目的主要是提纯金属，细 化夹杂物，并获得组织均匀的钢锭。但是由于目前电渣钢冶炼时没有采用保护装置，使得液面和空气接触， 致使电渣钢的含氧量较高，可达30ppm，因此电渣钢中的氧化物密度较高。在冶炼高合金钢材时，电渣钢 在化学成分均匀性方面有一定优势，但是对于一般锻造用低合金钢材，电渣钢和钢包精炼钢在成分均匀性 方面差别不大。 铁姆肯对中国某一钢厂的电渣钢和自己冶炼的真空脱气钢进行了夹杂物的对比分析。首先根据标准 GB10561，对20个视场的非金属夹杂物进行了分析，中国某电渣钢并无优势，夹杂物A+B+C+D=15，铁姆 肯1#为A+B+C+D=11.5，铁姆肯2#为A+B+C+D=13。另外也采用ASPEX法做了对比分析，结果如表1所示。 表明某电渣钢的总氧化物面积、氧化物密度远大于铁姆肯精炼钢，虽然电渣钢进行过二次熔炼，但是其在 氧化物最大尺寸上也并不占优势。图5是采用ASPEX分析法得出的夹杂物分布范围图，钢种为渗碳轴承钢， 白色柱状图为铁姆肯精炼钢，黑色柱状图为中国某电渣钢，从图可以看出，铁姆肯精炼钢的夹杂物尺寸、 夹杂物分布宽度明显小于中国某电渣钢。 表1 中国某钢厂电渣钢和铁姆肯钢包精炼真空脱气钢洁净度对比，钢种40CrMo4 Table 1 Comparison of one Chinese ESR sample with Timken LF+VD sample, 42CrMo4 氧化物密度 最大的氧化物尺寸 试样来源 氧化物总面积 /mm2 (Area^1/2) 中国某钢厂 ESR 101.87 4.86 15.70(stringer) 铁姆肯 1# 11.48 1.95 19.04(globular) 铁姆肯 2# 8.1 1.44 8.16(small stringer)

图5 某渗碳轴承钢的夹杂物尺寸分布图，白色：铁姆肯精炼钢；黑色：中国某电渣钢 从上述分析结果，我们可以认为，铁姆肯钢包精炼加真空脱气钢材已经达到电渣钢水平，并在一定程 度上好于某些电渣钢。铁姆肯精炼钢纯净度高，炉批量大，制造成本低，周期短，具有较好的竞争力，是 各锻造厂可以信赖的、可代替电渣重熔的优质洁净钢材。 3. 铁姆肯大尺寸棒材应用 46

在供货尺寸上，铁姆肯也是北美地区首屈一指的钢铁公司，可生产直径尺寸在1至16英寸（25.4mm至 406mm）之间的热轧钢棒，这是目前世界上尺寸范围最广的钢材供应之一。锻造厂家采用铁姆肯轧制圆钢 生产齿轮、轴承、轴类、以及阀门等各种锻件。铁姆肯对生产的锻造用钢有其独特的认识和应用。下面列 举几个典型的例子加以说明。 例1：碾制环件——轴承内外圈、衬套、隔圈、内齿圈等各类环件。特点：环件中心冲孔；可以更好的利用 轧材表面轧制比；碾环件可保持完整的金属流线，具有较高的疲劳寿命。 例2：用轧材代替钢锭作为锻坯——各种齿坯、多台阶轴类。例如采用直径380mm的8822H轧材代替钢锭 锻制风机齿轮箱太阳轮，特点：与钢锭相比，已切头去尾，来料质量有保证；具有一定的轧制比（4.4）， 可减少墩拔次数；良好的表面质量，无缺陷；低成本。再例如采用直径为230mm的17CrNiMo6（轧制比12.3） 来代替17寸（430mm）圆钢锭，锻制风机齿轮箱高速输出轴。特点：来料已做超波检测，客户无需再做探 伤检测；心部质量有保证，3mm FBH；无需反复墩粗拔长，一火锻造，节省费用；节省时间（8天） ，明显 提高工作效率。 例3：用大棒材代替锻棒作为锻坯——连杆、活塞销、曲轴。例如采用直径为230mm和150mm的42CrMo4 铁姆肯钢包精炼加真空脱气轧材来代替ESR锻棒锻制连杆。特点：铁姆肯轧材足够大的轧制比，12.3和28， 保证心部质量；和锻棒相比，尺寸均匀，便于下料；节省了锻棒的正火和退火处理，节省费用；真空脱气 轧材相比电渣加锻材价格具有更好的竞争力。 例4：直接代替锻棒车削加工—台阶较小的轴类。例如采用直径为203mm（轧制比15.6）的4340、43B17 来代替锻棒直接车削加工齿轮轴，高速轴等。特点：心部质量有保证，3mm FBH，客户无需超波探伤；以 轧代锻，可直接机加工，大大降低成本；良好的表面状态，减少机加工余量。 4. 总结 铁姆肯公司生产的合金钢洁净度高，质量稳定一致，尺寸范围广，处于世界领先水平。在锻造方面有其独 特的理解和广泛的应用，和世界各地的锻造公司都有良好的合作，是值得各锻造厂信任的优质钢材供应商。铁 姆肯公司愿意为您提供整套的锻造用钢解决方案。

47

第四部分 锻 造 工 艺

48

大型锥形筒体的锻造方法 胡朝备 张国刚 孙峰 马明方 （上海重型机器厂有限公司,上海市 200245） 摘要：为了解决大型锥形筒体锻造的技术难题，上海重型机器厂有限公司在借鉴国内外经验的基础上，进行了 试验和研究，并成功锻造出了大端直径Φ 6160mm、小端直径Φ 4430mm、高 3470mm 的锥形筒体。本文对该类筒体 的锻造原理、有限元分析软件 MARC 模拟试验、锻造工艺及实物锻造过程进行了分析与总结。 关键词：锥形筒体；有限元；阶梯坯料 核电的蒸汽发生器设备中连接上、下筒体与封头之间的过渡件是一段上下直径不同、壁厚相同的锥形筒体。 采用直接锻出锥形的方法可节约材料 50%以上，缩短生产周期，提高设备结构可靠性,但是由于其材料特殊、尺 寸很大，直接锻出锥形较为困难。

1

锥形筒体锻造技术的发展

在我国，锻造这种锥形筒体用过四种方法：(1)先锻压成厚壁直筒体，再加工出锥形的工艺方法。这种方法 材料浪费大、加工工时多并且生产周期长。(2)先锻压二段环形毛坯，焊接在一起后机械加工成锥形。这种方法 对材料等仍浪费大，同时增加了一条环焊缝，降低了设备可靠性。(3)工艺流程为：开坯下料→镦粗、冲孔→扩 孔、平整→芯棒拔长锥形坯→平头镦粗→扩孔完工。这种锻造方法在拔长锥形坯料，不易控制锥形坯料尺寸， 对锻件成形不利。同时，在芯棒拔锥形坯料工序后增加平头镦粗工序，极易造成锥形坯料内孔变形和外圆出现 鼓肚，破坏其锥形坯料的初始拔长效果，影响锻件的最终成形尺寸，钢锭利用率也较低。(4)坯料镦粗后再在一 端边旋转边吹氧气割制成锥形坯料。这种剥边制坯工艺不可靠，坯料粗糙还要增加平整、拔长等工序。

2

锻造原理分析

为了能在自由锻压机上锻制出接近成品形状和尺寸的锥形筒体，首先必须锻制出形状和尺寸满足一定条件 的坯料，然后经扩孔锻出成品。分析锥形筒体的结构特点，采用如下锻造工序：拔长下料→镦粗、冲孔→芯棒 拔长→制取扩孔前的坯料→扩孔完工。

2.1

坯料外形结构分析

设锻件小端外圆半径为 R1，大端外圆半径为 R2，高度为 H，壁厚为 a(见图 1)。则成品锻件的外形轮廓是 直线 Y＝H（X- R2）/（R1-R2）绕 Y 轴旋转一周围成的回转体。 成品锻件

坯料

Y

(R 1 H) a

I

A(X,Y)

B(X,Y)

r X (R 2 0)

0

图 1 坯料外形结构分析图

扩孔前后的高度变化可忽略不计，于是可以得出成品锻件在某一高度 B 处的圆周截面积为： SB＝  {X2-[X-

这与坯料在同一高度 A 处的圆周截面积为相同： SB ＝SA＝  (X2-r2) 从而可得出坯料的外圆方程为：

49

a  H   sin arctan R2  R1  

]2}

（1）

（2）

y＝CX2+d

（3）

H sin arctan[ H /( R 2  R1)] 2a ( R1  R 2 ) 2aR 2 H  A2 H / sinarctan[ H /( R 2  R1)] r 2 H sinarctan[ H /( R 2  R1)] d=  2a ( R1  R 2 ) 2 a ( R1  R 2 )

其中：C=

很显然，坯料的外圆轮廓应是由一段二次抛物线绕 y 轴旋转一周而围成的回转体。这种回转体的抛物线轮 廓结构在实际操作上难以实现，我们必须寻求相对合理的坯料外形结构。

2.2

实际预制坯料形状分析

如图 2 所示，回转体抛物线轮廓可看作是由无限个台阶型轮廓组合而成的，在实际操作中，可以考虑用阶 梯状外形结构坯料代替抛物线轮廓坯料。这种阶梯坯料在扩孔初期，先是坯料的大径部分与砧子接触，使这部 分金属沿圆周方向强烈延伸，当大端扩到一定程度时，再扩小端，随着扩孔的继续，坯料与砧子的接触范围将 逐渐加大，锥度逐渐形成，并随壁厚的不断减薄而逐渐增大。当马杠、砧子同坯料在整个坯料长度上相接触时， 锻件可达到成品尺寸和形状，从而锻制出锥形筒体。

图 2 抛物线轮廓的简化

3

金属流向的有限元分析

为研究锥形筒体锻造的特点及其金属变形的规律，以便更好地确定锥形筒体锻造工艺，本文也运用了有限 元分析软件 MARC 对锥形筒体成形过程进行了模拟，初步分析了其金属流动规律。

3.1

有限元模型的建立

阶梯形坯料的尺寸确定如下：大圆外径为 965mm；二圆外径为 910mm；小圆外径为 855mm；内径为 570mm； 长度分为三段，每段为 255mm，台阶圆角半径为 30mm。 由于模拟整个扩孔过程计算分析量过大，本文仅分析了该坯料大圆扩孔过程，初步研究其金属流动的方向 及对锻件成形的影响。有限元模型见图 3。材料模型为刚塑性等向强化模型，屈服应力σ s=80MPa，泊松比μ ＝ 0.3，摩擦系数 f=0.5。

3.2 有限元模拟结果 对坯料大圆进行模拟扩孔有限元分析计算中，压下量分别采用 25mm、30mm、35mm。图 4 为压下 25mm 时的 位移矢量场，图 5 为压下 30mm 时的位移矢量场，图 6 为压下 35mm 时的位移矢量场。

图 3 有限元计算模型

图 4 压下 25mm 时的位移矢量场

50

图 5 压下 30mm 时的位移矢量场

3.3

图 6 压下 35mm 时的位移矢量场

有限元模拟结果分析

其分析结果可以看出： (1) 金属的位移均不是单方面进行的。当大圆受到压力的作用，金属发生位移时，在坯料的二圆、小圆上 的金属受到大圆金属流动时力的作用，也发生了不同程度的金属流动。 (2) 阶梯坯料没有发生金属折叠现象。 (3) 金属流动是均匀流动的，即大圆发生金属变形时，其它部位也相应地发生金属变形，而且在变形过程 中，逐步消除了阶梯台阶。 (4) 大圆、二圆、小圆上的金属受到金属流动时力的作用，外圆逐渐形成统一的母线，并且，根据最小阻 力定律及体积不变定律的原理，阶梯坯料的外形向锥形发展。 （5）大圆、二圆、小圆上的金属受到金属流动时力的作用，同时，大圆变形时部分金属向二圆流动，二圆 向小圆流动，其金属流动将产生金属补偿系数η 。 因此，从金属位移场的有限元分析结果可以断定，预制成阶梯坯料再通过扩孔锻造工序锻造锥形筒体锻件 的方案是可行的。

4 4.1

锻造实例 锥形筒体锻件图的确定

在调质余量图尺寸上加放机械加工余量可以得到锻件图，锻件重约 199 吨，如图(7)。余量可以按照相近直 径和长度筒体锻件机械加工余量选取。 φ 6160±20 (φ 6110)

φ 5300±20

3575

(3062)

3470±20

(φ 5360)

14°

φ 3565±20 (φ 3625)

φ 4430±20 (φ 4370)

图 7 锥形筒体锻件图

4.2

制坯参数及阶梯形坯料尺寸

通过对锥形筒体锻造原理的分析及 MARC 软件对其变形过程的模拟，可以计算出本例阶梯形坯料尺寸，如图 8。另外，阶梯坯料直径尺寸的确定要在理论计算的基础上，考虑到锥形筒体的不均匀性、扩孔时坯料向长度方

51

870

870

φ 3180

φ 1600

φ 3880

向流动等因素，应加上一个补偿系数 k。

855

855

图 8 阶梯形坯料尺寸图

4.3

锻造过程分析

(1) 在制坯前的镦粗工序要保证上、下端面平行，外圆均匀，冲孔不能偏心。制取阶梯形坯料的操作要保 证坯料内外圆同心，制坯结束应保证坯料二端面平行，坯料中心线与二端面垂直。 (2) 阶梯坯料直径尺寸的补偿系数η 由锻件尺寸及锥度确定，要考虑锥度以不出现塌腰为准，同时也应考 虑到制坯和扩孔的可操作性。由锻造成品实物照片（如图 9）可知，本例确定的补偿系数是适当的。 (3) 扩孔应从大头端压起，每次压下量要一致，转动角度要均匀，当大头端扩到一定程度时，要逐次向小 头端扩孔，防止出现大端直径尺寸已到但是小端直径尚未扩到尺寸的现象，扩孔要从大端向小端反复进行。 从图 9 可以看出，除由于吊钳夹持所造成的凹坑外，锻件表面光滑，无裂纹和折叠；锻件形状较为均匀， 锥度一致。实测各部尺寸（如图 10） ，均满足加工尺寸要求。 φ 6140～φ 6190

(3062)

3480～3610

φ 5260～φ 5320

φ 3520～φ 3570 φ 4420～φ 4475

图 9 锥形筒体完工图

5

图 10 锥形筒体完工尺寸

结论

通过有限元分析软件 MARC 对锥形筒体成形过程的模拟及锻造实例可知，我们用阶梯状外形结构坯料代替在 操作上极难实现的抛物线轮廓坯料是可行的，这种阶梯坯料尺寸的确定要在理论计算的基础上，应加上补偿系 数，补偿系数主要是由锻件尺寸及锥度确定，我们通过合理的补偿系数和制坯参数，成功锻造出超大型锥形筒 体。

参考文献 [1] [2] [3] [4]

齐作玉.大锻件锻压工艺参数化的研究，大型铸锻件，2010,(01):9-11,29 胡晗光.大型锥形筒体的锻造，大型铸锻件，1992,(02):21-23 高西成,陈宇,康达昌.锥形件无芯模旋压的静态有限元分析，哈尔滨工业大学学报, 2003, (02) 彭大暑主编.金属塑性加工原理，湖南：中南大学出版社, 2004

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用差温锻造方法消除锻件白点 付前进，张伟善，付强，何占伟（大连华锐重工铸钢股份有限公司） 摘要： 局部镦粗成为蘑菇形锻件是大型锻件中，锻造成形比较容易，但内部纤维方向较难控制，同时超声波探伤比 较难以通过的锻件，也是发现超声波探伤超标后，特别是白点类的超标缺陷，无法进行返修的锻件。本文论述 了这类锻件，用差温锻造办法返修的经验。 关键词：蘑菇形大锻件：白点锻合

前言： 大连华锐重工铸钢股份有限公司，是以大型铸锻件为主要产品的股份制上市公司。冶炼主要设备有：7.5 吨电弧炉、15 吨电弧炉、60 吨电弧炉、70～100 吨 LF 炉。对大型铸钢件一次可以提供钢水 340 吨。可以生产的 最大双真空钢锭重 100 吨。锻造具有 60MN 快锻油压机一台，配套有加热炉 5 台，热处理炉 8 台，最大锻件可以 生产 16000mm 长，单件重量 60 吨的大型锻件。年设计锻件生产能力 2.5 万吨。 自 2008 年 11 月份投产以来，共生产锻件重达到 1.6 万吨，主要产品有：风电输入轴、水轮机主轴、给水 泵转子、60 级曲拐、船用舵杆、螺旋桨轴、发电机转子、齿轮轴类等锻件。 在生产 30Cr2Ni2Mo 材质齿轮轴时，遇到钢锭生产的难题，由于无法配炉，对于这类锻件采用 VD+MBC 的钢锭 生产方式。技术要求：冒口〔H〕≤2.0PPm。而在实际生产中很难做到。 这是由于 30Cr2Ni2Mo 材质中，Ni 及 Mo 含量较高，冶炼过程中〔H〕吸附性较强，锻造热处理后白点敏感性 较强，经常出现白点缺陷的大锻件。本文主要论述了如何应用锻造方法锻合这类以产生白点的锻件。

一、钢锭中的氢

φ 650

φ 1580

这类 30Cr2Ni2Mo 材质齿轮轴的锻件形状如下图，是双台阶结构的蘑菇形锻件，锻件毛重 6.36 吨。锻件图如 下图一。采用 20 吨钢锭，经过镦粗拔长下料两件，模具内成形。

400

590

图 1 锻件尺寸图

钢锭采用 60 吨电炉粗炼钢水，兑入 70 吨 LF 炉，经过精炼、合金化、VD 后氩气保护下注钢锭 3 支。具体化 学成分如下表。 化学成分表

标 准 规 格 内 控

C

Si

Mn

P≤

S≤

Cr

0.250/0.34

≤0.40

0.50/0.80

0.025

0.025

1.80/2.20

0.20/0.35

0.50/0.60

0.012

0.005

1.90/2.0

0.32/0.34

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Ni

Mo

Cu≤

[H] ≤ ppm

0.15

1.4

1.170/2.10 0.15/0.30 1.90/2.0

0.20/0.25

冶炼工艺如下： 一）原材料要求： 1、所有轻、重废钢必须清洁、干燥、无锈，不得有油、漆等杂物，不得有密闭罐类废钢。 2、矿石、萤石及铁合金必须烘烤或干燥良好。 3、石灰必须烧透，出窑时间不大于 24 小时。在运输及存放过程中应注意防潮。不允许粉状石灰加入炉内。 4、粉状脱氧材料必须干燥。

二）EAF 冶炼要求： 1、装料及熔化 1）补炉后首先向炉底加入出窑时间不大于 24 小时的新石灰，再加入铁矿石，石灰和矿石的用量分别为每 吨钢 50Kg 和每吨钢 45Kg 2）化清后允许用氩气对钢水进行搅拌，但不允许钢水裸露在空气中。 2、氧化 1）化清后测温、取第一个样（分析C、P） ，熔毕碳低于工艺要求时，可设法增碳。如温度合适允许先氧化 沸腾，然后再增碳继续氧化，但总脱碳量必须要求在正常工艺要求脱碳量的基础上，增加0.10%。 2）当 P 达到要求时，钢水温度提高到 1600ºC。根据碳含量加入矿石，降碳速度每分钟 0.008%～0.020%/min。 3）采用氧枪脱碳时，要求氩气大流量搅拌，但不允许钢水裸露在空气中。降碳速度(0.015%～0.070%)/min。 4）氧化末期，应将炉渣调得较稀薄，必要时扒除部分炉渣，不加任何材料，使钢液在稀薄渣下微弱沸腾6～ 8min。 3、还原及出钢 1）当钢水温度达到 1680Cº、磷≤0.008%时，可以进行还原操作。 2）要求氩气大流量搅拌，但不允许钢水裸露在空气中。 3）出钢条件：钢水温度达到1650ºC、 P≤0.010%。C：0.25～0.28%。

三）LF 精炼要求 1、兑钢： LF 钢包烘烤 800ºC 以上，包底应钢面加入 CaSi 粉，吨钢 1Kg 及 Al 饼吨钢 0.5Kg。 2、造还原渣： 1）当钢包进入 LF 炉加热工位前，接好氩气管，通氩气止钢水不裸露为止，不得流量过大。 2）造还原渣总量 10%，必须使用当天、无粉化的新石灰 6%，脱氧剂 CaSi 粉 2%、Al 粉 2%。 3、强搅拌：当钢水温度达到≥1600ºC 时，可以进行氩气强搅拌，但不允许钢液裸露在空中。取第一个试样， 分析：C Si Mn P S Cr Ni Mo。 6、出钢条件： 化学成分调整到内控要求、钢水温度 1680～1690ºC、取成分样，作全分析（增加 Al 分析）转入 VD 工位。

四）VD 精炼工艺 1、LF 炉进入 VD 工位时，首先接好氩气管并打开，氩气流量以钢水不裸露在空气中为原则。 2、原始〔H〕含量测定:钢包平稳坐到位后,在线测定: 〔H〕含量确定、测温，并记录。 3、VD 处理：根据钢水温度情况，真空总时间不大于 45 分钟，真空度在 67Pa 状态以下的保压时间≥25 分钟， 其中 23 Pa 状态以下的保压时间≥15 分钟。 4、VD 后〔H〕含量测定:解除真空后， 〔H〕含量确定、测温，并记录。 5、浇注条件：化学成分合格、温度 1560～1580ºC、 〔H〕含量≤1.4PPm。 6、确保冒口〔H〕含量≤2.0PPm。 小结：在上述冶炼工艺操作的条件下，已经充分控制 H 的来源，所有耐火材料、冶金炉料都进行了含 H 因素的 控制，电炉、LF 炉也都在操作上以防止大气中 H 因素进入钢水的控制。尽管如此，电炉出钢时实际测量钢水〔H〕 含量在 3.5PPm 左右。经过 VD 操作后，钢水〔H〕含量在 1.0～1.7PPm。而理论计算，在 23Pa 的真空度条件下， 钢水〔H〕含量在 H 分压作用下，可以达到 0.875PPm（脱气率 75%的条件下）。在实际生产过程中，只能达到〔H〕 =0.9PPm。经过了解日本铸锻钢公司，他们在 VD 后的钢水〔H〕也只能达到 0.9PPm。 一般认为 MBc-大钢锭下注，虽然有氩气保护，但由于钢水中〔H〕的溶解度可以达到 7.0PPm，而在 VD 处理 时，钢水中的〔H〕虽然达到 1.0～1.7PPm，已经处于非饱和状态。在 VD 后的吊运过程及浇注过程中，钢水由于 〔H〕处于不饱和状态，而渣中的〔H〕会扩散到钢液中去，造成回〔H〕现象。据资料介绍，VD 处理后至浇注结 束，一般回〔H〕量可以达到 0.4～0.8PPm。也就是说钢锭冒口的〔H〕含量将达到 1.4～2.4PPm。这就是同一炉

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钢锭，有的不出白点，有的会产生白点的原因。同时，由于钢锭顺序凝固及 H 的偏析，一般水口部分的 H 含量 会低于冒口，同一炉钢锭端 2 件时，冒口锻件会容易产生白点。 在上述冶炼条件下，我公司生产的齿轮轴，产生白点的比例达到 15%。这些锻件如果直接报废，将给公司造 成较大的经济损失。

二、白点的形成 白点的形成过程是：在钢锭凝固的过程中，固溶在钢水中的 H 随着氢在钢水中的溶解度降低，边凝固边析出 H 原子，并积聚长大，在钢锭中形成白点。在锻造锻造过程中，这些白点被锻造压合。 锻件中的 H 随着锻后热处理的进行，锻件的温度逐渐降低，1）部分被锻造压合的白点重新出现。2）固溶 H 原子继续逐渐向锻件的晶界或空隙扩散，并积聚形成 H 分子，积聚大量的 H 分子后，在晶界或空隙处产生很大 的压力。据资料介绍钢中的 H 分子可以产生高达 10Mpa 的压力，使锻后热处理状态的锻件（一般σ b≤6.5Mpa） 被撕裂，逐渐扩展形成发装裂纹。在加工过程中，巨大压力的 H 气团，突然释放压力为大气压力，形成爆炸燃 烧，在锻件表面形成白色条状裂纹—称其为白点。这就是白点的形成过程。 锻件化学成份的差异，会导致常温下对 H 原子的固溶度有所不同。Ni、Mo 元素对 H 原子有很大的亲合力， 含这量种元素的锻件产生白点的敏感性都较强。而 30Cr2Ni2Mo 材质含有这两种元素， 因此是属于白点敏感性钢。 根据资料介绍，此材质常温下对 H 原子的固溶含量为：2.0PPm 左右。因此，技术条件规定：钢锭冒口的 H 含量 不得高于 2.0PPm。在锻造的加热及锻后热处理过程中，部分 H 原子可以完成扩散过程或使之均匀化。在锻后热 处理到常温后，确保不会形成白点。

三、用差温锻造法消除白点 一）正常锻造工艺 我公司对外承接的 30Cr2Ni2Mo 材质齿轮轴的锻件形状为：双台阶结构，锻件单重 6.36 吨，尺寸为：￠1580 ³400+￠650³590mm 的蘑菇形锻件，采用 20 吨钢锭，经过镦粗拔长下料两件，模具内成形。 具体锻造工艺如下： Ⅰ火：压钳口￠700，镦粗 H=1100～￠1480,拔长下料：￠1000³800+￠650³590mm，切除水口及冒口。 Ⅱ火：模具内镦粗成形出成品。

二）锻后热处理 由于该齿轮锻件在锻后要进行粗加工—调质—铣齿—齿面渗碳淬火等工序。因此，锻后热处理的主要任务 是：消除锻造应力、均匀化组织、细化晶粒，使晶粒度达到 4 级以上。硬度调整到适宜于粗加工，即硬度达到 Hb=200 左右。 1、过冷的目的： 为细化奥氏体晶粒，在正火前增加了一次过冷，其目的是：使锻造状态下的粗大奥氏体转变成珠光体或贝氏 体，使之在升温到正火温度时，发生重结晶的组织转变，以达到细化晶粒的目的。否则在待料温度直接升温， 未发生组织转变的锻造状态的奥氏体，直接升温到正火温度，没有组织转变，仍然保留锻造状态下的奥氏体晶 粒度。当锻后热处理结束进行粗加工探伤时，发现晶粒粗大现象，只有再次正火+回火调整晶粒度。 这种锻后热处理工艺，经粗加工后进行晶粒度检查，奥氏体晶粒度可以达到 6～7 级，证明锻后热处理工艺是成 功的。 2、回火时间的确定 由于锻件技术条件规定，冒口 H 含量小于 2.0PPm。按锻后热处理工艺规范，计算该齿轮轴的等效截面直径为：￠ 760mm,正常回火时间应为 27 小时，考虑冒口 H 含量测定比较离散，因此，按冒口 H=4.0PPm 确定回火时间，确 定回火时间 48 小时。

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温 度 (℃)

880±10℃

待料

7

650±10℃

650±10℃

650±10℃

空冷至 350~ 400℃

吊下台车 空冷至

350～400℃ 12

≤ 60℃/h

6

≤ 70℃/h ～

10

350～400℃

350～400℃ 17

≤ 50℃/h

～

48

封炉冷

≤200℃出炉 小时(h)

图 2 锻后热处理工艺

按这种锻后热处理工艺生产的齿轮轴，出现了 10～15%不等的探伤超标缺陷，经过解剖确认为白点。

三）差温锻造 在生产中发现并确认超声波探伤超标缺陷为白点后，改变粗加工工艺，增加平大法兰端面后，进行超声波 探伤，发现超声波探伤超标缺陷时，停止加工，进行消除缺陷的差温锻造。 由于法兰锻件尺寸为：￠1580³400，这个尺寸用正常锻造方法是无法直接拔长操作的，这是因为高颈比为： H/B=3.95＞2.5。直接拔长芯部会产生凹形，无法实现对芯部白点缺陷的压合目的。为将法兰直径拔长到￠1200mm， 在实际生产中，将加热并保温好的白点锻件，用高压水枪对法兰边部进行喷水冷却。使其表面温度快速减低到 750℃以下，这时的芯部温度仍然保持在锻造温度范围内，在这种状态下进行拔长操作，由于法兰边部温度低， 在相同的压力下，变形抗力增加、变形率降低，使芯部高温状态的带有白点缺陷的金属产生高压与大变形，将 白点由超标尺寸状态，如探伤发现￠7 缺陷当量时，实际解剖时，发裂纹长度达到 15mm 这样的缺陷，分散焊合 成几段或完全焊合，达到锻合白点的目的。这就是差温锻造法。但在操作、坯料尺寸及附具使用上有别于 JTS 锻造法。 成形操作与正常的锻造操作没有大的区别，正常模具内成形就可以达到目的。用这种锻造方法，共进行 21 件废品的锻合修复，成功率达到 80%，后经分析认为，这与发裂的方向有关，当裂纹平行于压下方向时，裂纹会 先横向扩展，当坯料转到裂纹与压下方向垂直时，才开始闭合与焊合的过程，但由于锻造比有限，Y=1.7，因此， 部分锻件无法实现白点的压合与焊合，仍然有 20%的废品产生。

四）消除白点的方法 经过以上炼钢工艺、锻造工艺、锻后热处理工艺、差温锻造的工艺实践，证明锻件的白点现象是不正常的 生产所造成，其主要原因是：冶炼及铸锭没有完成钢锭的技术要求，如果钢锭的生产达到技术要求的冒口 H≤ 2.0PPm,则锻件就不会产生白点现象，现在的冶炼设备、工艺水平完全可以完成技术条件的要求，彻底解决白点 问题的根本出路在于钢锭的生产。用锻造方法解决此问题，会造成生产不正常及浪费大量的能源，经济上及其 不合理。

四、结论 1、用差温锻造法可以消除 80%锻件的白点，获得合格锻件。 2、解决锻件白点唯一出路在于钢锭的生产达到技术要求。

参考文献 大型铸锻件及热处理。康大涛，1998 年 大型铸锻件。1981 年第三期 大型铸锻件。2009 年第二期

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大型锻件锻造裂纹控制技术研究 1

1

2

1

韩静涛 、李研 、蒋新亮 、张永军 （1 北京科技大学，2 中国第二重型机械集团公司） 摘要：针对大型饼类锻件生产过程中存在的夹杂性裂纹问题，提出了以控制预镦粗变形量、单砧压下量、压凸 台成形、中间火次裂纹修复为关键控制要素的工艺方案；针对大型轴类锻件生产过程，提出了以控流浇注、漏 盘反挤、宽砧大压下、中间火次裂纹修复为关键控制要素的工艺方案。很好地解决了大型饼类和轴类锻件的内 部裂纹问题，提高了大型锻件的品质和使用寿命，大幅度提高了国内大型锻件的合格率，经济效益十分显著。 关键词：大型锻件、裂纹控制、锻造工艺

1 概述 大型锻件一般用于机器设备的关键和核心部位，是制造重大装备的基础件。可以说大型铸锻件产业的发展 [1] 是衡量一个国家工业水平和国防实力的标志之一。 由于大型锻件制造技术的特殊性和复杂性，生产中常出现因 大型锻件内部内部裂纹或类裂纹缺陷而报废的问题，此类缺陷是制约大型锻件产品质量的最主要的技术瓶颈之 [2-3] 一。 本文作者经过深入的理论研究、生产试验研究和工业应用验证，提出了锻造过程裂纹成因、修复与控制 的系统理论，并给出了明确实用的控制大型饼类和轴类锻件内部裂纹的锻造工艺，在大型锻件制造行业的取得 了较好的社会和经济效益。

2 锻造裂纹的成因、修复与控制 传统的力学与材料学理论都认为裂纹由形核、扩展、微裂纹聚合直至断裂，是一个不可逆的热力学过程。 根据现有理论，在大型锻件的生产、使用、维护，乃至损伤容限评估等各方面，人们都假定微裂纹发展的必然 趋势就是断裂。实际上，任何成份与结构不均质(包括含微裂纹)的材料，在热力学许可的条件下，都将趋于均 匀化，这也同样是热力学的基本原理。其本质是在扩散力(浓度、电场、应力场等的梯度)作用下，金属原子定 [4-9] 向、宏观的迁移，结果是使系统的化学自由焓下降 。通过材料物性、物理模拟和数值模拟研究，确定了某大 [10] 型核电管板锻件预镦粗过程中裂纹形成和修复的规律 ，参见图 1。显然，一般夹杂物含量的板管锻件用钢锭， 在单道次镦粗变形过程中，当压下率低于 50%时，变形体内部尚未出现裂纹；而当压下率高于 55%时，心部出现 了明显的可能出现裂纹的区域；当压下率继续扩大，则变形体内部可能出现裂纹的区域也将继续扩大，心部区 域反因变形量的持续加大使裂纹“压合→焊合”。经过断裂而后修复的金属组织和性能，尤其是材料的塑性指标 和使用寿命将大大提高。

a)ε =10％； b)ε =30％；

c)ε =50％；

d)ε =55％；

e)ε =70％

图 1 预镦粗内裂形成与锻合过程的有限元模拟

经过深入研究，我们确认：微裂纹尖端一般都具有较高的畸变能，在受热状态下，裂纹尖端及其邻域的金 属原子具有相对更强的向微裂纹区域迁移的能力。对于金属材料内部的微裂纹，由于向基体扩散的阻力远大于 向裂纹空隙处扩散的阻力，首先形成扩散能力强的单一金属原子对裂纹空隙的填充，随着扩散过程进行和晶粒 长大，均匀化过程逐渐完成，形成对原微裂纹区域良好的修复，这就是金属材料内裂纹热修复技术的基本原理。 图２给出了试样内部修复处理后的原位形貌。

(a)试验件原始裂纹³25

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(b)经(900℃,60min)热修复处理后的裂纹 ³25 图2

大型锻件内部裂纹热修复处理原位观察结果

通过对不同修复方法的对比研究，我们认为：对于金属材料内裂纹的修复，最经济有效的手段就是对于温 度的控制。对钢这种以扩散型相变为主的铁碳合金而言，还应掌握： ① 修复过程的静态控制：550℃（Fe 的扩散激活温度） ，50℃（碳的扩散激活温度）是重要的控制点。因此， 钢中内裂纹在 550℃上下的热修复机制不完全相同； ② 修复过程的动态控制：Fe 在面心立方奥氏体中的扩散速度要小于在体心立方铁素体中的扩散速度。因此， 并非加热温度越高，修复速度越快； ③ 塑性变形、相变、某些外加物理场(电脉冲、超声波)的作用，都能加快修复过程的进行； ④ 只要材料不是处于绝对零度条件下，内部裂纹就会有修复过程的发生，只是持续的时间将会很长。 根据近 15 年来的理论研究和实践探索，我们提出了锻造裂纹生成的裂纹环理论（图 3） ，描述了金属材料 在塑形加工过程中内部裂纹出现的趋势与演化过程，并建立了裂纹消弥曲线（图 4），作为控制锻造裂纹的主要 理论依据。

图 3 裂纹环的概念与分析

图 4 锻造过程内裂纹控制概念图

一般而言，各种锻件或轧件，在热加工成形过程中出现局部夹杂性裂纹，在生产过程中是不可完全避免的，

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重要的问题在于如何对其进行有效的掌握与控制，不使其残留到最终成品工序。各类锻件都不可避免地带着不 同形式的初始微裂纹投入使用，这些微裂纹将在服役条件下不断演化，形成宏观裂纹，直至断裂。微裂纹演化 为宏观裂纹的过程一般占金属构件使用寿命的 80％左右。人们如果在这个期间，对其进行有意识的修复处理与 保养，无疑将会大大延长金属构件的使用寿命，节约资源和各种消耗，促进人类社会的进步和可持续发展。

3 裂纹控制技术在工业生产中的应用 3.1 大型饼类和模块类锻件的裂纹控制技术 饼类和模块类锻件在大锻件生产中占有重要的地位，此类锻件虽然形状简单，但实际生产中的技术难度却 [2] 很大。此类锻件在生产中反映出来的主要问题，便是因夹杂性裂纹而引起的探伤超标 。 针对这一问题，结合国内多家重机场的生产实际，提出了控制饼类锻件裂纹的锻造工艺方案，工艺控制要 点为： 1）控制预镦粗变形量 饼类锻件的成型方式以镦粗变形为主，总锻比一般在 3.0 以上。我们发现，当圆柱体镦粗时，若一次压下 率超过 50%，在锻件内部便会产生因片状夹杂物及其影响区的聚合而形成探伤可见的夹杂物裂纹。考虑后续变形 对锻件心部夹杂延展的进一步作用，钢锭的预镦粗变形量应控制在 40%左右为宜。 2）采用压凸法成形减少锻件高度 可采用旋转进砧或其他压凸成形法，首先通过压缩锻件外压周边，在锻件的上表面造成一多边形凸台，然 后将此凸台压平，旋转进砧下砧顺序如图 5 所示。这种成形方法的优点是操作方便，直接用宽平砧锻造，可避 免换砧操作。每次压下率控制在 15%，之后翻转 180°再压。通过密栅云纹法对旋转进砧法压凹和压凸过程进行 了研究，其特点如图 6 所示

图 5 旋转进砧法的下砧顺序

图 6 通过密栅云纹法研究旋转进砧法 （a 压凹 V 场 b 压凹 U 场 c 压凸 V 场 d 压凸 U 场）

3）控制终锻火次及变形量 锻件内部未完全被夹杂物分隔的裂纹在一定条件下使可以修复的。在锻件生产过程中，可将半成品返炉后， 在高温下保温，使锻件内部裂纹处的空隙被压合后焊合。对终锻火次进行控制的另一目的是利用高温停锻效应， 保证锻件内部晶粒尺寸的均匀一致，避免混晶现象的发生。 图 7 为通过以上方案生产的管板类锻件，通过生产实践得到证实，采用上述方案生产的饼类锻件在合格率 和质量上都有较大幅度提升。

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图 7 锻制完成的管板锻件

3.2 大型轴类锻件裂纹控制技术 3.2.1 通过控流浇注技术提高钢锭质量 大型轴类锻件控制锻造裂纹，首先应该从钢锭的浇注方面着手。在铸造时应实行控流浇注，可以减少钢锭 的固有缺陷如偏析、气泡、夹杂等，有利于获得较好的钢锭的铸态组织，有利于解决钢锭的水口端容易出现裂 纹等缺陷的问题。 控流浇注主要是控制浇注速度。在钢液向铸型型腔浇注的初期，应注意慢速浇注，以防止钢液冲砂而致使 钢锭的含砂量增加；在随后的浇注中期，钢液浇注可以以较大的速度进行，浇注速度快，钢液会很快充满铸型， 减少金属液的氧化，铸型各部分温度均匀，有利于金属液同时凝固；在钢液浇注的后期，钢液浇注的速度也应 放慢，使铸件便于补缩，形成集中的缩孔，并将缩孔移至冒口中，获得组织细密的铸件。 3.2.2 漏盘反挤，解决水口端裂纹问题 在钢锭浇注的过程中，一些密度较大较重的杂质等物质因沉淀而集中在钢锭的底部（水口端），形成所谓的 沉积锥，这就造成了这部分钢锭组织较差，疏松、夹杂较多，容易出现裂纹等缺陷，处理不善很容易衍生成大 的缺陷致使锻件报废。

a 漏盘反挤工艺模具布置 b 水口端漏盘剖面图 图 8 漏盘反挤工艺的漏盘设计和模具布置

解决沉积锥问题的传统办法是直接切除沉积锥，这样做同时切除了很多有用的金属，其中切除的有用金属 占 8％~12％，存在很大的浪费。采用漏盘反挤工艺，将钢锭内部的沉积锥部分完全挤压出来，不但可以彻底解 [11-12] 决沉积锥容易衍生内裂纹的问题，而且只需要切除极少部分底部的钢锭 。漏盘反挤工艺如图 8 所示。

图 9 漏盘反挤过程示意图

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a 工业试验中的漏盘 b 钢锭沉积锥的挤出效果 图 10 工业试验中用的漏盘及钢锭沉积锥的挤出效果

漏盘反挤工艺的示意图及工业生产试验图分别如图 9、10 所示，从图中可见，漏盘反挤工艺是一种解决水 口端沉积锥的有效工艺手段。 3.2.3 中间加热控制，进行裂纹自修复 钢锭在锻造生产过程中不可避免地会在很多存在铸态组织缺陷的地方出现大量的锻造裂纹，这些锻造裂纹 开始很细小，但若处理不善就会衍生成较大甚至很大的裂纹，致使锻件报废。针对这一问题，我们提出在大型 轴类锻件锻造过程中实行中间加热控制，进行 10 小时扩散退火，这样将有利于锻造裂纹通过扩散进行自修复， 把这些锻造裂纹消灭在萌芽状态，从而解决锻造裂纹的修复问题。

4 结论 1) 在大型锻件锻造裂纹形成机理研究的基础上，确认锻造裂纹是不可避免的，但又是可控和可修复的，主 要在于对于锻造温度、压下率等的有效控制； 2) 采用控制预镦粗变形量、单砧压下量、压凸台成形、中间火次裂纹修复对锻造过程进行综合控制，是解 决大型饼类、模块类锻件内部裂纹问题的有效工艺方法； 3) 采用控流浇注、漏盘反挤、宽砧大压下、中间火次裂纹修复对锻造过程进行综合控制，是解决大型轴类 锻件水口端裂纹问题，提高钢锭利用率的有效工艺方法。

参考文献： [1]韩静涛，陈志平，许树森，曹起骧。有效控制夹杂性裂纹的大型锻件锻造及处理方法。塑性工程学报。1996 年 3 月，第 3 卷，第 1 期。 [2] 韩静涛，张永军，赵中里，薛永栋，刘均贤。控制大型饼类锻件夹杂性缺陷的锻造工艺及应用。大型铸锻 件。2007 年 3 月，第二期。 [3]韩静涛，赵中里，张永军。大型锻件内裂纹的无塑性变形热修复技术研究。大型铸锻件。2006 年 11 月，第 4 期。 [4] 韦东滨，韩静涛，谢建新，胡海平，贺毓辛。金属材料内部损伤愈合研究进展。材料导报。1999 年 12 月， 第 13 卷，第 6 期。 [5 ] 韦东滨 韩静涛 谢建新 付晨光 王连忠 贺毓辛。热塑性变形条件下钢内部裂纹愈合的实验研究。金属学 报。2000 年 6 月，第 36 卷，第 6 期。 [6] 张永军，韩静涛，韦东滨。金属内部微裂纹愈合内变量及其演化分析。钢铁研究学报。2004 年 4 月，第 16 卷，第二期。 [7] 张永军，韩静涛，任秀平，赵中里，16Mn 钢内裂纹愈合区域的微观分析。北京科技大学学报。2006 年 2 月， 第 28 卷，第二期。 [8] 张永军 韩静涛 刘婧 余万华。金属材料内部裂纹愈合形态演化过程的扩散热力学分析。塑性工程学报。2008 年 4 月，第 15 卷，第 2 期。 [9] 赵中里，韩静涛，刘靖，刘紫薇。低碳钢内裂纹热愈合时的耗散结构。北京科技大学学报。2008 年 3 月， 第 30 卷，第 3 期。 [10] 韩静涛，薛永栋，刘均贤。大型饼类锻件墩粗过程的有限元模拟。大型铸锻件，2007 年 5 月，第三期。 [11] 薛永栋，韩静涛，曹志远，杨志宏。一种解决沉积锥问题的新工艺及其研究。塑性工程学报。2008 年 6 月，第 15 卷，第 3 期。 [12] 单多，韩静涛。大型轴类锻件不同高径比坯料漏盘反挤的数值模拟。热加工工艺。2009 年第 38 卷第 3 期。

61

发电机护环大锻件制造技术的进展 郭会光，何文武，陈慧琴，刘建生（太原科技大学 中国山西太原 030024） 摘要：围绕发电机护环大锻件生产制造中的原材料选用、工艺方案、热成形制坯和性能强化等关键环节，简要 阐述了我国在科技创新、攻关研发、生产进步等方面取得的若干成果。并介绍了护环大锻件短流程工艺方案的 要点、热成形制坯中的关键技术以及强化护环性能的技术方案。着重就控制热成形的重要意义、热成形制坯的 科技攻关、液压胀形强化相关方法的研发和应用历程，进行了简要的分析和展望。

1.引言 目前，我国的电力能源发展政策可以概括为：优化煤电结构、节能减排、提高效率。截止 2009 年已经关停 小火电 55450MW，运营的 1000MW 超超临界机组热效率达到 45.4%。每年节煤 90 万吨、减少 SO2 排放 35 万吨。 积极发展核电，现在我国已有 11 座核电站投入运营，但其发电量仅占总发电量的 1.27%，远低于世界平均水平 17%。大力发展水电，虽然水电装机容量现居世界第一，但开发程度仅为 33%，还有很大的发展空间。提倡发展 风电和可再生新能源，目前风力发电及新能源装备有迅速地发展。 电力装备的发展对电站大锻件提出了巨大的需求。其中汽轮发电机转子、护环更是紧缺产品。发电机护环 [1] 因其受力复杂、繁重、服役工况特殊，技术要求十分严格 ，制造难度极大，一直是大锻件生产中的关键。

2.护环的技术要求和选材演变 装在转子两端的护环，承受高速旋转巨大的离心力，并在强磁场中工作，于是受动载交变应力、装配应力、 集中应力以及应力腐蚀的强烈作用，因而要求其具有极高的强度，良好的韧性，均匀的组织性能，最小的残余 应力，规定的导磁率和优良的抗应力腐蚀性能。 历经多年关于护环材料和结构的研究探索以及实际应用，当前工业中一致认为护环用奥氏体高强钢制成钢 环为好，并且倾向于以 Mn18Cr18N 取代 50Mn18Cr5 钢及其他材料。以增强护环的抗应力腐蚀能力。同时还注意 了增加 Mn18Cr18N 钢中的氮含量，以提升钢的强度为制造大型护环创造条件。

3.护环制造工艺[2]及关键技术[3]][4] 沿用的护环制造工艺过程主要包括：电炉炼钢——电渣重熔——热锻制坯——固溶处理——粗加工——强化 性能——消除应力（稳定尺寸）处理——质量检验等环节。该工艺流程冗长，能源、劳动力消耗巨大，生产质 量与经济效益有待改善与提高。 其中，热锻制坯一般在普通自由锻造压力机上进行。主要工序为：钢锭开坯下料——镦粗冲孔——芯料扩 孔——芯棒拔长——修正等组成。由于自由锻造制坯，锻造质量不稳定，容易发生锻造开裂破坏，晶粒粗大不 均匀等缺陷，质量、效益不高，制约生产的发展。 对护环的各种强化方案，如半热锻、沉淀析出强化、爆炸强化、楔块模具扩孔、液压胀形强化等都进行了 较为深入的研究和应用，并对变形强化机理、残余应力分布、工艺优缺点、适用条件及其可靠性等进行了总结 分析，优选了液压胀形强化技术，解决了残余应力超标，分布不合理的难题，在提高护环生产质量与经济效益 方面，取得了长足的进步。但是沿用的液压胀形方法可控性不够理想、变形不够稳定，有待进一步改进。 在不断攻克沿用工艺的缺陷，研发新技术的基础上，提出了护环制造新工艺的构想。其特点应该是短流程 的、可调控的、优质高效的先进工艺。比如：电渣熔铸环坯简化成形过程——控制热成形改善组织结构——新 [5][6][7] 法液压胀形强化性能等。并且完成了一些有关试验研究工作 ，本着科学、适用的原则、逐步予以实施应用。 下面着重就热成形制坯和强化性能两项内容进行论述。

3.1

热成形制坯

热成形制坯是保证护环制件组织结构合理性的重要环节。因而正确控制、合理调配其热力学因素，包括温 度、变形速度、应力状态等对提高产品质量具有重要意义。目前，制坯多用自由锻造方法，虽然省力、简便， 但由于自由锻为局部成形，变形分布不均匀、工序多、变形慢，锻造过程难以控制。因而经常发生锻造开裂、 晶粒粗大不均匀等缺陷。工艺流程长、可控性差、质量效益难以提升，成为生产发展的制约因素，为了解决这 一难题，首先对热锻过程进行了研究，做了一系列热变形模拟试验。比如，热拉伸、热压缩、热变形再结晶等， 通过控制成形试验，测知了钢在热成形时工艺塑性变化、高温变形力学行为、热成形再结晶组织结构演变等。 例如，对不同的 Mn18Cr18N 钢进行热变形试验结果如下： 62

1050 ℃塑性断口

图 1 热拉伸性能变化

850 ℃脆性断口

图 2 热拉伸宏观断口

动态

图 3 热压缩本构关系

静态

图 4 950℃再结晶组织

通过高温变形试验可知：随着热成形温度的提升、变形抗力下降、塑性上升，尤其在 950℃左右变化比较明 显，而后热变形再结晶呈现出典型特征。随着温度降低，变形抗力急剧增高、硬化明显、塑性较低、锻造过程 难以进行、比较容易发生开裂缺陷。通过对该钢种热变形特性的研究分析，可以科学地确定最佳的锻造温度范 围。通过合理调配，控制各热力学因素，可以得到比较满意的锻造效果。实践证明：精心的、敏捷的锻造操作 或者使用快锻压机、加速锻造过程、注意调控热力参数，锻件开裂会有所减少，晶粒结构相应改善，能够生产 出合格的锻件，但是工艺流程依然较长，控制锻造、控制冷却难以准确实现，锻造质量不够稳定，锻造开裂时 [8][10] 有发生，生产中的质量和效率有待进一步提高，为此又研发了一些新的热成形技术 。例如，模内包套冲挤 ——限制扩孔等复合省力成形方法。它是先将坯料放在模内进行包套冲挤为环坯（如图 5 所示） ，而后扩孔至要 求的尺寸。因为有包套起到保温、润滑、防止开裂的作用。加上分步 变形、控制塑性流动，达到了省力和均匀变形的目的。 护环热成形方案还有很多，例如，铸坯——锻造、胀形——缩 孔的复合成形方法。 它们是将两种工艺结合起来，充分发挥两者优势， 取长补短，共同完成合理成形与改善组织两重任务。此外还有辗环、 挤压等热成形制坯方案。究竟选用哪种方法要根据“先进适用”的原 则确定。而且既要能够解决生产中出现的关键难题，还要满足优质、 高效的制坯要求。

3.2

性能强化

强化护环性能的途径有三， 即合金化、 沉淀析出强化、 形变强化。 在我国都进行过研究探索，一般认为形变强化比较合适，而且认为综 合强化具有良好的发展前景。关于形变强化经历长时间研究、应用、 分析对比，认为液压胀形最好。 早在 1977 年前后，我们曾为护环强化变形不均匀、残余应力超 63

1、冲挤冲头 2、定位器 3、坯料 4、包套 5、 筒模 6、底垫 7、垫块 8、冲底凹模

图 5 包套冲挤示意图

标所困扰。当时生产的护环，形状尺寸不稳定、组织性能不合格、残余应力高，甚至发生自然置裂的现象，亟 待攻关解决。由于当时我国没有超高压泵，所以只能根据帕斯卡原理研究开发护环液压胀形技术，即在锻造压 力机上，借助特制的冲头，对护环内的水密封加压，使护环在超高压水的内压作用下扩胀强化。该方法的关键 是必须及时建立并保持护环胀形过程中的高内压状态。其条件是胀形前环内液体容积应该等于或大于变形后的 体积。通过建立微分方程，导出加载冲头的工作面理论形线为对数曲线或幂函数曲线（考虑了环坯在胀形时高 度会降低的情况） ，即

r )或 r0 H r K h  f [ 0 ,( ) H0 ] K r0

h  f ( H 0 , ln

其中：H0、r0——环坯内筒的高度和半径； h、r——护环在胀形过程中的高度和半径； K——反映护环胀形时的高度变化的系数。 显然 以该曲线构造的曲面冲头，加工制造困难，另外考虑到胀形过程中液体泄露，同时希望护环液压 胀形时产生喷雾润滑等因素，故将冲头改革设计为圆锥形，而且锥面工作形线为上述曲线原点切线，即可满足 上述要求。其斜率即锥冲头工作角（α ）如图 6 所示。

1、球面垫 2、上冲头 3、密封 4、水（传压介质） 5、减力导柱 6、下冲头 7、垫板 8、护环

1、幂函数曲线 2、对数曲线 3、锥面直线 4、折线 图 7 减压法液压胀形装置 图 6 冲头工作面形线 为了胀形过程中能提前建立高压状态，冲头前端可做成小锥角，构成双锥面冲头（如图 6 所示 A 前为小锥 角） 。为了省力，冲头做成空心的结构，中间放置减力导向柱（如图 7 所示）这便是我国研发应用的减压法液压 [11][13] 胀形装置 。该液压胀形装置的工作程序是：向环内注入低压水——压机加载密封——增压喷雾胀形。该方 法的特点是胀形快速、内压均匀、成品残余应力极小，而且方便、简单，因而得到广泛长期的生产应用，取得 了良好的社会经济效益。与此同时，我国也研究开发了多种护环胀形强化方法，如楔块模具扩孔，内增压液压 [14] [16] 胀形 ，外补液胀形 等。其中外补液胀形方法应用时间最长。所谓外补液胀形，其实是将护环和模具放在专 门的承力框架内，由高压泵供水抬起模具密封，再用超高压泵供水实施护环胀形（如图 8 所示）。鉴于目前我国 [12] [17] 锻造液压机较多，超高压发生器较多的实际情况，又研发成功了外增压液力胀形装置 （如图 9 所示） ，它 是将装置放在锻造液压机工作空间内，由压机加压密封，再以超高压发生器供水，对护环液力胀形。该方法的 特点是可控性好，无需专用设备，具有良好的发展前景，现已在生产中应用成功。

64

1、承力框架 2、胀形装置 3、护环 图 8 护环外补液胀形示意图

1、护环 2、胀形装置 图 9 超高压液力胀形示意图

4.结束语 发电机护环是电站大锻件的关键产品，其制造技术涉及许多学科领域。如何提高生产质量和效益一直是众 所关注的热点话题。我国对其生产关键进行了长期的攻艰克难、研究探索、生产实践工作，虽然在研发创新、 生产制造能力上有很大的进步。但是批量、稳定的生产能力还有待提高，还有不少新技术有待开发，还要不断 提升总体研究水平和生产水平。 参考文献 [1]中华人民共和国机械行业标准（JB/T 7030—2002）300MW—600MW 汽轮发电机无磁性护环锻件技术条件 2003 年4月 [2]郭会光等 制造高强钢护环新工艺流程的研究 大型铸锻件 1996 年 NO.1 [3]郭会光等 制造大型汽轮发电机护环关键技术的研究 锻压技术 1998 年 NO.3 [4]郭会光等 Mn18Cr18N 护环钢锻压工艺基础研究 大型铸锻件 1998 年 NO.4 [5]吴庆培 护环钢控制锻造与控制冷却的研究 太原重型机械学院 工学硕士学位论文 1994 年 [6]张巧丽 护环热成形工艺质量预报和控制的研究 太原重型机械学院 工学硕士学位论文 1996 年 [7]陈慧琴 护环扩挤复合成形工艺技术的研究 太原重型机械学院 工学硕士学位论文 1997 年 [8]郭会光等 大型护环热成形新技术的开发 机械工程学报 2005 年 NO.11 Vol 41 158—163 [9] Chen Huiqin etc. Simulation and prediction of Microstructure in Hot Forming of Metals Trans Nonferrous Met. Soc China 2000Vo110 NO. 4 465–468 [10] Guo.H.G etc. A study of simulation for The Large Forging projects—Qulity control Research of Retaing Rings ICME 2000.11 CHINA MACHINE PRESS [11] 杨耀田等 汽轮发电机护环液压胀形强化新工艺研究 大型铸锻件 1980 NO.2 23—34 [12] 何文武 大型发电机护环超高压液力胀形新技术研究 太原科技大学 工学硕士学位论文 2006 年 [13]Yang.Y.T etc. An Innovation for cold straining and strengthening Retaining Rings of Large Generator Rotors by Hydraulic Expancion 1980 Düsseldorf 9th IFC [14]Li Jinke etc. The Investigation of the Technology about the Retaining Ring by the Hydraulic bulging Strengthening thrauh the Inter–Intensifier 1992 ATMMF yuxan(武汉) [15]Liu.J.S etc. Research and Development the Manufacturing Technology for Large Generator’s Retaining Rings 2008 ICTP Kore（韩国） [16]陶永发等 护环液压扩孔原理及在大型护环生产中的应用 大型铸锻件 1980 NO.2 35—45 [17]刘建生、何文武等 采用超高压系统液压胀形大型护环的省力装置 中国专利 ZL 2006101021161 [18]郭会光 液压发电机护环的校形装置 中国专利 NO882151770

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船用柴油机大型曲轴锻件的研制 胡朝备，孙峰，张国刚，马明方（上海重型机器厂有限公司,上海市 200245） 摘要：船用曲轴是我国船舶工业持续发展的瓶颈，上海重型机器厂有限公司成功研发特大型船用曲轴锻件。本 文主要介绍了船用曲轴锻件的锻造流程、用计算机模拟解决锻造生产中的缺陷并优化工艺及规范锻造操作过程。 关键字：曲轴；计算机模拟；曲拐 2003 年之前，被视为船用柴油机的"心脏"的曲轴一直依赖进口，半组合曲轴供求矛盾极为突出。实现船用 大功率低速柴油机曲轴国产化已经成为中国经济建设中的一项战略任务，为此中国设立了半组合曲轴的国产化 建设项目，希望解除制约船舶工业持续发展的瓶颈。在此项目中，上海重型机器厂 有限公司(以下简称为“上 重”)研制的 50、60、70、80、90 等机型曲轴锻件成功投产。

1

前言

曲轴按其制造方法可分为锻造或铸造的整体式曲轴、由锻造和铸造的曲柄组装或焊接的组合、半组合式曲 轴。半组合曲轴包括输出端轴颈、自由端轴颈、主轴颈及曲拐锻件，如图 1。其中曲拐是锻造的难点，本文重点 研究曲拐锻件的成型和成型过程中的缺陷分析。曾经考虑过块锻法、环锻法、模锻法生产，但是这三种锻造方 法均不适合上重的生产情况。目前，上重采用弯锻法制造全纤维曲拐。它的优点是：余量少、 机加工切削量较 少、材料利用率高、金属纤维流向好、需设备功率相对较小。 曲拐

图 1 半组合式曲轴

2

工艺制定 以下以上重 60 机曲拐为例,介绍弯锻法的计算机模拟及锻造成形过程。

2.1

曲拐锻件图 根据 60 机曲拐精加工尺寸加放锻造余量得到锻件图，见图 2。

图 2 60 机曲拐锻件图

66

2.2

曲拐锻造流程

曲拐弯锻法的变形过程是将锻制的扁坯放在下模上弯曲，最后修整成形。图 3（a）～（f）为制坯过程；图 3（g）是将坯料放在下模上弯曲；图 3（h）为取下坯料，插入分隔板；图 3（i）～（k）为压扁坯料及精整过程。

(g)

(a)

(b) (h) (c) (i) (d) 平

台

(j) (e) 平

(f)

台

(k) 图 3 弯锻法锻造流程

2.3

初次试验

按上述锻造流程进行计算机初次模拟及实物锻造，结果发现，曲拐内开档容易出现折叠裂纹等缺陷（如图 4、 图 5、图 6） ，曲拐侧面容易出现“缩腰”等缺陷，严重时将造成曲拐锻件报废。同时，还经常产生要保证 60 机 曲拐总长则 25°斜面加工不出的现象(如图 7)。 此部分段压的时候，料 已经折贴到一起了

图 4 实际试验生产照(折叠裂纹)

图 5 计算机初步模拟图

图 7 60 机曲拐 25°斜面加工不出

图 6 实际试验生产照(喇叭口)

2.4

缺陷模拟分析 采用计算机模拟可分析出上述缺陷产生的原因，避免因锻造缺陷产生的报废。同时，采用计算机模拟技术

67

设计近终型的预成形毛坯，将曲拐加工零件放置到最终成形的曲拐锻件的内部以确定不同位置的加工余量，采 用反变形方法将已经去除多余加工余量的变形锻件恢复到未变形状态，从而可得到具有最佳形状的预成形毛坯。 见图 8、图 9，我们通过计算机模拟中曲拐的金属流动机制,来分析缺陷产生的原因：

图 8 原始坯料

a．主视图

b . 右视图 图 9 弯曲后毛坯

由图9中坯料的单元网格可见, 在弯曲过程中, 曲拐的塑性流动可分为两种不同类型, 即曲拐末端和曲拐销 的基本无变形区及曲拐末端和曲拐销的过渡区。这过渡区的内外表面受内外应力的作用，变形最大。金属流动 比较剧烈的区域集中在内表面弯曲部位及外表面发生拉伸的部位。 通过分析金属流动机制，我们可知：（1）曲拐末端和曲拐销的过渡区两侧部位的材质受上、下模的挤压， 向两侧流动堆积产生压应力使得坯料凸起部分材质的逐渐流向贴模的上下方向，造成了曲拐根部横截面积减少， 精整后形成“喇叭口” ，可通过减小坯料凸起部分的尺寸来解决, 这样可以减轻弯曲过程中材质的堆积，使金属 顺利流动。 （2）在弯曲的过程中，曲拐与下模之间的摩擦力，使得外表面沿曲拐方向伸长，在中间部位发生颈 缩，曲拐外表面受拉应力作用，就形成了“缩腰” ，可通过改善坯料与下模的接触条件来解决，如在弯锻前，在 下模上涂抹润滑剂。 （3）如图 10 模拟结果的标示处，由于金属流动产生的堆积折叠产生内开档的裂纹，我们可 采用专用 V 型砧砧压坯料中间凸起部分的两侧面，以此来减少弯曲过程中金属的堆积。

图 10 模拟精整后坯料图

导致 25°斜面加工不出主要是在第一次弯锻成型时，毛坯两臂向下模内部靠压时，两臂不对称弯曲造成的。 产生这种情况的主要原因有以下几个方面：(1)弯锻时坯料、上模、下模的中心线不在同一垂直线上，有偏差（这 是主要原因，如图 11） 。(2)加热炉加热温度不均匀，或两臂不等厚，造成弯曲变形不对称。(3) 弯锻下模与毛 坯接触处的摩擦条件不一样。

图 11 弯锻时垂直线上的偏差

68

要避免 25°斜面加工不出的现象，需保证弯锻前坯料两臂等厚；加热温度均匀；弯锻时坯料、上模、下模 的中心线应在同一垂直线上，不要有偏差；下模的圆弧处使用时清理干净、涂润滑油使下模与坯料接触处的摩 擦条件一样。

3

生产效果及与国内外产品的比较

通过计算机模拟，进行工艺及锻造过程的改进，实际生产情况较为理想(图 12 为计算机模拟图，图 13 为曲 拐实际生产照),同时材料的利用率及质量都得到很大提高。

图 12 计算机模拟图

图 13 实际生产照

图 14 为国外某公司曲拐制坯照片，图 15 为国外某公司曲拐成型后照片，从图中可看出，国外某公司制造 曲拐坯料非常规整，但其成型后外观质量（未切割整形前）较为一般。

图 14 国外某公司曲拐制坯照片

4

图 15 国外某公司曲拐成型后照片

结论

(1) 本文总结了上重 60 机曲拐锻件的“弯锻法”锻造流程，用弯锻法制造曲拐有金属纤维流向好、材料利 用率高、所需锻造设备功率相对较小等很多优点。 (2) 通过计算机模拟，分析锻造缺陷产生的原因，提出了通过减小坯料凸起部分的尺寸来解决弯锻缺陷； 通过改善坯料与下模的接触条件解决“细腰”缺陷。 (3) 分析实际生产中 60 机曲拐 25°斜面加工不出的原因，并提出弯锻时坯料、上模、下模的中心线应在 同一垂直线上等解决措施。 (4) 通过计算机模拟对工艺及锻造过程的改进，上重成功制造出 60 机曲轴锻件。

参考文献 [1] [2] [3] [4]

宋士丹,胡朝备.特大型船用曲轴曲拐锻造工艺研究，大型铸锻件，2001,(01)：11-13 孙明月.大型船用曲轴曲拐的弯锻过程模拟与实验研究，金属学报，2005，(12)：27-32 胡金华.特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究，锻压技术, 2010，(01)：13-15 李群.大型船用曲拐弯锻成形缺陷分析，燕山大学学报，2006，(04)：27-30

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基于热加工图的 Mn18Cr18N 护环钢热变形工艺参数研究 朱磊，吕亚臣，任运来，聂绍珉 （燕山大学 机械工程学院，秦皇岛 066004，13785913304，ysuzhu@163.com） 摘要：在 Gleeble-3500 热模拟试验机上，利用热压缩变形研究了 Mn18Cr18N 钢的热变形特性，温度为 950~1200 °C、 应变速率为 0.005~0.5 s−1，建立 Mn18Cr18N 钢的热变形本构方程，其热激活能约 563 kJ/mol，，在计算功率耗散 效率的基础上，使用动态模型理论，绘制了 Mn18Cr18N 钢的热加工图，热加工图表明：在 1100~1150°C，应变 速率 0.005~0.01 s−1 的变形条件下，计算耗散功率系数有峰值区，功率耗散效率值为 40%，变形试件的金相观察 证明，Mn18Cr18N 钢动态再结晶充分，晶粒细小均匀。 关键词：热变形；Mn18Cr18N护环钢；耗散效率；热加工图 护环是汽轮发电机组上关键部件之一，是汽轮发电机上承受应力最高的部件。为保证机组安全可靠运行， 要求护环具有高强度、良好塑性和韧性，最小的残余应力。护环在强磁场下工作，为减少端部漏磁和涡流损失 和防止工作温度过高，护环钢应是奥氏体无磁性钢制造的，同时护环是在潮湿和各种腐蚀介质中工作，特别要 求护环钢具有良好的抗应力腐蚀特性。 Mn18Cr18N 钢是一种能够满足大型发电机组护环综合性能的单相奥氏体护环钢，具有较高的屈服强度、良 好的塑性指标，并具有很好的抗应力腐蚀能力。但是在 Mn18Cr18N 钢热锻过程中，容易出现热锻裂纹，晶粒粗 大与混晶等问题[1,2]。奥氏体钢无法通过热处理方式细化晶粒，必须严格控制自由锻造工序锻造工艺参数，方能 取得良好的综合性能。 本文从工业生产使用的电渣重熔钢锭取样，利用Gleeble-3500热模拟试验机进行热压缩试验，主要研究变形 温度T、应变速率  等热变形参数对流变应力和显微组织的影响从而建立了Mn18Cr18N钢的热变形本构方程， 在计算功率耗散效率的基础上，基于动态模型理论，绘制了Mn18Cr18N钢的热加工图，为制定Mn18Cr18N护环 钢热锻工艺提供了理论和试验依据。

1

试验材料及方法

试验所用材料取自工业生产使用的 Mn18Cr18N 钢锭。生产工艺流程为：电炉精炼，氮气保护下铸锭，锻造 电渣重熔电极，电渣重熔铸成 8 t 钢锭。试料取自电渣重熔钢锭水口端。材料的主要化学成分如表 1 所示。 表1

C 0.09

Mn 18.26

试验用 Mn18Cr18N 的主要化学成分 /wt%

Cr 19.17

N 0.688

P 0.015

S 0.009

热变形试验在Gleeble-3500热模拟试验机上进行，采用碳化钨圆柱形压头，在试样端部涂抹一层 CRC-SL35913镍基高温润滑脂，并在试样与压头之间垫钽片以利于润滑和改善变形的均匀性。试样尺寸为Ø8×12 mm。试样以10 ℃/s加热到变形温度，保温5 min使试样均温，在变形温度T和变形速率  下进行恒温、恒应变速 率的热压缩试验。根据奥氏体不锈钢自由锻工艺的变形特点，变形温度T选取 950、1000、1050、1100、1150、 1200 ℃，应变速率  选取 0.005、0.01、0.05、0.1、0.5 s-1，变形量ε选取1.2(70%)，变形结束后立即水冷至室温。 沿变形轴线剖开试样制备金相试样，使用王水甘油(体积比2：1)腐蚀，观察变形试样内部显微组织。

2 2.1

试验结果及分析 流变应力曲线

图 1 为 Mn18Cr18N 钢在不同变形温度和应变速率条件下的流变应力曲线(真实应力—真实应变曲线)，属于 典型的动态再结晶流变曲线。热变形过程是加工硬化与动态回复、动态再结晶软化作用相互抵消的一个动态平 衡过程。在热加工过程中，流变应力变化主要取决于两个方面：一方面是变形时的位错增殖及位错间相互作用 导致加工硬化；另一方面是位错通过攀移或滑移，发生回复、再结晶，使材料发生动态软化。 变形初始阶段，位错密度不断增大，出现大量的位错缠结和胞状亚结构，加工硬化现象明显，使流变应力 随着应变的增加而迅速增加；当变形进行到一定阶段时，加工硬化使材料处于不稳定的高能量状态，为位错的 移动提供驱动力，材料发生动态回复。动态回复对流变应力的软化作用逐渐抵消加工硬化，流变应力增速变缓。 当应变达到某一临界值时，流变应力达到一个峰值，然后逐渐下降，显微组织开始发生了动态再结晶。随着变

70

形量的增大，当动态回复、动态再结晶造成的软化与加工硬化达到动态平衡时，进入稳态流变阶段或稳定再结 晶阶段，宏观上流动应力基本保持不变。 表 2 为不同变形条件下的峰值应力。从表 1 可以看出：在变形温度一定时，流变应力随应变速率的升高而 增大；在高应变速率高变形温度(  = 0.5，T ≥ 1 100 ℃)时，其峰值流变应力几乎与稳态流动时的应力相等，即 峰值应力不明显。在同一应变速率下，对应于同一应变值，变形温度越高，所对应的应力越低，并且随着变形 温度的降低，应力峰值向应变增大的方向移动，以应变速率 0.005 s-1 进行热压缩变形为例，950 ℃时，应力出 现峰值为 191.9 MPa，此时的应变为 0.27，而 1 200 ℃时，峰值应力 40.3MPa，此时应变为 0.05，材料接近理想 刚塑性。 300

950℃

300

0.5s-1 0.1 s-1 0.05 s-1 0.01 s-1 0.005 s-1

200 150

250

σ MPa

250

1200℃

200 150

100

100

50

50

0

0.5s-1-1 0.1 s -1 0.05 s-1 0.01 s -1 0.005 s

0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

ε

ε

应变速率0.5

300

300

应变速率0.005

950℃ 250

250

1000℃ 1050℃ 1100℃ 1150℃ 1200℃

200

σ MPa

σ MPa

200 150 100

150 100

50

50

0

0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

ε

图1 表2

应变速率 950℃ 1000℃ 1050℃ 1100℃ 1150℃ 1200℃

2.2

0.005 191.9 146.6 124.5 93.5 70.1 40.3

950℃ 1000℃ 1050℃ 1100℃ 1150℃ 1200℃ 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2

ε

流变应力曲线

不同变形条件下的峰值应力

0.01 222.3 178.7 139.4 106.5 88.2 61.2

/MPa

0.05 239.2 191.2 148.8 122.0 103.5 77.7

0.1 259.1 219.0 174.0 146.8 115.6 90.5

0.5 287.8 221.4 202.0 165.3 139.8 114.6

Mn18Cr18N钢本构方程的建立

在高温塑性变形条件下，金属的本构方程可采用 Sellars 和 Tegart 提出的包含变形激活能 Q 和温度 T 的双曲 正弦方程表示[3,4]：

  A[sinh( )] n exp[  Q ( RT )] -1

-1

-1

(1)

式中，Q 为变形激活能(Jmol )，R 为普适气体常数(R = 8.3145 Jmol K )；A、α、n 为与材料有关的常数，T 为热 力学温度(K)，σ 为峰值应力或稳态流变应力(MPa)。

71

在低应力状态(ασ<0.8)时，式(1)简化为指数型方程

  A1 n

(2)

在高应力状态(ασ>1.2)时，式(2)简化为幂指数函数型方程

  A2 exp(  )

其中，    n 对式(2)、式(3)两边分别取对数，得

(3)

ln     ln A1 (4) ln   n ln   ln A2 (5) 代入试验得到的流变应力数据，可得 ln  -σ 和 ln  -lnσ 曲线，如图 2 所示，ln  -σ 和 ln  -lnσ 的曲线都呈线

性关系。 采用最小二乘法线性回归求出直线斜率，求平均值，可得 β=0.0533， n = 8.72。此时对应的 α = 0.0061 MPa−1。 0 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5

50

100

150

200

250

300

350

3.5

σ /MPa

0

4

4.5

5

5.5

6

lnσ

-1 -2

图2

950 1000 1050 1100 1150 1200

-3

950 1000 1050 1100 1150 1200

-4 -5 -6

σ-ln  和 lnσ-ln  关系图

将式(1)两边取对数，得，

n ln[sinh( )]  ln   ln A  Q ( RT ) (6) 代入 α 值和试验数据，可得 ln  - ln[sinh( )] 和 ln[sinh( )] -10000/T 曲线，如图 3 所示，曲线近似直线 关系。 0

1

-1

0.5

-2 0 950 1000 1050 1100 1150 1200

-3 -4 -5 -6 -1.5

-0.5

0.5

0.005 0.01 0.05 0.1 0.5 1

-0.5 -1 -1.5 6.5

1.5

7

7.5

8

8.5

10000/T

图3

ln  - ln[sinh( )] 和 ln[sinh( )] -10000/T 关系图

求 ln  - ln[sinh( )] 直线斜率，可得常数 n = 6.44；求 ln[sinh( )] -10000/T 直线斜率可得 Q/nR 值，进而 求得热变形激活能 Q = 563.287kJ/mol；将 Q、n、σ 代入式(6)，求平均值可得 A = 5.37×1017。

72

将各材料参数代入式(1)，可确立 Mn18Cr18N 钢的热变形本构方程：

  5.37  10 17 [sinh(0.0061 )] 6.44 exp[  563287 ( RT )]

3

(7)

热加工图的建立及分析

根据动态材料模型，热变形的工件是一个非线性的能量耗散单元。工件的热加工过程本质上是一个能量耗 散过程，外力做功输入的能量主要消耗在两方面，一是塑性变形能，其中大部分转化为热量，少部分贮存于工 件中，二是微观组织演变，如相变、回复、再结晶等。用 G 表示用于塑性变形而耗散的能量，称为功率耗散量。 用 J 表示微观组织演变而耗散的能量，称为功率耗散协量[5~7]。因此，工件吸收的外力功率 P 可表示为： 



0

0

P    d   d J 





0

由于

[

J ] G

 ,T

[

d G 

(8)





0

d

 (ln  )  ] T  [ ] T  m   (ln  )

(9)

由式(9)可知，应变速率敏感性指数 m 决定了 P 在 G 和 J 之间的分配。对于理想线性耗散工件(m=1)来说， J 具有最大值，即 Jmax = P/2，定义:η=J/Jmax ，η 称为能量耗散率，则

  2(1 

1  d)  0

(10)

在给定温度和应变下，材料对应变速率的动态响应可以用以下简化的本构方程来表示：

  K m

(11)

由式(12)和(15)得

J  (m) (m  1) G   (1  m)

(12) (13)

可得，

  2m (m  1)

(14) 动态本构方程式中的 m 是个常数，所以积分式(12)和(13)是有效的。在动力学本构方程中，m 值随着应变速 率变化，但是与上面的积分无关。本文采用试验数据的三次样条插值方法拟合 ln  和 lnσ 的关系，取自然对数求 偏导得 m   ln   ln  ，计算应变速率敏感指数 m[8~10]。 参数 η 是一个无量纲参数，它随应变速率的和温度变化便形成功率耗散图。功率耗散图上的 η 等值线表示 与材料的微观结构演化相关的相对熵产率，因为他们表示了热变形过程中微观结构的变化，所以也被称为微观 组织轨迹线。一般说来，高 η 值区域对应着最佳的加工性能区域 为预测 Mn18Cr18N 钢的变形稳定区，采用 PRASAD 不稳定性判据，当满足 D R  D R 时，材料稳定 变形，式中 D 是在给定温度下的耗散函数，PRASAD 用 J 代替 D 得  ln J  ln   1 (15) 式(12)两边取对数，并对 ln  求偏导得

 ln J   ln 

m ) m  1   ln   1  ln   ln 

 ln(

(16)

由式(15)，(16)可得失稳区域判据为

 () 

m ) m 1  m  0  ln 

 ln(

(17) 当 ζ<0 时出现不稳定变形。 分别计算出不同变形温度和应变速率下对应的 m 和 η 值，将其作为应变速率和温度的函数，做出其各自的 等值线图，然后将其叠加，就得到了最终想要的热加工图，根据稳定性判据标出非稳定区，即得到图 4 为真实应

73

变为 0.7 时 Mn18Cr18N 钢的热加工图，图中阴影部分表示热变形过程中的变形不稳定区域。

图4

Mn18Cr18N钢的热加工图

分析图4可知：(1)能量耗散率低值区位于低温度和高应变速率区，这与Mn18Cr18N在锻造过程中温度降低 容易出现开裂的现象是一致的，当变形条件处于该区域时，动态再结晶很难发生，变形易出现缺陷；(2)能量耗 散率高值区位于低应变速率区，这与热变形下的软化机制是一致的。能量耗散率η的高值区位于1000℃到 1150℃，其中在温度1100℃左右是能量耗散率的值最高值点。通常认为 > 0.4后则有动态再结晶发生，因此， 从热加工图看，Mn18Cr18N护环钢热锻温度区间应取为1000℃到1150℃，应变速率应小于0.01。

4

热变形组织分析

在热变形试验前后，分别制备了金相试样，如图 5-6 所示为变形前后的微观组织图像。 图5是原始状态的微观组织，图6(a)是变形条件为：真实应变为1.2时，应变速率0.005 s-1，温度1100℃的微观 组织， = 0.45，位于能量耗散因子高值区，动态再结晶发生比较彻底；图6(b)是变形条件为：真实应变为1.2 时，应变速率0.5/s，温度950℃的微观组织， = 0.04，位于能量耗散因子低值区，再结晶几乎没有发生，是塑 性变形的不稳定状态。

300μm 图5

原始状态微观组织

74

300μm

300μm (a) 图2-6

5

(b) 不同变形条件下Mn18Cr18N护环钢的组织

结论

(1)Mn18Cr18N 电渣重熔钢在应变速率 0.005～0.5 s-1、 变形温度 950～1200 ℃条件下进行了压缩热变形试验， 其热变形流变曲线呈典型的动态再结晶型曲线，存在稳定的流变应力。变形温度对流变应力影响显著，变形温 度降低到 950℃时，流变应力急剧增加； (2)试验用 Mn18Cr18N 电渣重熔钢的热变形激活能为 563 kJmol； (3)试验用 Mn18Cr18N 电渣重熔钢的热变形方程为:

  5.37  10 17 [sinh(0.0061 )] 6.44 exp[  563287 ( RT )] (4)如所建立的奥氏体不锈钢热加工图显示，随着变形温度的升高及应变速率的降低，能量消耗效率逐渐升 高。在变形温度 1100 ℃时，能量消耗效率达到最大值 0.45。Mn18Cr18N 护环钢热锻温度区间应取为 1000℃到 1150℃，应变速率应小于 0.01。

参考文献： [1]崔光洙,高德福,才金全.Cr18Mn18N 奥氏体不锈钢热镦裂纹分析和高温塑性研究.塑性工程学报,1996,3(4):3-6 [2]刘文昌,郑炀曾,王明智,邢广忠.18Mn-18Cr-0.5N 奥氏体钢热变形行为.钢铁,1994,29(7):55-57 [3]Sellars C M, Tegart W J M. On the mechanism of hot deformation. Acta Metallurgica, 1996, 14(9): 1136−1138 [4]Zener C, Hollomon H. Effect of strain-rate upon the plastic flow of steel[J]. J Appl Phys, 1944, 15(1): 22−27.

[5]FRONT H J,ASHBY M E. Deformation Map. pergamon press ,New York 1982.

[6]RAJ R.Development of a prossing map for use in warming and hot-forming proesses. Metallurgical Transactions.1981,12 1089-1097 [7]PRASAD YVRK ,GEGEL H L Modeling of dynamic material in hot defomation:forging of Ti-6242. metallurgical Transactions(A)1984,15 1883-1892 [8]PRASAD Y V R K ,SESHACHARYULU T,Modelling of hot defotmation for micostructural contral. International Materials Reviews,1998,43(6) 243-252.

[9]ROBI P S,DIXIT U S.Application of neural networks in generating prossing map for hot working .Journal of Materials Processing Technology,2003,142 289-294.

[10]PRASAD Y V R K.Recent adcances in the science of mechanical processing. Indian J. Technol, 1990 4: 435-451.

75

国产 9310 钢轴类大锻件自由锻造成形及高、低倍组织缺陷研究 （贵州安大航空锻造有限责任公司） 邹彦博 张宇慧 （哈尔滨东安发动机集团公司） 邹伟 雷静越 摘要 随着中国航空工业的迅猛发展，新材料、新工艺的应用越加广泛，不断冲击并带动着其下的各附属 产业，锻造行业作为航空工业的支柱产业之一也在不断的追赶国际化步伐，随着新材料领域研究的不断深入， 使 9310 钢的国产化已然成为一种趋势势在必行。本文着重介绍了难成形国产 9310 钢轴类大锻件自由锻造成形 过程中的坯料选取、模具设计、成形缺陷分析及相应的防范措施，并针对 9310 钢轴类大锻件在冶炼过程、自由 锻造及热处理过程中易出现的高、低倍组织缺陷（树枝状结晶残余、低倍粗晶、高倍晶粒粗大等）的形成机理 进行研究，详细分析了上述缺陷产生的根源并通过完善冶炼过程控制、锻造、热处理温度及保温时间、增大锻 造变形量等措施进行预防及改善，经过实际生产过程验证，从根本上解决了国产 9310 钢大锻件自由锻造成形及 高、低倍组织缺陷问题。 关键词 轴类大锻件 自由锻造成形 冶炼过程 热处理过程 高、低倍组织缺陷

一

前言

国产大规格（≥Ф 400mm 棒料）9310 钢材料为我国新近研制的新型材料，在锻造行业应用较少，实际生产 经验不足，也无相应的质量问题处理经验，在轴类大锻件生产过程中，为保证锻件形状尺寸满足要求，高、低 倍组织均匀，流线合理，需要对该材料从冶炼过程、模具设计、自由锻造过程中的坯料选取以及热处理过程等 方面进行严格控制。目前采用国产大规格 9310 棒料生产的轴类大锻件主要存在以下问题：1.棒料规格大，自由 锻造成形困难，头部和杆部易产生偏心；2.模具设计完成后，坯料尺寸需经过严格计算、模拟和小批生产实践 后进行锻件批量生产；3.国产大规格 9310 钢材料锻件冶炼过程中易形成树枝状结晶残余，锻造过程中由于锻造 过程控制不当易产生高、低倍组织晶粒粗大等冶金缺陷。经研究对比发现该材料的化学成分（表 1） 、热处理制 度、力学性能指标以及实际应用都与 12CrNi3A 材料类似，其低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好， 主要用于制造要求表面硬度高，而心部有良好综合力学性能的飞机发动机的各类齿轮、轴、活塞胀圈、滚子和 调节螺钉等产品，故可以通过研究我们所熟悉的 12CrNi3A 材料来对 9310 的成形及高、低倍缺陷进行研究。 表 1 国产 9310 钢与 12CrNi3A 钢原材料化学成分对比

wt%

9310 元素

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

含量

0.10～0.11

0.48～0.59

0.28

0.001

0.006

1.31

3.32

12CrNi3A 元素

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

含量

0.10～0.16

0.30～0.60

0.17～0.37

≤0.015

≤0.025

0.60～0.90

2.75～3.25

二 自由锻造成形： 1.锻件选取：

图 1 锻件形状、尺寸

76

图 1 为某型号机用轴类锻件，锻件重量＞500kg，鉴于锻件头部厚度较薄，外径较大，杆部较长的实际情况， 为保证整体锻件流线的合理性和内部组织的均匀性，必须对锻造加热及成形过程进行严格控制，对产品的前期 技术准备工作及实际生产操作均提出了较高的要求，能够对 9310 材料自由锻造成形和锻件内部组织缺陷研究提 供有效论据。

2.模具设计： 为保证锻件形状、尺寸能够满足图 1 尺寸要求，锻件的流线合理以及内部组织均匀，锻件采用杆部自由锻 造和头部胎模锻造相结合的方式成形，为便于坯料大头与杆部同轴度要求，模具采用上、下模分离方式设计， 利用滑块成形，坯料放入下模模腔后利用专用卡具确保同轴度要求，放入上模，使上、下模紧扣，再利用下压 滑块的方式使锻件大头成形，在锻压成形过程中，坯料杆部必须悬空，防止杆部弯折。本套胎膜具由三部分组 成：上模、下模、滑块（图 2） ，模具材料 5CrNiMo，将坯料大头部分固定在上、下模之间，杆部悬空，缓慢下 压滑块，达到大头成形的目的。

图 2 模具示意图

3.坯料选取： 3.1 坯料形状：根据锻件形状初步确定坯料形状如图 3 所示，将大规格 9310 棒料进行整体拔长后进行杆部 拔长，将坯料放入图 2 所示模具进行大头成形。 3.2 坯料尺寸：由于坯料大头部分放入模腔后，随着滑块下移，坯料大头底部料将突破摩擦力作用缓慢向 坯料杆部移动，若按常规方法计算头部坯料重量，则会造成锻件头部料缺少，无法充满模腔，因此坯料选择时 应控制杆部长度，增加大头部分用料，根据模具与坯料之间接触点摩擦力大小利用模拟软件模拟计算出大头部 分料下移量，从而完成锻件头部成形。现通过计算机模拟和现场操作进行分析、比对，确定出最合理的坯料尺 寸参数。下表 1 为计算机模拟和实际现场生产的三件坯料和锻件尺寸比对结果。

图 3 坯料形状、尺寸

77

表 1 坯料选取试验数据

编 号 1

2

3

4

类 型 坯料尺寸 锻件尺寸 模拟尺寸 坯料尺寸 锻件尺寸 模拟尺寸 坯料尺寸 锻件尺寸 模拟尺寸 坯料尺寸 模拟尺寸 锻件尺寸

A 280 96（过压） 98 280 87（过压） 89 140 73 61 240 60 60

φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ

B 330 475 490 330 470 490 380 480 480 330 490 490

C 1445 1535 1515 1540 1600 1610 1370 1420 1390 1410 1480 1500

由表 1 可以看出模拟状态和锻件实际生产状态相接近，经过适当调整，可以作为确定锻件坯料尺寸依据， 因此通过模拟确定出合适坯料大头尺寸为(φ 330³240)mm，长度为 1410mm。采用此规格坯料能够生产出满足图 1 尺寸、规格的锻件。

三 高、低倍组织缺陷研究 1 缺陷分析及预防 1.1 树枝状结晶残余： 树枝状结晶残余即通常所说的成分偏析的一种，其中偏析最严重的是 Si 元素，由于 9310 钢采用双真空冶 炼，即真空感应+真空自耗，钢锭的成分偏析主要取决于铸锭最后凝固结晶过程，因此真空自耗工艺对成分偏析 的影响显著，对钢锭凝固过程中偏析的影响，主要是熔池的形状和工艺参数稳定性决定的，通过研究发现，自 耗重熔工艺的控制、高温扩散以及增加铸锭或棒料的改锻工序能够对树枝状结晶残余偏析进行改善。 1.2 高、低倍组织晶粒粗大： 锻件的晶粒大小对机械性能会带来很大影响。一般情况下，晶粒粗大，钢的屈服强度、疲劳强度会显著降 低，同时还影响钢的塑性和冲击韧性。 1.2.1 锻造加热方式的影响： 由于国产大规格 9310 钢锻件规格、尺寸较大，且采用头部和杆部分别成形的方式进行锻造，若按常规方式 进行整体加热后进行局部锻造，会出现头部或杆部出现空烧的现象，造成高、低倍组织晶粒粗大，经过研究、 探索，并进行了相关论证，可通过锻造加热炉的改造实现坯料的局部加热，从根本上解决由于局部空烧造成的 高、低倍组织缺陷。 1.2.2 锻造变形程度的影响： 锻件的晶粒大小与锻造变形程度密切相关，国产大规格 9310 钢棒材其内部组织疏松，晶粒粗大，通过适当 的锻造变形配合锻造温度可以达到细化晶粒、强化组织的作用。图 4 为变形程度对晶粒大小影响规律，随着变 形程度的变化，晶粒尺寸也相应变化，因此对国产大规格 9310 材料变形量进行适当控制可以达到细化晶粒的作 用。

图 4

78

1.2.3 合金元素和加热温度的影响： 金属由于加热温度过高、加热时间过长就会引起晶粒过分长大，产生过热现象，金属过热温度主要与它的 化学成分有关，钢中的 C，Mn，Si，P 等元素能增加钢的过热倾向，Ti，W，V，Nb 等元素能减小钢的过热倾向， [1] 而国产 9310 材料的主要元素组成为 C，Mn，Si，P，Cr，Ni，很容易产生过热 ，造成高、低倍组织晶粒粗大； 由于在锻造过程中塑性变形可以击碎过热形成的粗大奥氏体晶粒，并破坏沿晶界析出相的网状分布，从而 改善和消除由于加热因素引起的晶粒粗大。而热处理加热后锻件无锻造变形工序，产生过热现象后就会产生粗 大的奥氏体组织，若锻件加热过程中由于严重过热促使异相质点优先沿奥氏体晶界析出，严重时呈连续网状， 使晶界变脆，用热处理方法很难消除，而单纯由于过热产生的奥氏体晶粒粗大，可以用一般热处理方法（正火、 高温回火、扩散退火和快速升温、快速冷却等）予以改善和消除。因此在热处理加热过程中，应适当调整并控 制加热炉的加热温度和保温时间，热处理前严格进行炉温均匀性校正，并加强加热炉的检测，维护工作，防止 跑温现象发生。

2 低倍组织缺陷改善 2.1 低倍组织树枝状结晶残余 经过理论分析和生产实践的结合可以验证国产大规格 9310 棒料低倍组织树枝状结晶残余可以通过增加锻造 变形量的方式进行改善。 2.1.1 原材料： 规格：Ф 400mm;纵向低倍：树枝状结晶残余 HB5024 中Ⅲ级。

图 5 原材料纵向低倍

2.1.2 锻造方式： a. 直接锻造：Ф 400³Lmm 拔长至Ф 330³Lmm 后进行局部拔长后镦粗大头成形； b. 增加一火镦粗、拔长改锻工序后按锻造方式 a 成形。 2.1.3 理化测试结果及分析 锻件成形后在大头轴线方向切取试片进行低倍检查结果如图 6 所示，采用 a 方式锻造锻件树枝状结晶残余 为Ⅲ级，无改善；采用 b 方式的锻件大头部分树枝状结晶残余为Ⅱ级，为合格组织。

a 方式

b 方式 图 6 采用两种方式锻造后低倍照片

79

2.2 低倍粗晶 由于该锻件为自由锻件，采用两阶段变形方式进行锻造较难控制低倍粗晶的产生，若由于温度控制不当及 [2] 无法实现局部加热的情况下产生的低倍粗晶，可采用热处理的方式进行消除 。 由于锻件的最终热处理制度为正火、淬火并回火，而对锻件的宏观组织晶粒大小影响最大的为正火，在正 火及后续冷却过程中，锻件产生相变再结晶，使晶粒细化，工艺试验料采用存在低倍粗晶缺陷的低倍试样进行， 试验结果如下图 7 所示：

热处理前图片

热处理后图片 图 7 热处理前、后低倍试片低倍组织照片

2.3 综上试验我们可以看出，国产大规格 9310 钢材料低倍组织树枝状结晶残余和粗晶一般情况下均可以通过锻 造和热处理方式进行改善，基本上解决了棒材和锻件低倍组织缺陷问题。

四 总结 1.通过计算机模拟和现场锻件生产实践可以解决国产 9310 钢轴类大锻件的自由锻造成形问题，配合适当的胎模 具的使用、坯料选取较好的解决了锻造过程中锻件成形、宏观和微观组织均匀性问题，合理的自由锻造成形方 案为国产 9310 钢轴类大锻件的应用提供了前提条件。 2.根据以上分析及试验，国产 9310 钢轴类大锻件的低倍组织缺陷可以通过锻造或热处理的方式进行改善。 2.1 树枝状结晶残余与冶炼过程中熔池的形状和工艺参数的稳定性有关，为避免国产 9310 钢轴类大锻件树枝状 结晶残余超标，锻件生产通常遵循以下原则： (1) 在大规格 9310 钢锻件冶炼过程中严格控制冶炼工艺参数，改善树枝状结晶残余，使锻造采用原材料的低倍 组织树枝状结晶残余能够达到锻件标准要求。 (2) 若采用树枝状结晶残余超标的原材料进行生产，可以尝试在锻造过程中增加改锻工序击碎树枝状结晶残余 以达到改善目的。也可以通过 15 小时或更长时间高温扩散退火方式改善，但由于高温扩散方案成本较高，在后 续处理该缺陷时一般很少采用。 2.2 国产 9310 钢轴类大锻件高、低倍组织晶粒粗大的影响因素较多，通过上述分析及试验可知，为避免缺陷的 产生，需要严格控制现场锻造工艺参数及热处理工艺参数，并加强产品生产过程控制，若由于不可控因素引起 的低倍粗晶缺陷，可以采用热处理方式进行改善。

参考文献 [1] 《中国航空材料手册》第 1 卷 结构钢 不锈钢中国标准出版社 2002.7 [2] 《金属材料及热处理》 田长生 航空专业教材编审室 1985.5

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细晶锻件超声波检测幻象波的判定方法 陈祖祥，王斌，罗顺明，张科伟，蒋睿华 （贵州省安顺市贵州安大航空锻造有限责任公司技术中心） 摘要：细晶锻件在进行超声波探伤，尤其是验收等级较高时，经常出现幻象波，幻象波表现为明显的单个显示 信号，在检测过程中严重干扰了对缺陷信号的确定，造成误判。本文通过分析超声波检查过程中现幻象波的情 况，分析了幻象波产生的原因，幻象波的波形特点，找到了幻象波和缺陷波判断方法，以及避免在超声波检测 过程中避免幻象波产生的方法。 关键词：细晶锻件 幻象波 超声波检测是利用超声波的众多特性（如反射和 衰减） ，通过观察显示在超声检测仪器上超声波在材料 或工件中的传播变化，来判定被检材料和工件的内部 是否存在缺陷，从而在不破坏或不损害工件的情况下， 评定其质量和使用价值。超声波有众多的特性有利于 进行检测，如声束指向性好（能量集中） ，声压声强大 （能量高） ，穿透能力强，传播距离远，在界面处产生 反射、波形转换、折射（或透射）和衍射等。由于锻 件采用压力加工，缺陷多呈面积型，使超声波检测成 为检查锻件内部缺陷的有效方法。但是显示在检测仪 上的超声波检测结果比较抽象，如图 1，增加了超声 波检测的难度，因此要求检测人员具有较强的分析能 力和丰富的实践经验，并需要对被检工件的材料特性、 加工方法等情况的进行充分的了解。在进行超声波检 测过程中有许多原因会产生伪缺陷信号，例如圆柱形 ○ 锻件的三角反射波、61 反射波、外形轮廓回波、幻象 ○ 波等。其中三角反射波、61 反射波、外形轮廓回波属 于工件自身的属性造成的伪缺陷，通过分析容易判断， 而幻象波是由于检测设备和工件组成的整套系统产生 的伪缺陷，是比较难判断的一种伪缺陷信号。 本文通过对幻象波的形成机理和波形特点进行了 简单分析，说明了细晶锻件在进行超声波检测时易产 生幻象波的原因，并提出判定幻象波的方法。

图1

及条件 在 A 型超声脉冲反射仪中，发射电路被同步电路 触发，从而产生为激励探头发射超声波的电脉冲，是 利用电容器的充放电来实现的。当脉冲的重复频率太 高时，两次脉冲之间的时间间隔太短，使第一个脉冲 在工件上的二、三次底波反射时间小于下一脉冲的一 次底反射的时间间隔，造成二、三次底反射脉冲被探 头接受后，产生的波形在下一脉冲的一次底反射之前， 形成的伪缺陷信号，我们叫幻象波。 例如，某个工件，检测厚度 400 ㎜，材料中的超 声波速为 5900m/s，第一次底反射被探头接收的时间 6 是 t1=2³(400 ㎜/5.9³10 ㎜/s)=135.6μ s,第二、三 次 底 反 射 波 被 探 头 接 收 的 时 间 是 t2=271.2 μ s 、 t3=406.8μ s，如果脉冲的重复频率高于（1/271.2³ -6 10 ）=3.7kHz 时，第一个脉冲的第二次底波将落在下 一 脉 冲 的 一 次 底 反 射 之前 ； 脉 冲 的 重 复 频 率 高于 -6 （1/406.8³10 ）=2.5kHz 时，第一个脉冲的第三次 底反射将落在下一脉冲的一次底反射之前，产生幻象 波。 从上述分析看，超声波检测产生幻象波，必须具 备以下几个条件： 1、检测时使用的重复频率较高。目前普通的超声 波探伤仪的脉冲重复频率一般在 6kHz 以下，尤其是高 速自动化超声波检测，为了保证高速扫查，提高检测 效率但是不漏检，要求设备具有较高的脉冲重复频率， 出现幻象波的可能性更大。例如德国 KK 公司制造的普 通超声波探伤仪 （USN60）,脉冲重复频率在 15～6000Hz 可调，具备了检查大型锻件时出现幻象波的必备条件。 2、被检工件的检测厚度较大。从上述计算方式可 以看出，检测厚度越大，产生幻象波时检测仪器的重 复频率可以更小。 3、被检工件的声衰减小。如果材料的声衰减较大， 第二次底面回波在被探头接收之前已经衰减完，探头 不能接收到二次底面回波，无法形成幻象波。

典型超声波检测波形（始波、杂波、缺陷波、底波）

三、细晶锻件易产生幻象波的原因

二、幻象波（ghost echo）的形成机理 81

被检材料的衰减小，是形成幻象波的条件之一， 超声波能量衰减有以下三个方面： 1、扩散衰减。超声波在传播过程中，由于声束存 在扩散现象，随距离的增大，垂直于声束传播方向的 的单位面积通过的声能逐渐减小。扩散衰减取决于波 的几何形状，不属于材料特性。 2、散射衰减。散射衰减与材质的晶粒密切相关， 当晶粒粗大时，散射衰减严重，晶粒细小时材质衰减 较小。 3、吸收衰减。超声波在介质中传播时，由于介质 中质点的内摩擦(即粘滞性)和热传导等引起的超声波 衰减。吸收衰减与材料成分、显微组织结构有关，一 般随检测频率的增大而增大。 在扩散衰减和吸收衰减相同的条件下，细晶锻件 的散射衰减比粗晶锻件小很多，可以形成二次或三次 底面回波，在检测时形成幻象波。

图 3 GH4169 两次底波差

四、幻象波的特点和鉴别 1、幻象波的特点 仅以在 GH4169 锻件上发现的幻象波为例进行说 明。在超声波检测中发现的幻象波不高，出现在底波 和始波之间，但波形酷似缺陷，波形陡峭、清晰，稳 定性好，杂波极低，如图 2。探头移动过程中波的深 度变化不大，容易给检测人员造成有大面积缺陷的假 象。有时候以极慢的速度向底波方向移动。出现幻象 波时，检测灵敏度高，材料的传声能力好，如图 3， 两次底波相差仅 8dB。改变检测频率或降低仪器的重 复频率后，幻象波消失，如图 4。一般情况下锻件的 检测的入射面与反射面平行，在晶粒细小的锻件上容 易出现，如图 5，该产品经组织分析晶粒为 8 级。 我们在超声检测过程中发现幻象波的材料多数是 铝合金、GH4169、5CrNIMo、1Cr11Ni2W2MoV、Cr17Ni2 等晶粒 8 级以上和传声能力号的锻件， 而 1Cr18Ni9Ti、 GH907、GH761、钛合金等晶粒粗大、传声性能差的锻 件在检测中无幻象波出现。

图2

图 4 GH4169 降低重复频率后无幻象波图片

图5

GH4169 组织

2 鉴别方法 第一、降低探伤仪的重复频率幻象波消失，缺陷 波不会改变，如图 6、7。目前有些数字式探伤仪不能 改变重复频率，在检测细晶大锻件时要特别注意。 第二、提高探头的检测频率，幻象波消失，缺陷 波的位置不变。增大检测频率，可以增大散射衰减， 使二次底反射被探头接收之前被衰减，不能形成幻象 波。 第三、在底反射处涂抹耦合剂，幻象波消失或明显降 低，缺陷波不变，这是一个简单有效的办法。在底反 射处涂抹耦合剂，声波在底面形成透射进入耦合剂， 使底反射能量降低声，不能形成二次底反射，不能形 成幻象波。

GH4169 幻象波图片

82

图6

缺陷波图片（一）

图7

缺陷波图片（二）

五、结论 1、细晶锻件在高灵敏度超声波检测时易出现幻象波。 2、可采用以下三种方法判定异常反射是否为幻象波： 第一、降低探伤仪的重复频率；第二、提高探头的检 测频率；第三、在底反射处涂抹耦合剂。

参考文献： [1] 夏纪真 超声波无损检测技术 广州 广东科 技出版社 2009 年 6 月 [2] 郑晖 超声检测 北京 中国劳动保障社会出版 社 2008 年 5 月

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支撑座异型环锻件碾扩工艺的研究 胡振奇，崔昱，冯娟 (张家港海陆环形锻件有限公司，江苏，张家港 215626，hzq611@126.com) 摘要：支撑座异型环锻件是环形锻件生产中的一种典型金属结构，相对于其它异型环锻件，如内锥形、外锥形 环锻件而言，具有外径尺寸较大，凸台边较宽的特点。本文叙述了 9927 型号支撑座环锻件的技术特点，生产工 艺，并对生产过程中的关键工序及金属变形规律进行了阐述，总结了生产过程中的经验及注意问题。

1. 引言 ±

辗扩又叫碾环或环件扩孔，是借助碾环机芯辊和 主模具之间的压力将环件壁厚均匀轧制减薄、直径扩 大、截面轮廓成型的热加工环形锻造成型工艺。异型 环锻件辗扩是芯辊与成型主模连续轧制塑性变形成型 工艺，与一般矩形截面环锻件辗扩相比，具有成材率 高，节材节能，降低锻件成本，且变形量大性能优异 等优点，是高径法兰、花纹圈、轮缘及火车车轮等各 种异型环锻件的先进制造技术，在石油化工、汽车、 火车、矿山机械等许多工业领域日益得到广泛的应用。 我公司从上世纪九十年代初期投入碾环机设备， 对碾环理论累计有较高的基础，特别是对异型环锻件 的辗扩技术，在国内首屈一指，品种多，工艺成熟， 在国内环锻件市场具有一定的地位。支撑座 9927 型号 为异型环锻件较为典型的一种，批量大，难成型。由 于采矿业风靡全球，矿山机械市场前景看好，解决异 型锻造势在必行。

±

±

图1

3. 支撑座生产工艺 公司前期进行了大量的试制和不断总结，结合公 司的生产设备，开发了一整套模具，制定了相应的辗 扩生产工艺路线。

2. 支撑座技术特性 （1）支撑座一般选用低合金高强度结构钢 16Mn， 具有良好的焊接性能、韧性、冲击等综合性能，对碳、 硫、磷及合金元素控制较严。 （2）锻件级别要求高。采用压力容器锻件标准 JB4726-2000 标准 III 锻件， 100%无损探伤检验合格， 并随机本体剖坏取样进行抽检。 （3）机械加工和形位公差严格。由于矿山机械使用 在环境比较恶劣的环境，支撑座为挖掘机上主要承载 力部件，受力不均匀，精度要求高。 （4）法兰锻造难成型。支撑座截面上下材料分配不 均，对环形锻造成型难度较大。图 1 为支撑座 9927 型 号成品图。

3.1 支撑座工艺流程 钢锭采购—材料进厂—检验—下料—检验—装炉 加热—检验—专用模具予锻毛坯—初轧模具碾环—检 验—装炉加热—检验—成型模具碾环—检验—热处理 —检验—粗加工—NDT—精加工—检验—钻孔—检验 —包装—出具检验报告—入库。

3.2 工艺装备 根据工艺流程其配备主要的生产设备有： ①锻造制坯：1600T 水压机。 ②环锻：3.5 米数控碾环机。 ③热处理：电脑数控热处理电加热炉。 ④精加工：2.5 米数控立式车床。

3.3 主要检测仪器有： 各工序设立检验停止点，配备相关监测设备，确 保产品质量。 ①德国进口便携式化学光谱分析仪、红外线碳硫分 析仪，检测材料化学成分，杜绝不合格材料。 ②高温红外线测温仪，检测锻造温度，确保材料无 过烧、过热现象发生。 84

③数字超声波探伤仪、电子拉伸仪、全自动冲击仪， 确保锻造无缺陷和理化性能合格。 ④2 米卡尺，确保金加工支撑圈尺寸精度。 ⑤数字电脑控制热处理电炉，控制热处理精度。 ⑥三坐标测量仪，控制锻件的平面度。

4. 关键生产工序 凸台

4.1 锻造制坯 支撑座 9927 型号异型截面环锻件对制坯要求很 高，如在制坯过程中不能将毛坯预成型，对后续的锻 造无疑会产生大量废品，所以制坯工序成了重中之重。 首先计算锻件的体积分布，运用反推法去确定坯料的 预成型形状，采用微元体积分布坯料，准确计算得出 坯料图 （坯料图见图 2） ， 运用专用罩模锻造成型坯料。

图3

5. 结束语 在生产支撑座 9927 型号辗扩的过程中，尽管攻克 了很多难题，形成了企业的独有特色，但仍有很多问 题亟待解决。 （1） 异型环锻件辗扩过程中，其锻件各处受力极 不均匀，碾环机承受力不平稳，易出现设备的 精度降低和模具磨损较快，增加了设备维护和 模具返修成本。采用闭式碾扩技术，把辗扩中 产生的不稳定力转化为模具的内应力，降低了 设备的损耗。 （2） 此支撑座 9927 型号，如采用一般矩形截面 环锻件，需料重为 1178KG/件，而异型件辗扩 锻 造 件 则 下 料 为 775KG/ 件 ， 可 节 省 料 为 403KG/件，大大降低了成本。但与日本锻造行 业还有很大差距，需料重仅为 600KG/件，精 度更高，甚至达到内控不用机加工。目前，我 公司正在研发解决余量过多这一难题。

图2

4.2 预碾扩成型 根据环件辗扩中的体积不变条件和轴向体积流动 的环件设计原理，计算出环件外径在 1.2 米左右其凸 台处 a 将完全充满主模具，再继续辗扩将产生凸台 a 处出现料不足，不能与模具稳定完全接触，凸台处圆 角和外径凹槽，造成内控尺寸已到而外径尺寸不够， 造成废品。预辗扩工序采用初轧模成型，增大凸台深 度，增大凸台处料的体积，确保后续碾环中成型主模 中金属能完全充填主模，各个尺寸均满足锻件要求。 锻件图见图 3。

【参考文献】 [1]锻件生产新工艺、新技术与质量检验标准实用手册. 广州.音像出版社.2004.04 [2]华林，黄兴高，朱春东.环件轧制理论和技术.北京. 机械工业出版社，2010.10 作者简介：胡振奇，男，1979年生，技术中心主任， 从事锻造辗扩先进加工成型和环锻件热处理工艺研 究

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第五部分 装 备 技 术

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提高锻造用钢锭的新方法 生产大型钢锭的多功能 ESR 工业炉原理 Medovar L.B.*, Stovpchenko A.P*, Fedorovsky B.B.**, Noshchenko G.V**., Petrenko V.L.*, Zhuravel V.M.* （*E.O. Paton Electric Welding Institute Kyiv, Ukraine；** Elmet-Roll, Kyiv, 乌克兰）

介绍 现代工业需要大量大型钢铁产品。重型机械厂生产各种规格轴类锻件、转子锻件、筒类锻件、壳体锻件、 环形锻件、以及用于国防的大型盘类锻件和化工，电力核反应器的底座。 所有这些不同形状的零件都是用钢锭锻造出来的，由于要反复多次加热钢坯，因此会消耗大量的金属和能 源，尤其由圆坯锻造成环件或者盘类锻件的多工序过程中，这种消耗特别高。 众所周知，生产大型锻件，采用钢包精炼制取钢锭被广泛使用，而生产特种重型锻件，通常会使用电渣重 熔（ESR）钢锭。早先电渣重熔工艺主要是用于金属精炼，而目前电渣重熔技术对控制金属结构同样是一种有 效的方法（1-3） 。我们不再详细讲述这种工艺的优势，因为此行业的开拓者（工艺的创始人）和同行们均能充 分证明这种工艺的优势所在。 在此我只介绍工艺的实际情况，而不做评论：目前世界上所有拥有重型设备的知名企业，为生产大型钢锭， 都装备了 ESR 工业炉。比如大家所熟知的“五大公司”：日本 JSW、韩国斗山重工、俄罗斯 Izhora、德国萨尔 公司和英国谢菲尔德锻造厂。中国和印度的企业将把“五强”扩展成“九强” 。为生产大型锻造用钢锭，今明两 年至少有六台大吨位的 ESR 工业炉投入生产。 我们知道大多数 ESR 炉（已投产和正在建设中的）都是按照标准 ESR 炉设计制造用于生产锻造钢锭，其 中也包括生产大型壳体、环件和盘类锻件件用的钢锭。 只有一个特例，基于 ESR LM 基础而设计的 300 吨电炉，称为 ESS/ESR LM[1]。这台 ESS/ESR LM-300 电炉，能够生产实心和空心钢锭，同时也可以对轧辊进行表面处理，目前已经发展称为一种通用设备，用于生 产不同形状，多种用途的大型高质量钢锭。 下面就该工业炉的主要设计原理，工艺技术方案进行讨论和描述。 1.ES LM 技术 以电渣熔炼工艺为基础发展起来的一系列技术已得到广泛应用。很多专著阐述了如基本电渣熔炼这样的技 术，如：电渣焊接，电渣表面处理，电渣重熔和电渣铸造。在生产非常关键的机械零部件中，每个国家都有大 量此类技术工业应用的经验。 所有这些技术都是以电流通过熔融导电熔渣，而伴随产生的物理现象为基础。特别重要的是要了解电流在 金属熔化（或保持金属处于溶化状态）中引起的各种变化，当前已经知道的是电流在熔化金属（或已经液化） 中可能出现的两种进程（单个出现或合并出现），这两中进程即是产生电弧和电渣（无电弧） ，即电弧和电渣。 实际上，电渣技术是以使用所谓的消耗性电极为基础。电极基本上为连续铸造而成的坯、棒、板、线等形 状，由符合焊材、锭材和铸材需要的化学元素组成。另外，电弧技术一般不仅仅使用填充化学成份的消耗电极， 也可以使用非消耗电极。第一种应用的典型实例是电弧焊和真空电弧重熔（VAR） 。目前有很多电弧技术（当然 还有电弧炼钢技术）一般使用石墨非消耗电极，但有时候也会采用水冷金属电极。 我们应用电渣技术，进行的表面处理、钢锭浇注和钢坯制作中，使用了电渣表面处理和电渣重熔技术（即 ESS LM 和 ESR LM,） ，这些过程使用非消耗电极很重要，有关工艺如图 1 所示。

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A

b

c

图 1 电渣技术（ES LM）的基本示意图：a-轧辊表面处理和钢锭加粗（ESS LM） ；bc-生产实心和空心钢锭 （ESR LM） 。 为了保持论述的严谨性，应该指出的是在使用标准的电渣技术时，部分电流可能会传到模型。此外，在相 8 9 5

1 2

6 3

7

10

4

关的重熔 VAR 工艺中 ，部分电流经常会传到模型。然而，如果你愿意，而且有意义且能够做到，可以将电源 与模型联接，发展非消耗电极的电渣技术。 因此，熔化供电时非熔化电极本身就成为了模型。 。起初，供电模型是由乌克兰 NAS 的 E.O.巴顿电焊研究 所研发。于 20 世纪 70 年代末获得专利。颗粒状加料重熔模型的工作原理，见图 2。 图 2，颗粒状加料重熔中的供电模型：供电模，2、3、4 分别是供电模截面，电流承载，分散和形成；5 渣 池；6 金属池；7 钢锭；8 重熔材料填加机构；9 颗粒材料；10 变压器[7,8]。 特种电冶金方法主要是用于生产高质量的钢和合金，因此从生产的经济性方面考虑，使用这些特种方法， 如电渣重熔进行生产通常是第二选择。然而，众所周知，使用传统的消耗电极型 ESR 工艺时，要花费 40%的成 本去准备这种熔化电极。此外，在传统的电渣表面处理工艺中，尤其是对轧辊坯料进行处理，使用线材、棒料 或者管料形式的熔化电极，生产制造电极本身就存在问题，有时候对于某种类型的高级轧辊材料来说，这种工 艺是不可行的。 因此，使用供电模，目的是降低最初制作消耗电极的成本。考虑到上述轧辊表面处理时电极制作的困难， 使用非熔化电极，实现电渣与液金属共同作用，建设这种可以达到表面处理目的工艺设备便不足为奇。[9-12]， 直接使用液态金属与非熔化电极（供电模）相结合的方法，是非常合理和重要的。事实上，在所有已知重熔优 点中，二次熔化（准备熔化电极和它的熔化）会自然遭到一些非成见冶金学者的反对。

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让我们再明确一下液态金属－电渣技术的不同。随后我们要讨论的所有技术，也就是 ESS LM 液态金属－ 电渣表面处理，以及 ESR LM 液态金属－电渣重熔，该工艺生产实心和空心钢锭基本上分两步。 第一步，制备含需要化学成份的金属液；第二步，将其注入一个供电模中，以便生产表面处理了的钢坯， 钢锭或者铸件。另外，所有传统的电渣技术都分为三个步骤：第一个步骤跟液态金属－电渣技术相似；生产所 需特定化学成分的金属液。接下来第二步，将金属液注入模型中，生产熔化电极，例如，连铸设备模或者金属 铸模。无论如何，如果使用金属废料，比如说，使用废弃钢锭或者轧辊，使用的废料必须进行处理以便适应熔 化需要，同时也要通过筛选符合化学成分需要，排除杂质。在绝大多数情况下，粒状废料根据尺寸和废料形状 （使用供电模情况）都需要压制和进行挑选。第三个步骤，对自耗电极进行熔化，自耗电极的金属熔液注入模 型结晶成钢锭或钢坯，模型为铜质水冷模。 应该注意的两个熟知的基本要素： --熔化电极金属的精炼，发生在其重熔过程发生时，即金属液穿过渣层，以及进入渣池和金属池的分界处之时； --对金属熔液凝固的控制取决于熔化电极的熔化速度，以及铜质水冷模型的散热效率（热效应），金属熔液在水 冷模型中凝固。 因此，液态金属－电渣技术（EST LM）对金属进行直接熔化和处理，不需要与熔渣相互作用而进行额外的 精炼。普通的 ESR 工艺中，熔渣与跌入的过热金属熔液相互作用，而在 ESR LM 工艺中， 熔渣与喷出的金属 熔液相互作用。很显然，不仅仅金属的温度更低，而且熔渣与金属相互作用的区域也更小。以 EST LM 方式精 炼，增加电渣工艺自身的效能，金属液熔合。这些经验来自已有项目的经验，仍然需要对生产大型钢坯和钢锭 积累实验数据，进行更多的实验评估。 其次，提供金属凝固的条件是必要的，至少跟标准的熔化电极技术程度相似。此外，为提高金属的冶金质 量，必须完善这些条件得。大体上说，在钢锭和钢坯冷凝的过程中，必须减少金属池中的熔液量，或者说，至 少让金属池尽可能浅。 从经济学角度来说，使用液态金属－电渣表面处理技术对轧辊表面进行处理，经过工业实际应用，证实了 这种工艺比轧辊采用离心浇铸更经济。 尽管 ESR LM 技术应用的经济前景很吸引人，但我们应该更加关注使用这种技术提高钢锭和钢坯冶金质量 潜能。 依据上述情形和目前为生产高质量关键零部件所提供钢锭和钢坯的设备发展趋势，我们可以确定获得这种 质量的主要的方法，这就是要对纯钢和合金的凝固进行控制。纯钢或者纯合金，这两个术语可在去气和去有害 杂质的深度精炼中去理解。 正是这个原理，还有上述大量描述和实验成为创造这种工业炉的基础条件。考虑到： --基于出现的 ESS/ESR LM 技术工艺，所知道的标准电渣工艺独特的物理-化学特性得到证明。 --ESS/ESR LM 冷凝过程可通过增加允许效率（钢锭/钢坯表面处理速度）间隔来进行控制，以标准 ESR 为典型， 也可以通过主要的外部加热输送到渣池中。 --ESS./ESR LM 液态金属的注入速度只分两种，而且比普通铸造方法的速度形式低，例如，连铸就有好几种金 属熔液浇注速度。 2. ESS/ESR LM-300 炉的主要技术特点和特性。 ESS/ESR LM-300 炉（图 3）有两个独立的熔化位置，由一个普通操作台与一个效率和产品生产能力不同 的平台组成（表 1） 。第一个位置设计用来熔化直径达 2000 毫米（重达 100 吨）的钢锭和钢坯。第二个位置设 计用来熔化直径达 3000 毫米（重达 300 吨）的钢锭和钢坯。

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图 3—ESS/ESR LM-300 炉原理示意图 表 1，ESS/ESR LM-300 炉技术特性 参数描述

第一个熔炼位置

最大钢锭重量 （吨） 生产效率，吨/年 （可以达到） 设备互换系数 位置工作模式 小时/日 表面金属层额定厚度，毫米 --钢锭最大时数值 --轧辊表面处理是数值 升降台垂直移动，毫米 电源，MVA 熔渣旋转系统电源数 个 钢锭（钢坯）输出速度， mm/min 提升工作台能力，kg o 配加热装置时预计可达到的最高温度， C

第二个熔炼位置

100 20 000

300 45 000 不少于 2.7 24

达 400 达 200 达 7000 4.0 1 1 - 100 100 000 850

达 700 达 200 达 7000 8.0 1 1 -100 300 000 850

炉子配置有服务于两个位置使用的一套供电模，芯棒（用于熔化空心钢锭）和一个液体倾倒装置。用于生 产实心钢锭的供电模有一套额外的冷却装置，与对轧辊进行表面处理和生产空心钢锭的模型相比，模型约大两 倍。 ESS/ESR LM 炉的电源由三相低频电源，渣池旋转电源和最大对称高电流环路组成。 为了将金属注入模型，每个位置上配置二个有效容积为 10 吨的浇注装置。 为将炉子中金属进行浇注，要配备一套带有不同容量坩埚的熔化装置，该装置分立安装。

90

为得到所需的电渣成分，必要的时候进行脱氧，需要有一个成比例添加新熔剂的系统，可将纯氟化钙和脱 氧剂添加到渣池中。 为了让大型钢锭和钢坯保持和平衡温度，要缓慢地从炉子中抽出，同时也建立了随动加热系统。 下面将详细描述炉子的装置和系统，以及其重要的功能和特性。 2.1 供电系统 ESS/ESR LM-300 炉的电气设备用于供电、电动设备控制、参数控制，设备和机构状况信号提供以及设备 接地。 ESR LM 炉供电系统为独特的三相低频电源（包括变压器和可控桂变频器），频率和电压为 3  50 Hz, 10 000 V/2  0.1-10 Hz, 120 V，为防止设备发生电磁共振的危害，变频器可以在负载下进行频率调控。这样做对低频电 源来说，其优势在于减少外电路的影响，以及减少炉子大电流回路的电抗损耗。主电源在第一位置工作时为 4.0MVA，第二位置工作时为 8.0MVA。 除了主电源，每个位置都配有熔渣旋转电源。渣池旋转电源为三相变频器电源，与主电源完全同步。熔渣 旋转电源配置有低压大电流变压器，与供电模分体部门相联并形成电流回路。 渣池旋转有助于让可见的电弧在熔渣模界面消失，防止模型发生剧烈的局部磨损。渣池旋转同样有助于整 个供电截面温度的平衡，以及钢锭（实心，空心或者轧辊表面）各部份熔液金属的分派，从而在熔液金属池保 持温度的均匀。 在设备连续运行情况下，每个位置都可以进行独立的工作（运行或空闲），并可一进行相互自动切换。 2.2 控制系统 ESS/ESR LM300 炉子配备有先进的控制系统，由一个三级分配运算系统组成，可以进行数据手机和 ESR 工艺控制，下面进行阐述： -0： 传感器和执行原件 1-PACs（ 程序化自动控制器） ，外设控制器（PCU），电源局部控制单元（LCU_PS），在平台上进行手动 ESR 工艺控制局部控制单元。 2-工作站 SCADA 控制系统包括许多子系统，实现下述功能： 

技术参数的可视化和监测；



生产状况分析、工艺极限数字监视、紧急情况处理；



运算并向操作人员显示提醒；



自动模式下直接控制 ESR 进程；



控制器和现场控制系统的数值输入。

控制系统具有的特性之一是可实现深层保存和多级防护，对与大型钢锭而言这种特性非常必要。在人工控 制模式下，同样可以实现设备运行。 控制系统配有一种被称为 ESSR L Modcal 的工程计算程序，可以对钢锭（坯）凝固进行模拟，这种系统具 备采集功能，可以收集温度场真实数值、电子特性以及其他数据。

ESS/ESR LM300 炉生产能力 基于对设想、上面所述情况、实验室研究结果和工业应用经验，以及不同电渣技术以及装备运行情况的分 析，表明液态金属－电渣技术（ESR LM）是可以实现工业应用的。 设计各种规格的单元，可以制造实心和空心钢锭、实现轧辊表面处理和钢锭扩展，从而显著减少成本，尤 其是生产不同型号的壳体和盘件（壳体展开） 。

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-

就带包层轧辊坯料和钢锭冶金质量等级而言，至少比不低于采用普通电渣技术生产的钢锭质量。

-

从经济方面考虑，消除了消耗电极制备花费。

采用 ESS/ESR LM 工艺技术,使钢锭和钢坯的化学成分均匀，同时也可以生产各种化学成份和包含不同材质 层的钢锭和钢坯，如，生产特种汽轮机转子。 工业炉可以按生产的产品类别来设计其能力: -锻造用钢锭采用两种主要的工艺流程：ESS LM 和 ESR LM. 锻造钢锭最大重量是 300 吨，最小为 60 吨（实 心钢锭） 。通过对已有实心钢锭进行扩展冶炼，最大钢锭直径可达 3000 毫米。 -钢板轧机的支撑辊钢坯冶炼，使用的冶炼包直径达 2400 毫米，长度为 6400 毫米，总长度可达 11500 毫米， 而带钢轧机的支撑辊冶炼，使用的冶炼包直径大于 1800 毫米，长度大于 2400 毫米，总长度大于 7000 毫米， 通过使用 ESS LM 进行辊表面处理，支撑辊表面可以熔固上各种高级材料，其熔固表层厚度可达 200 毫米。 - 应用 ESR LM 工艺制造空心钢锭，空心钢锭、钢坯的直径和重量受如下参数限制：最大重量-300 吨，最小重 量-20 吨，最大外径 3000 毫米，最小壁厚 80 毫米，最大壁厚 700 毫米。 液态金属－ESR 和 ESS 工艺新颖，优点突出，可以生产各种类型、尺寸和形状的大型钢锭，从而产生出特 征明显的冶金炉，这是世界首创。因此，伴随 ESS/ESR LM300 炉的工业流程控制的实施，对各种类型和尺寸 钢锭和钢坯冶炼数据的监测、技术的改进、应用的推广已经提到议事日程。

参考文献 1. Paton B.E., Medovar L.B. Improving the electroslag remelting of steel and alloys. Steel in Translation, Allerton Press, Springer ,Volume 38, 12, pp. 1028-1032.

2. L. Medovar, e.a. ESR with two power sources and process control, Proc, LMPC-2005, ed A.Mitchel (2005).

3. Medovar L.B. Electroslag technologies and new structural materials. Proceedings of Int.Conf.‖Advances in metallurgical processes and materials‖, Dnipropetrovsk:Porohy, 2007.

4. Electroslag Furnaces, ed. by B. E. Paton and B. I. Medovar (1976), pp. 226-228 5. Electroslag Technology, ed. By Medovar B. I et al, Springer-Verlag NY (1991), ISBN 0-387-97333-8.

6. Medovar B., Saenko V. , Nagaevsky I., e.a. Electroslag technology in machine-building. Kiev: Tekhnika. (1984).

7. US Patent 4185682 - Electroslag remelting and surfacing apparatus. Ksendzyk G.V., et al. Iss.Jan 29, 1980, B22D 23/10, B22D 23/00 8. US Patent 4305451 - Electroslag remelting and surfacing apparatus. Ksendzyk G.V, et al. Dec. 15, 1981, B22D 23/10, B22D 23/00 9. B.Medovar, L.Medovar, A.Chernets, et al. "Electroslag Surfacing by Liquid Metal - a New Way for HSS-rolls Manufacturing", 38th MWSR Conference Proceedings, Vol. XXXIV, Cleveland, Ohio, October 13-16, 1996, pp. 83-87.

10. US Patent 6283198 - Electroslag facing process. Medovar B. I. Sept.4, 2001, B22D 027/02, 11. Medovar L.B. About mill rolls of future and electroslag technologies of their production. Advances in Electrometallurgy, 2003, 3, p.7-10.

12. Medovar L.B., Machnenko V.I., Saenko V.Ya, Korolyova T.V.New possibility to utilize ESR for the ingot segregation reduction//A collection of theses for communication. Third Baosteel biennial academic conference - BAC 2008. ed. by Xu Leijiang, 26-28 September 2009, v.2, pp.G.33-G38.

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大型锻件机械化超声检测(UT)技术的最新发展 Klaus Leupoldt，Heinz-Josef Otte，Willibald Meister（Cegelec NDS, Nürnberg, 德国） 摘要：西技莱克 NDS（前身为 MAN）作为跨国集团西技莱克无损检测（CNDT）的一部分，40 多年来在能源和交通 领域中一直作为机械化无损检测服务商。这类检测系统是为自己使用而发明的，而后作为产品投放市场。 为了检测汽轮机（发电机）转子和盘类锻件，西技莱克研制出 TURO-MAN 和 SIRO-MAN 检测系统，并已销售全球。 通过与客户进行合作完善，使用 TURO-MAN 和 SIRO-MAN 机械化检测系统，得到绝大多数汽轮机制造商（如阿尔 斯通，通用和西门子等）的一致认可。 TURO-MAN 和 SIRO-MAN 系统装配了由奥林巴斯 NDT 供应的 UT 电子设备。传统的 UT 应用是使用 MS5800，而在相 控阵应用中是使用 FocusLT。TURO-MAN 系统用于检测长度达 20 米，直径为 3.5 米，重达 400 吨的转子。SIRO-MAN 系统目前为止其最大检测能力是，检测直径为 3.5 米，高达 4.5 米，重达 100 吨的工件。我们还能够提供其它 检测系统，检测汽轮机中心孔、发电机护环、飞机杆类和盘类锻件，铁路轮轴锻件。 关键词：汽轮机转子、发电机主轴、涡轮盘锻件、UT 检测、传统 UT 检测、相控阵 UT 检测、操作机、SIRO-MAN、 TURO-MAN、Tomoview UT 软件，MS5800，FocusLT 1、介绍： 能源工业高效能系统的发展对大锻件的要求非常严格。由于承载能力加大，要求供应高质量锻件。锻件质 量与成本密切相关，成本涉及： －材料 －制作 －机加工 为避免造成后续成本浪费和生产延误，以及有机会修整机加工产品，我们应该在早期的制作或机加工中检 测锻件存在的缺陷。 针对上述所提到的风险，不仅仅锻件厂对机械化 NDT 的应用感兴趣， 大多数能源设备制造商也只接受经过 自动化或机械化检测系统检测后的零件。除了克服人为因素，这种要求的主要原因是要求服役过程中不间断地 进行检测，并与以前的检测结果进行比较，或与被称为基本检测的结果或制造试验数据进行比较。 自动化/机械化检测一个重要的优势在于，可以获得详细的检测结果，当前基于纪录数据，通常可以实现节 点彩色打印（C-，B-，D-扫描或极坐标图）和输出报告。 NDT 检测员比较两张依据检测纪录数据形成的彩色打印图寻找不同，要比他们比较两张依据 UT 试验结果手 填图表容易和方便的多。 改善检测方法，系统的定位要求非常精确，而且要求有良好的重复定位能力。这就要求检测系统的机械部 件质量要持续地提高。 该文主要论述大型锻件机械化 UT 检测技术的的最新发展。就如下三个问题进行集中介绍： -操作机 -相控阵系统 -评估软件特点 2、操作机 尺寸和重量不断增加的零件，需要提高移动和定位的精确度。接下来要介绍的两个系统，其轴向和径向的 位置精度完全可以达到± 1mm，径向 3.5m 时轴向可达 11m，而且轴向的检测范围是 20 米。这两个操作机都可以 安装传统 UT 或者相控阵 UT 系统。探头与零件表面通过油或水构成封闭循环来实现接触。 2.1 TURO-MAN 系统 TURO-MAN 系统用于检测发电行业的大型汽轮机转子和发电机主轴。 -

两套轴向可调的滚轮组；

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-

直线导向系统，实现探头轴向、垂直和水平方向控制。 全球很多用户都在使用TURO-MAN系统，如： 德国MAN公司，1990年使用的TURO-MAN I 意大利Societa delle Fucine公司，1999年使用的TURO-MAN II 日本JSW，2004年和2009年使用的TURO-MAN III 和 V Groeditzer Stahlwerke公司，2007年使用的TURO-MAN IV 美国Alstom公司，2009年使用的TURO-MAN VII 德国Saarschmiede公司，2010年使用的TURO-MAN VI

2004年我们给JSW安装调试了TURO-MAN III型检测系统，TURO-MAN III型检测系统用于检测长度为15米，直 径为2米重达300吨的转子锻件。JSW的Nimura先生在2008年西班牙桑坦德国际自由锻会议上对此做过报告。

图2.1 安装在日本室兰锻造厂的TURO-MAN III型系统

我们传统的UT系统其检测结果相当准确：对位于直径为1800毫米转子芯部，直径0.9毫米的ERS缺陷探测了 出来。使用相控阵系统，其检测能力进一步提高，能够提高检测信号噪音约6分贝。 2.2 SIRO-MAN系统 汽轮机和燃气轮机焊接转子，均由涡轮盘装配而成，因此同样需要对其进行检测。为此，我们设计出SIRO-MAN 操作机。 SIRO-MAN主要由四部分构成： -三辊支撑的中心定位装置 -操作机控制单元 -UT系统（普通或相控阵系统） 全球很多用户都在使用SIRO-MAN检测系统，如： -奥地利伯乐特殊钢，2000年安装的SIRO-MAN I 和2008年安装的SIRO-MANIII -法国RD/Tech/Fortech，2001年安装的SIRO-MANII -瑞士阿尔斯通，2008年安装的SIRO-MAN IV -德国萨尔公司，2009年安装的SIRO-MAN V 和SIRO-MAN VI -美国阿尔斯通，2009年安装的SIRO-MAN VII 2000年在奥地利卡普芬贝格伯乐特殊钢厂装配了第一台SIRO-MAN系统，如图2.2所示。这套系统安装了原来 RD/Tech公司的六频道μ断层扫描图谱-UT检测系统，为传统的UT检测技术。这套系统可安装六个探头同时进行工 作。如图2.3所示。

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图2.2 奥地利卡普芬贝格-伯乐特殊钢厂安装的UT SIRO-MAN

在大多数情况下，盘类锻件和转子延回转方向进行检测，可能的角度有0°, 7°, 14°, 21°, 28°, 45° 以及60°，一般顺时针方向和逆时针方向转动定位。在传统检测技术条件下，需要安装很多的UT探头。

图2.3

六探头传统UT系统检测涡轮盘类锻件

另外，探头数量越多，实现协调配合就越复杂。解决这种问题就需要通过减少探头的数量来实现。应用相 控阵技术便可以实现，这种情况下一个探头就可以在多个角度进行扫瞄。 伯乐特殊钢厂于2008年安装了第二套全新SIRO-MAN检测系统，此套系统安装了由奥林巴斯NDT公司研制的最 新FocusLT相控阵系统。 阿尔斯通Birr/CH同样安装了这套相控阵系统，而萨尔公司安装了两套。 使用这种操作机，可以在盘类锻件的所有表面进行检测（内外表面以及上下面），也可以在直径达3.5米， 高度为4.5米，重达100吨的轴对称锻件表面任何位置进行检测。 3.相控阵技术 相控阵（PA）技术是一种检测方法，这种方法多年来一直应用于核领域重要零部件的检测。由于计算机硬 95

件成本降低，高度集成电路的产生，相控阵系统目前同样应用于一般锻件的检测，特别是手动相控阵系统可以 在市场上买到。 与传统检测技术的不同之处在于对UT探头的设计。传统UT探头有一到两个晶片，而构成相控阵探头的晶片几 乎可以是任意形状任意数量。

相控阵探头晶片的排列方式

探头旋转入射角图

聚焦 图3.1 相控阵原理

用于检测锻件的探头一般都是线性阵排列，最多为32个晶片。为得到被测部件不同角度的内部特征，每一 个晶片单元在不同时刻被激活，如图3.1所示，绿线表示晶片。 采用相控阵探头几乎可以检测与传统探头同样尺寸的零部见，两者最大区别在于连接UT的电缆，当探头由 32个晶片构成时，必然要连接32条电缆。 4.软件特征 过去几年中，在数据获取和评估软件TtomoView方面取得主要进展。可以大量收集大锻件（HF）检测数据并 对正确选取相控阵参数具有重要的支撑作用。自动生成数据表大大缩短了数据评估过程。 该软件可以在普通PC机（高性能）标准的PC机连接环境下运行。它也可以与公司的主机联通，查看工件数 并传送检测结果。 检测汽轮机锻件的特性如下： 4.1 不良回波的处理 材料的发展导致发电设备的钢材很少产生甚至几乎不会产生声波衰减。 对于无损检验而言，不产生声波衰减，几乎如同所有的东西都被激活一样，这有两个不同的意思：一方面 意味着可能存在微型缺陷，另一个则是坏的方面，如果没有声波衰减，说明产生反常回波或者诡异回波的几率 96

会增大。如果很明显产生诡异回波，说明在锻件内部很大区域范围内的缺陷将难以被检测到。诡异回波不会影 响UT检测设备的性能，所有UT检测系统在各种频率上都会产生诡异回波。诡异回波实际上是材料的一种特性。 对于那些不太熟悉UT检测和机械化UT检测的人来说，以下是对诡异回波的简明解释是必要的： 在进行机械化UT检测时，一个或几个UT探头同待在检测工件的表面进行检测，同时工件以一定的速度旋转。 在没有缺陷的情况下，由于声波的衰减和（或）扩散，通过工件内部的超声波脉冲减弱时不再通过超声脉冲； 超声波脉冲穿过工件时会发生波形反射和波形转换（长-短 /短-长)。 超声波脉冲在接收频段内也可以再一次到达发生探头位置或另一个探头位置。这种信号被记录下来，它对 于实际UT缺陷指示毫无意义。 锻件没有缺陷，但A扫描表明缺陷靠近反面的后壁上,如图4.2所示

图4.1

产生反常回波的A扫描

图4.2

未产生反常回波的A扫描

在这种情况下，还会发生的是一个微笑的缺陷可能被这个异样回波隐藏。基于此，当我们明知道它是异样 回波，但我必须想法消除它。 到目前为止，避免产生此类回波的方法如下： -降低扫描速度（减少循环频率） ，这会延长检测时间。 -改变扫描频道顺序或 -改变探头位置 但是所有这些方法通常都不会起太大作用，那么我们要花费很长时间去找到并设定不会产生反常回波影响 我们检测的参数（靠偶然） 。但是，这仅仅在特殊情况下才会应用。如果要去检测另外一个部件，尽管工件参数 变化不大，但所有的测试方法都无效，我们必须重新设置新的参数以回避异样波的发生。 在这种情况下，我们得到了奥林巴斯新型NDT数据获取系统和TomoView分析软件的帮助。这款软件可自动计 算出可能出现的最高扫描速度，以这种速度进行扫描就不会产生异样回波。它的工作原理非常容易理解，当探 头接触了工件表面，所有频道的A扫描都被监控。发射频率（内部脉冲发射频率）会自动提高或降低；A扫描信 号保持不变，为真实信号，如果信号随发出频率产生或者消失不断变化则为异样信号。最后，在一个安全的范 围内，选择一个不出现异样信号的最高扫描频率即可。将这个特征运用到检测中（如上图4.1所示A扫描）,可以 得到无幻象回波的A扫描结果（图4.2所示） 。 A扫描（图4.2所示）表明，在靠近反面的后壁上没有缺陷，也不会出现检测不到的区域。这种特性提高实 际扫描速度至少50%，也不要考虑寻找合适参数而花费时间的问题了。 4.2 软件的其它特性 该数据测评软件的功能同时推动了UT检测设备硬件的开发。一种新型强大的特性如自动生成数据表功能出 现，光标放于某读数上，这个读数就会自动转成读数列表中。

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图4.3

C－，B－和A－扫描 /

读数列表

TomoView软件可以将读数列表以Word或Excel格式输出，而这些数据将用于进一步的运算、文档记录和分析。 极坐标视图让数据分析员能够直观看到读数，以及读数在被检测零部件内部所在的位置。

图4.4

B扫描和极坐标视图

5.结论 不仅检测技术系统的要求与日俱增，同时对检测人员的素质要求也逐步提高。随着市场需求的日益增长， 每个企业都需要拥有经过严格培训，受过良好教育具有工作积极性的员工。操作这些检测系统的人员仍然需要 具备熟练的UT检测技能。当他们对系统进行校准或者对检测结果进行说明时，他们必须了解计算机和相关的软 件知识，从而正确操作自动化检测系统。如果操作人员没有经过严格的培训，或者工作不积极，使用再高级的 设备也毫无意义。为了使操作人员具备成功操作检测系统的能力，我们也会开设短期的培训课程。 在过去几年之内机械化UT检测行业发展突飞猛进。这些发展都能体现在西技莱克的检测系统中。西技莱克 NDS公司供应的检测系统，可以满足用户对其产品进行高质量检测的要求。对于很多锻造企业来说，他们协助 汽轮机制造商实现了苛刻的要求，而且只有通过汽轮机制造商指定的机械化UT检测合格的锻件才能得到用户的 认可。所有检测系统均是与用户的紧密合作的产物，满足用户的特殊需求。根据用户需要，西技莱克同样能够 设计出适用于其它用途的检测系统。

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生产大型钢锭的新型电渣重熔炉理论 1

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Harald Holzgruber , Bertram Ofner , Manfred Ramprecht , Alexander Scheriau , 1 （ INTECO Special Melting Technologies GmbH; Wiener Strasse 25; Bruck an der Mur; 8600; 奥地利） 关键词：电源选择，大电流电路设计，特征值，电渣重熔炉，过程模拟，导电结晶器 CCM®

1 摘要 市场的发展特别是电力行业的发展对 250 吨以下电渣钢锭产生了大量的需求。INTECO 公司研发了三种大型 电渣重熔炉，这些炉子采用了固定式结晶和抽锭结晶技术，属于固定式结晶炉或组合式电渣炉。在大型钢锭的 生产过程中，设计了两个熔化工段，并采用了电极更换技术。本文对以上提到的三种熔炼炉的理论、电极和钢 锭的尺寸进行了探讨，重点讨论了以下方面：供给能源的种类及其优劣性；指出了大电流设计对炉子全程电阻、 电抗和控制系统中涉及的特殊方面的影响。 整体的机械部分采用了 3 维 CAD 技术进行设计，并使用 FEM 模拟软件进行模拟验证。在冷却系统设计时， 考虑了过程模拟的结果和现存熔炼炉的生产实际数据。本文还对抽锭结晶熔炼炉熔炼易偏析合金时采用的导电 结晶技术(CCM®)进行了简要的描述。

2 介绍 尽管钢铁行业通常受国际市场的严重影响，但其用户行业并没有受到下游行业的太多影响。市场分析人员 甚至预测在未来两年电力行业会有一个连续的增长。如今，电力行业对世界特殊钢用量的贡献在 2%。其他的用 户行业例如加工行业包括石油和天然气，都受到了金融危机的影响，实际需求量比前年降低很多，但从 2010 年 看也显示出需求增长的势头。根据市场专家预测，加工工业在 2010 年有望达到 2008 年的水平[1]。在过去一年 半中，在生产电力行业、化工行业、石油天然气行业所需要的大型钢锭时，电渣重熔技术的优势得到了越来越 多的重视。同传统的铸造钢锭相比，电渣重熔钢锭具有更高的质量和屈服强度。采用电渣重熔技术进行大规模 生产的潜在客户不再仅仅局限于那些生产线上有重熔工艺的企业，需要为上述提到的用户行业生产涡轮、转子 轴、压力容器和船用曲轴等大型零件的锻造行业也对电渣重熔非常有兴趣。为此，INTECO 针对 110-250 吨钢 锭的生产开发了三种大型电渣重熔炉。

3 三种大型电渣重熔炉的基础数据 本文中提到的三种炉子以下简称炉子 A、炉子 B 和炉子 C。所有的炉子都配备了全同轴大电流回路和保护气 体罩。表 1 所示是炉子的基础参数。 表 1：三种电渣重熔炉的基础参数

炉子 A 炉头数 电极最大重量 （吨） 主要熔化工段种类 主要熔化工段数 钢锭最大重量/主要熔化工段（吨） 钢锭最大直径/主要熔化工段（mm） 附加熔化工段种类 附加熔化工段数量 钢锭最大重量 / 附加熔化工段 （吨） 钢锭最大直径/附加熔化工段（mm） 总高度（米） 炉坑深度（米） 电源种类 最大熔化电流 （kA） 二级最大电压 （伏）

3 36 抽锭结晶 1 145 1900 固定式结晶 3 36 1300 31 18 饱和电抗器 72,5 155

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炉子 B 4 30 固定式结晶 2 110 1900 固定式结晶 1 30 1250 25 12 变压器 80 135

炉子 C 2 60 固定式结晶 1 250 2600 固定式结晶 1 60 1750 30 11 低频电源 105 100

图 2: 炉子 B

图 1: 炉子 A

图 3: 炉子 C

3.1 炉子 A 结构 炉子 A 主要包括三个炉头，采用门式起重车设计。主要熔化工段用于生产 145 吨以下钢锭，原料在配有伸 缩式底台的短口熔化结晶工段通过多电极熔化，有两个炉头是为了电机更换而设置。在主熔化工段的左右两侧 安装有预热工段。这些工段同时可以提前监控电极更换后残余电极卸除情况。为了在最后一根电极熔化成 145 吨钢锭时利用第二个炉头，紧靠主熔化工段位置安装有一个固定式熔化结晶工段。另外两个固定式熔化结晶工 段和第三个炉头可以被看成一个分离的炉子，同采用一根电极重熔的标准固定式熔化炉很相似。 短口熔化结晶工段设计和大电流设计是为了应用 CCM（导电结晶）技术，这个技术是 INTECO 公司的专利， 将在本文后面进行简要表述。 炉子 A 的生产能力预计为每年 17000 吨，这主要看不同炉子的使用频率。 填充系数—电极直径与结晶器内径的比值。短口熔化结晶工段采用 0.45-0.60，对于固定式熔化结晶工段， 推荐为 0.75-0.80。 对炉子 A，采用饱和电抗器供电系统。为了达到最大的熔化电流 72.5kA（见表 1），两个分别为 45kA 和 27.5kA 的电源连接在一起。另外还装有两个 55kA 电源，电压最高 155 伏。

3.2 炉子 B 结构 炉子 B 可以被看成两个分离的炉子，每个炉子由 2 个炉头和一个固定式熔化结晶工段组成，都可以独立操 作生产 110 吨钢锭。在主熔化结晶工段进行电极更换，采用多电极熔化成一个大钢锭。为了增加生产能力，安 装了小型固定式熔化结晶工段，可以用其内部炉头来生产。 炉子 B 年生产能力约在 22000 吨。 主熔化工段的推荐填充系数比标准固定式结晶炉要低，在 0.4-0.65。从炉子的热平衡基础[2]来讲，这个参 数对渣子温度分布可能有好的影响。在热量分布方面的影响主要是来自对流，电极面积电流密度通过其它方面 分别对对流产生影响。 炉子 B 的电源为变压器， 由 5 个相同的最大电流 40kA 最大二级电压 135 伏的部分构成。 熔炼 110 吨钢锭时， 两部分连接起来一起提供 80kA 的熔化电流。

100

3.3 炉子 C 结构 炉子 C 代表着世界最大的保护气体电渣熔炼炉，可以生产最大尺寸的钢锭。中国上海有一台 200 吨钢锭电 渣熔炼炉，是二十世纪 70 年代末的产品，其生产理论和技术同如今的技术有很大的不同。就像上面指出的，现 在的技术都是在保护气氛下熔化生产。另外，同轴大电流和智能控制系统已经成为现代电渣重熔炉的标准特征。 炉子 C 生产 250 吨 2.6 米直径钢锭的生产理论同炉子 B 的一样。使用两个炉头和电极更换技术，利用多个 电极在固定式熔化结晶工段生产钢锭。当最后一根电极熔化时，其他闲着的炉头可以在外部熔化工段采用单电 极熔化技术生产 60 吨 1.75 米直径的钢锭。如果在最后一根电极熔化时，较小钢锭的熔化过程正好完成，则一 个生产周期的总生产能力为 310 吨。按照这个数据计算，炉子 C 年生产能力大约在 20000 吨。 炉子 C 采用了低频电源，包含五个相同的最大电流为 35kA 的部分。当生产 2.6 米直径钢锭时，三个部分连 接在一起提供最大 105kA 的电流。两个部分连接起来用于生产 1.75 米直径钢锭。由于采用了低频电源系统减小 了炉子阻抗，最大二级电压 100 伏完全能够满足要求。

4 电源可选设计和大电流设计 通常，电渣重熔炉设计时，采用熔化电源可选择设计和大电流设计方案的标准总结如下：  性能  可靠性  尺寸  维护难易  损耗（生产运营成本）  投资成本

4.1 电学原理 4.1.1 炉子阻抗的影响（炉子电阻、电抗和炉渣电阻）

图 4：电渣重熔炉的等效电路图

图 4 显示的是一台电渣重熔炉的等效电路图。为了把损耗和随之产生的生产运营成本保持在有可能的最低 水平，在设计炉子时必须确保最小的炉子电阻和电抗。 4.1.2 炉子电阻（R） 电阻主要取决于  传导体的截面和总长度  导体连接点的物理参数（接触压力）  感应热导致的损耗 电渣重熔炉的典型电阻值一般是：小型炉子 0.2-0.5 莫姆，大型炉子 0.1-0.3 莫姆。下列方法可以用来尽 可能的将炉子的电阻值降到最小：  最适宜的电流通路长度（例如：采用管路和滑动触点的母线代替电缆）  使电流铜导体的电流密度降低（增大面积）  在考虑感应生热导致的损耗上采取最适宜的设计（电流回路、材料选择）  炉子的良好维护（保持清洁、检查液压压力、检查连接螺栓）

101

4.1.3 炉子的电抗(XL) 电抗主要取决于电流导体有关的方面。也就是说，以下设计标准会产生影响：  电流流入线路的布置（平行性）  炉头电流回路的尺寸  结晶器电流回路的尺寸 o 结晶器深度 o 结晶器种类（固定式结晶器/抽锭结晶器） o 电极和钢锭周围封闭的大电流区域  熔化的状态（开始或熔化结束）  选择的导体材料所承受的安培数（磁性材料具有饱和性，能够产生涡流） 表 2：电渣重熔炉的典型电抗（频率 50 赫兹） 根据导体的种类和布置

导体的种类和布置

炉子电抗 （莫姆）

电缆，通常的流入和回流

2,5 - 3,0

电缆，独立的流入和回流

4 ,0 - 5,0

母线，中小型炉子

1,3 - 1,8

母线，大型炉子（电极更换）

1,5 - 2,4

下图显示的例子是不同类型电渣重熔炉配备不同的大电流回路以及相应的电抗。

图 5：小型炉子，高电抗 （大约 4 – 5 莫姆）

图 6：小型炉子，中等电抗（大约 2.5 – 3 莫姆）

图 7：中型炉子，小电抗（大约 1.5 莫姆)

图 8：大型炉子，小电抗（大约 1.5 – 2.4 莫姆）

图 5 中，从电源到炉头大电流的流入和回流线路是由水冷电缆组成，安装在炉头的不同高度。这就导致导 体封闭了一块很大的区域，从而导致并不想出现的高电抗。在图六中，采用大电流管道加上滑动触点，电抗值 有所提高。图 7 中，设计上采用了铜母线和滑动触点相结合，使被它们封闭的区域尽可能的小。对于大型炉子， 例如图 8 中，大电流线路设计采用了铜母线和滑动触点。依据奥地利格拉茨技术大学专家的计算，产生的电抗 大约为 1.5-2.4 莫姆。

102

图 9：来自格拉茨技术大学的模拟结果

图 9 显示的是图 8 中炉子抽锭结晶熔化工段产生的磁性区的模拟结果。根据这个模拟结果计算了炉子的电 抗。而且，从上图可以看到，由于大电流线路采用了同轴设计，炉子的磁通量在短距离内很快的减弱。

4.2 渣子的电阻 重熔工艺中整个电力消耗的另一个重要因素是渣子的电阻[5], [6]。它主要有下列参数决定：  渣子的化学特性  渣池的厚度  结晶器内径  填充系数（电极直径与结晶器内径的比值） 下面的几张图显示的是渣池厚度和结晶器内径对某种渣子电阻的影响

图 10：结晶器内径和渣池厚度对渣子（氟含量 30%）电阻的影响

从上表得知，对于小型炉子（钢锭直径 500 毫米），渣池厚度在 10-15 厘米，其电阻较大。另一方面，对于 大型炉子，渣子电阻在 0.5-1.5 莫姆，通常这也取决于渣子的类型。这对渣池的能量输入有很大影响，下面的 图中详细的显示了这一点。图中表明了大型炉子和小型炉子的典型征值分别是 100 千安和 20 千安。 103

图 11：渣子电阻和电压对能量输入和电流的作用 （Xl = 0）

图 12：渣子电阻和电压对能量输入和电流的作用 Xl = 1,5

图 13：渣子电阻和电压对能量输入和电流的作用 Xl = 2,4

上图显示小型交流电渣重熔炉的征值通常位于最佳点（cosφ = 0.707）的右边，即功率因数大于 0.707。 对于大型炉子，征值典型的位于最佳点的左边，即功率因数较小（例如能小到 0.2），曲线比右边的要陡一 些，这是炉子控制的结果。

4.3 电渣重熔炉的电源 104







直流电源 – 磁偏 o 饱和电抗器 o 磁放大器 变压器电源 o 升降压变压器 o 无级变压器 o 电感调节器 电力电子电源 o 晶闸管电源 o Cyclo 变频器

表 3 是以上提到的电源种类主要性能一览表 表 3：电源种类比较

恒压电源 恒流电源 限流能力 能够对熔化速率的精确控制 调整速度 移动机械零件/滑动触点 维护年限

变压器

饱和电抗器

Cyclo 变频器

是 不是

可能 是

是 不是

差 是 2 - 3 秒 是 2 – 4年

好 是 20 - 30 毫秒 无 ---

一般 是 20 - 30 毫秒 无 ---

无 好 好 无 小

无 差 很差 是 很大

是 差 差 是 大

大 （高） 小

一般 大

一般 一般

三相载荷 失真 （谐波） 功率因数 功率因数修正 功率因数修正单元尺寸 尺寸 损耗

5 大型电渣重熔炉的机械设计 大型电渣重熔炉设计的主要特点是：

5.1 三维 CAD 系统的应用 为了确保设计的灵活性和设备研发，机械设计百分之一百都由三维 CAD 系统（Solid Works 软件）制作。每 一个零件都要三维图形设计，图 1、2、3、8 中显示的三维布局实际上是三维建造过程的一个副产品。

5.2 炉头的门式设计 由于稳定性和安全原因，炉头设计成一个门式起重小车，小车在导轨上直线移动，这同标准炉子通常采用 的转塔设计的旋转移动相反。

5.3 基础和辅助设备设计 32 米的高度和 18 米的井深对炉子的基础、辅助建筑以及维护平台都有完全不同的标准。维护平台要确保在

105

维护和操作时能够容易并且安全的接触到所有炉子区域和部件。

5.4 炉子零件的 FEM 应力分析 由于所有部件和结构都承受重载荷，需要对所有主要零件进行各种标准操作下、故障下以及异常情况下的 有限元应力分析。

图 14：伸缩平台的 FEM 模拟

图 15：门式起重小车结构的 FEM 模拟

5.5 电渣重熔炉工艺过程模拟 对于直径 2.6 米，长度 6.5 米的 250 吨大钢锭，对其重熔过程有用的生产试验数据很少，为此采用模拟软 件对其工艺过程分别模拟。采用简单的炉子模型，模拟结果对热量向结晶器的传输、炉子的零部件、凝固模式 和钢锭的温度分布都作出了详细的描述[7]。

图 16：电渣重熔炉工艺过程模拟

5.6 水冷系统设计 水冷系统的设计及其尺寸大小考虑了模拟结果和正常标准炉子的生产数据。例如：测量了一台 1.3 米固定 式结晶器式电渣重熔炉的数据，以得到的数据为基础按比例提高水冷系统。

106

图 17：一台固定式结晶器炉子中 1.3 米钢锭熔化过程中的热量发散即水冷

因此，标准炉子的紧急水冷系统设计在这种特殊应用场合被采用。图 18 显示的是炉子 C 的急冷期，大约 60 小时。

图 18：紧急情况下冷却时的能量流动图 （炉子 C/同时熔炼 250 吨钢锭和 60 吨钢锭）

5.7 CCM®的应用（导电结晶器） 由于电极的能量输入同液态池的形状成正比关系，标准的电渣重熔炉在某些情况下选择合适的熔化速率有 些困难。对于易偏析合金的电渣重熔，钢锭的直径有所限制，因为，一方面要保持相对低的熔化速率，获得浅 的液态池，另一方面，渣子需要过热以保证钢锭的质量（表面质量好等）。CCM®的大电流设计，如图 19 所示， 允许能量通过传导元件输入到结晶器壁直接加热渣池。因此，当渣子被电极中的能量单独加热到过热时，熔化 速率可以保持在必要的低速率以避免偏析，同时也解除了钢锭直径的限制，可以生产大直径钢锭。

107

图 19：导电结晶器（CCM®）示意图

6 结论 尽管大型电渣重熔炉和标准电渣重熔炉设计上有很多方面是一样的，但在设计上仍有许多因素要重新考虑。 本文对这些因素的选择进行了讨论，例如：  大电流线路设计及其对炉子电阻和电抗的影响  大型炉子中渣子电阻对征值的影响  可用的电源类型及其优缺点 为了对操作性能进行优化，尽可能的减少投资和运行成本，在设计中考虑了所有可用的信息—模拟得来的、 实际生产得来的。在不久的将来，将进行导电结晶器®试验，试验结果对在炉子 A 和其他有抽锭结晶熔化工段 的大型炉子上安装导电结晶器®具有非常重要的意义。这些结果将在未来的论文中进行讨论。

7 References 1. Mitchell, A. Slag Functions in the ESR Process. Paper presented at the LMPC 2005.

2. M. Moll; SMR. Special Steel Long Products. Paper presented at the 7th International Stainless & Special Steel Conference, Marbella, Spain 2008.

3. Ballantyne, A.S. Modelling of Ingot Thermal Fields in Consumable Electrode Remelting Processes. Iron and Steelmaking. 1977, 6.

4. Zongtang, Lin. The 200 ton Electroslag Remelting Furnace in China. Paper presented at the 25th Anniversary of the Founding of the Vacuum Metallurgy Division American Society 1988.

5. Mitchell, A. The Chemistry of ESR Slags. Can. Met. Q. 1981, 20.

6. Hoyle, G. Electroslag Processes.p.8 ff: Applied Science Publishers, 1983. ISBN 0-85334-164-8.

7. K. Kelkar and A. Mitchell. Computational Modelling of the Electroslag Remelting (ESR) Process used for the Production of Ingots of High-Performance Alloys. Paper presented at the LMPC 2005.

8. L.B. Medovar et. al., ESR with two Power Supplies and Process Control. Paper presented at the LMPC 2005.

9. H. Holzgruber and W. Holzgruber. Advanced ESR Concepts for High Quality Forgings. Paper presented at the 15th International Forgemasters Meeting 2003.

108

带锯床切削速度提升 10 倍 常盤徹，（天田株式会社，技术研究所，高级研究员） 摘要：当前 工业对于尺寸大，强度高，重量轻，耐高温的材料需求持上升趋势。这就意味着我们要更多地处理 大而难锯切的材料。由于切削阻力的变化，锯条的形体经常引起振动，而这一振动又产生了连续不断的摩擦， 还伴随着极大的噪音。这一主要问题阻止了切削性能的改进。由于带锯床已经被广泛地应用，而振动又是由锯 条本身特性产生的，要解决这一根本的问题是极为困难的。最近 Amada 为带锯床发明了“脉冲切削技术”而且 还发展出一种新的硬质合金带锯条“AXCELA”. 这两种技术的结合使我们能够以快出传统切削十倍的速度锯切 如钛合金等极难锯切的材料。 1，前言 随着产业技术的进步更新，有关能源产业的定论 也在不断变化发展，不论是能源生产方， 还是使用方，对原料的大型化・轻量化・高强度化及抗 耐热性的要求越来越高。以追求高效率为例，风力, 太阳能,原子能等发电设备规模越来越大，能源使用方 的飞机,船舶也向大型化发展。这些大型设备所使用的 材料强度高，重量轻，所以从原料的切削和机加工角 度来看，我们必须要解决难加工原料的切削问题。

使用往复式带锯床和薄片钢锯条锯切钢铁会产生 大幅度的振动，并发出刺耳的噪音。这就是日语中「金 切り音・金切り声」之所以出现的渊源。带锯床切削时 也同样避免不了这一问题，自从带锯床问世 100 多年 来，始终没有从根本上解决这个矛盾。 带锯床锯条作为工具尤其缺乏钢韧性，时常会出 现崩齿现象。因此如图.1 所示，切削作业初期，齿尖 就随着铁屑的产生发生振动，问题是随着齿尖的磨损 整体锯条都会产生大幅度振动，发出刺耳的金属摩擦 声。处理难切削材料时，只要这个振动问题不解决， 就不可能提高带锯床的切削性能。

2，带锯床切削过程中存在的问题 1250 赫兹

×2 ×3

齿尖振动

12000 赫兹 第55刀切削

声音压力特征

摩擦振动

齿尖不断磨损

频率（赫兹）

10,000

20,000

第10刀切削

机型：HA400 材料：SUS304 不锈钢 200 mm 直径

锯条速度：45米/分 切削率：27平方厘米/分

锯条：高速钢，GLB 34 mm宽 x 1.1mm 厚 x 2/3 齿间距离

图1 振动噪音分析

Amada 作为当今为数不多的既开发生产带锯床又 制造锯条的厂家，设计出了脉冲式带锯床(PCSAW)，在 此基础上进一步开发了超强的硬质合金锯条 AXCELA， 推动了高速切断大型难切原料领域的飞跃性发展。

3．什么是脉冲式带锯床呢？ 3.1 横向力方向的脉冲振动控制及其效果 锯条回转是靠调节主动轮和从动轮的张力来运作。 运转时随着切削阻力的变动锯条的振动幅度增大，同 时受锯条背部固定振动频率的影响，锯条开始上下振 动。由此出现的「摩擦式振动」 ，会大幅度降低锯条的 切断性能。这是由锯条自身的特性而产生的问题，很 难从根本上予以解决。现有的主流解决方案是把阻尼 滚轴压在锯条背部来减轻锯条的振动，是一种被动式 的抗振动方法。 但是，随着难切原料的大型化，原有的减振方法 109

已经满足不了加工要求，作为主动式根除振动的解决 方案，我们打破了对工具（锯条）所固有的特性认知 的常识，进而设计出了「以振动控制振动的脉冲式抗 振法」 。 如图.2 所示，传统切削作业是通过主动轮不变的 回转速度进行控制的，在这种情况下如前所述必然会 出现摩擦式振动。如果使用高马力的伺服电动机直接 控制主动轮，以脉冲式振动来控制锯条切削速度的话， 就可以彻底消除锯条的振动问题。

从动轮

加工面上如果发现有振动摩擦的痕迹，产品就会被评 为次品。带锯床作业时这些痕迹因为被切削掉了，往 往会被大家所忽视。请参照图.4，传统切削的加工面 和横向脉冲式切削的加工面之不同可以说是一目了然。 传统切削方式的加工面，很明显有 0.49mm 的齿间距离 摩擦痕。在铁屑生成或切削的周期中，您会同时在加 工面上发现 0.05mm 左右的齿间距离摩擦痕迹，其痕迹 大小会因振动的状况而变化。相对脉冲式切削法，因 消除了振动问题而不会有摩擦痕出现，使稳定的切削 加工作业从不可能成为现实。

主动轮

主动轮上的振动

锯切区域里的振动

传统切削

摩擦振动 脉冲切削

3.2 纵向(进刀方向)脉冲振动的控制及效果

脉冲控制

锯条横向（锯切方向）的脉冲振动控制，这一完 全崭新的操作方法，消除了锯条的振动问题，即使是 容易振动的难切原料也能够达到理想的切削效果。在 此基础上为进一步提高切削性能，我们又开发了纵向 (进刀方向)的脉冲振动控制方法。 带锯床锯条由于有很多锯齿，所以又被称为多刃 刀具。想象一下切削圆形材料时的情形就比较容易理 解。切口在入刀处很小，在中央部位达到最长，根据 每时每刻切口长度的变化机器都能自动地相应调整。 虽然齿尖设计精密，但由于锯条主体的钢韧性较弱， 所以在切削作业中并不是所有的锯齿都得到了有效的 利用。 尤其在切削不锈钢，模具钢，钛合金，镍鉻铁耐 热合金等难切削原料时，本来一个锯齿的切入量就及 其有限，要有效地利用所有的锯齿就更为困难，在此 情况下极易因摩擦而产生加工硬化现象从而使切削作 业更为困难，并且引发锯条振动，加快齿尖的磨损而 导致锯条寿命的缩短。 传统的切削方法是齿尖连续地向下切削，如果在 纵向输入脉冲式振动的话，如图.5 所示，锯条在切削 的同时，上下不断反复跳动。该跳动使齿尖更容易切 入材料，上下跳动又大幅度改善了切削液的冷却效果 及铁屑的排出。其加工模拟图，请参考图.6。

图2 由脉冲切削来降低摩擦振动（专利）

该原理如图.3 所示进行模拟实验。模拟振动实验结果 表明，用超过固有振动数值的脉冲式方法控制主动轮 的话，振动就会通过锯条传给从动轮，出现相位反转 现象。受两轮振动的影响，在锯条中央部位(切削部) 两方的振动相互抵消而产生了减振的效果(专利)。 脉冲控制 Ｋ１ Ｉ２

Ｉ１

Ｋ２

从动轮

主动轮 +

0

-

图3 带锯床振动模拟模型

在实际应用时该脉冲式切削法的优点是，有效利 用振动物体本身的特性，使锯条中央切削部位稳定， 所以没有必要根据被切削原料的大小，材质不同而对 其振动进行控制。 机型：更改过的HFA400CNC 锯条：高速钢，SGLB EX 41 mm宽 x 1.3mm 厚 x 2/3 齿间距离 材料：SUS304 不锈钢 400 mm宽 50mm高（切削长度 400mm） 锯条速度：35米/分 切削率：30平方厘米/分

横向脉冲切削 分齿距离，约2.0 mm

传统切削

1mm 刻度

1mm 刻度

0.49 0.49 摩擦振动 1200 赫兹 0.05

0.05

齿尖振动12000 赫兹

0.05

0.05

齿尖振动12000 赫兹

放大的上图

100um 刻度

图.4 横向脉冲锯切的效果

放大的上图

0.05 0.05 100um 刻度

(锯切区域状态)

纵观机床的发展历史，也可以说是一部抗振的历史。 110

900

∮6.0 锯条寿命（开始锯斜）

800

锯齿通过瞬间地上下跳动不断地向下传递脉冲

传统切削横向力

700

脉冲切削横向力 传统切削纵向力

600

切削阻力（x10N）

切入方向(z)

时间（t）

冲程 脉冲频率

脉冲切削纵向力 500

400

停止切削 300

200

20

100

机型 PCSAW700 材料：SUS304 不锈钢 400 mm 直径 锯条：高速钢，SGLB 67 mm宽 x 1.6mm 厚 x 1.5/2 齿间距离 锯条速度：52米/分 切削率：60平方厘米/分

40

60

80 100 120 140 160 180 200

纵向切削力的脉冲控制 在锯切硬质层的过程 中，这一脉冲控制减 少了切削阻力，加快 了切削速度。

0 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

切削面积总和 (平方厘米)

图7 传统切削和脉冲切削锯条寿命的比较

图5 纵向脉冲切削 （专利）

第33刀切削 材料：SUS304不锈钢，直径：400mm

磨损锯齿 镜头方向

传统切削

直齿

右齿

左齿

右齿

左齿

直齿

脉冲切削 图8 脉冲切削效应 最大地减少了锯齿磨损，延长了锯条寿命

4.新超强硬质合金锯条 AXCELA

图6 纵向的脉冲切削

带锯床锯条可分为硬质合金锯条和高速钢锯条两 类。在车床领域超硬工具的普及日新月异，同样在锯 切领域中，锯床和锯条双方都在努力改善因工具形状 的限制而出现的钢韧性不足的缺陷，相信这必将进一 步推动硬质合金锯条的有效利用和普及发展。 Amada 在开发了上述脉冲式切削技术的同时，推 出了性能更高的硬质合金锯条 AXCELA，并开始投放市 场试用。其特点归纳为以下 3 点。 (１)齿尖分为 5 阶梯的分散形齿形，有效地减小了难 切原料的切削阻力。如图.9-1 (２)齿尖部的倒角，可防止崩齿，保证高速切削。如 图.9-2 (３)EXCOAT-DP 的超强涂层，达到了高硬度，高抗氧 性，强附着力。如图.9-3

图 7 显示一组数据，切削阻力的降低和锯条寿命的延 长效果极其显著。传统的切削方法随着齿尖的磨损切 削阻力会迅速增大，当切削面积达到约 40000c ㎡时就 会发生锯斜现象，锯条就不能继续使用了。但是脉冲 式切削法，同样的切削面积情况下可将齿尖的磨损减 至传统的 1/3 以下(图.8)，减小了切削阻力，锯条寿 命为传统切削的 2 倍。

111

现有的三维齿形

AXCELA G-NBS3N 5维齿形

通过把锯齿分为5维，在锯切高合金钢时， 减少了切削阻力。

提供最强硬的涂层，保证了高硬质，高抗氧化性，高抗划伤性 图9-3 获得高效率切削的三点 （3）EXCOAT-DP (超强涂层 – 深紫色)

齿尖材料；硬质合金＋超强涂层–深紫色 硬度: 1600HV + 2800 HV

图9-1 获得高效率切削的三点 （1）把切口分为5维的分散式齿形。

通过锯齿两边的倒角，防止了齿崩， 提高了切削速度。

带锯床切削时，锯条齿尖硬度必须达到被切削原 料的 3 倍以上，AXCELA 的齿尖硬度达 1600HV，涂层硬 度达 2800HV，所以适用于难切削原料。关于硬质合金 锯条和高速钢锯条能够切削材料的最大硬度范围，请 参考图.10。

材料：SKD61 400 mm 直径 切削率：200平方厘米/分 (6.3 min) 切削面积 40000 平方厘米

AXCELA G-NBS3N

其他品牌的锯条

以防止齿崩为目标 （非Amada莫属）

没有倒角齿尖的损伤

材料硬度

图9-2 获得高效率切削的三点 （2）齿尖倒角

维氏硬度 （HV） 洛氏硬度 （HRC） 布氏硬度 （HB） 肖氏硬度 （HS）

高速钢锯条

锯条型号

SGLB

100

200 0

100 20

300

10

20 200 30

400

30 300 40

500

40

50 400

50

500 60

70

齿尖硬度 950 HV

齿尖硬度 的1/3~1/4

高速钢锯条

齿尖硬度 1000HV

MAGNUM HL 齿 尖 硬 度 1600HV+DP coating 2800 HV

硬质合金锯条 AXCELA G A A: 适合于锯条切削

B B: 锯条切削受限制

图10 相应与材料硬度的三种主要锯条切削应用

由于钛钢，钛合金，高耐热合金，不锈钢等材料 导热性能差，齿尖散热慢，与高速钢锯条相比使用硬 质合金锯条的优势更加显著。另外，切削钛钢，钛合 金时产生的铁屑呈螺旋状，更容易引发振动，伤损刀 具，因此采用脉冲式切削法，效果更理想。

如图.11 所示，切削 Ti-6A1-4V・直径 200mm 的圆 形材料时，传统机型使用高速钢锯条，切削时间需要 40 分钟，而使用脉冲式带锯床与硬质合金锯条 AXCELA 的话，切削速度是其 10 倍，仅需要 4 分钟就完成全部 切削。切削不锈钢，钛合金等难切削原料时，切削速 度可提升至 5-10 倍，锯条寿命延长至原有的 3-5 倍。 想象一下 10 倍的切削速度差的概念，100 米的距离， 就像人行走的速度和新干线速度的差别一样。

5.钛钢及镍鉻铁合金的切削速度 下面介绍一下同时使用脉冲式带锯床与硬质合金 锯条 AXCELA 切削钛合金的效果。 112

机型：PCSAW700 材料：Ti-6Al-4V 200mm 直径 传统锯床

PCSAW 430 , 530

双向脉冲切削锯床

机型

锯条

硬质合金

高速钢

AXCELA

SGLB

4分

可能的锯 切速度 80 平方 厘米/分

保守/经济的 ８ 分 锯切速度 ４０ 平方

×

厘米/分

高速钢锯条 切削速度

２０分 １６ 平方 厘米/分

材料: 英科耐尔718不锈钢 320mm x 680mm 锯条速度：15米/分

1 10

４０ 分 8 平方厘 米/分

图11 锯切速度比较

假设低碳钢的机械加工难易度为 100，铬镍铁合 金 718 仅有 6-15，与钛合金 20-30 的数据相比，切削 更为困难。通常使用研磨石切削法，但其弊端是由于 切口宽而浪费材料，费用极其昂贵，所以带锯床切削 更为理想。传统机型使用高速钢锯条或通常的硬质合 金锯条，切削如图.12 所示的铬镍铁合金 718(宽 320x 高 680・切削长度 320)，切削 1 刀，锯条就报废了。但 是 使 用 脉 冲 式 带 锯 床 PCSAW700 与 硬 质 合 金 锯 条 AXCELA，可以切削 6 刀。由此可以证明，与传统的切 削方法相比，材料越难切削，其效果越显著。

锯条

切削率 切削时间 平方厘米/分 （小时/刀）

切削数量

1

2

3

AMADA Conventional HSS blade

6

6.0

锯斜 2.2mm

AMADA Conventional carbide blade

10

3.6

锯斜 3.7mm

4

5

6

停止锯切

AXCELA H-series

10

3.6

锯斜 1.5mm

图12 传统锯条和AXCELA锯条锯切超硬材料的比较

6.总结 由于形状，表面状态，内部硬点的影响，在样品 试切和商谈的基础上，对于难切削材料，选择合适的 机型和锯条尤其重要。弊公司的实验加工中心常年备 有各种机型和锯条，随时欢迎各位光临指教。 历史告诉我们材料的进步，与机器和锯条性能的 提高密切相关。今后材料会越来越大，钛合金等难切 削材料会越来越多，我们将努力提高机器和锯条性能， 争取为高速切削事业做出更大贡献。

113

Fig.12 の

锻造中尺寸的控制：2D 和 3D 激光测量系统的创新 Eddy Libralesso, Gianfranco Girardi (Tecnogamma SpA 公司（MERMEC 集团）) Pasquale Antuofermo (Mer Mec SpA 公司(MERMEC 集团)) Prof Giorgio Vassena (布雷西亚大学) Matteo Sgrenzaroli (布雷西亚大学独立子公司) 摘要：在锻造行业，为了节省材料，尺寸检测是非常重要的。目前，尺寸控制用手工方式进行，这种方法通常 由于使用低精度仪器而得到不精确的结果。为此TECNOGAMMA S.p.a公司设计了两种测量系统：“TOPSCAN” 和 “CLOUDSCAN”。此系统基于激光摄像三角测量系统和相移测距，在锻造过程中获得大型锻件的精确尺寸，并能 自动进行尺寸核对。两种系统是全自动化并基于遥测，提高了安全性。与传统的手工系统相比，更能保证完整 的、精确的测量结果。 关键词：热锻件， 激光摄像三角测量 ，相移激光扫描仪

1 前言 现代制造系统要求在生产循环的任何阶段对产品进行实时检测。在加工阶段，尺寸控制是质量控制的一个 重要方面。特别在锻造行业，尺寸检测是非常重要的，不仅因为它与明显的数量问题相关，也因为它是减少金 属使用数量的关键所在。 在生产中，减少材料的使用，可优化加工周期，并可在锻造及机加工阶段节能省时。尺寸控制通常采用手 工方式进行，这种方法通常应用低精度仪器而得到不精确的结果。此外，高温材料使测量变得困难并给操作者 带来很大的风险（如图1）。

图1：锻件生产

在本文中，MERMEC集团的子公司TECNOGAMMA S.p.a.（1），介绍了两种基于激光技术的新型测量系统。 两种系统“TOPSCAN”和“CLOUDSCAN”，利用激光技术可在锻造阶段测得大型热锻件的精确尺寸并能自动 校核形状及尺寸。 TOPSCAN系统是基于激光摄像三角测量系统，利用三角学原理测量锻件。这种系统用于测量热锻件，测量时， 沿着锻件侧面得到多点的坐标。此系统可得到被测物体的外径、厚度（间接测量）、偏心率、长度、线性度及 温度等参数。 CLOUDSCAN系统是基于3D相移激光扫描，每秒可得到锻件的120000个三维点。所得到的数据可组成密集的点 云并能精确的描绘锻件的几何形状。此系统可得到被测物体任何部位的外径、壳体内径、长度及线性度等关键 尺寸。由于对热锻件采用全三维描绘，可推出外部椭圆度（取决于锻件形状）、椭圆度（外壳、圆环）、偏心 率和三维重叠量等与曲线形状相关的质量参数。 本文第 2 和第 3 部分深入地介绍两种测量系统。在 2.3、2.4、 3.3 和 3.4 部分介绍了操作步骤，在 2.5 和 3.5 部分介绍了系统性能和测量尺寸。

2、TOPSCAN系统 114

TOPSCAN系统是一种在生产中对热锻件进行自动检测的综合测量系统。基于多年经验及许多锻造生产商的反 馈，TECNOGAMMA公司特别设计TOPSCAN系统，以确保制件的外形与二维CAD制图相匹配，此系统可在每一个测量 周期的最后，获得完整的锻造几何截面并使之可视化，再与储存在计算机里的二维CAD剖面图进行比较。全自动 程序可提供实时结果并反馈给操作者及工程师，使其能够评价和优化生产工艺。

图1：锻件生产

2.1系统结构 TOPSCAN系统是由光学探测元件（探头）组成，包括所有的三角测量和温度测量光学元件（激光、摄像机、 温度计），并由机械结构装置和保护。利用额外的细化功能及输出显示，在控制系统引导下，探头在特定的导 轨上滑行（如图2），该系统可以在不同的位置配置探头，以适应不同的锻造工艺。 系统的扫描范围是2000mm 到15000mm。 程序以C++语言编写，在windows操作系统下运行，并为用户提供测量工具。

a)

b) 图2：a）激光探头和导轨

b）TOPSCAN的结构示意图

2.2 测量原理 TOPSCAN系统测量装置配有一个激光摄像三角测量系统，由一个激光发射器、一个专用的发射激光束的镜头 和一个带有光学透镜系统的高分辨率数字传感器组成。测量系统基于三角测量原理。为了获得三角测量，设置 了两个轴线，一个轴线是由激光束组成，另一个是由高分辨率高速光探测传感器的聚焦轴构成，并以特殊的距 离及特殊的角度被放置。激光束从固态激光源射出，并依靠专用光学调焦设备校准。依据目标体的温度，激光 的颜色为红色（波长为685nm）或绿色（波长为550nm）。用特殊设计的CMOS数码摄像机（可探测到每条线的8000 个点）探测反射激光束，并在设置了干涉测量的光学虑波器。帧率是2KHz（2.000 Hz = 2.000点/秒）。激光轴 线与被测体的表面垂直。激光源P1与镜头P2间的距离D1是固定的，激光束的角θ 1为90°。探测轴线的倾斜角θ 2 在校准过程中被确定，在P2点传感器可检测到数据的比例函数。传感器的自校准过程会定期地检测和校正D1、 θ 1和θ 2三个重要参数。可计算出激光器P1与表面Pa间的距离Da：[ Da = D1 * tan (θ 2)]，(如图 3)。

115

图3：激光摄像三角测量原理

2.3 工艺步骤 控制系统允许操作者进行循环测量。获得第一次测量结果时，控制屏上会显示锻件的轮廓。对于下一个轴 截面，操作者将探头沿锻件方向向前移动。一旦到适当的位置，将激光扫描仪滑动到下个截面。在每个阶段， 激光扫描仪可得到测量角度内的相应轴截面的测量结果。（如图 4）

图 4：滑动激光扫描仪测量截面的示意图

在探测过程中，软件引导操作者把不同位置探测的不同截面自动的连结在一起（应用安装在小车上的编码 器），并重新组成轴或锻件的三维轮廓。一旦测量周期完成，操作者可利用友好的用户界面进行测量提炼。如 图5，是热锻件直径可视化的展示。

图5：直径可视化示例

2.4系统性能 测量头（激光、摄像机、高温计）能够保证测量的范围、精度和温度，如下表。不同的系统构造有着不同 的性能。为了避免和降低外部因素（阳光、环境亮度、因温度锻件的反光度）对摄像机接收激光束的影响，系 统采用了窄频光学过虑器，来过滤来自激光源差异较大的波长。

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测量范围 锻件最大直径 最大可视范围 开始测量范围 产品最大温度 最长测量时间 测量精度 外径测量精度 长度测量精度 偏心率测量精度

测量温度 高温计的测量范围 测量精度

9000 mm （根据轮廓和布局） 5000 mm 根据到目标体的距离 (从2000 mm 到10000 mm) 1250 °C 一个截面(二维): ≤ 1 sec

(标准) ± 3 mm (*) (标准) ± 5 mm (*) (标准) ± 5 mm (*) (*) 根据位置和布局

从 350 到1800 °C 测量值的±1%

2.5 测量参数和系统优点 每个测量周期完成后，TOPSCAN系统可测得以下重要参数：  外径  厚度（直接测得）  分辨率  椭圆度  长度  线性度  温度 短程工作台移动后，跟随心轴直径测量结果，在壳底，外壳的厚度可由壳体直径测量结果得到。 整轴尺寸可由连续轴截面的测量结果连结在一起而得到，偏心率可由后续直径尺寸对比而得到。 TOPSCAN系统的主要优点如下：  操作简单、全自动化操作  一个完整的轴截面可快速测量  直径和环件的测量精度在±5 mm以下  好的柔性：可测量直径、完整外壳形状或外壳厚度，也可测量不同的零件如盖板、轴等  测量设备可靠近锻压机安装  自动校正功能可避免测量的重复性

3. CLOUDSCAN系统 CLOUDSCAN系统是一种在生产中对大型热锻件进行三维自动检测的完整测量系统。基于TECNOGAMMA 公司对 锻造应用软件的经验和GEXCEL公司（2）对激光软件开发的经验，双方合作设计了CLOUDSCAN系统。基于三维相 移测距扫描， CLOUDSCAN系统可在几分种内得到锻件完整的几何尺寸，即使是远距离（远到120米）。从热锻件 完整的几何描绘中可提取测量结果和尺寸参数。

3.1CLOUDSCAN系统的结构 三维扫描是一个安装有三个主要元件的测量系统：1）测量头（一个或多个）；2）控制单元；3）包括激光 控制、数据处理及锻件分析的程序包。（如图6）

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图6：CLOUDSCAN系统的结构示意图

CLOUDSCAN测量系统基于“相移”激光扫描仪。激光头每秒可测量120,000个三维点。在旋转镜和旋转头的 帮助下，每个扫描头可测量水平360°和垂直320°内所有角度的三维尺寸（如图7）。控制装置沿锻件方向引导 扫描头。系统可在固定的位置安装一个或多个扫描头，为了保证锻件的可见性，扫描位置可在系统装置中设计。 激光头与计算机相连，控制激光头的位置和测量。在测量时，用户可控制激光头：1）系统自动校正，2） 测量，3）三维测量存储。 CLOUDSCAN系统软件包分为三个主要工具：1）控制头，2）数据处理器，3）锻件分析系统。控制头负责扫 描、系统校准、锻件自动测量和三维点云存储。处理软件进行校准、过滤和整合。在处理阶段，对三维扫描数 据整合和过虑，并通过专用软件分析。

图7：相移激光头得到的锻件三维点模型

3.2 测量原理 CLOUDSCAN系统测量装置配有一个激光相移扫描仪，可应用“相移”技术测量从激光头到每一个可视物体的 距离。 应用“相移”技术，具有不同波长的两束光波被投射，与实物联系在一起，光波被反射到扫描仪上。扫描 仪到物体的距离可由两个波间的相移测量。由于旋转镜和旋转头的结合，激光脉冲可在水平360°和垂直320° 内所有可视范围内被发射。光束从具有IIIa（美国标准）和3R（欧洲标准）安全等级的不可见IR激光二极管内 发出。激光设备的最小安全距离是1.5米。此系统与“飞行时间”（3）法不同，测量被反射的单个脉冲，特别 是在速度上（相移扫描每秒达225.000个点，飞行时间达20.000脉冲/秒）。

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图8激光扫描仪：a）反射图；b）三维点云

3.3 工艺步骤 CLOUDSCAN 系统的工作周期为四个阶段：I)系统校准，II)测量 III)测量处理 IV)分析。 I) 对锻件进行测量前，用户开始对系统进行校准，包括使激光头对准锻件。为了在两个或更多的扫描视图间提 供精确校准，通过自动程序，系统可设置两个或更多激光头的精确位置。 II) 根据锻件尺寸，扫描头可设置它们的视野并进行测量。 III)在测量最后阶段，用户可展示两个或更多视图并很快地选择锻造面积。自动程序（4）开始过滤不属于锻件 的点云。清理后的数据被整合在一起，为提取测量参数做准备，如图 9 所示。 IV)数据处理阶段输出锻件完整的几何描绘图。操作者可从三维锻件模型中提取测量参数。

图 9：CLOUDSCAN 系统工作流程示意图

3.4 系统性能 测量头（相移激光头）能够保证测量范围、可视范围和精度，如下表。每个工作周期，当系统结构需要更 多激光头时，校准阶段可保证激光头间的正确位置。 范围 最小测量范围 最大测量范围 垂直可视范围 水平可视范围

1 m 120 m 360° 320°

测量精度 几何测量值 (直径、厚度、长度) 形状缺陷 (椭圆率、偏心率) 直线度

(标准) ± 5 mm (标准) ± 5 mm (标准l) ± 5 mm

激光光学发射器

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激光功率 (cw Ø) 波长

20mW (激光等级 3R) 785nm

3.5尺寸参数和系统优点 每个测量周期，CLOUDSCAN系统会产生描绘锻件三维几何形状的点云。在测量阶段，三维分析软件指导用户 以“dxf”格式存储结果。分析尺寸，并与CAD图形进行比较。通过比较，可得到以下参数：  任意截面外径  内径（壳体、环件）  锻件长度  锻件线性度  重叠度 此外，由于锻件的全三维描绘，为了减少金属使用数量，可以计算以下参数：  外部椭圆度（根据锻件形状）  内部椭圆度（壳体、环件）  分辨率

图10

图11：设计件与测量件图像和数值比较

除了具有TOPSCAN 系统的优点外，CLOUDSCAN系统还具有以下优点：  大锻件全三维描绘；  远距离获得几何形状，提高高安性。

4.结束语 利于优化锻造操作的许多参数很难用手工方式测量。例如对大锻件的检测，应用手工方法比较耗时而且不 精确。TOPSCAN and CLOUDSCAN系统能够解决许多检测问题，两种系统采用了激光摄像三角测量和相移测距两种 不同的激光技术。TOPSCAN系统可保证锻件高精度，CLOUDSCAN系统可对大锻件进行全三维描绘。与传统的手工 系统相比，这两种系统采用全自动化操作且使用简单，可得到完整的、精确的测量结果。 参考文献 （1）TECNOGAMMA S.p.A公司是MERMEC集团的子公司，可为全球的铁路、运输及钢铁客户提供诊断、资产管理、 信号传导、先进设备和工业应用软件的前沿技术和创新方法。 （2）GEXCEL Srl公司是布雷西亚大学的独立子公司，专业从事三维激光扫描仪和整体测量技术的软件研发。 （3）Sgrenzaroli M., Wolfart E 用于文档、测量和演示的三维精确纹理映射模型 科孚CIPA 2002

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能力最大、最先进的自由锻造设备 王春民，（中国洛阳中信重工机械股份有限公司） Michael Pahnke，（德国 Wepuko 液压公司） Rainer Dango, Stefan Krusch, Burkhard Mende, Michael Orthey （DANGO & DIENENTHAL Painer Dango, DDS） 该压机机械部分的技术参数、液压驱动系统和锻造 操作机的规格选择基于其所生产的产品。重量为 500 吨的特大钢锭（切去料头的重量）的吊运困难且速度缓 慢，同时在锻造过程中在压机中停留的时间也较长。

1. 简介 本自由锻油压机是同类锻压机中能力最强的，其公 称压力为 165MN(16500 吨)， 其最大镦粗力达 185MN。 该油压机同 250 吨起升力和 750 吨米运载力矩的轨道式 操作机一起工作。由于配有功率近 12MW 的超强油压 PMSD 泵控驱动系统，该油压机成为世界上最大的自由 锻压机。 设计和建造这种同类型中最大的设备确实是一个 挑战。在选材、结构设计和设计原理上势必要百倍小心 谨慎。势必要考虑各个部件如何在保证质量的前提下用 现有的加工设备制造出来，以及这些部件如何被起吊和 安装。包括采用最先进的方法仔细计算在内的设计工作 是个挑战。在设计人员和制造厂专家的紧密合作下，该 设计工作顺利完成。

Fig. 2: 5000 kN 升降式回转工作台

由于该压机的设计考虑周详，对设计原理的可行性 和优势进行了核实。最终选择了带预应力机架的双立柱 结构。 该压机的设计集众多优点于一身，主要优点是锻件 的进出更方便，压机的中心同翻钢机链条和操作机尽可 能的接近，操作人员的视野更开阔。 机架布置的最大优点是能锻造更大的环形锻件 (Fig. 3).

Fig. 1: 毛重为 520 吨的油压机上横梁

2. 该超大型锻造系统的用户和最终使 用方 让我们首先简要了解一下用户。总部设在中国洛阳 的中信重工机械股份有限公司（中信重工）是一家在水 泥行业和矿山行业久负盛名的重型设备制造公司。在该 项目立项前，该公司的冶炼能力达到令人惊奇的一次浇 注钢水量 900 吨，所浇注的最大钢锭和铸件重量可达 600 多吨。为能锻造最大 600 吨的钢锭，计划上一台开 坯能力为 165MN、墩锻能力为 185MN 的自由锻压机。 新建的冶炼和铸造车间在 2 年前已投入运行，并用于生 产压机的特大型铸件。

Fig 3: 双立柱压机环形锻件的空间

机架的设计能更好地带走大量的热量。 对于该压机设计最大的争论首先是双立柱机架不 如四立柱机架稳当，其次是所有大型压机都是四立柱机

3. 选择该压机设计的基本标准 121

架。

但是，对于这种压力 的压机，机架的主要部件的净重 超过 300 吨。而有能力生产这种大型铸件、并进行热处 理和加工的制造厂屈指可数。中信重工希望在自己的工 厂加工该油压机，由于此前中信重工已经在提高铸造能 力及与之相配套的热处理设备和加工设备方面进行了 投资，因此能够完成这项工作。压机机架的设计最终确 定为五个模块，仅仅把基座分成 2 段。压机的上横梁、 立柱和移动横梁均为一体结构。精加工后，最重件的重 量达到 445 吨，该件要用 829.5 吨钢水浇注。压机机械 部分的总重量达到 4000 吨。

基础物理对抗弯截面模量的对比证明第一种观点 显然是错误的。由于矩形截面的抗弯能力比圆形和正方 形更稳定，因此，众所周知该技术在古代建筑和桥梁建 设时已并被使用。 第二种观点当然仅仅是缺乏自信和缺乏技术创新 能力的表现。追溯到大约 40 年前，所有的压机都是四 立柱的。仅仅到了上世纪 70 年代，双立柱设计抢占市 场，但从那时到现在，所订购的压力超过 60MN 的压 机寥寥无几。 之前的所有双柱压机机组安装都证明了这种设计 的可靠性。 为什么在较小规格压机已被各个不同压机制造商 上百次证明是合理的，而对大型压机却说这种机架设计 是不合理的？35 年前投入运行的 100MN 双立柱压机和 110MN 双立柱压机到现在仍在运行就是两个很好的佐 证(Fig. 4)。

Fig. 5: TFP 165/185 油压机

通过电子压力测量系统对压机机架进行意外过载 保护，该电子压力测量系统类似于我们通常在闭模锻上 使用的系统。

4. 压机液压驱动系统的选择 大多数大型压机由水泵－蓄势器系统提供动力。主 要是因为传统习惯或已有现成的水泵－蓄势器站的缘 故。现如今，建一个新的水压系统无任何意义，其建造 费用和运行成本都很高。 因此，油压驱动的决定早先就已确定了。象这种大 型压机，其驱动系统的待机时间超过实际运行的时间。 这导致驱动系统的能源效率更受关注，特别是在带载工 作状态下。 这正是当今知名的“潘克改进型正弦驱动” （PMSD） 具有巨大优势之所在(Fig. 6)。上世纪七十年代由 Hans-J. Pahnke 先生带领的设计团队开发出来的该系统的核心 是由 Hans Pahnke 设计和由 Wepuko 从 1960 年开始生产 的伺服控制变量径向柱塞泵。 Fig. 4: 1971 年的 80/100MN 双立柱自由锻造机

该压机机架的设计仍然是个挑战。除了认真考虑选 材和大件的性能，进行了详细的有限元分析计算以优化 主要的应力集中。另外，有限元分析也用于审核在工作 状态下机架摆动的可能性。采取特殊的设计技巧降低共 振的危害。 其它重点关注的是机架各单个部件的尺寸。任何一 名设计人员都在想方设法用尽可能少的部件，以避免连 接件的磨损、失效的可能性和维护和修理的额外要求等。

122

Fig. 7 夹持力 250 吨，载荷 750 吨米的有轨操作机

6. 模块式设计和优势

Fig. 6:

由于这台操作机的部分机械制造是由中信重工供 应的，他们的制造设备完全具备能够承担部分机械构造 制作的能力，同时大部分的机加工也是在这里进行的。 DDS――这台操作机的总设计者和原供应商在这个领 域有 70 多年的经验，众所周知。 DDS 公司专注于“3A”品质原则，即：精确 Accuracy （品质） ，速度 Acceleration 和维修 Accessibility。这些 重要的企业经营品质使 DDS 公司能够为客户提供高效 低耗的产品解决方案。 该产品的精确度是由一套叫做无反弹力驱动系统 所决定的。一旦由电控设定机器定位数值，所有的液压 电机就都保持相应的防冲击定位。 由于模块式的设计结构和中心控制阀组及软管的 使用，取代了机器的连接管路，DDS 公司成功达到了 维修方便、液压密封设计尽量减少的原则(Fig. 8)。

PMSD 驱动的原理图

从那时候起，许多大型的锻造机泵站都安装了这样 的驱动系统。如今，这种系统已经成为了一种成熟的、 经得起验证的设计。通过这个现称为 RX 型的泵，会使 压机动作更有力，同时，无需方向阀，该泵能直接控制 将油供入主油缸和回程油缸。 这种方法使液流平稳且无冲击，因此，在机械和液 压部件磨损最小的情况下实现可靠的压机运动。 然而，该系统的最大优势在于其高能效性。其在待 机运行期间也能被优化到比其他阀控系统的驱动电耗 低 30%。由泵完成的直接运动控制以及节能最大化只能 由这种径向活塞泵来实现。 该压机的液压驱动配有 20 台大型的 RX 泵，泵房 面积达到 25m x 50m。所安装的电机功率达到 11500kW， 峰值功率达到 14MW。

5. 有轨操作机的选择 锻造机选定后，中信重工决定要同时采购世界上能 力最大的有轨操作机。 这台机器有 250 吨的运载力及 750 吨米的运载力矩！ 夹钳最大张口达 4 米。这台机器的设计需要紧凑。 位于德国 Siegen 市的 DANGO & DIENENTHAL 公 司以操作机设计和供应相应配套的液压系统和电子设 备等关键部件而闻名。主要的机械部分也可以进口供应 (Fig. 7)。 Fig. 8: 经过良好印证的模块式设计

为了保证最有效率的生产，最小化锻造道次时间， 这台操作机配备了强力的引擎以期达到可能的最快速 度。由于这套称之为“POSISTABIL”的设计理念，能 使工厂达到高品质、低公差的锻造，使得锻件能够有效 减少产品后期的机加工时间(Fig. 9)。

123

Fig. 9:

POSISTABIL 设计的高精确性 Fig. 11:185 MN 锻造压力机设计图

7. 操作机和锻造机控制

XXL 件产品（特大型件）的生产是没有问题的。 如果整个项目的进展如原如迄今为止一样的顺畅，这台 世界上最大的自由锻油压机将在未来几个月内投产。而 且，我们也会在 2011 年对这套巨型自由锻造设备的产 值做出报道。同时在过去的几十年里规划或安装建设了 超过 30 套的大型自由锻造机（100MN 及以上）和大型 有轨操作机。日益增长的锻造能力主要源于整个世界发 电站建设的巨大需求。

对于这套现代化的压机和操作机的电子控制是这 套系统极其重要的组成部分。操作机的精准联动是在调 试阶段时将各种不同的动作输入界面描述。两个 PLC 单元通过以太网络通道连接，以太网连接所有的控制和 控制桌面及外围设备(Fig. 10)。

Fig. 10:

锻造系统的电子控制系统

压机和操作机的操作者可以用手动，半自动和全自 动的模式来锻造工件。

8. 目前的情况 2007 年初，签订了该压机及其液压系统和操作机 的订单。现在该压机的机架和液压系统的安装已完成， 开始进入调试阶段。操作机也在安装调试。生产压机和 操作机的大型铸件、锻件和铆焊件以及这些件的精密加 工的主要挑战被中信重工成功化解。根据目前的情况， 设计选型也是正确的。不久之后就能够完成这套巨型设 备工厂的建设(Fig.11)。

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锻锤和压机的减振系统 HAROLD E. REINKE, STEVEN M. VEROEVEN, KEITH F. LEATHERWOOD （美国减振技术公司）

矛盾。 锻锤隔振系统还有助于保护临近的精密机器设备（如 坐标测量机、研磨机、热处理炉等） ，免受振动和冲击。 敏感的设备也需要按装隔振器，由隔振器隔离锻锤设 备振动。 案例研究表明，安装隔振器的设备，其机械结构 产生的噪音也会减弱，进一步改善工作环境。 而不甚明显的好处包括，减少设备磨损、缩短停 机时间、快速安装和减少大基础块。

介绍 在过去几十年中，锻锤和压机的安装由利用大型 基础和锚拴安装，发展到现在常用的设计精良的弹簧 阻尼液减振垫和弹性体阻尼模块减震系统。 如今的弹性体隔振系统技术，已经从简单的薄橡 胶或砧木发展到设计精良的、有效隔振的弹性体阻尼 模块。 现在配有阻尼液的弹簧减震器也被广泛使用，因为它 的柔软性和弹簧能最高程度的隔离震动和冲击。除了 减震器，设备的运作还可以通过桁钢结构、钢板和混 凝土基础来控制。 这篇论文将讨论安装锻锤和压机的现代化手段。

隔振系统的类型 弹性体和弹簧阻尼混合型隔振器：现今最常用在 锻压机和锻锤的安装； 弹性体类型隔振器：由简单的、薄弹性体模块定 制成复合型弹性体阻尼模块。 Vibro/Dynamics 弹簧阻尼隔振器：可用于摩擦（材 料）或粘性阻尼系统。

基础 好的基础设计是成功安装的一半。基础必须设计 的的足够大，能完全支撑设备的静载和动载。对地基 的冲击有如下几种情况：  静载重量：所有重量由地基支撑，如设备、模具、 锤头、传送台等等；  惯性冲击力：由锤头打击时产生， 如往复式压机 滑杆、锤头加速撞击、旋转连杆、旋转螺杆等；  冲击力：由锤头和工件产生  由不正支撑和/或设备运作产生的扭曲和/或扭转 力  动态震动与冲击力：所有的锻锤设备在生产完工 工件时都产生明显的动态冲击力。 在基础设计中，土壤条件因素的考虑很重要。基 础所承受的冲击力和土壤的承载能力，是决定基础大 小和设计方案的关键因素。拙劣的基础设计可能会引 发更大的震动和冲击力。基础设计和设备安装的成功 关键是基础设计师、隔振系统供应商和客户之间的良 好规划和沟通。 作为基础设计的一个基本准则，土壤的最小承载 能力应为：  对安装弹簧隔振器的锻锤：3500 psf/168kPa  对安装 Vibro/Dynamics MRM 系统的锻锤：4500 psf/ 215 kPa  对安装 Vibro/Dynamics VPS 系统的锻锤：6000 psf/287 kPa  对安装砧木的锻锤：8000 psf/383kPa

弹性体材料 所有的弹性体材料是不一样的。弹性体的专业术 语一般是硫化交联橡胶。对聚合物原料本身来说，无 论是天然或人造橡胶都没什么有用的负载能力。通过 热化混合处理的额外交联生成持久耐用的材料，从天 然橡胶人工合成到橡胶混合物的高分子材料，这是我 们商业化的专有品牌。橡胶材料被反复压缩但保留其 完整性，同时通过内热处理（称为滞后阻尼）做成完 美的、适合大承重的产品，相同于弹簧和阻尼的作用。 合成化合物含有基本聚合物（聚氯丁烯——氯丁 橡胶、聚丁二烯和丙烯腈——腈、聚苯乙烯和聚丁二 烯——常用于轮胎的苯乙烯一丁二烯橡胶等） ，也包含 填充材料。这种填充材料通常包含炭黑、脱模剂、催 化剂，也有价格低廉的，如粘土和低档橡胶等。聚合 物的数量、填充材料的类型，影响到其弹性、蠕变、 负载能力和耐用性（如防化学品、耐老化、强度） 。 有人认为复合成型是“黑色艺术”。弹性体材料的

隔振系统的好处 最明显的好处就是隔离振动和冲击。这不仅大大 改善了工作人员的工作环境，而且还有助于避免邻居

125

质量取决于在混合注塑过程中一贯的严格质量控制。 大型的弹性材料零件在保持质量方面难度比较大。 美国减振公司对大型高载荷系统采用了模块化设计， 使用大量的小型弹性原件组合成大型系统。在工程上 应用时更为精确，性能也更为符合预先的设计要求。 所有模块都在各自的最大载荷要求下良好工作，防止 了蠕变，提高了减振系统的寿命。模块化设计也提高 了零件的容积，降低了成本。

模块化设计方案都经过高级检测设备和机器精确 检验，像 MTS 液压伺服动力测试系统。根据精确的性 能数据，计算机模型可以模拟出压力的传导、轨迹和 隔振效果。

MX，MRM 和 VPS 隔振元件 MX，MRM 和 VPS 隔振元件采用高质量的弹性模块 和镀锌钢板构成的交替层达到有效的减振效果。在设 计上交替层越多，系统效果越好。其他使用交替层的 系统在安装时是在地坑里一件一件安装，这些隔振系 统在安装时可以事先整体安装，效率更高，安装更简 单。

典型静态压力不高于 80 磅/平方英寸。静态加上 动态压力最高可以达到 250 磅/平方英寸。

弹性材料隔振装置 在安装锻造压机时会要安装隔振装置或者防振垫。 他们能提供优良的减振性能和压机稳定性，通常不用 改动，直接安装在压机底部。其优点是对锻造压机运 行很关键的整体校平和定位零件。 弹性材料隔振装置也有一个转向零件，它可以保 证机器的正常支撑和载荷均匀分布，甚至当机器底座 同地板或者地基表面不平行时。施加在地基上的静态 加上动态压力通常小于 700 磅/平方英寸（4.8Mpa） 。 压力机应用时典型的隔振性能是 50%到 95%。

弹簧隔振装置 弹簧隔振装置一直在锻锤和锻造压机上使用。由 于其具有较小的刚性和动态固有频率（~4-7 Hz），可 以提供优良的减振效果。在锻锤上隔振效果在 80%左 右，压机可以达到 98%。

126

弹簧隔振装置分为粘滞阻尼系统和摩擦阻尼系统， 都可以在压机工作时或锻锤打击时提供运动的快速衰 减。由于没有零部件之间的物理磨损，粘滞阻尼系统 比摩擦阻尼系统效率更高，寿命更长。因为粘滞阻尼 系统几乎完全依赖于速度，而摩擦阻尼系统可以提供 固定的阻抗，所以粘滞阻尼系统传导到地基的力较小。

弹性系统可以为锻锤提供 40%到 75%的隔振效果。这源 于这些隔振系统的动态固有频率(~8-12 Hz)接近于锤 头产生的冲击频率(25-50 Hz)。

粘滞弹簧隔振装置 弹簧防振垫也经常在锻锤上使用。由于低刚性， 其固有频率为(~2-7 Hz)，从而可以提供优良的隔振效 果，达到 80%左右。由于弹簧防振垫软，所以在浇注 混凝土块时必须加入额外的惯性质量或者一块钢板， 以减少机器的移动。如果锻锤的砧子太轻或面积太小， 和需要的隔振器数量不能匹配，则需要一个弹簧支撑 的惯性质量块。对于大多数现代锻锤，没有必要增加 质量，这些锻锤可以直接安装在粘滞弹簧放振垫上， 如下图所示：

模锻压机和锻锤上的应用 过去通用的减振方式是在锻锤下面放置大的橡木 料。这种方法有点效果，但是只能吸收少量的冲击。 今天，可以看到更多的模锻压机和锻锤采用使用交替 层的弹性材料隔振系统或者粘滞弹簧隔振装置。

MRM 和 VPS 层状弹性系统 对于锻锤，选择的系统不同，典型的隔振效果为 40%到 75%。这些系统的使用者允许机器在有限范围内 运动，而对隔振效果可以略为降低，如前所述，层状

粘滞弹簧隔振装置。 弹性材料隔振装置成本低，安装速度快，校平定

锻造压机 目前，锻造压机上通常使用弹性材料隔振装置或 127

位准确，有着良好的隔振效果。

在单次打击模式下，由于离合器/制动器啮合会产 生过度摇摆运动，目前典型设计是用一层或两层弹性 材料来避免这种现象。由于比较软，需要用横梁来遍 布安装点，称为外部装配。 由于压力机连接粱的拉伸和压缩，在压机和地基 之间产生冲击力，弹性材料隔振装置能非常有效的隔 绝这种冲击力。冲击力大多数发生在 90-120Hz 范围内。 由于这类隔振器固有频率在 12-20Hz 范围，所以很有 可能产生高水平的隔振效果。 例如， 如果一个锻造压机的破坏频率(Fd) 为 90Hz， 隔振器的固有频率(Fn)为 12Hz，比率为 7.5。传导振 动为 0.02 (2%)或 98%隔振。 （见下表） 粘滞阻尼弹簧隔振器，比如美国减振的 FS 和 SV 弹簧 隔振器，同业也被用于锻造压机上。

锻造压机的离合器和制动器啮合时会产生明显的 扭矩，弹簧隔振器是软的，为了减小摇摆动作，采用 外部装配的横梁来增加压力机底部尺寸是很典型的做 法。

总结 由于锻造操作中的高冲击性，隔振对于创造一个 良好的工作环境、保持同周围邻居的良好关系方面是 非常必要的。本文介绍了多种隔振系统，这些系统可 以增加机器和工装寿命，减少停机时间，提高机器的 安装速度。隔振系统有很多种可以选择，每种都有其 优点。因此，确定您选择的供应商可以提供一种以上 的隔振方案，这关系着您能否达到最大利益。

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多工位柔性锻造系统 刘林志（天津市天锻压力机有限公司技术部 天津市 300142） 摘要：介绍了一种新型的大型锻件的镦扁、冲孔设备，整个过程实现机械化和自动化控制。本设备通过双工 位的机身结构设计，使镦扁、预冲工位和终冲工位连接紧密。双工位的移动工作台，可使工件在四个位置快 速移动，保证工位转换的需要。快速对中装置，时刻保持着冲孔的精度。 关键词：多工位 锻造工艺 自动化控制

1. 引言 实现机械化与自动化是锻造生产的一项重要任务，它不仅提高劳动生产率和设备利用率、提高锻件的质量 和降低成本有极为重要的作用，而且是减轻劳动强度、改善劳动条件的根本途径。机械化与自动化是今后锻造 生产的主要发展方向之一。生产出优质和低成本的锻件是锻压技术所追求的基本目标，锻造行业的技术改造相 对缓慢，面对传统的锻件的镦扁、冲孔设备，生产效率低，并且落后的生产工艺，无法保证锻件的质量。为了 适应未来瞬息变化的市场及全球竞争战略的需要，优化生产工艺势在必行。基于上述原因，我公司设计并生产 了专门用于锻件的镦扁、冲孔设备。

2. 研究内容 2.1. 研究方法 THP10—3500/580 重型双工位锻造柔性液压机成套装备开发所采取的研究方法是：预研技术和共性技术结 合，共性技术和应用技术结合，产品开发技术和用户要求相结合的方式。我们所采取的具体研究过程为：情报 收集——工艺要求——研究开发——研究实验——产品开发——知识产权保护——专业市场推广等。 该项目实施的具体技术路线： 首先，收集和研究多种牌号的钢材料金属塑性变形参数，结合成形制件的尺寸要求，确定科学、合理的钢 坯镦粗和冲孔工艺参数，制定对钢坯一次加热，进行镦粗和冲孔工序连续加工，使制件一次锻造成形的工艺参 数，确定 THP10—3500/580 重型双工位锻造柔性液压机成套装备的设计参数。 其次，制定重型双工位锻造柔性液压机成套装备各项关键技术攻关方案，进行计算机模拟和实物试验，取 得联机试验数据。 第三，采用现代设计手段对 THP10—3500/580 重型双工位锻造柔性液压机成套装备进行优化设计和快速设 计及制造，解决设计和加工共性难题。 第四，结合用户的具体订货要求，进行具体规格的产品开发，试制样机，交付用户使用，跟踪用户使用效 果，对产品进行可靠性考核，对样机进行试制后整顿。 第五，进行小批量试产，对典型工艺进行认证，整顿工艺资料，确定工装。 第六，批量生产。

2.2. 解决的关键技术 开发完成了 THP10—3500/580 重型双工位锻造柔性液压机成套装备及其关键技术，使产品在加工过程中， 所有制造环节均实现无人操作。其主要工作循环为；锻造机械手从加热炉把热坯料取出，送到移动工作台的上 料工位，移动工作台将热坯料移至镦扁工位，对中机构开始对中，锻造压机主滑块进行压制镦扁，对中机构再 次对中，预冲装置回转、锻造压机主滑块进行压制预冲孔，锻造压机主滑块再次进行压制镦扁，对中机构抬起 工件，下砧换位，对中机构松开工件，工件换至冲孔工位上，冲孔砧回到冲孔工位上，压机副滑块终冲砧进行 冲孔（同时废料自动收集到回收装置中） ，冲孔砧移出出料。 重型双工位柔性锻造液压机成套装备是由上料机械装置、双工位移动工作台、双工位整体机身、油缸驱动 的镦扁预冲主滑块、终冲副滑块、对中装置、预冲自动摆臂机械装置、工作台氧化皮清理装置、废料收集装置 等分系统组成。各分系统之间通过 PLC（西门子系列）可编程控制器结合触摸屏（西门子）主控，实现上料、 镦扁、对中、预冲、终冲等各环节的无人操作功能。

3. 产品结构设计 3.1. 主机： 129

为缩短工位间传递距离，机身采用整体双工位结构。采用整体框架式机身，主机中心部分为镦扁、预冲工 位，在机身的后面设计独立的终冲工位。 终冲结构设计：国外压机多采用摆臂结构，或在移动横梁 底部直接安装冲头，这种结构导致压机受偏压的情况，易损害油缸和冲孔零件的精度。 主要结构件采用钢板焊接而成，经高温退火消除内应力。滑块采用 X 型导轨导向，导轨间隙通过调整可调 楔铁调整以补偿机械磨损造成的间隙增加；导轨板采用铜基合金材料，可拆卸。滑块下平面、工作台上平面均 设有 T 型槽，用以固定模具。滑块的压力控制采用压力传感器结合比例压力阀，数字显示及控制；测量和显示 精度 0.1Mpa。滑块的位置控制采用位移传感器，数字显示及控制；测量和显示精度 0.1mm。 3.1.1. 主缸、侧缸： 主油缸采用三缸形式，主缸吨位 2500 吨，柱塞式结构；侧缸 2 个，每个吨位 500 吨，活塞式结构；油缸密 封及导向带均采用进口带自动补偿的优质密封圈密封。活塞杆采用优质碳素结构钢锻件，表面经硬化处理以提 高硬度；缸体采用优质碳素结构钢锻件，以保证材质的均匀性。由于主缸采用柱塞完全安装在滑块内部，为缸 动式滑块结构，通过垫块与闸板机构传递主缸压力，减少了油缸的外形尺寸，这种新型的油缸布置形式代替了 以往的油缸安装在上横梁直接传动形式，使油缸的长度减少了近 4/5，大大降低了机器成本，使机器的结构得到 充分优化，突破了传统液压机的结构形式，这是结构和功能的创新。 上垫板：根据压制零件的材质不同，为保证小设备能快速压制大的成型零件，本机设置的上垫板具备旋转 功能，可实现旋转多次压制功能。 3.1.2. 移动工作台： 具备两个机动工位，加上上料、取料以及下砧换位共四个工位；为防止氧化皮掉入道轨面，移动工作台后 带金属防护罩，同时还具备工作台氧化皮清理装置。 3.1.3. 对中装置： 对中装置的对中误差为 0.2mm.。设计依据如下： 首先我们先分析一下镦粗、冲孔的整个工艺动作： 把热坯料送到移动工作台上料工位，移动工作台将热坯料移至镦粗工位，锻造压机镦粗，预冲装置回转预 冲孔，锻造压机再次镦粗，工件换至冲孔工位上，终冲砧冲孔，坯料移出出料。 整个过程中预冲、终冲孔的精度没有控制环节，所冲出的带孔坯料质量无法保证。为提高冲孔精度，我们 须加以在过程中控制。首先，我们采用逆推的方法，为保证冲孔的位置在坯料的中心位置上，我们应该以坯料 的外圆为基准，以夹持坯料的外圆使坯料的中心与冲头的中心重合，此时冲孔时孔的精度即可保证。同时考虑 到与其它工位之间的转换，便于实现整个过程的自动化控制，我们将结构设计如下： 依据镦粗前、镦粗后的坯料的外径尺寸，设计一组 V 型钳口，使此 V 型钳口能同时夹持所需坯料的外径。 考虑到坯料种类繁多，此 V 型钳口做成可拆卸型或者可根据不同的坯料直径安装不同范围的圆型滚轮。 依据镦粗后坯料的直径大小，设计水平油缸的行程，以保证能夹持 V 型钳口能同时夹持所需坯料的外径。 并依据摩擦力的大小，计算出水平缸的推力。 考虑到镦粗下砧、与冲孔下砧之间的工位转换，设计了顶升装置：左右两侧的水平油缸通过夹持坯料外径， 同时两侧顶升油缸同时向上顶起，滑块延导轨向上移动，使坯料脱离镦粗下砧，可通过移动工作台使冲孔下砧 移至坯料的正下方，顶升油缸同时落下，即可将坯料转移到冲孔下砧上，此时可进行冲孔落料工序。 3.1.4. 行程数显装置： 因为保证冲孔的精度，我们设计了此数显装置，首先以压机中心为基准，将冲孔中心，V 型钳口中心调整 到压机中心上。以此中心为基准，通过水平缸将 V 型钳口伸出到最大位置，通过调整使两对 V 型钳口以中心对 称，并且两侧数显尺同时置数为 0，水平缸退回，同时设置退回原点，显示精度为 0.1mm。此时要保证两钳口之 间的距离大于镦粗后坯料外圆,使坯料能顺利移出。 3.1.5. 对中装置的运用： 根据所设计的对中装置,将其运用到镦粗、冲孔的工艺动作中,保证在动作中实现过程控制,同时实现整个过程 的自动化控制,更改后的工艺动作为: 把热坯料送到移动工作台上料工位，移动工作台将热坯料移至镦粗工位，对中机构开始对中，锻造压机镦 粗，对中机构再次对中，预冲装置回转预冲孔，锻造压机再次镦粗，对中机构抬起工件，下砧换位，对中机构 松开工件，工件换至冲孔工位上，冲孔砧回到冲孔工位上，终冲砧冲孔（同时废料自动收集到回收装置中） ，冲 孔砧移出出料。 对中装置新应用：对中抬起翻转装置将工件对中后实现同步抬起并通过翻转机构夹持工件旋转 180°，旋转 后定位同时放下松开工件，实现翻转冲孔功能；对中装置的对中误差为 0.2mm。 废料收集和输送装置：可及时的将压制产生的废料从压制区域传输出来。 130

本机配有模具一套：包括镦扁及预冲上砧、镦扁及预冲下砧、终冲下砧、预冲冲子、终冲冲子。 3.1.6. 机械手装置及废料运输装置等： 本机具有机械手用于移动预冲冲头，机械传动装置安装于滑块上；预冲机械手水平移入与上砧子的重复定 位精度控制在±0.2mm 范围内。预冲机械手与冲头采用浮动设计，避免工作过程中力的传递；为缩短摆臂的转 动时间，采用双级驱动结构，使冲头快速移入到预冲中心。

3.2. 电气控制系统： 电气系统 PLC（西门子系列）可编程控制器结合触摸屏（西门子）主控，可实现机床各种工艺动作循环； 分主控制台和 2 个移动操作台（即活动按钮站）。主控制台内设 PLC 和触摸屏，可完成该机的全部动作的控制 操作。操纵面板同时设置有主机各部分动作的操作按钮和功能转换开关、各部电机的起停按钮、PLC 指示、压 力数显及数控部分（通过触摸屏显示和控制） 、行程数显及数控部分（通过触摸屏显示和控制）、加压时间拨码 盘、阀体通断指示及各部分的报警、监视指示灯等，随时掌握压机的工作状况。

3.3. 液压系统： 主控制系统采用插装式集成阀，系统设有过载保护装置和液压支撑保险回路。高压泵采用进口德国力士乐公司 的定量高压柱塞泵。液压系统的管路采用高压法兰和部分高压软管连接。

3.4. 润滑系统： 采用自动循环带监控的强制润滑系统。工作时各导轨的需油量可通过分流阀调整。流下的油液通过导轨下面的 集油槽油管回收经过滤后流回油箱。当油路断油或油压过低时操纵箱上润滑异常报警灯闪亮并停机；只有在润 滑系统正常工作时，主机才允许进行操作。

3.5. 液压油过滤、冷却系统： 循环过滤系统中的滤油器为大容量精密滤油器，并带有堵塞报警发讯装置，当滤油器被污物堵塞即可报警，提 示维修人员清洗或更换滤芯。采用强制水冷却循环系统，采用热电阻作为温度传感元件，板式换热器作为热交 换器。

4. 技术关键 4.1. 位置精度 4.1.1.移动工作台重复定位精度为：0.02mm.

4.1.2.对中机构的对中精度为 0.2mm.

4.1.3.压扁上砧工作面与工作台的平行度为 0.25mm 4.1.4.压扁上砧工作面与工作台的垂直度为 0.12mm 4.1.5.终冲冲头与终冲下砧的垂直度为 0.10mm.

4.1.6.预冲机械手与镦扁上砧的重复定位精度为 0.2mm.

4.2. 氧化皮台面清理装置 在移动工作台的两侧有氧化皮收集槽，当氧化皮落到工作台上进入收集槽中时，移动工作台上有一个单向 的推子，当移动工作台移动时（进行工位装换）带动推子同时在槽里滑动，将槽里的氧化皮往一个方向推进， 最前面的氧化皮会顺槽子的缺口下滑至下面的收集箱中。收集箱可收集大量的氧化皮，可一个班次清理一次。

4.3. 废料收集装置 终冲废料（连同少量的氧化皮）从终冲下砧里落下，从机身内部的滑道进入收集箱中，此装置可沿导向装 置自动上升到地面以上，便于倾倒。由于废料落入地面以下，同时增加了设备的安全性。

5. 总结 因本设备是专门用于锻件的镦扁、预冲和终冲工艺的，在进行上述工艺改动，位置精度都达到的前提下， 本设备所出的锻件在辗环过程中，环件的表面还会有夹层现象。经过对整个工作过程的观察，发现在整形过程 中，预冲孔的位置会随着有少量的偏移，现预冲冲头和终冲冲头直径设计为相等尺寸，当预冲孔偏移后，在以 同样的直径的终冲冲头落料时，就会有冲偏现象，导致坯料的剪切边有大量的毛刺，经过以上分析，现将终冲 冲头直径小于预冲冲头的直径，并将终冲下砧与终冲冲头的间隙改为 1mm,在保证终冲孔在锻件形心的同时，切 除掉由于形心偏移所导致的不利因素，为辗环提供优质的锻件毛坯。

主要参考文献： [1].万胜狄主编.锻造机械化与自动化.北京:机械工业出版社 [2].王焱山主编.锻压.北京机电研究所 131

极具竞争力的无缝环预成形件锻造 Dipl.- Wirt. Ing. (FH) Klaus- Andreas Kienle （Schuler SMG GmbH & Co. KG 德国）

我们今天所面临的机遇 随着广泛的生产领域对无缝锻环的需求日益增加，要求不同的批量大小、改进的材料性能，因此市场将投 资于灵活、精简和高效的生产系统。制造环预成形件的完善的、新的生产概念－生产无缝环的初始锻件－已经 启用。 所选择的压力机概念和设备的灵活程度主要由环预成形件的几何形状、批量大小以及整体产量所决定。只 有通过合适的压力机功能才能实现高效的操作。 根据不同的应用情况，在过去几年中制造的锻造压力机的特点或者是高度灵活性，适用于范围广泛的环预 成形件几何形状的生产，或者是高产量。通过与客户的密切合作，开发出了能很好地适应各个产品范围的新概 念。

图 1：环预成形件和铁路车轮的锻造

1 无缝环应用领域和特点 无缝环的优异性能使其应用于广泛的领域，性能如下：  高强度  高韧性  不间断的晶粒流  小的晶粒尺寸  完美的结构 这些性能使得无缝环可以用于暴露在最高负荷和应力的零部件中，使得零部件具有小的横截面，因而尺寸 和重量减少。典型的应用是轴承环、大功率齿轮、齿轮环、具有高强度和重量轻的结构元件、法兰、涡轮和阀 门外壳。大多数轴承环、齿轮环和法兰都是由普通钢材质制成的。高级的钢合金以及镍基合金和铬镍铁合金应 用在能源部门，航空航天业需要钛和铝制成的环。对无缝环预成形件快速增加的需求存在于铁路车轮的生产中， 铁路车轮的生产受到运输部门和高速列车快速增长的影响。例如每个新建的风力发电机塔需要大量的无缝环用 于轴承和齿轮环、叶片载体和塔上的结构法兰环，安装风能的市场需求正在超量增长。所有这些提到的数字都 直接关系到对于无缝环生产线的很高的以及不断增加的需求。 世界风能－装机总容量（MW）及预测 1997-2010

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图 2：截止到 2010 年的风机容量预测，高速列车和运输部门的快速增长

2 环预成形件的制造概念 选择合适的设备进行环预成形件的高效锻造，主要取决于零件几何形状的范围、批量大小以及所要求的生 产线产量。基本上有三种压力机概念，常规的环型件锻造压力机适合简单的几何形状以及低数量（2.2），高度 灵活的锻造压力机用来生产复杂几何形状的环（2.3.1），然而如果产量是主要标准（2.3.2），则需要使用多工 位全自动压力机。

2.1 过程 锻造无缝环时，生产环预成形件是第一步。一般来说，初始材料是一种圆柱形坯料。在锻造之前，坯料被 加热到约 1200℃，经过几个工序，得到环预成形件。在第一个锻造工序中，坯料被镦粗为一个“薄饼”，以便 实现结构完整性及定向晶粒流动。

图 3：薄饼的镦粗

进一步加工的重要一环就是中心孔。在第二个步骤中， “薄饼”被预冲孔。一个锥形冲头被压入零件的中心， 为了实现材料的高利用率，要求深度预冲孔。这可能会导致零件出现突出部分，这需要进行额外平整/精整。

图 4：预冲孔和平整/精整

为了得到初始的“甜甜圈”形状，为进一步的环滚压过程作准备，在第三个步骤中使用第二个冲孔冲头在 “薄饼”上冲孔。圆形冲孔去掉的部分是废料，不再有任何用途。

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图 5：预冲孔和冲孔

2.2 常规的环型件锻造压力机概念 在常规的环型件锻造压力机上，预成形件在压力机中心进行锻造。压力机在工作台上配备了一个镦粗模和 一个冲孔模，在滑块上配备了一个镦粗模。两个较低的模具在压力机中心可以被交替移动。 2 个摆臂或者安装在滑块上或者安装在侧面元件上，可以调节预冲孔和冲孔冲头。2 个对中机械手确保零件 在压力机中心的精确定位以及零件在压力机范围内的运输。

图 6：常规环型件锻造压力机配备摆臂和对中机械手

顺序： 坯料被机器人或者机械手放置在压力机中心的镦粗模上，位于压力机框架侧面窗口中的对中机械手使坯料 在压力机中心精确定位。 第一个压力机冲程将坯料锻造为“薄饼” ，紧接着预冲孔冲头摆动至滑块下面。第二个冲程将预冲孔冲头压 入“薄饼” ，为了避免零件与预冲孔冲头粘住，可以手动使用煤基固体润滑剂作为分离物。预冲孔冲头从压力机 中摆出，冲孔冲头摆入。与摆臂动作平行进行，对中机械手提升零件。工作台的滑动单元将冲孔模移入压力机 中心，零件被放置在冲孔模上，第三个冲程穿过“薄饼”冲一个孔。

Prepiercing

镦粗

预冲孔

冲孔

图 7：在常规环型件锻造压力机上的操作顺序

常规的环型件锻造压力机适合中小数量的生产，因为产量低。然而通过配备合适的控制系统，这些压力机 可以按照灵活的方式使用。 一般来说，零件在自由锻中成形。闭模锻造需要另外的强有力的床身顶出装置，将零件移开。 操作人员的允许空间主要由摆臂进行限制，由于摆臂可及范围广泛，需要非常精心的安全概念。

2.3 优化的环型件锻造压力机概念 新的开发和概念由于对环预成形件的要求提高以及更高产量的要求。通过进一步开发常规环型件锻造压力 机，灵活性得到了改善。配备合适的自动装置的多工位压力机实现了高生产率。 134

2.3.1 高产量的优化环型件锻造压力机 一般来说，要达到的目标是：与连续轧环机的周期时间相比，时间相同或者更短。重量低于 1 吨的零件需 要能满足高产量的优化概念，而常规的环型件锻造压力机通常满足大型零件的这种要求。 为此使用了多工位压力机，模具在滑块和工作台上的固定位置。而按照常规概念，模具是可以移动的，在 压力机中心锻造环预成形件，这一原则在环型件多工位压力机上是相反的。零件被一个自动系统－一般是机器 人或夹钳传送装置从固定的模具站运输到模具站。使用合适的自动化系统，在平面模具之间镦粗以及闭模锻造 都是可能的。

图 8：高产量环型件锻造压力机配备机器人或重型传送装置

根据不同产量的要求，可以使用各一个模具站、各两个模具站，或甚至是各三个站。只使用部分站会显著 降低所要求的整个冲压力，可以使用更小的压力机。为了降低产量，采用低工作速度是不可取的，因为工作速 度与零件/模具的接触时间有关，这会影响模具使用寿命以及所需的模具冷却时间。 在产量小的压力机上热负荷相对较低，而在两个平面模具之间、在高产量多工位压力机上或在碟形（凹） 模压力机上锻造环预成形件时，传递到模具中的热量很高。连续的生产只能通过足够的冷却和润滑来保证。为 此需要使用线性喷淋机械手、带喷头或固定喷嘴的机器人。水用来进行冷却，润滑剂主要是水石墨悬浮液。

镦粗

预冲孔

冲孔

图 9：使用各三个站的操作顺序，零件使用重型传送装置进行搬运

根据不同的零件重量，使用机器人或者夹钳传送装置，在压力机范围内运输零件。六轴机器人的重量限制 大约为 200-300 公斤，夹钳传送装置能够可靠地移动 1000 公斤的重量。 2.3.2 高度灵活的优化环型件锻造压力机 复杂的环需要复杂的环预成形件，这些预成形件可以通过深拉、挤压或闭模锻造进行生产，需要额外的锻 造站，因此对于压力机的要求不断增加。根据不同的零件几何形状，在工作台和滑块上要求高达 4 个站。因为 锻造的零件复杂程度不同，站的数目和操作顺序可以改变。 对于大型环预成形件（重量大约为 1 吨或以上）主要使用的压力机，锻造操作是在压力机中心完成。一个 生产周期由不同的镦粗、流动和冲孔操作顺序组成。上模和下模可以单独移入压力机中心的锻造位置，为广泛 的产品范围提供了高度灵活性。下模可以被移动到滑动工作台上，有 2-4 个模具站，上模可以被移动到滑块的 滑动板上或摆臂上。为了在广泛应用领域上实现所需要的灵活性，滑块上的滑动板与摆臂组合使用是可行的。

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镦粗

预冲孔

冲孔

图 10：在柔性环型件锻造压力机上可能的操作顺序。在镦粗之后，零件被从底部预冲孔，从上部冲孔。所有的模具都安置在滑动 单元上。

在一个杯形或闭模中锻造，需要强有力的顶出装置，以便松开零件并将其提升到运输水平高度。自动压力 机不允许使用固体润滑剂进行手动润滑，要求滑块和工作台上的预冲孔和冲孔冲头上有分离装置。冲程提高的 对中机械手以及集成的旋转装置进一步增加了灵活性。除了复杂的形状之外，其它的功能，例如从两侧同步预 冲孔，影响晶粒流，保证环预成形件以及随后的环达到最高的质量水平。

图 11：显示了一个从两侧同步预冲孔的有限元优化模拟示例。均匀对称的材料流导致对称的晶粒流

2.3.3 环型件锻造压力机的控制系统 不同的过程和顺序对于环型件锻造压力机来说都是特有的，对压力机控制系统要求高。为此舒勒 SMG 公司 开发了新的控制系统，将相关过程的灵活性与符合人体工程学的可操作性结合起来。 控制系统允许单个生产步骤以及柔性步骤链的自由编程，每个步骤可以单独预选和调整。任何步骤的重复 （例如卸料的多次行程）都是可行的。其它的功能例如冷却、辅助单元的控制等等都可以集成在压力机的任何 命令中。步骤可以单独进行或者同步进行，在步骤链中可以运行启动和停止。过程是可视的，并且可以通过图 像进行监视，广泛的诊断特征允许作出快速的响应。如果在控制室内操纵压力机操作，多屏幕解决方案允许在 压力机上直接进行寸动操作。压力机控制系统的简单相互关联使在现有的网络上集成主控制系统成为可能。

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图 12：单个步骤以及整个生产周期的灵活性编程

根据不同的应用情况，涉及零件的锭料和环预成形件几何形状的编程都是可行的，可以考虑或不考虑模具 尺寸。画面显示系统是从操作人员的角度开发而来，适应其需要以及锻造要求，允许简单的操作，高度的灵活 性以及理想的诊断。这种优化的控制系统对于环型件锻造压力机的成功、经济性操作是一项基本要求。

2.4 展望 在过去，主要是常规的环型件锻造压力机被用于环预成形件的生产。今天，需要更好适应各种产品独特范 围的生产线和概念。除了更高的生产数字，无缝环的需求增加导致更高的批量生产和更短的周期时间要求，用 户期望更短的换模时间和设备的高效率，特别是铁路车轮制造市场的增加，使得市场参与者对于创新的压力机 生产线的需求比以往任何时间都多。 航空航天业对于微观结构和晶粒流动的额外要求需要灵敏控制的锻造生产线，并且具有高度灵活性。 大型环预成形件仍然主要是在常规的压力机上制造，然而，即使对于大型环，也可以注意到发展趋势是具 有高产量的优化生产线。重量小的预成形件已经主要是在专门的压力机上进行生产，将来重量大的预成形件也 是如此。高效的环型件锻造将来只会通过这些压力机概念来实现，它们能很好地适应其应用以及生产的零件范 围。

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使用“质量分割”的方法实现锻造操作机的高效和节能 （德国 Glama 机械制造公司 副总裁）Mr.Nowitzki. （中国华诺达公司 技术顾问 高级工程师） 薛定远 摘要：众所周知，在自由锻造中加快锻造速度是提高生产率和 节约能源的主要途径。目前自自由锻造压机的锻造速度已经很 快,在中国称为快锻机，而锻造操作机的工作速度成为制约锻造 生产率，甚至锻造质量的“要素”。采用“质量分割”方法制 造锻造操作机提高了操作机运动加速度从而缩短了锻造时间， 减少锻件加热次数，提高锻造质量，节省了能源。因此在锻造 操作机中采用“质量分割”的方法，必将引起锻造操作机制造 和使用者的高度重视。

一． 锻造操作机的主要技术参数：运 动加速度 锻造操作机在锻造工件中的工作循环如下： 起动—加速前进—减速前进—停止（压机锻压） 压机上砧离开工件 因为锻造操作机是在不断的起动，加速，减速，再 起动的过程。它的加速度减速度的参数，通常比所 谓的最高锻造速度更重要。假如一段地铁车站距离 仅有 100 米，那么地铁的车辆的最高速度并不重要， 而是起动加速度和刹车减速度更重要。举例：一台 自由锻造压机以 50 次/分的频率在进行锻造，每个 锻压动作周期是 1.2 秒钟，压机上砧压入工件时， 操作机不可以运动。因此在一个周期内，操作机移 动工件只有 0.35 秒（见图一） 。一个工作加、减速 度 3 米/秒²的操作机，可以进走 90mm，每分钟可以 锻造进给 4.5 米,而 2 米/秒²的操作机每分钟可以锻 造进给只能 3 米。换言之，用 2 米/秒²的操作机比 4 米/秒²操作机的多 50%锻造时间,由于锻造时间太长， 造成工件温度下降达到终锻温度，有可能不得不再 次加热,因此,高加速度的操作机能充分发挥快锻机 的快锻能力,缩短了压机,操作机,加热炉的使用时间, 机这就大大提高生产率和产品质量。因此操作机的 加速度是衡量操作机性能的主要参数. 在钛和高合金锻造中，由于锻造温度狭窄这个问题 更加突出，因此几乎全世界的著名的钛业公司都选 择了带有质量分割的高加速度锻造操作机。 （其中包 括中国的宝鸡钛业公司,宝钢特钢,湖南金天钛业等）

138

图一

二. 提高锻造操作机加速度的途径：质 量分割式的设计 提高操作机的加速度只有两个途径，提高驱动力（F） 或减少质量（M） 。提高驱动力，意味着增加能源消 耗，增加机械零件的损耗。减少机体质量是最好的 办法，但是遇到了工件重量必须用机体的重量来平 衡，不然操作机将出现前倾翻的可能性。 采用质量分割的设计就解决了上述问题。 1） 保证足够的操作机机体重量，以保证足够的平衡力矩， 防止倾翻。 2） 将操作机分成两个部分。第一部分是在运动中用高加 速动作部分，它们是：工件、夹钳、夹钳缸和驱动齿 轮箱、驱动齿轮等（占 40%的质量） 。第二部分是机 架、杠杆系统、液压系统、车轮等等。 （占 60%的质 量） （见图二）

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图二 在工作中第一部分工作质量以高速度运动。例如在一 台自由锻造压机以 50 次/分的频率在进行锻造，在 0.35 秒内完成了加速前进和停止的动作，压机开始 锻压。第二部分可以在整个周期 1.2 秒内移动，它不 受压机压入工件的影响，因此它可以用 0.25 米/秒² 的加速度移动。 （见图一） 结论：采用质量分割的方法，实现了锻造工件的高加速 移动，同时有 60%的操作机质量在以较低的加速度移动。 从而既保证了工作的迅速进入锻造，又降低了不必要的 能源消耗，达到高效节能的目的。

三． 德国 GLAMA 公司是用“质量分割” 原理制造锻造机的效果。 （见图三）

图三 A） 质量分割提高了自由锻造机的生产能力 为了将高产量和低能耗的目标结合起来，在 20 世纪 60 年代，德国 GLAMA 工程机械公司已经在大胆创 新的过程中：将夹钳部分和机体框架进行质量分割 由于夹钳和工件有极高的加速度，工件可以很快到 达指定位置。可以立即开始锻压。在进行锻压的同 时，机体框架正在向前行进。在各种锻造中，GLAMA 淘汰了传统的操作机,采用了―质量分割‖系统，在大 大降低能源消耗的同时，锻造生产率可提高 40%。 140

B)质量分割降低了机件磨耗，提高了寿命 质量分割不仅加快了锻造过程，节省能源,而且还有 了额外的优势： ，因为高加速度的移动的质量相应的 变小，驱动装置的功率可以较小。相比之下，带有质 量分割的装置只需要传统操作机安装功率的 60%。 由于驱动装置的负担轻,降低了机件磨耗，提高了寿 命.

GLAMA 质量分割锻造操作机是为自由锻造专门设 计的。这样的一套操作机在瑞典著名的锻造工厂模具 钢的生产中连续运转一周 7 天。即使经过 15 年，该 操作机也没有显示出明显的磨损，另外,零部件的尽 量按无维修化进行设计,使维护保养更简单。 C) 减轻自重和节能 锻造操作机是重型设备,因此一些用户很注重它的 自重.但是更要注意到它是一个特殊的运输设备,它 的运输特性,(不断处于启动,刹车状态)决定它耗能 很多,自重越大,所做无用功越大.所以在保证性能,强 度的前提下,尽量减轻自重是设计操作机的追求. 总结:由于能源价格上涨趋势有望继续下去，重型,高速操 作机原来越多,对操作机节能技术的需求将会日益 增长。与传统操作机相比，具有―质量分割‖技术的 操作机可以节约能源,提高生产力.必然会受到市场 的认可. 德国 Glama 机械制造公司 副总裁 Mr.Nowitzki. www.glama.de ; Emaij; info@glama.de 中国华诺达公司 技术顾问 高级工程师 薛定远 Email:taiec_gu@163.com

重型锻压机设计与制造 销售经理 FRANCO GIANETTI（意大利达涅利²布莱达公司） 摘要：达涅利²布莱达（Danieli Breda）最近供货了多款重型自由锻压机。下文介绍了这些锻压机所具备的一 流设计和制 造特性。

前言 达涅利²布莱达（Danieli Breda）在自由锻压设 备的技术开发和制造领域拥有数十年的经验，致力于 不断推进技术和设备的研发工作，从而提高设备性能 和产品可靠性。

图2:炼钢设备

图1：75 MN OD 压机和操作机

达涅利致力于以交钥匙方式，为冶金行业设计和 构建极具竞争力的产品、设备与自动化系统，并协助 完成所有调试工作。达涅利提供有多种设备，涵盖从 矿砂处理到完工的平材、长材和管材产品等多个环节。 我们平均每年在研发和测试上投入8,000 万欧元， 从而有力地保证了产品所具有的强大竞争力。达涅利 致力于通过出色设计不断提高产品质量，降低生产和 折旧成本。公司总部位于意大利，在德国、瑞典、美 国、英国、奥地利、法国、泰国、中国、印度和日本 等地设有工程设计办事处和生产中心，是其所在领域 最大的设备供应商之一，并在短流程（小钢厂）技术 方面处于世界领先地位。充分的事实证明，达涅利是 钢铁行业中可靠且富于创新的合作伙伴。

质量第一。为了满足不断增长的产品需求，同时 保持可靠的质量和准时交付，以达到客户满意，达涅 利最近斥重资新建了几个全资拥有和直接管理的现代 化设计与制造中心。出于战略因素考虑，新中心设于 中国和泰国，并在达涅利资深专家的监督下运营，可 提供与意大利总部车间所产产品同样卓越的质量，因 此我们可以自豪地宣称：“达涅利车间在全球范围内 质量始终如一”。

图3:车间焊接设备

达涅利²布莱达（Danieli Breda）锻压 技术 达涅利²布莱达（Danieli Breda）在自由锻压领 域拥有60 多年的丰富经验，专门从事创新型、可靠锻 压车间的整体设计和制造业务，其中包括压机、有轨 141

或移动式操作机、以及辅助装置等。

图 5:140 MN 压机的 3D 模型

100 MN 锻压设备        

图4：75 MN OD 锻压机概览

我们的高端设备设计用于满足客户的实际需求， 可实现最佳的锻压产品质量、最高的生产率和最低的 改造成本。 达涅利²布莱达（Danieli Breda）的集成锻压设 备在压机和操作机之间实现完美协调，可确保实现最 高生产率和锻压工艺的可重复性。

型号：下推4 柱式 压力：105 / 60 / 30 MN 速度：60 / 91 / mm/s 垂直开距：5500 mm 水平间距：5000 mm 交叉间距：3000 mm 主锤行程：2750 mm 工作台行程：10 mt

140 MN 锻压设备 主要特点        

型号下推4 柱式 压力：150 / 126 / 84 / 42 MN 速度：50 / 72 / 108 mm/s 垂直开距：7500 mm 水平间距：7800 mm 交叉间距：3000 mm 主锤行程：4000 mm 工作台行程：13 mt

图6:100 MN 压机的3D 模型

75 MN 锻压设备 • • • • • • • • • • 142

类型： - 下推式 压力： - 75 MN 气压： 350 bar 速度： 90 mm/秒 电源： 4000 千瓦 模具工位： 4 位 垂直开距： 6000 mm 水平间距： 4500 x 2500 mm 工作行程： 3000 mm 主工作台： 3200x6000 mm

主要设计特性 达涅利的重型压机设计具有多种优势，可显著提 高机器的可靠性和性能。 在主缸中，液压锻压力通过双球形接头从主活塞 传送到移动式十字头。移动式十字头配有水平移动导 向装置，可在柱上滑动。导向装置可通过楔子进行调 节。上模的换模可通过快速液压机构实现，操作员可 从主控台对液压机构进行驱动。 各个柱和套筒全长均被施加预应力，而且框架十 分坚硬，即使在偏心锻压时也是如此。 下推式设计要求地基要低，从而可有效控制相关 成本。 图8：铸造梁的3D 模型

设计理念 我们的设计目标是实现超过30 年的使用寿命，并 保持较低的故障风险。 疲劳分析采用了累积损坏法，通过有限元法（FEM） 对主要结构组件进行了评估，并基于生产份额对不同 负载条件进行了界定。 这一分析可得到一个预计的使用寿命，之后我们 在此基础之上进行机械设计开发工作。 同时我们也可有选择性地对焊接或铸造部件进行 评估。 在制定最终决定时，我们将与客户一起，根据项 目物流情况，对不同类型解决方案的运输可行性和当 前市场供应情况进行评估后做出。

达涅利²布莱达（Danieli Breda）提供有包括电 气和自动化系统在内的全套设备。 DANFORGE® 开式自动化系统可保证压机与操作机 之间的完全协调，实现完全集成化控制，进而达到最 高的生产率和锻压循环的可重复性。 自动化系统有三种操作模式： - 手动 - 半自动 - 自动 与运行管理和控制相关的一切活动均可在位于压 机前方的主控台上方便地进行。 锻压设备只需要一人即可完成全部操作。

图9:主控台 图7：焊接梁的3D 模型

DANFORGE® 计算程序 这一程序旨在实现锻压计划的自动计算，确定一 套经过优化的灵活过程，用于锻压简单或复杂的工件， 而无需操作员对整个程序进行干预。 这将可以显著提高小批量工件的处理效率，同时 综合考虑以下因素所施加的限制 - 材料类型 - 工作温度 143

- 工件的几何形状 - 模具形状 - 压机行程 - 操作机咬力 对工作时间和温度的预测可支持选择出最佳的锻 压步骤，从而可赋予前所未有的成品质量优势。 操作员要输入的参数涉及材料的机械和物理特性， 以及限制压机和操作机工作范围的参数。 在此基础之上，系统将能够根据温度、应变和应 变速度，预测出大量不同材料的特征。 物理属性可用于计算热交换，包括传导和对流方 式，计算结果可在计算两个连续道次之间温降时应用 到散热和应变功上。 输入数据后，计算机将会计算中间工段间最小步 骤数，同时考虑强度极限和材料的极限。 在此基础之上，我们将得到一种方案，能够以最 大生产率来锻压工件，同时遵守所施加的限制。 操作员可在系统上修改基本参数，如最大降幅和 最大穿透行程等。 铸块的形状可以是方形、八边形、圆形或甚至十 六边形。 这种锻压模式便于确定操作机相对于压机的协调 移动。 工具型号的基本形状和尺寸可以输入到系统中， 包括扁形、圆形、V 形和板形等。 根据需要修改拟定的锻压顺序后，可以输入各中 间处理工段。

图10:Danforge 设置页面

结论： 现代化、科学的设计方法可实现以下目标： • 了解临界点位置 • 校正机械组件的尺寸，以便于优化压机的总重， 并提升性能，延长使用寿命。 • 基于一流技术的电气和自动化系统可确保锻压 工艺的可靠性、易用性和维护便捷性。

144

现代自由锻造液压机的技术经济性分析 —从锻件生产经济性要求看自由锻造液压机的发展趋势 郭玉玺（太原重工股份有限公司 技术中心） 摘要：本文从锻件生产的经济性观点出发，对现 代自由锻造液压机——油泵直接传动双柱斜置式预应 力机架自由锻造液压机及其成套装备的技术性能、经 济性满足度及其发展方向，进行了粗浅的探讨和分析， 以期有助于锻造行业向节能节材降耗减排的低碳经济 发展，提高中国锻件生产的整体技术水平。 关键词：自由锻造 液压机 技术经济性 分析

的锻造液压机设备，更新传统水压机的结构、操控系 统和配套设施的技术改造，满足使用工艺、降低功能 消耗和利于操作维护，实现锻件近终成形是一个必然 的发展方向。

1

2.1

现状与需求

基于帕斯卡液体静压传动原理所发明的水压机用 以金属锻造成形已有 120 多年历史。从 1893 年世界第 一台 12600t 自由锻造水压机在美国建成以来，万吨级 液压机就一直占据着大型高强度零件锻造的核心装备 地位，成为一个国家工业实力的象征。 中国锻造行业从 1953 年太重、沈重相继装备 1000t 和 2000t 水压机开始，经过近 60 年的发展，尽 管还有数量众多的各类锻锤，但水压机一直是大型锻 件生产的主导设备。有统计，中国现有自由锻造液压 机 210 台以上，其中 30 多台为近七年来增加的 25MN 以上吨位级别的新一代自由锻造液压机， 80MN～ 185MN 级的超过 10 台，而且为数不少的大压机还在继 续增加。除几台基于对原有系统的利用和改造，仍延 用了水泵-蓄势器传动系统外，90%以上采用了油泵直 接传动的全液压控制系统，并且都配置了先进的全液 压轨道式锻造操作机和其它机械化辅助装置。 这些举世瞩目的成就，集中体现了中国装备制造 业巨大的技术进步，不仅自由锻造液压机的数量、等 级和装备水平达到了世界领先水平，而且，极大地提 高了大锻件的制造能力，生产的技术含量高和质量要 求高的大型锻件产品已经替代进口，使中国的锻件产 量位居世界之首，进入了世界大锻件生产大国行列。 但不可忽视的是，中国仍有 100 台左右水压机是 上个世纪 50 年代到 90 年代制造的。这些水压机结构 大都是三梁四柱式，技术水平低、设备精度差，张力 柱断裂、横梁开裂的事故时有发生；传动形式为水泵蓄势器传动，无功功率损耗大，水资源浪费严重；操 纵方式为接力器控制的提阀分配器，操控水平落后， 锻件尺寸精度和生产效率低；配套工艺装备效率低， 工模具搬运更换处理时间长，锻造车间能耗高。 为提高锻造行业的整体技术水平，适应锻造车间 装备现代化和锻件生产经济性要求，正如 40 年前淘汰 高能耗的蒸汽增压传动水压机、20 年前空气锤或蒸汽 锤改电液锤革命一样，以节能降耗、建设节约型社会 和低碳经济为特征，开发研制新型结构和和传动系统 145

2 现代自由锻造液压机的技术经济性 分析 重要的关注点

新一代自由锻造液压机采用的最具代表性的一项 新技术是，采用油泵直接传动的全液压控制系统取代 了传统的水泵-蓄势器传动。该技术在世界发达国家二 十多年前就已经在锻造压机上得到应用。在中国军工、 航空、冶金、石化、船舶、汽车、铁路等行业工厂的 压力加工车间，油压机和油泵站驱动装置的应用也非 常广泛，数量一点都不比水压机少，很多制造工艺尤 其适用于采用油压控制系统。但在中国的锻造行业却 是正在经历着一场巨大的变革。如果问水压机有何优 点，习惯了水压机操作的“铁匠”们的回答大都是： 加压速度快，漏水也能干，维护要求低。油压机又如 何，无论有无使用经验，一言以蔽之：速度慢、漏油、 易着火。 某公司几十年来开发设计和制造的各类液压机大 都是油泵直接传动全液压控制系统，几十项产品获得 国家、省部级科技进步奖。但在本公司技改中的一台 大型锻造压机的决策过程中，对于是采用水压机还是 油压机，是四柱式还是双柱式结构的方案选择就进行 了七次高级别的论证和研讨。 由于使用习惯的差异和关注点的不同，人们对于 任何一项新技术的理解和熟悉，总是伴随着一个质疑 和争论的过程。从而提高了对新事物的认知程度，也 促进了新技术的完善和进步。究竟油泵直接传动系统 是否适用于自由锻造压机，如何看待一个竞争力极强 的现代自由锻造油液压机的角色和地位，应该说，重 要的关注点在于从锻件生产的经济性观点出发，对现 代自由锻造油液压机的技术性和经济性进行客观的分 析和评价。 所谓锻件生产的经济性，是在确保安全与环保前 提下，以最低的耗费获得最大的经济效果，包括生产 效率、产品质量、材料利用率和成本。锻件生产的资 源消耗受多方面因素影响，诸如锻件的材料、批量、 用途和所使用的锻造设备等，因而，以通常的吨锻件 能耗或万元产值能耗来衡量经济效果会各有不同，甚 至不可相比。

然而，所购设备安装前的一次性资本支出，虽然 是以折旧的方式分摊到产品中的埋没费用，但其技术 性能及其对于锻件生产的经济合理性影响却是长期的、 决定性的，是最重要的影响因素。它直接影响到设备 投产后的剩余寿命周期费用，即输入到设备的能源和 维护的经费支出。因而，以锻件实际负荷的能耗和设 备的维护费用指标来评价锻件生产的经济性更为合理。

2.2 油泵直接传动系统的节能价值取向 1）传动方式的演变 锻造压机的传动方式和控制技术随着时代的技术 进步在不断地发生着变化。19 世纪，世界多采用能耗 很高的蒸汽增压器传动的水压机；20 世纪，经济节能 的新型水泵-蓄势器传动系统问世，大部分水压机改为 水泵-蓄势器传动；20 世纪 90 年代后，高压大流量油 泵及液压控制元件进入工业应用领域，为锻造压机的 传动与控制技术进步奠定了基础；21 世纪初以来，更 为经济合理的油泵直接传动系统开始大规模地应用于 自由锻造液压机，液压操纵和控制系统开始广泛采用 电液伺服先导的二通式比例插装阀控制，以及正玄泵 闭式传动系统；电气控制系统采用工控机与 PLC 两级 控制和一人操作模式；因而使压机的速度、位置和压 力得到精确的控制，实现了锻造液压机的自动化操作。 由此可知，水泵-蓄势器传动并非锻造压机与生俱 有，优胜劣汰的设备技术进化同样在自由锻造加工领 域是不可免的。 2）油泵直接传动系统对于自由锻造工艺的适应性 自由锻造生产中，“趁热打铁”的行话是一个永 恒的真理，这也是所有金属热塑性成形工艺中普遍适 用的一个准则。体现在液压机上最为关键的两个概念 是力和速度。 对于力，水泵-蓄势器传动是“有多大的力使多大 的劲”，与负载大小无关，即使是小型锻件，或小变 形量精整，或空负荷回程，总是消耗蓄势器内储蓄的 高压水，随着行程加大，压力将下降 10~15%；而油泵 直接传动是随负载“量入为出”，功率消耗取决于工 件的变形抗力，可满吨位连续工作。 对于速度，水泵-蓄势器传动升压速度快，但随负 载抗力增大而降低，难以实现自动调节，节流调速能 耗高；而油泵直接传动有个短暂的建压过程，工作速 度与负载无关，泵的流量有多少，可保持的速度就有 多快，可通过泵的组合或变量泵调整的节能方式改变 加压速度。 简而言之，压力取决于负载，流量决定速度。油 泵直接传动与控制系统对自由锻造工艺的优越性表现 在，常锻时，具有平稳较快的可控的行程速度（包含 空程和加压行程） ，通过油缸工作数量的选择获得更高 的工作速度；轴类件精整时具有较高的快锻频次；通 过自适应负载抗力的大小可获得恒功率控制；容易控 146

制特殊锻件的变形速率，提高锻件的质量；由活动横 梁即上砧的位置控制精度来保证高的锻件尺寸精度， 达到±1~2mm。所有这些都是在节能的条件下实现的， 也是水泵-蓄势器传动很难做到的。 同时，由于全液压控制技术的应用，锻件尺寸自 动测量、锻砧行程自动控制及其与锻造操作机的联动 控制，锻造过程自动化才能得以实现。这对于提高锻 件尺寸精度、材料利用率、提高生产效率和降低能源 消耗和成本，具有举足轻重的经济意义。 3）两种系统的能耗和效率比较

表 1 是一台 15MN 锻造液压机在相同压下量、回 程量和每分钟相同锻造次数条件下的各项指标 比较。两种传动系统的能耗和总效率截然不同。 水系统总效率仅为 30％～40％ ，而油系统可在 70％以上。水系统的平均消耗功率是油的 2 倍 以上，而总效率却是油的 1/2。另据实测，同为 30MN 的锻造水压机耗电大约为 1.8kW／h，而锻 造油压机则低于 1.2kW／h。 表1 项 目 油泵直接传动 泵 的 流 量 1800 （L/min） 泵的效率（%） 90

装 机 功 率 （kW） 锻造力选择 （MN） 功率消耗分 配（kW） 平均功率消 耗（kW） 总效率（%）

800(允许 130%过 载) 15 10 5

水泵-蓄势器传动 900 73.95% （ 泵 效 率 87%³减速机效率 85%） 600 15

1010

705

380

600

330

240

150

600

86

82

70

48

10

5

32

19

这就是国内外新造的锻造液压机为什么极少有采 用水泵-蓄势器传动的原因所之所在。因此，从锻件生 产的技术经济性和节能降耗观点看，即使大型和特大 型自由锻造液压机，今后也不应再采用水泵-蓄势器传 动系统。 4）两种系统的可维护性比较 由油泵直接传动系统的负载特性可知，大量非工 作时间，泵处于低压空循环状态，系统管道中的压力 很低，加之采用高性能的密封件，以及油介质良好的 润滑和防锈蚀性能，因而系统漏损极少，泵、阀、油 缸、管件寿命长，造成火灾的可能性降为极低。一个

可为“是油压机就漏油”正名的佐证是，中国锻压协 会组团于 2009 年 10 月赴日考察日本的锻造企业，一 个工厂正在工作的 7 台双柱式锻造油液压机绝无一点 漏油现象，随机参观 40MN、80MN 的地下室油泵站时， 地面和四壁全部用油漆涂装，看不到一片裸露的水泥， 摸不到一滴漏油和一点粉尘。管理的精细化程度和到 位的维护水平令人难以置信。 反观水压机的泵站，从蓄势器到主阀分配器的所 有法兰、管道中充满了高压水，应力腐蚀大，抗疲劳 性能低，金属垫密封性能差；加载和卸压时的高压水 冲击力大，压机摇晃，活动横梁运动精度差，导致主 缸密封寿命低，人们习以为常的跑冒滴漏现象时时发 生，令人叹为观止。 由此足以见锻造压机并非只是水泵-蓄势器传动 的专利。油压机可以做到不漏油，而水压机却做不到 不漏水。采用油泵直接传动全液压控制系统，可以在 快速与噪音和振动一对矛盾之间实现一种技术上的平 衡，但却绝不能象操作锻锤一样随心所欲。 目前，高效率、高压、大流量的油泵、阀、密封 等基础液压件在国内虽然是个空白，但并不成为制约 发展油泵直接传动系统的锻造液压机的瓶颈。以设备 技术参数相当的锻造液压机，采用水泵-蓄势站，包括 压机操纵系统的造价与油泵直接传动采用进口全部液 控、电控装置的造价大体相当，但是后者的使用寿命 和大修维护时间间隔延长，大大降低了维修直接费用 和间接费用支出，其中包括由于故障造成的减产而带 来的利润损失和人力窝工，以及伴随事故而发生的材 料利用率、能量、质量、人员费用开支以及其他方面 所造成的费用损失。

2.3 预应力机架结构对于锻造压机的适用性 1）人所共知的一个事实 普通非全预应力三梁四圆柱式水压机的机架属于 高次超静定空间受力框架，计算时通常做了种种假设。 现代计算机三维有限元（FEM）接触问题分析法的应用， 使机架的变形和应力获得了科学的和精确的求解。结 果显示：框架不再是那个刚性连接的平面框架，三个 梁也不再是那个刚度无穷大的简支梁了。 事实上，水压机在恶劣的锻造工况下，圆形张立 柱既作为机架又作为拉杆，还作为活动横梁的导向体。 张立柱不但时时承受满吨位不规则的脉动轴向拉力， 偏心锻造时，还要承受活动横梁的横向推力和弯矩， 以及由于上、下横梁变形而作用于内侧固定螺母处的 角弯矩。因而，张力柱总是在大幅值的单向交变拉应 力下工作，在快速加载和突然卸载产生剧烈振动和晃 动，成为液压机构件中最易破坏的一个零件，导致张 立柱发生断裂的例子屡见不鲜。有统计，16MN 以下的 锻造水压机，立柱断裂和损坏了几十根，25MN、31.5MN、 60MN、120MN 级的水压机立柱断裂事故都有发生。最 近，一台 60MN 非预应力三梁四柱模锻液压机在工作 147

700 万次后发生断裂。断口具有疲劳破坏特征，断裂 和损坏部位大多处于立柱在下横梁上平面拧螺母的螺 纹根部，或锥面与下横梁定位的立柱时，位于下横梁 下平面拧螺母的螺纹处。 如果将油泵直接传动简单地应用在这样一个胚子 上，或将焊接结构三梁和四圆柱式普通油压机作为锻 造压机使用，其整体刚性和运动精度可想而知，造成 焊缝开裂、油缸漏油的成因不言而喻。 2）什么样的机架结构更适合于自由锻造工况 工程中任何一项新技术的应用并不是独立存在的。 为提高锻造压机的速度和锻造频次，需要有足够的整 体结构刚度和导向精度设计的机架相辅相成。 一个不争的事实是，由于全预应力结构机架优异 的力学性能，在有色金属挤压机、薄厚板冲液压机、 金刚石液压机等设备中的广泛应用已经有很久的历史 了。欧洲至少在 40 年前就已经在万吨级的自由锻造压 机上采用了，而中国只是近 5 年才将全预应力结构应 用于各种吨位的自由锻造液压机，乃至万吨级的模锻 液压机，并很快为大家所公认，这是值得称道的。常 常是中心工作载荷的液压机可用之，在恶劣工况和环 境下的锻造压机上应用更具有其合理性。而且，实在 是对非全预应力结构的三梁四圆柱式水压机的一场革 命。 图 1 所示为全预应力机架的拉杆拉伸和立柱压缩 的力—变形三角形力学关系平衡图。当压机总装预紧 完毕后，机架在“a”点达到平衡状态；承受工作载荷 P 时，在“b”点达到新的平衡。显然，立柱始终处于 压应力状态，并且保持着一个梁与柱不开缝的残余压 力 P0，拉杆所承受的最大和最小拉力在 P2 与 P1 之间变 化，拉应力的变化幅值仅为最大载荷应力的 15%。理 论和实践证明，这种机架结构具有较高的整体刚性、 抗疲劳强度、承载能力和安全可靠性。同时，上、下 横梁的内侧不再需要固定螺母，无论是键定位或插入 式，不开缝，无需频繁紧固外侧大螺母，处于立柱内 的拉杆的循环应力幅值大为减小，永无磨损，可以说 在整机寿命周期内不会产生立柱断裂事故，各个构件 的使用寿命因此而延长，大大降低了设备维修费用和 寿命周期成本。 这就是近几年无论双柱或四柱式新型的 25MN 到 185MN 自由锻造液压机均采用预应力机架的缘由所在。

图1

预应力拉杆和立柱力—变形图

3）主工作缸为什么可以不漏油 全预应力机架立柱的典型结构为中空的矩形或方 形截面，因而也就为活动横梁提供了全封闭立柱外围 四平面导向的条件。导滑面接触面积大、面压低、耐 磨，导向元件寿命长，导向间隙调节和导板更换更加 方便容易；由于导板磨损而导致间隙增大，活动横梁 失去水准，可由传感器装置监控；特殊构造的活动横 梁超长导向结构，使内侧导板能够随着立柱横向的微 量变形保持自动贴合状态，有效地提高了导向精度， 实现了偏载力向立柱的传递。 同时，在主缸的柱塞与活动横梁的连接方式上， 采用了一种双球饺式活节摇杆轴结构设计，使允许的 锻造偏心距提高了一倍。工作时，锻造力通过铰接式 摇杆传递到活动横梁，而不是通过主柱塞直接传递； 由于铰接式摇杆的适应性转动，使偏心锻造所产生的 偏载力经立柱传递到上横梁，有效地减小了对油缸导 套与密封处的水平作用力，从而提高了密封能力和延 长了密封寿命。 勿庸置疑，新型构造的导向系统的优越性，都是 传统圆张立柱和导套所无法比拟的。其贡献不仅在于 技术层面上提高了压机抗偏心锻造能力，使压机保持 高的运动精度，使主工作缸不漏油，还在于经济层面 上提高锻件的尺寸精度和锻造质量，降低了维护经费 支出和设备寿命周期成本。

2.4 锻造压机配套设备的必要性 1）必须装备的工模具机械化处理系统 相对于其它压机如冲压压机、挤压机等，锻造压 机的负荷率比较低，一些 80MN、100MN 水压机的负荷 率仅为 45～55%，锻件年产量不到 3 万吨。很多水压 机缺少必要的机械化配套设施则是效率低下的主要原 因之一。 据统计，锻造水压机上每锻造一吨成品锻件要反 复搬运钢锭、坯料 8.5 次，若包含锻造工模具在内超 过 10 次之多，导致辅助作业时间长，有效开机率低下。 而在一台 10MN 油泵直接传动双柱斜置式锻造液压机 148

上，配置有一台 100kN-m 全液压轨道式操作机、钢锭 旋转升降台、双横向换砧装置、含有 6 种砧具的砧库。 只由一个操作工操作所有设备，快速地调换不同砧具， 由方坯一火干成了一支曲柄连杆锻件。 可见，无论是对锻造车间进行技术改造，还是新 建，装备工模具和锻件机械化处理系统是必要的。如 砧库、砧子横向移动装置、快速换砧和夹紧装置、钢 锭旋转升降台装置或钢锭运送小车或工具操作机等 “宜人化”功能性装置，不仅改善锻造车间的劳动环 境和条件，实现锻造作业自动化、机械化操作和文明 化生产，而且，可缩短辅助时间，直接降低消耗，提 高生产效率、设备负荷率和产量。与此同时，相对降 低了固定费用，达到降低成本目的。 此外，装备大截面气割装置，锻造之前对钢锭冒 口和底部进行切割，也是节省压机机动台时的必要措 施。 2）配置锻造操作机的必要性 传统水压机锻造生产过程中，主要借助于锻造吊 车、翻料机和钳把套筒进行坯料或钢锭的转动和送进。 那么，现代锻造车间配置锻造吊车是必不可少的吗？ 在国外普遍认为操作机是提高锻造工效和生产率 必备的手段，因而所有锻造液压机上均配置有锻造操 作机。某厂 80MN 水压机配备了一台 2100kN/4000kN-m 锻造操作机，生产效率比原先采用的两台锻造吊车提 高了 1.6～2 倍。某厂 140MN 水压机经现代化改造，配 备了一台 1600kN/4000kN-m 锻造操作机，在 600MW 级 的低压涡轮转子轴的锻造中，锻造时间缩短了 8%，设 备负荷率可达到 74%，实际月产量增加了 20%。由于不 受起重机更换工模具作业的限制，辅助时间缩短了 12%。 整个周期花费的时间比较如表 2 所示。 表2 过程 改造前(小时) 改造后(小时) 锻砧更换 5.0 4.4 锻造 6.0 5.5 总计 11.0 9.9 相反，某新厂延续了传统水压机车间设备的配置 思想，采用了一台 200t 的锻造吊车，与一台现代的 80MN 自由锻造油液压机配套。投产后，经常锻造 80-90t 的钢锭，锻造吊套筒套料烟熏火烤苦不堪言， 操作极为不便，效率极为低下，一支轧辊竟然需要 10 多火。迫不得已，只好又筹划上一台 100t 以上的锻造 操作机。 事实充分说明，即使是油泵直接传动的锻造液压 机，没有操作机的配合，压机的技术性能也不可能得 到充分发挥。因此，在现代化的锻造车间，尤其在大 型自由锻造液压机上配备轨道式锻造操作机已是必不 可少，而且一台锻造液压机左右各配置一台有轨操作 机已逐渐成为一个新的发展趋势。

四柱水压机工作起来还晃动，双柱机架能稳定？ 由于锻件工艺设计如剁切、错移、扭转引起的偏 太原重工在新型的自由锻造液压机开发和研制中， 锻，材料加热不均匀性影响，工具位置影响等所引起 消化吸收了国外同类液压机的先进经验，运用现代设 计方法和手段，成系列地开发了 25MN、35MN、45MN、 的非对称加载，锻件抗力远小于常锻压力，都是在压 机设计允许的偏心距锻造范围内。尤其是采用轨道式 63MN、80MN 和 125MN 级别的油泵直接传动的双柱斜置 操作机后，极大消除了意外大偏心加载的可能性。导 式预应力机架自由锻造液压机，以及与之配套的不同 致水压机加载和泄压时机架的晃动和不稳定因素主要 吨位的全液压轨道式锻造操作机成套装备，并实现了 是：水泵—蓄势器传动固有的高压水力冲击产生的横 向市场供货。目前，正在为某公司研制一台世界最大 向力，三梁四圆柱结构必须承受单向大幅值的交变载 吨位的 200MN 双柱型自由锻造液压机，并在制订“双 荷，活动横梁圆导套的点接触应力状态而引起的不均 柱型自由锻造液（油）压机”推荐性国家或行业标准。 匀磨损和导向间隙增大，任一侧的两根立柱都不可能 1）自由锻造压机技术进步的一个标志 均匀受力，即会导致单根立柱承受偏心载荷等。这里 历史雄辩地证明，基于对结构力学和材料力学知 也有操作者的随意性问题。 识的掌握，对于一个满足工艺参数要求的规范化的设 从材料力学分析可知，构件的抗弯面积惯量，即 计，只要其构件能够借助于现有的装备和手段制造出 截面惯性矩是衡量截面抗弯能力的一个判据。在截面 来，对于压机结构的多样性及任何形式的结构设计没 面积相同的情况下，矩形横截面构件的惯性矩是最大 有一个必然的限制。 的，抗弯曲性比圆形或是正方形截面更稳定。即使是 40 年前的锻造水压机大都是四柱式结构，近 40 四根矩形截面立柱，将任一侧的两根分体立柱截面的 年以来，在国内外已建和在建的 13 台超过万吨级的自 惯性矩叠加起来，总惯性矩也仅是具有相同截面面积 由锻造液压机中，10 台为四柱式，双柱式为 3 台，分 和结构特性的一根整体立柱的 1/4。关键是，必须以 别 是 ： 1971 年 日 本 铸 锻 钢 公 司 油 泵 直 接 传 动 的 适当的方式利用这种效果。图 2 所示双柱斜置式机架 80/100MN 双柱式锻造压机，1976 年法国克鲁索钢铁厂 布置，较四柱式具有较大的截面惯性矩和抗弯刚度， 水泵-蓄势器传动的 90/110MN 双柱式锻造压机，两台 允许偏心锻造范围大，并且能够达到很好的平衡和稳 都已使用了 30 多年。据一份来自 2008 年 IFM 会议的 定性。 报道：克鲁索 90/110MN 锻造压机承担着 40%大型核锻 通过计算， 万吨级锻造压机的共振频率仅为 3~5Hz。 件国际市场份额，28%石化大锻件市场份额，在这两个 实际上，在这样大的压机上无论何部位产生 300 次 领域中处于关键和不可缺少的角色和地位。即使每天 /min 的频率都是不可能的，因而也不必担心快速锻造 连续 24 小时运转，仍不能满足市场的需求。 时产生共振影响。 这里回答了人们关于双柱式锻造压机是否能够长 期可靠地使用问题。第三台诞生于离我们很近的 2008 图 2 双柱斜置式机架与四柱式机架布置比较 年，150MN 双柱下拉式自由锻造液压机在韩国太熊公 司投产，又使得诸如“双柱结构仅能用于 80MN 以下压 3）空心矩形立柱和多拉杆结构设计 机、双柱下拉式结构只适用于 30MN 以下的小型压机” 实践证明，采用多根拉杆优于只用一根拉杆。空 划分说不再成立。 心矩形断面立柱的材料远离中性轴，多拉杆可随之远 原来仅有一两台，大家在观望，现在多起来，被 离布置，受力均衡。每根拉杆直径一般在φ 160~φ 更多人接受，这就是进步。从 2000 年以来，世界仅 240mm 间，材料的许用应力可达 700MPa，安全系数一 35MN 级以上双柱结构锻造液压机就增加到 20 台以上， 般在 2.5 以上。拉杆螺纹根部加工误差小，产生的弯 其中以 63MN、70MN、80MN 级居多。正在某厂安装的 曲应力影响较小，材料组织和热处理性能均匀性好， 185MN 自由锻造液压机，将双柱结构压机的设计技术 可用较小的液压预紧缸分别变张力预紧每根拉杆，应 演绎到了极致。但是，还未投产就与世界之最擦肩而 力均匀一致性好。 过，成为历史，被太重制造的一台 200MN 双柱型自由 传统水压机的四根张立柱虽然设置有限程套，能 锻造液压机的记录所刷新。 部分防止氧化皮、工具等对张立柱表面造成损伤。但 除了具有前述预应力机架结构的所有优点外，双 却不能阻隔由于钢锭或锻件的热辐射，对张立柱的应 柱式锻造液压机较四柱具有较大的操作空间和工艺适 力和变形的不均匀影响。锻件大量的热能传递影响， 应性、易于接近中心、钢锭进出空间大的特点，以及 与距离的平方成反比。恰恰在双柱斜置式机架中，才 良好的可操作性和可视性。这也是引起人们重新审视 可能使拉杆由于立柱的阻热作用，更多地远离了热源。 和接受双柱式的原因之一。 这种空心结构立柱犹如一个自然烟囱，既可直接阻隔 来自钢锭或锻件热的热辐射，又可通过下横梁的出砂 2）双柱机架的稳定性判据 孔或立柱外侧开口，将冷空气吸入，使聚集在在立柱 在大型自由锻造液压机上采用双柱结构机架的设 内部的热气流从上横梁的出砂孔散出，有效防止了热 计是具有挑战性的。最有争议的一个问题是，多少台

3

现代双柱型自由锻造油液压机

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辐射造成拉杆的不均匀伸长。一台已运行了 30 多年的 110MN 压机，其拉杆的预应力偏差低于 10%。此外还能 完全防止氧化皮、工具等对拉杆表面造成损伤。 4）结构的整体性与安全性 任何一个设计人员宁愿尽可能采用较少的构件， 使主要构件整体化，尤其上横梁、活动横梁、下横梁、 机架等各主要构件，以避免它们之间的连接问题，由 此带来附加的磨损、潜在的失效、以及维护和修理的 附加要求。但任何一台万吨级以上的锻造压机，这几 个构件的净重都会超过 200t，铸造、热处理和机加工 都是有难度的。如果采用铸焊结构或焊接结构替代整 体铸造结构，存在诸如材料重量增加、焊缝质量、退 火处理、焊缝疲劳寿命等问题。因而，常常要将主要 构件分成两件或更多件，采用机械连接方式。同时， 为了避免制造、运输、吊装等一系列问题，大凡超过 100MN 压力的锻造压机大多是在当地借助于自身的条 件设计建造的。 但是，特殊的细节设计可将分体结构的不安全因 素减少到最低。诸如应力集中部位结构的优化和加工 处理，出砂孔光刀处理和磁粉探伤，上横梁安装主缸 孔的大圆角过渡，防止活动横梁非正常下落措施，超 允许偏心矩加载测控，拉杆防松和应力监测，事故状 态或停电后的处置等等。

4. 结论 1）从锻件生产的经济性要求出发，在自由锻造液

压机上采用油泵直接传动全液压控制系统、矩形或方 形立柱全预应力机架结构、锻造操作机等机械化操作 配套设备的趋势不可逆转。 2）对传统水压机的结构、操控系统和配套设施进 行技术改造，开发研制满足使用工艺、高效低耗和利 于操作维护、实现锻件近终成形的新型锻造液压机， 是一个必然的发展方向。 参考文献： 1．蔡墉，“国内外锻造液压机的发展历程与现状”， 中国锻造行业发展研究（2009） ，P. 188.

2. 王凤喜，“锻造水压机与配套设备的发展”，重型 机械,1996, №6.

3. MODERNIZATION OF THE STRONGEST PRESS IN 150

JAPAN--Efficient Operation with Modern Forging Manipulator，Murai, Kudo, Dango, Krusch, Mende, Orthey, Kikuchi: 17th IFM, 2008, P.179 ff.

4. 郭玉玺，“当代自由锻造（快锻）装备和技术发展 新 趋 势 ”, 西 班 牙 第 17 届 国 际 自 由 锻 造 会 议 , （IFM2008,P.169）.

5．俞新陆，“液压机的设计与应用”，机械工业出版 社，2007.

6. 姚保森，“我国锻造液压机的现状及发展”[J].锻 压装备与制造技术，2005（3）;28-30.

360MN 无缝钢管挤压机的 30 兆瓦液压驱动系统 Michael Pahnke，（德国 Wepuko 液压公司，密支根，德国 www.wepuko.de） 吴任东副教授，（北京清华大学，中国） 雷丙旺总经理，白箴高工，（北方重工，包头，中国）

1.简介 当今世界随着电力、石油 化工、船舶、机械加工等 工业的快速发展，带来对 高强度大口径厚壁无缝 钢管的需求。特别是随着 电力技术的发展，发电机 组向大容量、高参数、环 保型的超临界、超超临界 方向发展，随之带来了对 大口径厚壁无缝钢管的 市场需求。另外，为了降 低大口径厚壁无缝钢管 的制造成本，将以往锻造 钻孔的制造工艺改为直 接挤压成空心管坯制造 工艺，它不仅大大降低了 制造成本，而且还提高了 大口径厚壁无缝钢管的 Fig 1： 360 MN 挤管机 内在质量。为此研制了生 产大口径厚壁无缝钢管的设备，我的这篇报告就是 要介绍这种大型厚壁无缝钢管挤压机的驱动系统。

Fig 2 PMSD 驱动系统的设计原理

全世界而言，节能这个特点也是非常必要的，特别 是在高速发展，电能需求高于供应的中国。 PMSD 驱动系统的独特之处是直接将缸体和伺 服控制变量泵连接起来，而不通过定向控制阀(Fig. 2)。 这就是该系统耗能低的主要原因之一。而且直接 的泵与工作油缸连接不论对于六个主柱塞的平衡控 制（这点对于机架的稳固非常重要） ，还是使挤压模 具磨损的最小及挤压产品的精确度都是简洁和上乘 的选择。 另外， PMSD 驱动系统也以平稳无冲击的正弦曲 线型动作和精准的控制而著称。在模锻压机上不使 用比例阀，速度变化从 0.05 到 50mm/s，精确度可达 +/- 10%。所以，我们的驱动系统即便是使用在模锻 机上也能够将能耗控制在最低。 PMSD 驱动系统的核心是威普克公司生产的 RX 型高压径向柱塞泵。这种泵能够在满负荷的状态下， 无级变量，在非常短的时间里完成换向。

2.这台大型挤管设备的使用客户和制 造者 位于内蒙古包头市的北方重工决定投资上马了 这台特殊的挤管设备。这台设备填补了制造同类锻 造产品及其它各类产品的空白，特别是用于电力、 石油化工、船舶、机械加工等工业的产品。 为了节约投资、优化结构，并且两台设备 360MN 立式挤管机和 150MN 开坯成型机共同使用一套液压 驱动和控制系统。

3.液压系统的设计 2006 年底，德国威普克液压有限公司获得了建 造可能是世界上最大的油压驱动系统的订单。这套 驱动系统为大型的 360MN 立式挤管机提供动力。该 系统的安装功率达到 28MW， 高峰用电量达到 30MW。 耗电量如此之巨大，之所以选择威普克公司做为该 驱动系统的制造供应商，其主要原因是我们 PMSD 驱动系统（即潘克改进型正弦驱动系统）的独特设 计能够为其运转提供最低的实际耗电量。当然，就

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Fig 3

RX 型径向柱塞泵

通过这种泵对压机油缸速度的精确调整，压机 可以同时控制位置和压力，并且能够迅速修正外界 因素带来的偏差。 尽管我们的这种驱动系统在很多的大大小小的 压机上得到过应用，已经为大家所熟知。但是，对 于本项目中的这两台特殊的压机设计和供应驱动系 统对我们来说依旧是个挑战。特别是将 42 台主泵的 控制任务分配给两台压机的 6 个主缸和众多大型辅 助缸体以及它们的动作次序，而保证所有的运转都 能完全受控而无中断，的确是一个并不简单的任务。 (Fig. 4)

Fig 5

管路布置图(level -1))

4.电子控制系统

Fig 4

象每个人所料想的那样，设计这套庞大的电控 程序和系统控制调试也是一项非常艰巨的任务。不 仅仅是 42 台主泵还有其他许许多多的辅助设备都要 在监控之下安全运行。 而且，每 7 台泵组成一个单元分别供给 6 个主 工作缸也需要额外的斟酌设计原理。所有的油缸控 制必须保证在压机动作时的运行平行度，特别是在 加压进行实际的工作行程的时候尤其重要。 对工作缸的速度变化精确调控即可通过手动控 制也能使用自动控制。两台压机每台使用一个控制 操作台。当然，对于这套两台压机共用一套液压驱 动系统的设备还需要使用安全联锁系统以便监测到 压机任何意外的动作或压力形成时做为备用。 (Fig. 6)

液压原理图（部分）

另一项挑战是用大口径厚壁无缝钢管将众多大 型泵和缸体联接， 系统运行的工作压力达到 420bar、 而且流量巨大。 液压设备占用了靠近挤压机的 4 个地下泵房， 每个泵房的面积大约为 50m X 20m。 只计管径超过 38 毫米的管路，泵房和压机坑里 需要安装和固定管道的总长度就超过 8 公里，另外 还有其它小管径管路达 8 公里。

Fig 6

操作台

在程序调试和测试时，我们耗费了大量的时间 解决一些错误和系统出现的问题。针对这个庞大的 系统调试我们需要做更多的工作使它工作更好，并 且维修人员在成百个阀的传感器和开关中追踪轨迹 找到问题所在也需要得手的工具和丰富的经验。

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(Fig. 7)

Fig 7

两台压机的控制室

5. 系统调试 这台令人期待的压机和巨型驱动系统仅仅在 2 年之内就已经完成。2009 年初，开始总长 16 公里的 管路冲洗工作。我们大致用了 3 个月的时间才完成 了冲洗。我们的这种不懈的努力在之后的功能和生 产测试中得到了肯定。 从投产开始直到今天，42 台主泵中仅有一台出 现了问题，这个问题还是由于原件的控制出错所导 致，并不是油质不好所引起。 2009 年的 6 月份，制坯压机开始试生产，随之 从 2009 年 7 月开始的大约 2 个月生产中，都可以在 威普克公司监管并不在现场的情况下正常进行。 2009 年 9 月 30 日，整套系统交付给客户使用。(Fig 8) 在前期的生产工作中，我们也一直在优化调整 模具设计和机械系统等等方面。但这并不影响几千 吨的优质大口径厚壁无缝钢管的生产。

Fig 8

第一根管的生产

但是，在这套设备上所生产的产品却同大多数 自由锻上所制造的产品有着一样的特征和相似的参 数。自由锻造机也同样应用于生产大型厚壁无缝钢 管和筒件。所以这套设备会在某种程度上成为中型 自由锻造机所制造的产品的竞争者。同时这种产品 的市场应用和使用者范围也大致相同。最后，但也 最重要的一点就是在这套设备上所应用的液压系统 与通常的模锻设备和大型的自由锻造设备上并无相 差很多。所以，对这套系统的设计理念、设计参数 包括电子控制系统和数据监控等都非常相似，所以， 我们的系统设计和使用经验是可以双向适用的。

6. 结论 对于你们中的大多数人来讲，这个报告也许并 不真正适用于一个锻造专家的会议。某种程度上可 以说你们是正确的，因为这台机器主要的工序是挤 压。

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新型全液压自由锻锤 胡大勇. 夏德仕. （北京宁远兴达技术开发有限公司 北京 100089） 摘要：锻锤作为目前中国锻造行业十分主要的设备，已经和正在经历技术升级。本文介绍了单杆、排油打液气 锤的系统工作原理和各控制阀的工作原理，分析了该液气锤存在的油气互串、内漏生热、冷锤现象、液压冲击、 安全性差等原理上的缺陷。而全液压驱动的电液锤正可以克服液气锤的原理性缺点。目前全液压电液锤已在各 种规格系列的模锻锤和自由锻锤上得到应用，实践证明电液锤是液气锤的理想的升级换代产品。本文重点介绍 了全液压电液锤的原理及其优点和应用。 关键词：液压锤 液气锤 电液锤

0 前言 目前社会生产的发展对锻造设备提出了如下更高的要求： ① 提高设备生产率，降低设备故障率，适应锻件交货期短的趋势； ② 提高设备的通用性，适应多品种小批量生产的趋势； ③ 提高设备精度从而提高产品精度并且降低原材料消耗； ④ 提高可维修性及安全性； ⑤ 节约能源，改善工作环境； ⑥ 提高设备数字化和自动化能力。 锻锤作为通用性最强的锻造设备，只要通过不断的技术改造和技术升级，适应新的要求，仍然会在以后的 社会生产中发挥巨大的作用。 到目前国内锻锤已经大规模进行了第一次升级，即将蒸空锤升级为液气锤。其依托主要是单杆、排油打液 气锤技术。至 1996 年，我国原有蒸汽-空气锤 2300 多台，至今已有 90%得到改造，已改造的蒸汽-空气锤有 80% 以上是用单杆、排油打液气锤技术进行改造的。近年来随着锻造行业的快速发展，新加工的液压锤尤其是自由 锻锤快速增加，初步估计 1996 年至 2008 年底新增加近 500 台，其中 95%以上是采用单杆、排油打液气锤技术。 虽然单杆、排油打液气锤得到了广泛应用，其性能也基本满足各种锻压工艺的要求，但它并非十全十美， 通过大规模生产应用逐渐暴露出其原理性缺陷。这些缺陷所带来的故障大大影响了液压锤的工作效率。

1 单杆排油打液气锤的工作原理 单杆、排油打液气锤液压系统如图 1 所示。其工作 原理是：在锤杆活塞上腔密闭一定体积和压强的气体， 锤杆活塞下腔连通受控高压油。当液压站提供的高压油， 经过主操纵阀、快放阀进入锤杆活塞下腔时，锤头回程， 同时锤杆活塞上腔密闭的气体被压缩蓄能。当主操纵阀 换向，快放阀在压差作用下快速打开，锤杆活塞下腔受 控高压油快速泄低压时，锤头打击。其技术的关键在于 主操纵阀和快速放液阀的性能。

2 液气锤常见故障及原因分析 2.1 锤杆活塞油气互串 由图 1 可知，液气锤锤杆活塞上腔是密闭的一定体 积和压力的氮气，锤杆活塞下腔连通受控高压油，是油 气同缸，所以油气互串不可避免。锻锤工作过程中系统 压力达到 10 MPa 以上，打击时锤头的运行速度达到 7 -1 m²s 以上，PV 值很高，缸衬外围是密闭的氮气，散热 效果不很理想，所以锤杆活塞的密封圈工作环境较差，寿命相对较短。据某锻造厂统计，采用国产密封圈，平

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均寿命只达到 4 个月；采用德国进口密封圈，平均寿命也只达到 10 个月。锤杆活塞密封效果降低，就会在工作 过程中使下腔的高压油窜入上腔，主缸上腔的氮气压力越来越高，锤头的回程速度越来越慢，灵活性越来越差。 当窜油严重时，每个班需要多次放油。锤头停止工作时，主缸内的氮气又会漏到下腔而排入邮箱，压力不断降 低，再开锤时必须重新充气，否则达不到额定能量。此时，锤杆活塞的密封圈必须更换。更换锤杆活塞的密封 圈时，必须先将主缸内的氮气放掉，拆下缓冲缸系统，脱开锤头与锤杆的连接，更换完成后再重新充气到额定 气压。这项维修是在锤上进行，属高空作业，维修困难，而且也不可避免带入污染物。

2.2 缸衬下部油气互串 由图 1 可知，缸衬下部也是液气锤油、气的交界面，该处的密封失效和锤杆活塞密封失效的故障现象是一 样的。原因主要有：加工精度差、密封圈质量差、缸衬串动、锤头偏击使锤杆弯曲带动缸衬侧向挤压定位面破 坏了原密封精度。在锻锤的实际生产过程中，该处的密封圈为静密封，寿命要高于锤杆活塞的密封圈寿命，但 该密封一旦失效，维修更加困难。更换密封圈时，必须先将主缸内的氮气放掉，拆下缓冲缸系统，脱开锤头与 锤杆的连接，提出锤杆和缸衬，有时由于行车高度不够还需拆掉主缸，在提锤杆时有可能将缸衬一并提出，还 必须将二者分开，更换完成后再重新充气到额定气压。这项维修也是在锤上进行，属高空作业，维修困难，停 机时间长，而且不可避免带入污染物，还容易造成零件碰损。一旦该处密封面尺寸精度遭到破坏，维修率将大 幅度提高，有的甚至必须拆下动力头重新加工。实践证明，在备品备件充足的条件下，该处是停机时间最长维 修最复杂的故障点。

2.3 内漏生热 液气锤主操纵阀的原理如图 2 所示，是一特殊设计的随动阀，由阀芯、随动阀、固定阀套等组成，特点是 用很小的操纵力使大通径滑阀得到准确的移动。 由图 2 可知，液气锤主操纵阀为一特殊设 计的随动阀，是滑阀机能。其灵敏性和密封性 能是靠阀芯和随动阀的间隙和掩盖量控制的， 这是矛盾的统一体，掩盖量小，随动阀的灵敏 性好，锤头的灵活性高，但同时密封性能和寿 命差；掩盖量大，密封性能好，但同时随动阀 的灵敏性差，锤头的灵活性差。在生产过程中， 操纵手柄每操控一次，随动阀也会运动一次， 锤头跟随运行一次。锤头运动越频繁，随动阀 运行也越频繁。当一定时间后，阀芯的掩盖部 分及随动阀间隙均会变大。由液压理论可知， 环缝间隙的流量和环缝间隙的立方成正比。当 间隙变大，内漏量明显变大，这可在锤头静止 不动时由系统卸荷次数直观确定。主操纵阀内 漏越大，系统温升越快，温度越高，介质油的 粘度越低，从而促使内漏增大，形成恶性循环。严重时系统无法正常工作，必须更换主操纵阀。 另外，由主操纵阀的原理可知，在随动阀跟随阀芯移动过程中，需放油的驱动端仍通过小孔进油，只是进 的少、排的多，这不仅影响随动阀的灵活性，而且也是一个原理性的生热点。不正常生热都会造成能源的浪费。

2.4 冷锤现象 所谓的“冷锤”现象是指司锤在正常工作过程中，需要锤头慢下时，锤头却形成打击。 “冷锤”是出现废品 甚至工伤的主要原因。打“冷锤”的原因是由于快速放液阀受到扰动不正常打开造成的。快速放液阀位于主操 纵阀和锤杆活塞下腔之间，是一个液控开关。由浮动环、浮动套、阀套、后堵等组成。快放阀接受主操纵阀的 指令，控制油液的进入和快速排放，保证锻锤工艺动作的实现。其结构原理如图 3 所示。

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图 3 中心线下部的所示是锤头慢下时快速放液阀各零件的位置，浮动环右端与阀堵贴合，形成节流，浮动 套右端油压有所下降，但由于浮动套左端受高压油作用的面积较右端小，使得浮动套仍能保持不动，锤杆活塞 下腔高压油经主操纵阀慢慢卸掉，锤头缓慢下降。此时一旦出现不应有的扰动，浮动套就有可能打开形成打击， 即出现“冷锤” 。浮动套一旦打开形成打击，再想收锤就比较困难了。

2.5 封下口喷油 封下口喷油是指大量高压油瞬间从封下口喷出，喷到锤下的热工件上就会造成着火。在生产过程中发生此 故障往往都会造成非常严重的后果，甚至造成人员伤亡。造成此故障的原因一是由于封下口脱落，二是由于锤 杆从中部断裂。防止封下口脱落可采取定时维护来预防，但锤杆从中部断裂是很偶然的，很难预见。为此有的 用户采用乳化液替代液压油来充当驱动介质。但乳化液粘度系数小，润滑性能差，水易挥发造成性能稳定性差。 有的设备在封下口部位安装行程开关或接近开关用以采集锤杆断裂的信号，当采集到锤杆断裂的信号后，马上 发讯关停电机。但液气锤系统都设置了相当容量的蓄能器，如果只关停电机而不能封堵蓄能器，同样会造成喷 油着火事故。另外电器元件装在锻锤上易坏且不易察觉。最理想的是采集锤杆活塞下腔的压力信号，用机械装 置封堵蓄能器。但液气锤锤杆活塞下腔的压力信号是交变的，低压信号和锤杆断裂喷油时的信号是相同的，所 以对液气锤来讲靠采集锤杆活塞下腔的压力信号，用机械装置封堵蓄能器是不能实现的。 由此可见，虽然液气锤和蒸-空锤相比已有了质的飞跃，经过许多工程技术人员的不断总结和提高，液气锤 已在各种工况条件下、在各种规格系列的锻锤上得到成功应用，但由于仍然存在上述的许多不足，为正常生产 带来许多不便，不能很好适应社会生产对锻锤提出的新要求。要想彻底解决这些问题必须采用全液压驱动液压 锤——电液锤。 在目前国内市场上只有北京宁远兴达技术开发有限公司研制开发的电液锤液压系统可完全满足自由锻锤的 各种工艺要求。

3 全液压驱动电液锤的原理 全液压驱动电液锤是指锤头的打击和回程均为液压油驱动的液压锤。其原理是：锤杆活塞下腔常通高压油， 通过控制活塞上腔油的进出来实现打击和回程。上腔进高压油时，虽然锤杆活塞上下腔油压相等，但锤杆活塞 上端是一个圆的面积，锤杆活塞下端是一个环的面积，由于有面积差形成作用力差，再加上落下部分的自重实 现向下打击；活塞上腔泄低压时，液压油作用于活塞下端环面积的力克服落下部分的重力及相应的摩擦力实现 回程。 图 4 所示是由北京宁远兴达技术开发有限公司已研制开发的全液压电液锤液压系统。由图 4 可见，系统输 出的高压油直接连通蓄能器和锤杆活塞下腔 C，当主操纵阀处在 O 位时，锤杆活塞的上下腔互不联通，锤杆停在 任意位置；当主操纵阀处在 b 位时，锤杆活塞上腔 B 通过较小的通径和油箱连通，以较慢的速度放油，锤头就 以较慢的速度上行，即慢上；当主操纵阀处在 a 位时，锤杆活塞上腔 B 通过较大的通径和油箱连通，以较快的 速度放油，锤头就以较快的速度上行，即回程；当主操纵阀处在 c 位时，锤杆活塞上腔 B 通过较小的通径和系 统高压油连通，系统的高压油以较慢的速度进入锤杆活塞上腔 B，锤头就以较慢的速度下行，即慢下；当主操纵 阀处在 d 位时，锤杆活塞上腔 B 通过较大的通径和系统高压油连通，系统的高压油以较快的速度进入锤杆活塞

156

上腔 B，锤头就以较快的速度下行，即打击。

该系统将控制阀和执行阀合二为一，只利用一套自行研制伺服滑阀来控制锤杆活塞上腔高压油的进出及进 出油量的大小。该主操纵阀的每个位置都是可无级调节的距离段，非常方便操纵。由于滑阀具有过渡态且为无 级变化，伺服滑阀通过精确控制阀开口的大小及开断就可以做到用同一套操纵系统实现锤头的慢升、慢降、打 击、回程、急收、任意位置悬锤、压紧、不同行程不同频次连续打击等动作。所以该系统即可满足模锻锤的工 艺要求，也可满足自由锻锤的工艺要求（专利技术） 。

4 全液压电液锤的性能优点 由全液压驱动电液锤的原理决定了其具有如下优点： （1）杜绝了锤杆活塞及缸衬下端的油气互串问题； （2）回程时活塞上腔背压很低，在系统压力相对较低的条件下回程速度提高，打击频次加快，从而生产率 显著提高； （3）去掉了主缸配气系统和副气罐，使结构简化； （4）由于锤杆活塞密封圈的工作环境得到改善，同时由于对锤杆活塞的密封要求降低，使密封圈的寿命大 大提高，更换次数大幅度减少； （5）由于活塞下腔通常高压，故打后锤头回程不滞后，焖模时间短，模具（砧块）寿命提高，且工人翻转 工件方便省力。 另外，由北京宁远兴达技术开发有限责任公司研制开发的全液压驱动自由锻电液锤还具有如下特点： （1）快进油口和快放液口均为伺服控制，杜绝了液气锤偶尔出现的“冷锤”现象，操作更加安全可靠； （2）主控阀为自行研制的专利控制阀具有滑阀控制和锥阀密封的双重特性，增加了阀口开闭的可控性和密 封性，使系统内漏减小，生热减少，且适用范围广，可以满足 1~20 t 模锻锤及 1~10 t 自由锻锤的需要； （3）控制系统能够对系统的用油量进行实时监控，当系统用油量多时多台泵同时带载，当系统用油量少时 个别泵带载，其余泵实施强行卸荷，这可大幅度降低泵和卸荷阀的卸荷次数，减少液压冲击，提高了泵和卸荷 阀的寿命； （4）系统设置超压保护和失压保护，当主进油软管破裂或锤杆中部断裂从密封下口喷油时，系统能及时关 闭蓄能器油路出口并随即关停电机，提高了系统的安全性，该技术采集的是锤杆活塞下腔的压力信号，通过机 械连锁实现安全保护，克服了电信号对电路通断的依赖，更加安全可靠。

157

其中， （2） （3） 、 （4）所述技术已申请专利。 到目前为止该系统已成功应用于 2、5 和 10 t 模锻锤，1、3、5 和 8 t 自由锻锤、0.5，1、2 和 3 t 单臂自 由锻锤。 有一些实例也可说明电液锤比液气锤的优越。一是 0.5 吨单臂锤，0.5 吨单臂锤的主要性能要求是高频次的 轻击快打，在额定气压下的 0.5 吨蒸空单臂锤轻击快打的频次可达 200 次每分钟左右。原来有两台用通过液气 锤技术改造的 0.5 吨单臂锤每分钟轻击快打的频次最快只能达到 130-140 次，压锤严重，工人不愿使用。通过 用全液压的电液锤技术进行改造后，每分钟轻击快打的频次最快可达到 180 次，虽然和气锤比稍有降低，但基 本上满足了工人的司锤习惯。这样就可使拥有 0.5 吨单臂锤且必须使用的企业彻底摆脱蒸汽锅炉或空压机，达 到节能的目的。 另外南京某公司原来拥有 3 台 5 吨自由锻液气锤和一台 3 吨单臂液气锤，2008 年与北京宁远兴达技术开发 有限公司合作将 3 吨单臂液气锤改造为全液压电液锤，在使用一年后，明显比较出其性能及稳定性比液气锤的 优越，2009 年又将一台 5 吨双臂自由锻液气锤改造为电液锤，通过与液气锤对比其重及频次由液气锤的 55 次每 分钟增加到 65 次每分钟，真正是趁热打铁，停机维修时间由每月平均 3 天降低到 1 天，产能增加了 30%。这两 台设备的改造只是将原来的液气动力头更换为新的全液压动力头，原来的液压站、电控系统、管路都不用动， 停产的时间最多 3 天。

5 结语 只要设计合理，全液压电液锤原理不仅可满足模锻锤的工艺要求也完全可满足自由锻锤的工艺要求。实践 证明，全液压电液锤不仅从原理上而且从性能上都比液气锤优越，和液气锤相比故障率可降低 60%以上，并且维 修维护方便，是液气锤的升级换代产品。单杆排油打液气锤和全液压电液锤的液压站和控制系统均可互换，在 目前液气锤的基础上只要更换原动力头或对原动力头进行二次加工改造就可将原液气锤升级为全液压电液锤。

参考文献： [1] 高乃光. 锻锤［M］. 北京：机械工业出版社，1987.

[2] 李永堂. 锻压设备理论与控制［M］. 北京：国防工业出版社，2005.

[3] 吉明. 锻锤［M］. 北京：中国工业出版社，1961.

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核电及其他大型电站锻件检测中的相控阵技术 Dr. Pierre N. Marty; Mr. Günter Engl. (IntelligeNDT Systems & Services GmbH, 德国)

iNDT 系统服务有限公司是 AREVA 公司的下属子公司，专注于自动化无损检测系统产品及服务，特别是核电 行业、冶金行业和锻造行业。 二十世纪八十年代后期，针对现在服役的核电部件的检测，iNDT 公司开发了许多创新技术。特别是针对不 同锻件开发鉴定了几个传统超声波检测技术和相控阵技术，以及自动化半自动化机械手。借助大量的经验，我 们把这些技术应用到其他领域，特别是大锻件、钢质零件生产过程中的检测以及焊接结构的检测。 本文中，我们列举了几个 UT 检测和机械手技术的实例以及如何使之应用到工业生产中。在实例中，我们介 绍了几个已经安装在客户方的特殊的创新系统，这些系统是针对壳体、饼状锻件、封头、轴的检测开发的。同 时，我们也详细介绍了我们设备的高耐用性和可靠性结构以及 UT 技术带来的效益。选择 iNDT，伴随着高可靠性 和高生产效率，您将获得检测过程 100%成功的保证。

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用液压机高效锻打管件的工艺 尼古拉.彼得罗夫，巴维尔.彼得罗夫（俄罗斯重型锻压机械股份公司 Web: http:// www.tkpo. ryazan.ru E-mail: ks @ tkpo. ryazan.ru） 外径大于 426 м м 且与壁厚相差 5,5 -9,0 倍的管子属于大直径的厚壁管。 制造这种管子的方法通常为轧制、压制、压机或径向锻机锻打，或其他。 要想保证管件质量，初始毛坯质量非常重要。作为初始毛坯，通常采用实心钢锭或空心钢锭，以及离心铸 造的空心毛坯。 采用日本产带顶管机的轧管机组，可生产直径达 1120м м 、壁厚达 200 м м 管件。 采用水平液压机，主要可生产外经达 850 м м 的钢管。 采用径向锻机，不仅可制造锻管，还可制造内外形状复杂的空心锻件。

图 1. 在径向锻机上一次行程使管件成型

这种工艺比较先进，因为它可保证较高的生产率、尺寸精度、金属有效利用率，还能降低能耗。但是，它 只专长于拔伸工序。此外，因其自身结构的特点，外形尺寸大，至今也只局限于 3000 吨以内。在这种情况下， 其毛坯最大直径也只能达到 850 м м ，那么，其成品管件的直径就小多了。 直径大于 600 м м 的厚壁管往往在压机上通过锻打钢锭获得。用压机生产管件的工艺包括：

160

图 2. 用压机锻打管件的工艺流程

该工艺优点在于：消除了穿孔时给钢锭造成的缺陷区域，从而使金属质量得到保证；因可采用最简单的工 装（被操作机夹钳夹持的长芯棒和吊车挂钩） ，用通用锻造液压机即可锻打。然而，一旦管件和芯棒重量超出操 作机载荷，该工艺便会显现其缺陷：  用芯棒锻造效率低，因为锤头挤压时毛坯展宽，金属沿毛坯轴线纵向流动不畅，而且锻打行程次数和预 热次数较多；  能耗高（燃气和电力）；  金属烧损严重；  制造精度低；  机加余量增大；  金属有效利用率低；  锻件长度受限（受限于芯棒长度）。 还有一种工艺：利用一系列直径缩小的环，通过拔伸预先穿孔的毛坯，可制造直径达 1200 м м 、 长度达 10 м 的管子。该工艺的缺点在于：  劳动量大；  管子壁厚差大；  金属有效利用率低。 世界上还有其他的制造管件毛坯的工艺，但少有推广。 俄罗斯重型锻压机械股份公司掌握了一种新型的制造锻管的工艺，可锻打各种钢材的管件，其中也包括高 合金钢。正如上述列举的大部分工艺一样，毛坯是空心的。由于本厂具备一定的工艺能力，所以同时还开发并 掌握了空心钢锭的铸造工艺（图 3） 。

161

图 3. 空心钢锭照片

先将钢锭进行机加工，这样可去除铸造缺陷，使其具有正确的圆柱形状。然后，按照传统的方法利用长芯 棒在 2500 吨液压机上锻打毛坯（图 4） 。

图 4. 在长芯棒上锻打毛坯的示意图

采用长芯棒锻造是为缩小毛坯外径不得不采取的必要措施，因为它可扩大压机所配操作机的最大夹持直径， 还可扩大放入该压机四锤头锻造装置的毛坯直径。 然后，用四锤头和短芯棒锻打毛坯（图 5），（图 6） 。

图 5。 用短芯棒锻打管件示意图

162

图 6. 用短芯棒锻打管件的照片

毛坯起初从一头开始用短芯棒锻打，然后翻转 180，从另一头补锻。该工艺具备径向锻机锻造的优点：  生产率高；  精度高，几何尺寸好（图 7）；  锻件长；  能耗低

图 7. 锻管照片

但这种情况下，采用通用设备即可：锻造液压机加四锤头锻造装置和短芯棒。如压机配备 2 台操作机，其 中一台可支撑芯棒。如锻造工段只配一台操作机，则可从压机对面安装专用装置来支撑短芯棒。 采用新工艺可用锻造液压机制造出外径、壁厚、重量范围相对径向锻机更加广泛的管件。这点对上述优势 的补充非常重要。 由于四锤头锻造装置可配备任意吨位的锻造液压机(60М Н , 120М Н 和更多)，故相对现行诸工艺可制造 出直径更大和更重的厚壁管件。 由于本公司拥有一批高水平的工程技术人员、具备开发和使用径向锻机和操作机的经验、同时拥有改进锻 造液压机的经验、可利用自有的铸造、锻压和机加工生产作为实验基地，并采用计算机进行模拟，从而使该项 工艺的开发成为可能。 以本公司为例，该工艺可在用户厂现有锻造液压机上通过配备四锤头锻造装置得以实现。 俄罗斯重型锻压机械股份公司有能力开发并提供专用成套装置，确保在使用所有传统锻造工序的同时高效锻打 出管件。 163

钛合金和超耐热不锈钢锻件的高效生产 Mr. Chris Howie and Mr. Robert Drake （Oilgear International Corp 美国） 钛合金和镍基高温合金钢锻件具有一系列特性，从而导致这些材料比一般锻钢更难锻造。钛合金和超耐热 不锈钢，必须在特定的温度范围和锻造压力下完成。这些情况表明，为了能够生产出高质量的锻件，压机和操 作机必须在特定的关键的、符合高性能标准的工况下运行。本文将以应用广泛的 45/55MN 和 65/80MN 压机和操 作机为例，阐述其 关键指标和规范。 锻造温度范围 1.1 图表显示的是钛合金钢的α 区、α -β 区和β 区。可以看出：钛合金锻件的锻造温度范围只是在狭窄的 α -β 区。

图 1.1 “始锻”从β 相变温度开始（约 1000℃） ，在β -α 温度范围内锻造 （如图 1.1 1000 - 800℃），终锻时工 件不能在α -β 区域以下冷却。在低于 760 ℃的α 区域锻造材料特别容易开裂。 钛合金自由锻件通常要加热 2-3 次。这就需要使应用快速送锭车和回转台操作系统来快速移动工件（在压 机和加热炉中放入或取出） 避免持续加热，特别注意避免严重削减材料性能的 O2、N2、C、H2 等的影响。锻件通常要在惰性气体内加 热，以避免表面氧化。 锻造压力 对于绝大多数钛合金和其他高温合金，所需锻造压力比钢（如 ASMT 4340 型号钢）要明显高（高 1.5-2 倍 左右） （如图 1.2 所示） 。

图 1.2 164

因此，在选择压力机吨位和钢锭尺寸时，应该注意这点。另一个显著特征是钛合金工件在锻造冷却时，锻 造压力增加的比率比其他合金钢高。 如前所述，钛合金锻件（和高温合金锻件）需要在特定的温度范围生产，因此需要高性能的锻造压力机和 操作机，尤其在重要性能参数方面： -压力机速度 -快锻机冲数 -操作机加速度和锻坯咬合能力与快锻机速度相结合 适用于钛合金锻件的标准快锻机参数 45/55MN 压力机

65/80 MN 压力机

最优参数

最优参数

3 主缸配置

3 主缸配置

中央主缸

1020mm

中央主缸

1250mm

侧缸

540mm

侧缸

730mm

回程缸

280mm

回程缸

360mm

行程

1500mm

行程

2000mm

锻造压力

370 bar

锻造压力

370 bar

墩粗压力

450 bar

墩粗压力

450 bar

锻造速度

锻造速度

侧缸

290 mm/sec

侧缸

290 mm/sec

中央缸

160 mm/sec

中央缸

160 mm/sec

所有缸

105 mm/sec

所有缸

105 mm/sec

墩粗所有缸

70mm/sec

墩粗所有缸

70mm/sec

快速接近速度

250 mm/sec

快速接近速度

250 mm/sec

快速回程速度

250 mm/sec

快速回程速度

250 mm/sec

活动横梁

200 Ton

活动横梁

340 Ton

45MN 压机延伸率

3 mm

65MN 压机延伸率

3mm

高性能的液压驱动和控制以及操作机使得压机可以实现如下表格中所示的 45/55MN 和 65/80MN 压机在锻造 频次和操作机咬合方面的性能。

165

钛合金和高温合金 用 45/55MN 和 65/80Mn 压机及其所配的操作机的参数

双轨快锻操作机参数（适用于钛和锻造超耐热合金锻件） 双轨高性能操作机 轨道数量（2） 承载能力

150 - 200 kN

平行和垂直行程 45/55 MN 压机

1500 mm

平行和垂直行程 65/80 MN 压机

2200 mm

平行运动——无倾斜

166

载荷力矩

600 - 700 kNm

稳定力矩

1.6 kNm

刚性系数

2.5 Nominal

钳夹力矩

300 - 350 kNm

锻件横向给进速度

750 mm/sec

横向进给速度

1250 mm/sec

摇臂负载钢锭阶段加速度

4.0 - 5.0 m/sec2

行走精度

1.5 mm

钳杆旋转速度

0 - 26 rpm

钳杆带钢锭旋转加速

600 '0/sec2

钳杆调整精度

0.15 - .20 '0

平行旋转（工作台移动）速度

0 - 100 mm/sec

升降速度

0 - 180 mm/sec

压机两侧轨道长度

15 m

防侧隙 齿轮和小齿条 驱动类型

要求的

轮

100 mm Nominal

钳的规格

Jaws 1 /Jaws 2

最大圆形开口

400 mm / 1200 mm

最大方形开口

370mm / 900 mm

最小圆形和方形开口

115mm / 300 mm

压机和操作机联机操作，适用的可选模式有“压机主导”和“操作机主导”模式。 设备说明：

双轨操作机 167

压机/操作机控制

液压驱动

锻造工厂配置

高生产率锻造设备 

次要因素=压机机械部分 柱与柱之间的应考虑较高的钢锭温度，以限制辐射热对压机机械结构和邻近的油管路的影响。  主要因素=高性能液压驱动和控制 - 受推荐的高性能液压系统为阀驱动式系统。 - 必须有获得压机高频次的能力，从而在允许的 Beta-Alpha 温度范围内使进行工件锻压 - Must have - capability of high accuracy ' forge thickness control ' +/- 1.0 mm - 精度要高，能够控制在 +/- 1.0 mm - 采用高压 400+巴液压系统以减少主缸的直径，并降低缸移动的重量从而减低惯性力，保证压机 频次能力。  主要因素=高性能操作机 必须能够获得高速摆臂加速度和稳定的高速旋转载荷力矩。高性能的液压驱动和控制系统和高性 能的操作机和钢锭运送装置至关重要。相比较之下，压力机机械部分重要性较低，大多数压机生产厂家的设计 和质量水平相差不大。 高速锻造压机的液压驱动参数 典型压机的液压系统参数 168

45/55MN

65/80MN

优化液压系统

优化液压系统

参数

参数

蓄能器回程

蓄能器回程

工作压力

380 bar

工作压力

380 bar

墩粗压力

450 bar

墩粗压力

450 bar

主泵额定压力

420 bar

主泵额定压力

420 bar

主泵峰值压力

495 bar

主泵峰值压力

495 bar

主泵 440 吐出量

1470 转/分钟

主泵 440 吐出量

1470 转/分钟

数量

12 个主泵

数量

14 个主泵

轴向柱塞

6 个定量和 6 个变量

轴向柱塞

7 个定量和 7 个变量

双轴主驱动电机

710

双轴主驱动电机

710 Kw each

数量

6 Main Motors

数量

7 Main Motors

矿物油

Vg 46

矿物油

Vg 46

3 个增压电机

110

3 个增压电机

110 Kw each

安装于压机顶部的充液油箱

7 M3

安装于压机顶部充液油箱

7 M3

主油箱

75 M3

主油箱

75 M3

总功率

5300 kw

总功率

Kw each

Kw each

4590 kw

电机超载

20 percent

电机超载

20 percent

电压

10 kV

电压

10 kV

满足了以上这些规格参数的液压驱动才可以在温度范围内获得锻造钛合金所需的压机行程规格， 前提是 “液压设备”本身是能够提供高速锻造解决方案的这一特殊类型的液压设备。

一个高性能液压驱动具有如下标准的阀式驱动： 169



采用高压/500bar-高速起动/40 千分之一秒 闭合环路伺服驱动阀-高流动尺寸 100/130 毫米直径的阀 8,000-12,000 公升 Oilgear 高压大流量柱塞泵技术



卸压/换向快锻阀 采用控制回路 FVC 轴式控制专用于编程阀开/闭曲线



Oilgear 泵采用恒定单一流向和利用阀加载/卸载方法

使用“快速高性能阀”对实现行程速度和+/-1mm 锻压尺寸的精度控制非常重要。阀驱动的控制很关键。阀 的开关应该由可编程算法实现，并要求预测在到达行程终点和压机回程之前打开阀。控制回路要求快速锻造控 制器在 2 毫秒完成算法复杂的闭环控制。 快速阀控制

压机“卸压”是高速锻造解决方案的非常重要的一环，由快锻阀来实现。 总结 成功锻造钛和超强镍合金钢很依赖于关键工艺和主要高性能设备的应用。 需要以下关键项： 液压驱动控制的高性能压机和高性能操作机 高速液压元件，并结合专用控制算法/程序 这些要素使现代锻造系统能够达到必要的性能，以满足钛和高强度镍合金的特殊工艺标准和要求。 References:

Titanium: a technical guide

By Matthew J. Donachie

170

锻锤隔振系统的设计及选配 陈勤儿 (广 州 安 固 隔 振 环 保 科 技 有 限 公 司) 摘要：本文在锻锤的弹簧²阻尼隔振系统中，建立锻锤的振动微分方程，并推导出锻锤振动的位移和对基 础的作用力，运用极值原理求得锻锤的最大位移以及锻锤对基础的最大作用力，再根据锻锤的类型和工艺特点， 设定锻锤的最大位移限值，据此判定锻锤是否可直接装在隔振器上，如超过限值，可以计算出附加质量块的大 小，控制锻锤的最大位移在限值内。

1 引言 锻锤在工作过程中，会对设备本身和周围环境产生很强烈的振动，其振动又通过设备基础——地基——土 壤向四周传播，形成剧烈的地面振动，严重影响操作人员和周围设备的工作，同时，还会引起本建筑物及邻近 建筑物的墙体及楼板的振动，严重时（当振动的频率与结构物的某阶固有频率相同时）会破坏建筑特的结构， 而且还会生产令人讨厌的结构噪声。 以往一般锻锤的减振方法是在锤身或砧座的底部垫枕木或橡胶等，因为枕木和橡胶的刚度（动刚度）很大， 所以对锻锤的巨大的冲击振动隔离效果甚微。 为了有效控制锻锤的振动，本公司开发出一种弹簧与粘滞阻尼器并联的隔振器，这种隔振器与锻锤组成的 隔振系统的自振频率可以做到小于 4HZ，阻尼比在 0.25~0.4 之间，它可很好地解决锻锤设备的振动，本文针对 弹簧²阻尼隔振系统的设计和选配进行了理论分析，并以实例加以说明。

2 建立力学模型 在研究这种隔振系统之前，作如下假设： 1、 支承隔振系统的基础为完全刚体，这与实际情况基本相符； 2、 锻锤打击工件的作用时间极短，与弹性系统的振动周期相比可忽略不计。 锻锤的隔振模式如下图 1、2 所示：

图1 图2 首先可将锻锤的两种隔振模式合并起来研究，通过理论研究判定该用哪种模式进行隔振。 基于以上的假设，我们可将锻锤的工作过程用以下力学模型描述（如图 3） ：

图3 由于锻锤打击工件的作用时间极短，砧座（包括与砧座连为一体的附加质量）还来不及位移，打击过程已 171

结束，是典型的冲击现象，可按非完全弹性碰撞理论来研究。

3 理论推导 静止的砧座在打击刚结束时所获得的速度为：

movo （1） (1 K ) m  mo  M 其中： m ：为锤头质量； o m ：为砧座质量； M ：为与砧座连为一体的附加质量 K ：为弹性恢复系数，其大小随锻件温度的升高而降低，并与锻造工艺有关，一般模锻锤取 0.5，



自由锻锤取 0.3。

vo ：为锤头在刚接触工件时的速度，由锻锤的基本参数打击能量 E 求得： vo  2E mo

；

锤头打击工件而使砧座获得初始速度 ，并激起砧座在弹簧²阻尼器的支承下振动，其微分方程式：

 x(t )  2n x (t )  n x(t )  0 上式中： n ：为锻锤隔振系统的自振角频率；  ：为锻锤隔振系统的阻尼比。 2

设刚打击结束时的时间为 0，那么上述微分方程的初始条件为：

x(0)  0 x(0) 

且 0<  <1，那么，我们可求得锻锤位移的运动方程为：

x(t ) 

v

n 1  2

ent sin 1  2 nt

（2）

由（2）式，运用极值原理可得锻锤的最大位移：

xm 

v

n



( sin 1  )tg sin 1  e 2

（3）



( sin 1  )tg sin 1  2Emo  (1 K )e 2 (m mo  M ) 根据不同类型锻锤的特点和生产工艺要求，可以确定锻锤的临界振幅值，设为 A，有了 A 值就可以由（3） 式判断隔振器是否可以直接安装在锻锤下，令 M=O（即无附加质量）那么（3）式可写成：



( sin 1  )tg sin 1  2Emo x  (1 K )e 2 mo  m m

（4）

若 xm ≤A 成立，则可判定该锻锤可直接安装在隔振器上，否则，必须增加附加质量。 其附加质量的大小，可将 xm ≤A 代入（3）式后整理得：

172



2Emo (1 K ) ( 2 sin 1  )tg sin 1  M e  m  mo n A

（5）

应用（5）式可以求得附加质量的大小，同样道理我们可以推导出锻锤对基础的最大作用力：

Fm  2Emo (1 K )n



( 3sin 1  )tg sin 1  e 2

（6）

由（6）式可知，若要减小最大作用力，减小系统的固有频率是个十分有效的方法，但同时由（3）式可知， 随着固有频率的减小最大位移提高了，为了使位移不至于过大，则必须增大附加质量，在理论上是可行的，即 在减小系统的固有频率的同时，加大附加质量，即可使锻锤位移不加大的情况下，减小锻锤对基础的动荷载， 这样做减振效果是好了，但费用也大幅度提高了。因此，在设计和选配减振系统时，必须同时考虑减振效果和 经济性，以寻求最优的性价比来满足客户的要求。

4 在实际工程中应用 例 1：有台 80KJ 的模锻锤，锤头质量 5.4T，整机质量 119T，原安装在传统的枕木隔振基础上，其自振频率 约为 28HZ，阻尼比为 0.06，要求安装新的隔振器后，隔振效率比旧系统提高 80%，另外最大振幅不大于 12mm， 根据要求选用由本公司生产的 GA116d-145L 减振器 10 台，该型号减振器的刚度为 7072KN/mm，阻尼系数 C=145KN s

。

m

根据上述已知条件可求出锻锤的最大位移及动荷载如下表： 隔振前 最大位移 Xm 最大动荷载 Fm 最大位移 Xm 2mm 727.3T 10.8mm 隔振效率：

  (1 

隔振后 最大动荷载 Fm 88.8T

88.8 ) 100% =87.8%>80% 727.3

隔振效率和最大位移都满足要求。 例 2：2T 的自由锻，其锤头质量为 2.9T，打击能量为 70KJ，砧座质量为 33T。 振幅限值为 3mm，隔振效率与枕木隔振相比不小于 80%（枕木隔振基础的自振频率为 28HZ，阻尼比为 0.06%）。 设新隔振系统的自振频率为 4HZ，阻尼比为 0.25，在不加附加质量时，由（4）式可求得：

xm  20.6mm  A  3 显然不能满足最大振幅的限值，所以必须加附加质量块，而附加质量块的大小可由（5）式求得： M=211.3T 由（6）式可求得隔振前后的最大动荷载： 隔振前：Fm=432.5T 隔振后：Fm=54.5T 隔振效率：  (1 

54.5 ) 100% =87.4%>80% 432.5

满足要求。

5 结束语 上述理论结果，可较正确地指导有砧锻锤的隔振设计。我们在生产现场实际测得如例 1 工况隔振后的最大 位移值为 9.8mm（与理论相差仅为 9%） 。

参考文选 [1]、中国机械工程学会塑性工程学会 编 锻压手册²锻压车间设备 机械工业出版社，2008。 [2]、何成宏，隔振与缓冲 航空工业了版社，1996

173

中小型自由锻造装备的发展趋势及整体解决方案 郭树伟（青岛华东工程机械有限公司） 据不完全统计，我国具有自由锻造能力的企业超过 7000 家，其中有一定规模的企业约 3000 家，2009 年 我国各类自由锻件总产量约 135 万吨。从锻件的生产能力上看，我国可为自由锻件生产大国，但锻件的精化和 品质，生产装备的先进程度等较其他发达国家还有很大差距，急待提高。 自由锻按设备的分类：锤上自由锻——空气锤、蒸-空锤、电液锤；压机自由锻——水压机、油压机（快锻 压机） 。中小型自由锻：小型自由锻——采用空气锤和 3t 以下自由锻锤 进行的锻造生产；中型自由锻——采用 3t 以上自由锻锤和 20MN 以下锻 造压机进行的锻造生产。 我国中小型自由锻造装备的发展趋势： 一、

发展和利用节能环保的锻压装备

节能减排是当今世界的主题，在―十一五‖期间，“国内生产总值能耗 降低 20%左右，主要污染物排放总量减少 10%”的约束性指标是国家的 意志和对社会的郑重承诺。锻造行业节能减排发展空间很大，在不久的 将来，国家必将出台相关政策，引导和推动锻造行业向着节能减排方向 发展，并且力度较其他低能源、低排放行业大。 目前锻造行业拥有的各类型锻锤和压机其结构原型基本上沿袭原苏 联上世纪四、五十年代的设计方案。基于历史的原因，当时的设备设计 与制造不可能将节能因素考虑进去，因此，这些锻锤和压机均存在先 天性的能耗高的问题。我国万吨锻件能源费用高达 8.1-10.3%，而国外 （北美、西班牙、法国、德国、英国、日本等）先进水平为 4.8-6.3%。 因此说明，采取综合措施节能降耗是我国锻造行业面临的紧迫任务。 据统计，目前国内 1-10 吨自由锻锤 3200 多台，65kg-750kg 的空 气锤更是多达 2.5 万台。空气锤的能量利用率大约为 5.3%，蒸空锤的 能量利用率为：1.58%，电液锤的能量利用率为：23.5%，这类锻造设 备都是高能耗设备。并且锻锤是通过锤头的敲击使锻件变形，在锤头 敲击所产生震动和噪声，已远远超出生产工人和附近居民所承受的范 围。为了不影响附近居民休息，一些靠近居民区的锻造厂不得不停止 夜间生产。锻锤的最大优点是：①锻造速度快；②设备价格便宜，使 用者初期投入资金少。但随着社会和行业的发展以及劳动力成本的提 高，一些简陋、落后的生产方式和设备必将被淘汰。 压机由于其在锻件生产的工作方式为静压，几乎不存在震动和冲 击，其工作环境要远优于锻锤工作环境。但是传统的自由锻造水压机 多采用成套的泵-蓄能器提供动力，通过管道将动力传送至压机做功。 由于受其液压系统原理所限制，该系统原理的压机适用于变形抗力较 小的碳素钢的锻造，尤其在坯料温度较高时，表现出了较高的锻造速 度。而对合金钢、高合金钢、不锈钢、高速钢等高性能的钢种（包括

174

坯料温度降至 900℃以下的碳素钢）因其变形抗力较大，传统的泵-蓄能器传动系统的压机生产能力明显下降。 然而，大多数高附加值的锻件在后者产生。因此，采用较先进的泵直传系统将是提高压机生产效率的方向。 青岛华东机械有限公司对目前国内 20 吨以下中小型锻件的生产设备及生产工艺做了充分调研，并结合国 外发达国家的设备生产、使用状况，利用超前发展意识，结合“节能环保”之世界主题，开发了具有高能量利 用率、高生产性能、低成本的新型锻造压机，该压机能量利用率可达 75%，无震动和噪音，采用泵直传系统， 适合各种碳素钢、合金钢、不锈钢等各种钢种的锻造生产，并且该压机在设计开发中，各项性能参数充分考虑 与锻锤等生产工艺的结合（例如：锻造频次可达 140 次/分钟），可以说从生产工艺上能够完全取代锻锤生产。 并且对设备的外形尺寸、安装方式等做了充分考虑，可以利用原有锻锤的基础，可谓是锻锤的新型替代品。 二、

发展具有较高自动化程度的锻压装备

我国目前拥有各类自由锻造锤和自由锻压机约 32000 台， 就设备拥有量来说已居世界前列，但从设备结构分布上，我 国目前拥有的自由锻设备技术含量和生产能力明显落后其他 发达国家。 目前我国拥有的各类自由锻锤和压机其中 65Kg-8t 锻锤占 95%，国外引进的具有较高技术含量和产能的自由锻 压机仅占 0.3%左右。自由锻锤完全靠人工操作完成锻造生产， 生产效率低，工人劳动强度大，操作环境恶劣，所生产的产 品质量和形状尺寸完全靠操作人员控制，人为因素过多的参 与到生产中，会造成产品质量不稳定。同时，锻锤的锤头、 锤杆及锤砧均为高硬度材料，在受到高强度冲击时，可能会 出现断裂甚至部分材料飞溅，造成设备附近人员伤亡等，存在严重的安全隐患。因此，提高锻压装备的自动化 水平，改善工人的劳动强度和工作环境是锻压装备发展的必然趋势。 据统计，我国自由锻件的材料利用率为 55-80%，而发达国家自由锻材料利用率在 80-90%以上。金属原材 料的消耗对锻造企业技术经济效益的影响巨大，国内锻造企业材料成本占销售额的 63%。由此可见，节材对降 低企业生产成本起着至关重要的作用。提高生产设备的自动化水平，从而提高原材料的利用率是今后锻压装备 发展的必然方向。 青岛华东工程机械有限公司从事锻压自动化设备生产已有二十多年的的历史，一直致力于研制开发具有当 今世界一流水品的锻压设备，目前公司产品系列包括：3MN-50MN 数控快锻液压机组、10KN-3000KN 全液压 锻造操作机、各类装出料及搬运锻压机械手等。并且，我公司紧跟世界锻压装备技术最高水平，学习、研究、 引进国外先进技术，与上海交通大学、清华大学等知名院校进行广泛和深入的合作，开发出了一系列具有当今 世界一流水平的锻压自动化装备。例如：目前我公司为无锡透平叶片有限公司设计开发的 6.3MN 数控预成型 机组代表了目前世界最高水平。该机组最大的特点是锻造整 个过程完全实现程序控制，无需人工操作。 下面以该 6.3MN 数控预成型机组及生产工艺为例，与老 的设备及生产工艺做一比较：同样生产如右图所示：零件单 重：430kg。该零件先前在自由锻锤上进行人工锻造生产， 需操作人员：3 人，单班产量：20-25 件，加热火次为：4-5 火，由于人工控制锻件尺寸，原材料需留 20-25%余量。而

175

利用数控预成型机生产，需监控人员（无需操作）：1 人，生产节拍：4.5 分钟/件，单班产量：105 件，由于采 用计算机自动控制，原材料仅需预留 5-8%余量，加热火次为：1 次。仅从加热火次和原材料利用率上，每年为 用户节约上千万元，且产量是自由锻锤的 4-5 倍。具有强劲的市场竞争力和非常可观的经济效益。 三、

发展利用专用型设备提高生产效率

我国目前拥有各类锻造设备 40000 余台，其中自由锻设备数量约占 80%，模锻设备数量约占 20%。然而， 2008 年我国自由锻件产量为：128 万吨，模锻件的产量为：382 万吨。自由锻设备数量是模锻设备的 4 倍，而 产量仅为模锻件的 1/3。其中主要原因是：自由锻为少批量多品种生产，而模锻为大批量少品种生产。由此看 来，利用专用型设备生产能够充分发挥设备的潜能，从很大程度上提高生产效率。 目前大多数自由锻件生产企业没有自己的主导定型产品， 而是“有什么活干什么活” ，产品品种繁多，这样势必造成“什 么都能干，而什么都不精”的现象。有的企业为了干 1-2 件 活，制作相关工装附具，储备专业技术人员等，造成资源和 人才的浪费，致使生产成本增加，降低了市场竞争力。 因此，自由锻造装备的发展应该向模锻学习，将通用型 设备逐渐向专用型靠拢，提高专业化水平，充分发挥设备的 产能，提高生产效率。 青岛华东工程有限公司多年从事非标设备设计生产，通 过几十年对各类锻件的生产工艺研究，将锻件的生产工艺与 锻压设备进行有机的结合，使得设备能够充分发挥其产能。其中，数控预成型机就是典型代表，能够完成各种 自由锻件的生产的同时，主要偏重于模锻件的制坯，是大型模锻件生产必不可少的设备。同时，我公司还研制 了用于火车轮箍生产的专用机械手，用于模锻件镦头的专用压机等一系列专用设备。上述设备的最大特点就是 均具有自由锻造的功能，但更专注于某一项或几项产品的生产。 我国经济已进入高速发展的阶段，一些落后的锻压装备已不能满足目前的高品质锻件生产要求，要提高锻 件产品的品质和产量，提高市场竞争力，就需要先进的装备作支撑。让我们共同努力，携手推动中国的锻压装 备的发展。 附注：本文主要参考文献——《中国锻造行业发展研究（2009）》 ，在此表示感谢！

176

THP10-5000 锻造液压机整机有限元分析报告 刘林志（天津市天锻压力机有限公司技术部 天津市 300142） 锻造液压机主要用于锻造各种大中型高温的金属锻造件，广泛应用于工业生产中。目前的锻造工艺对液压 机提出了一系列新的要求： （1）液压机机架应有足够的刚度，以便得到具有很小尺寸公差的锻件 （2）应具有很好的抗偏心载荷的能力，以便在偏心负载时仍能得到精密的锻件 （3）滑块导向结构应能保证所需的水平方向的尺寸精度 结合目前锻造工艺要求，在本为中对具有16面导向的导轨结构的50MN的锻造液压机进行有限元分析。 （1）实体模型：SolidWork 2006 （2）有限元分析：Ansys10.0+APDL

一、 结构与受力分析 1.1 整机结构布局

(a) 实体模型

图1-1 整机结构布局示意图

1.2 主要载荷及计算工况 重力加速度：g=9.8m/s2 表 1-1

项目名称

受力统计

数 值

工件锻造力 F1/t

5000

拉杆预紧力/t

5000³1.2/4

备 注 (b) 有限元模型 图 2-1 CAD 及 CAE 几何模型 表 2-1 THP10-5000 的主要设计参数

四拉杆

项目名称

二、 整机有限元建模与分析 2.1 几何模型及简化 1.模型材料：选用 45 钢 11 材料特性：杨氏模量：2.06³10 Pa 泊松比：0.27 3 3 材料密度：7.8³10 kg/m

177

数 值

公称压力/ t

5000

有效尺寸 2 /mm

4340X 1950

备 注 中间缸 2000t，两侧缸分 别 1500t

模型说明： （1）该液压机的上梁、滑块、立柱及下梁为钢板 焊接结构，主要为 50mm-140mm 的板材，故建立面模 型，使用板单元分析可以更好的模拟实际状况以及减 小分析的计算量。 （2）导轨、油缸、工作台、冲头等部分需要耦合 接触关系，则使用实体建模。 （3）结构上较小孔（包括螺纹孔）及圆角、倒角 省略。

取偏心范围 250mm，X 向偏心、Y 向偏心两种情况， 建模中通过对工件中心的坐标位置体现。 下梁底板通过地脚螺钉进行固定，故限制其位移 约束。

2.2有限元网格划分 面模型使用 shell63 单元划分，实体模型使用 solid45 六面体单元划分，各板材的厚度使用实常数进 行赋值，材料为 45 钢弹性模量为 2.06e5Mpa，密度 7.8 ³103kg/m3，泊松比 0.27，立柱导轨材料为锡青铜， 弹性模量 1.05 e5Mpa，密度 8.8³103kg/m3，泊松比 0.3。 本文主要对液压机整体进行分析，工件变形暂不在讨 论范围，为避免工件变形对整机变形的影响，故将工 件的弹性模量提高 100 倍。

图2-2约束及载荷模型

三 整机静态分析结果 3.1无偏心载荷分析 表 3-1 无偏心载荷静态分析结果

z y x 图2-2有限元网格模型

2.3载荷与约束条件 缸体安装在上梁上，缸体的台肩上表面与上梁的 下表面接触部分采用全方向耦合。缸体与活塞之间接 触部分相对上下滑动，故接触部分只对 X、Y 向进行 耦合。活塞顶部与滑块连接处进行全方向耦合；立柱 导轨、滑块导轨分别固定在立柱、滑块上，故接触部 分应采用全方向耦合，而立柱导轨与滑块导轨之间可 以上下滑动，故接触部分只对 X、Y 向进行耦合；工 作台安装于上梁，冲头部分安装于滑块，接触部分全 方向耦合。 中间油缸的压力为 20MN、两侧缸的压力分别为 15MN，通过对缸体的底部加载 Z 正向的压力，活塞 杆的端部加载 Z 负向的压力，模拟真实加工中的受力 情况。本液压机为拉杆预紧式液压机，拉杆的预紧力 为公称压力的 1.2 倍，分别上梁上表面拉杆孔周围、 下梁下表面拉杆孔周围施加大小相等，方向相反的预 紧力。 由于锻造液压机加工过程中普遍存在偏心情况，

178

项 目

整机计算结果

最大综合变形/mm 冲模上下面最大相对变形/mm 下梁平面度/mm Z 向刚度/MN/mm 最大应力（不包括工件） 导轨面最大应力/MPa（X+,Y+） 导轨面最大应力/MPa（X+,Y-） 导轨面最大应力/MPa（X-,Y-） 导轨面最大应力/MPa（X-,Y+）

2.535 0.97 0.27 51.543 393.64 10.08 10.21 9.256 9.613

(a)综合变形图

(e)综合应力图（后处理未选择工件） （f）z 向变形图（x≥0 部分） 图 3-1 整机静态分析变形图

(b) x 向变形图

3.2 X向偏心载荷分析 表 3-2 X 向偏心载荷静态分析结果

项 目 最大综合变形/mm 冲模上下面最大相对变形/mm 下梁平面度/mm Z 向刚度/MN/mm 最大应力（不包括工件） 导轨面最大应力（X+,Y+） 导轨面最大应力（X+,Y-） 导轨面最大应力（X-,Y-） 导轨面最大应力（X-,Y+）

整机计算结果 4.061 1.034 0.3101 48.334 438.98 20.97 21.33 24.13 23.29

X 向偏心载荷分析变形及应力图如下：

（c）y 向变形图

(d) z 向变形图

(a)整机静态分析综合变形图

179

(b) 整机静态分析 x 向变形图

表 3-3 Y 向偏心载荷静态分析结果

项 目 最大综合变形/mm 冲模上下面最大相对变形/mm 下梁平面度/mm Z 向刚度 MN/mm 最大应力（不包括工件） 导轨面最大应力（X+,Y+） 导轨面最大应力（X+,Y-） 导轨面最大应力（X-,Y-） 导轨面最大应力（X-,Y+）

整机计算结果 3.092 0.976 0.4055 51.224 395.2 22.79 17.61 18.71 28.67

Y 向偏心载荷分析变形及应力图如下：

（c）整机静态分析 y 向变形图 (d) 整机静态分析 z 向变形图

(a)整机静态分析综合变形图 (b) 整机静态分析 x 向变形图

(e) 整机静态分析综合应力图 （f）z 向变形图（x≥0 部分） 图3-2 整机静态分析变形图

3.3 Y向偏心载荷分析

180

分别对 4 立柱导轨与滑块导轨的接合面应力进行 提取，可以看出偏心对导轨面的应力影响很大，不仅 仅出现了应力整体提高，而且偏载方向不同侧的导轨 面应力较大差异。 16 导向导轨对抗偏载的能力有所加强，但加工中 仍应注意偏载的产生，尽可能缩小偏载量。对加工的 精度以及液压机的维护都有重要的作用。 表 3-4 整机 3 种工况对比表 （c）整机静态分析 y 向变形图 (d) 整机静态分析 z 向变形图

项 目 最大综合变形 /mm 冲模上下面最大 相对变形/mm 下梁平面度 Z 向刚度/MN/mm 最大应力（不包 括工件） 导轨面最大应力 /MPa（X+,Y+） 导轨面最大应力 /MPa（X+,Y-） 导轨面最大应力 /MPa（X-,Y-） 导轨面最大应力 /MPa（X-,Y+）

整机计算结果 无偏心 2.535

X 偏心 4.061

Y 偏心 3.092

0.97

1.034

0.976

0.27 51.543 393.64

0.3101 48.334 438.98

0.4055 51.224 395.2

10.08

20.97

22.79

10.21

21.33

17.61

9.256

24.13

18.71

9.613

23.29

28.67

四、液压机各部件分析

(e) 整机静态分析综合应力图 （f）z 向变形图（x≥0 部分） 图3-3 整机静态分析变形图

3.4 整机有限元分析小结 针对锻造液压机加工过程中的偏心载荷，分别对 无偏心，X 向偏心，Y 向偏心三种工况进行了有限元 计算分析，从表（）中可以清楚的看到偏心载荷对最 大综合变形的影响较大，尤其 X 方向的偏心对综合变 形影响最大。冲模的上下表面的相对变形受偏载的影 响较小。 综合应力最大点出现在缸体凸台与上梁下表面的 固定区域，导致该区域应力较大的原因主要是：（1） 缸体台肩面积过小，造成接触区域较小； （2）有限元 分析建模中，对缸体的安装区域进行的了简化，体单 元与面单元的耦合存在一些缺陷。实际中的应力应小 于此值，但该区域仍为薄弱区域，应该引起重视。 181

以往液压机各重要部件的分析，均是将该部件单 独建模分析，将该部件在整机中的载荷与约束情况人 为分析以后进行加载，这样做模型简单，具有计算速 度快的特点。但是对于载荷与约束情况的分析，都具 有一些的简化与近似，并不能完全反应其在整机中的 真实情况，也同时失去了整机各部件之间的内在关联。 本报告中的液压机各重要部件的分析则采用了整体 分析的方法，具体如下：在有限元的建模过程中，每 个部件的APDL建模文件与划分文件都是独立建立的， 每个部件都对应独立的单元与材料编号。当对某部件 进行分析时，其余部件的材料弹性模量设为正常值的 100倍，可以看做刚体，这样做即可以保证该部件在 整机里的受力与约束不变，还同时得到的该部件分析 计算结果不会受到其余部件的变形，真实反应了该部 件的自身性能。

4.1 各部件有限元分析 1）下梁

(c)y 向变形

图 4-1 整机分析综合变形图（除下梁外为刚体）

(b)z 向变形

(e)综合应力 图 4-2 下梁静态分析图

2）立柱

(a)综合变形

(b)x 向变形

图 4-3 整机分析综合变形图（除立柱外为刚体）

182

3）上梁

(a)综合变形

(b)x 向变形 图 4-5 整机分析综合变形图（除上梁外为刚体）

(c)y 向变形

(b)z 向变形 (a)综合变形

(e)综合应力 图 4-4 立柱静态分析图 183

(b)x 向变形

(c)y 向变形

(b)z 向变形

(a)综合变形

(b)x 向变形

(e)综合应力 图 4-6 上梁静态分析图

4）滑块

图 4-7 整机分析综合变形图（除滑块外为刚体）

(c)y 向变形

184

(b)z 向变形

(e)综合应力 图 4-8 滑块静态分析图

(c)y 向变形

(b)z 向变形

5）工作台（下模）

(e)综合应力 图 4-10 工作台（下模）静态分析图

图 4-9 整机分析综合变形图（除工作台外为刚体）

6)上模

图 4-11 整机分析综合变形图（除上模外为刚体）

(a)综合变形

(b)x 向变形

185

(a)综合变形

(b)x 向变形 图 4-13 整机分析综合变形图（除油缸外为刚体）

(c)y 向变形

(b)z 向变形 (a)综合变形

(e)综合应力 图 4-12 上模静态分析图

7)油缸

186

(b)x 向变形

工作台 （下模） 上模 缸体 活塞

0.392 0.281 0.599 0.599

128 178 33.4 36.5

74.26 21.86 81.88 86.52

综合变形/mm

17%

19%

下梁 立柱

2% (c)y 向变形

(b)z 向变形

上梁 滑块

17% 17%

工作台(下模) 上模

8% 11%

缸体

9%

活塞

垂直刚度/MN/mm

图 4-15 机身各模块综合变形占总体变形百分比

4.2 各部件有限元计算结果分析 通过对整体中各个部件计算结果的单独提取（表 4-1），计算出整机中各个部件的变形及其对整体变形 的贡献大小，便可找出整机中的薄弱构件。 由图 4-15，图 4-16 可以看出，下梁占总体变形 的的比例最大，油缸的变形其次，立柱的变形最小。 油缸的垂直刚度最低，下梁及上梁的垂直刚度也相对 较低，由等刚度原理，油缸，下梁，上梁是系统中的 薄弱构件，需要对其结构进行改进，以增强其刚度。 由图 4-18 可以看出上梁的综合应力最大，达到了 332.8MPa，超出了材料的屈服点 235MPa，应力最大点 出现在缸体凸台与上梁下表面的固定区域，导致该区 域应力较大的原因主要是： （1）缸体台肩面积过小， 造成接触区域较小； （2）有限元分析建模中，对缸体 的安装区域进行的了简化，体单元与面单元的耦合存 在一些缺陷。实际中的应力应小于此值，但该区域仍 为薄弱区域，应该引起重视。下梁的综合应力其次， 达到了 227.1Mpa，距离材料屈服点较为接近，区域出 现在上梁上表面与工作台外边的接触区，故接触区域 使用圆角等过渡方式，避免出现应力集中。 表 4-1 整机各部件性能参数计算结果

模块 下梁 立柱 上梁 滑块

综合变形 垂直静刚度 质量 综合应力 /mm /MN/mm /ton /MPa 0.636 78.6 122.7 227.1 0.076 165 106.4 11.68 0.594 86.5 108.1 332.8 0.318 157 111.8 105.1 187

下梁 立柱 上梁 滑块 工作台(下模) 上模 缸体 活塞

图 4-16 机身各模块垂直刚度直方图 质量/ton

12%

18%

11% 15%

3% 10% 16%

15%

下梁 立柱 上梁 滑块 工作台(下模) 上模 缸体 活塞

图 4-17 机身各模块重量占总重量百分比 350 300 综合应力/MPa

(e)综合应力 图4-14 油缸静态分析图

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

250 200 150 100 50

下梁 立柱 上梁 滑块 工作台(下模) 上模 缸体 活塞

0

图 4-18 机身各模块综合应力直方图

218.1 157.3 66.48 80.93

锻锤在弹簧和弹性体阻尼隔振系统上的安装 HAROLD E. REINKE, STEVEN M. VEROEVEN, KEITH F. LEATHERWOOD （美国减振技术公司）

锻锤的隔振 美国减振技术公司（Vibro/Dynamics corporation）在锻锤生产厂商和锻锤最终用户的强烈 要求下，从2002年开始研制和生产用于锻锤的弹性体 阻尼模块隔振系统MRM™系列。由于锻锤拥有庞大的质 量和巨大的冲击力，所以锻锤的隔振研发就有相当大 的困难。美国减振技术公司（Vibro/Dynamics corporation）在研制和开发了弹簧阻尼液隔振系统 FS™系列后，又开发了令世界震惊的MRM™弹性体阻尼模 块隔振系统。 无论是FS系列还是MRM系列，都被证明给锻锤提供 了极好的隔振效果。

然而，虽然弹簧阻尼液隔振系统FS系列可给锻锤 提供极好的隔振效果，但是却需要高昂的成本来配套， 如：庞大的混凝土配重块的制造和安装、弹簧阻尼液 隔振器复杂的安装和摆放、弹簧阻尼液隔振系统巨大 的维护成本和由于混凝土配重块的强度低而造成的附 加成本。特别强调地是弹簧阻尼液隔振系统维护成本 的形成，例如：基础坑内有水或其它液体存在时，阻 尼器里的阻尼液是很难得到保护的，阻尼液通常需要 更换；甚至有时阻尼器的焊接部分出现裂缝，阻尼液 泄露出来，此时不得不更换整个弹簧阻尼液隔振系统； 弹簧还经常出现断裂现象。一旦发生需要维护的情况， 停工停产不可避免。 于是，MRM弹性体阻尼模块隔振系统就成为在世界 范围内最受欢迎的锻锤隔振系统。这主要缘于MRM™弹 性体阻尼模块隔振系统除了提供给锻锤优良的隔振效 果外，它不需要配重或需要很小的配重；同时MRM™弹 性体阻尼模块隔振系统防水和油污，这使得基础坑内 不需要弹簧阻尼液隔振系统那样复杂且造价高昂的防 水和油污的措施，也更不需要维护等等。大量的应用 实例证明，MRM™弹性体阻尼模块隔振系统安装简单且 迅速，整个隔振基础造价低，使用寿命大大延长。 本文将从与锻锤隔振有关的一些锻锤技术参数着 手，来分析锻锤的隔振原理。用于锻锤隔振的隔振系 统可从锻锤以下几个情形来得到更好的理解： 188

1. 锤头下落时； 2. 锤头打击工件时； 3. 锤头回弹时。

锤头下落时 锻锤的工作打击能力，一般使用包括锤头和模具 在内的下落部分产生的最大打击能量来定义。绝大多 数锻锤是以锤头和模具为0或接近0的初速度开始下落 和以6~7米/秒（18 to 23 ft/s）的末速度打击工件来 设计的。非常简单，在知道最大下落重量的前提下， 锻锤的工作能力就可用方程式（1）来计算得到。

下落的质量通过下落的重量（W）除以重力加速度 （g = 9.8 m/s2 或 32.2 ft/s2g）来得到； 打击速 度（vi）以 m/s 或 ft/s为单位；打击能量（E）的单 位在公制中就是 N²m = J（焦耳），而在英制中就是 ft²lb。 对落锤而言，其下落部分仅仅是由于重力的作用 而加速，落锤的打击能力（E）就由公式（2）来决定， 也就是下落的重量（w）乘以下落的高度（h）。 有些锻锤通过蒸汽或其它气体的压力或是液体的 压力驱动活塞来加速锤头落下的部分，这些锻锤就能 以更高的打击速度来来锤击工件。当隔振系统用于这 类锻锤时，最重要的是隔振系统的阻尼一定要足够大， 才可以使锻锤或隔振系统在下一次打击工件之前停止 振动。如果隔振系统在下一次锤头打击工件之前正在 向下运动，那么下一锤打击工件时就会增加隔振系统 向下运动的幅度，同时很可能使隔振系统内应力超限， 这就大大增加了隔振系统的载荷和隔振系统的不稳定 性。 对于较软的弹簧阻尼液隔振系统而言，当向下运 动的落下部分由活塞加速时，锻锤本身的反作用力使 隔振系统处于卸载状态，这也会导致隔振系统的不稳 定性。 通常，弹簧阻尼液隔振系统有非常大的配重， 所以锻锤反冲造成的隔振系统不稳定性与锻锤打击 工件时造成的隔振系统的不稳定性相比是很小的。

锤头打击工件时 在极短的时间内，锤头接触工件并使工件变形， 锻造操作过程中这一极短的时间对锻锤的使用者来说 是最重要的。

锻锤可用于锻打各式各样的且大小不一的锻件， 打击力的大小以及打击力作用于锻件的时间会有非常 明显的不同。自由锻锤在锻打炽热锻件时在锤头、锻 件和砧座之间的冲击力的大小会相对较低，这是因为 冲击力在锤头和锻件之间作用时间相对较长；而模锻 锤冲击力作用时间在锤头和锻件之间却相对较短，于 是模锻锤在锤头、锻件和砧座之间所产生的冲击力的 大小会相对较大。在模锻锤的上模与下模接触时的最 大的打击力发生时，此时的整个模锻锤产生最大的冲 击力。由于砧座的重量比锤头的重量大得多，并且力 作用于砧座的时间很短的缘故，对砧座在锤击作用下 的分析可以被简化。锤头锤击工件时向下运动，直到 砧座的向下速度不断增加到与锤头的速度相同，此时 锤头开始反弹。 锻锤制造厂家很清楚要在锤头锤击工件时获得很 高的打击能量，砧座的质量必须要比锤头的质量大得 多。图 1 从理论上显示了锻锤锤头打击工件时的力与 砧座质量之间的关系。 当砧座质量达到锤头质量的 100 倍时，锤头锤击工件的力达到最大值；而当砧座的质 量为锤头质量的 10 倍时，锤头锤击工件的力降低得却 不大，从图 1 可看出，约有小于 4%的差别。

砧座质量的增加而带来的惯性用来增加锤头的打 击力度。由于锻锤隔振系统的安装，锤头锤击工件时 的能量与传统的木材为基础的锻锤相比打击能量有一 点变化。不管是弹性体阻尼模块隔振系统还是弹簧阻 尼液隔振系统与传统木材为基础的锻锤相比，锻锤的 打击能量没有多少损失，约能达到以木材为基础的同 样锻锤的 99.985%的能量。在锻锤使用有效的隔振系 统后，由于该锻锤只有 0.015%的能量损失，所以锻锤 使用经济和可靠隔振系统的好处就会从锻锤本身、锻 锤基础、操作工人、附近的居民、周边设备和建筑厂 房获得最好的保护而得到验证。

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打击力预期 — 1 吨自由锻 冲 击 力 影 响 （吨）

时间（秒）

图2 请看图 2，所有锻锤锤击工件发生在很短的时间 内，而砧座却在锤头一次锤击工件后有周期的上下振 荡和衰减，以 1 吨自由锻锤为例来解释锤头打击工件 时砧座振幅的衰减和时间关系图，其中砧座振荡一次 的时间也就是锻锤系统的固有振动周期。传统的锻锤 基础是用橡木做成，常被用来衡量其它隔振系统的性 能。即使在木材做为基础的情况，整个锻锤或砧座的 振动周期也比锻锤锤头打击锻件的时间长得多。这两 个周期的差异也导致了从砧座传递到基础的冲击力大 大减少。 然而，由于打击锻件的冲击力相当巨大，即使很 少的冲击力传递到周边环境也会变得具有破坏性和难 以忍受。通常，隔振系统的刚度越小，整个锻锤或砧 座的振动周期就越大，于是隔振系统的隔振效果就越 好。如果整个锻锤或砧座的振动周期大于锤头打击锻 件时间的六倍，那么隔振系统就会传递更少的冲击力 到基础和周边环境中。 很明显，与较硬的、刚度大的隔振系统相比，刚 度小的、较软的隔振系统会把较少的振动传到周边环 境中。 锤头和锻件的撞击把锤头的动能转变成砧座的 向下运动、锻件的变形和锤头的反弹。 一旦锤头和 砧座达到同样的速度，锤头作用于锻件上的做功过程 就结束了，此时锻件获取了最大打击力。此后，锤头 向上反弹而砧座向下运动。

锤头回弹时 一旦锤头打击锻件的工作结束，锤头就开始处于 反弹阶段。从锤头打击工件所产生的冲击力转移到砧 座和隔振系统上，隔振系统此时开始控制整个锻锤的 运动和传递到隔振系统上的冲击力。由于锤头打击锻 件的冲击冲量时间很短，锻锤系统的锤头锻打过程可 通过动量守恒定律精确地模拟和计算。尽管有些能量

在锤头打击工件时损失掉，碰撞应为非弹性碰撞，但 动量守恒定律依然可以适用在锻锤的锻击过程中。 这里：m1 = 锤头质量； m2 = 砧座质量； vi = 在锤击工件前一刻的锤头速度； v2i = 在锤击工件前一刻的砧座速度； vf = 在锤击工件后一刻的锤头回弹速度； v2f = 在锤击工件后一刻的砧座回弹速度； 锤头打击工件后，锤头不会以同样的速度回弹， 其速度会发生变化。这一回弹现象的速度变化可通过 回弹系数（恢复系数）的公式来进一步分析和掌握。 回 弹系数（恢复系数）CR的定义如方程式（4）。

自由锻在锻打和运行过程中，灼热的锻件的变形 往往是很大的，于是回弹系数（恢复系数）CR 是很小 的，约在0.1~0.2。 由于在自由锻中逐渐变冷的锻件 锻打变形很小，就像模锻锤在锤击过程中上模和下模 直接打击时那样，回弹系数（恢复系数）CR 值可高达 0.5~0.6。 锻锤系统的隔振可以最有效地利用单自由度系统 理论进行模拟和计算。所谓单自由度的概念就如下图3 所示那样，隔振材料可简化为一根弹簧和一个阻尼器。 隔振系统的动态刚度（K）决定了锻锤系统上下的振幅 和传递到基础上的冲击力的大小。

隔振器的阻尼器会随着隔振器恢复到平衡状态下 的静止状态而开始散发热量，ξ 为隔振器的阻尼器的 阻尼比。 阻尼器的阻尼对砧座的第一次向下运动的振 幅不会起到太大的作用，但是在整个的砧座振荡的周 期内，阻尼会使砧座慢慢地停下来。在锤头打击工件 后，锤头的部分能量传递到砧座上去，砧座将在隔振 系统上平衡位置附近以一定频率振荡，这一频率称做

190

系统的衰减固有频率Ω d（或锻锤系统的固有频率）， 由下面的公式（5）给出。

在这个简单的模型中，砧座质量m2的位移可通过 方程（6）加以分析描述。

来看一下方程（6）中的变量的相互关系：  当砧座质量 m2 的质量增加；锻锤系统的振幅 会减少；  当系统的固有频率 Ω d 降低时；锻锤系统的 振幅就会增加。 如果以普遍认为的7毫米的振幅峰值为可接受的 上限，那么很明显弹簧阻尼液隔振器和弹性体阻尼模 块隔振器都有可能需要砧座重量的增加来保证隔振系 统的固有频率和隔振效果，如下图4所示。

由于弹簧阻尼液隔振系统需要巨大的混凝土配重 成本的缘故，弹性体阻尼模块隔振系统MRM就会显得更 经济和和实惠，且弹性体阻尼模块隔振系统MRM的隔振 效果和用于相同锻锤的弹簧阻尼液隔振系统的隔振效 果相比而言仅仅差了一点点。从下面的图5可以看出， 钢板或铸钢的配重体积小，占用空间小且强度高，可 以大大减少混凝土基础的空间和体积。大量的应用实 例都证明了用钢板或铸钢做配重，配重的使用寿命远 远大于用混凝土做配重的使用寿命，且钢板或铸钢可 以重复利用。 根据胡克定律，锻锤锻击过程中传递到基础上的 冲击力F(t)等于锻锤使用的隔振系统的动态刚度K和 砧座的振幅x(t)的乘积。

对于弹簧阻尼液隔振器，除了通过弹簧传递到基 础上的冲击力外，带有阻尼液的阻尼器增加了小部分 冲击力到基础上；而对于弹性体阻尼模块隔振器而言， 材料的滞后阻尼（热滞阻尼）已经包含在弹性体阻尼 模块本身，使其变成弹性体阻尼模块隔振系统动态刚 度的一部分，所以传递到基础的冲击力就等于根据胡 克定律计算所得到的值。 模锻锤的上下模之间的锻打能产生巨大的打击力。 精确的打击力数值和这巨大打击力持续的时间很难测 量出，然而有经验的操作工能够很容易察觉到在有隔 振系统的锻锤上工作时，作用在他们手上的，胳膊上 的和身体上任何部位的力大大地减少了，疲劳程度也 大大减轻；这与用传统的木材和很薄的橡胶垫做为基 础的锻锤来讲，隔振系统无疑受到操作工人的欢迎。 隔振系统的材料的正确使用将会导致锻锤锤头所产生 的巨大冲击力在混凝土基础上的减少，而锻打工件的 冲击力并没有减少。 见前页图2，可以看到1吨自由锻锤在打击工件时 所产生的力是多大；之后再看如右图6，

可以看到使用弹性体阻尼模块隔振系统MRM隔振 后有多少的冲击力通过隔振系统传到了基础上，而这 一冲击力作用在混凝土基础上波动变化也显而易见。 这也就大大减少了冲击力对操作工身体的伤害，增加 了对锻锤本身的保护作用，减少了周边邻居的抱怨， 降低了振动对周边建筑的破坏，保护了周边的设备不 受振动干扰。与此同时，混凝土基础成本也大大降低。

MRM™弹性体阻尼模块隔振系统 MRM™弹性体阻尼模块隔振系统设计的主要目的就 是用于模锻锤，自由锻锤和各式各样的锻锤隔振基础 191

的安装。这一革命性的新产品结构简单，牢固耐用， 具有多层模块组合而成和预装配等特点。其隔振效果

与弹簧阻尼液隔振系统的隔振效果接近，垂直动态固 有频率低至8赫兹（Hz），与传统的橡木和橡胶相比， 隔振效果至少为78% 。 弹性体阻尼模块隔振系统MRM的设计特点为组合 结构的形式。每一个MRM弹性体阻尼模块隔振系统由 MRM单体构成，而每一MRM单体又是由按照各户需要来 定做的多层弹性体阻尼模块和镀锌钢板以最牢固的方 式通过互锁的形式连接在一起而制造成。弹性体阻尼 模块通过专利技术和特殊合成高分子材料经心模制而 成，弹性体模块具有卓越的隔振效果，长久的使用寿 命和极强的抗蠕变性。 把预安装的MRM单体迅捷地放入基础坑内，然后摆 放整齐直到所有MRM单体放置完毕。安装过程中，无需 在基础坑内艰难和费时地把模块和钢板连在一起。安 装弹性体阻尼模块隔振系统MRM最多几个小时，少则十 几分钟，而不是像安装弹簧阻尼液隔振器和橡胶垫一 样需要几天甚至十几天的时间。

总结 弹性体阻尼模块隔振系统MRM™在各种锻锤的隔振 中应用已经被许许多多的成功案例所证明。MRM系列弹 性体阻尼模块隔振系统的隔振效果接近于FS系列弹簧 阻尼液隔振系统的隔振效果；然而弹性体阻尼模块隔

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振系统MRM经济耐用又安全可靠；与锻锤传统的安装方 式如木材或橡胶垫相比，很明显弹性体阻尼模块隔振 系统MRM的隔振效果是无与伦比的。 通过参考美国减振技术公司( Vibro/Dynamics corporation ) 技术文献M/L-710 可以了解更多的不 同形式下的锻锤基础隔振效果的数据比较。弹性体阻 尼模块隔振系统MRM的预装配形式的结构也使得MRM安 装快速和轻松。 由于美国减振技术公司（Vibro/Dynamics corporation）对弹性体阻尼模块隔振系统MRM系列和 弹簧阻尼液隔振系统FS系列都有开发、设计和制造的 技术和专利，是最有权威和最有资格来推荐最适合于 客户锻锤隔振需要的隔振系统。

我国自由锻造液压机的发展、看法和建议 姚保森（山东通裕集团有限公司） 摘要：文章对新中国的锻造工业及锻造液压机的发展进行了回顾，对近些年的发展作了描述。文章对锻造液压 机的参数、结构、传动、系统、控制作了介绍，提出了自己的看法和建议。

一 文献记载 1884 年英国曼彻斯特就使用了锻 造液压机。1893 年已建造了一台 120MN 锻造液压机。 由此算来，锻造液压机的历史已有 1 百多年。新中国 成立前，中国是没有锻造工业的。 1953 年新中国成立后开始修复一台 30MN(20MN) 锻造液压机，这就是新中国的第一台锻造液压机。1955 年修复的 30MN 锻造液压机安装到“一重”，1957 年 修复的 25MN 锻造液压机安装到“太重”。上个世纪 50 年代后期到 60 年代先后从捷克，原苏联进口了 8MN,12.5MN,20MN,31,5MN，60MN 等一批锻造液压机。 1955 国内的“沈重”和“太重”已经开始研发锻造液 压机并设计，制造了 10MN，12.5MN.25MN,31.5MN,等 大约近 30 多台锻造液压机。60 年代“一重”和“上 重” 各都建成了 120MN 锻造液压机。 上个世纪 70 年代， “二重”进口了一台 “捷克”造的 120MN 锻造液压机。 “洛矿”建造了一台 80MN 锻造液压机，至此新中国有 了自己的锻造工业，也有了自己的锻造液压机的研发 队伍和制造工厂。上个世纪 70-80 年代“太重”、“沈 重”、“北重”、“天重”向罗马尼亚、巴基斯坦出 口了 12.5MN、25 MN、31.5 MN 、60 MN 多台锻造液压 机。 上个世纪 80 年代“沈重”还与德国“PAHNKE” 合作生产了双柱斜置式锻造液压机。上海还从德国进 口了 30MN，40MN 下拉式锻造液压机。西安重型机械研 究所和兰州石油化工厂合作研制成了 8MNN 下拉式快 锻液压机。可以说上个世纪 60-80 年代是我国锻造液 压机快速成长和发展的时期。进入 21 世纪，随着改革 开放的深入发展，从 2003 年起到 2009 年的几年，我 国的锻造工业和锻造液压机又一次得到了飞速地发展。 “一重”上了一台 150MN 锻造液压机，“二重”上了 一台 160MN 锻造液压机，“上重”上了一台 165MN 锻 造液压机，“洛矿”上了一台 180MN 锻造液压机，“浙 江通迪”进口了一台 70MN 锻造液压机，邢台冶金轧棍 厂，马鞍山钢铁公司等单位分别上了 5 台 80MN 锻造液 压机。 正在建造和拟建的 120MN 锻造液压机 5 台， 130MN 锻造液压机 1 台，140MN 锻造液压机 1 台，200MN 锻造 液压机 1 台。中国将拥有 60MN 锻造液压机 6 台， 70-85MN 锻造液压机 13 台，120-200MN 锻造液压机 16-18 台，大锻造液压机总计将达到 36 台。 过去只有几家重机厂设计生产锻造液压机，这几 年，凡是能够生产小型液压机的锻压设备厂也开始挤 身到这个行列，除此之外，还有沈阳“三重”，“济 南巨能”，“兰州石化重工”，“二中立达”，“安 阳锻压”，“南通锻压”，“湖洲机床”都在赶这班

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列车。这几年，他们生产的 10MN-60MN 锻造液压机总 共有一百台以上，其中 31.5MN-45MN 约有近 40 台,而 且他们还在接受订货。从国内市场看，大有过剩的趋 势。 从装备数量上看，中国已经成了锻造大国。前面 提到，我们发展锻造工业和锻造液压机比欧美发达国 家晚了六七十年，虽然我们的装备能力很大、很强， 但还称不起锻造强国。 二 锻造液压机的设计首先要确定锻造液压机的 参数。这些参数中最主要的是空间工艺适应性参数： 工作台大小（尺寸）、活动横梁行程、活动横梁开口 高度（工作台上平面到活动横梁垫板下平面）。及力 能参数： 压机的总出力、压力分级、回程力、移动工作台力、 系统压力等。过去有标准执行，现在从吨位系列到空 间工艺参数都很随意，只要用户认可就行。有些压机 的参数不很合适，虽然也能锻造，但受到限制。 三 锻造液压机的主机（或称本体）结构最早都是 三梁四柱上压式。上个世纪 30-70 年代水泵蓄势器传 动还算是是先进的,之前在高压水泵出现之前，都是蒸 气水压机。用低压的蒸气驱动增压器，增压器出口的 高压水再驱动液压机。 三梁四柱上压式结构的优点是，简单，便于制造， 便于安装，便于维护。锻造液压机是出大力的机器。 其主机都要有一个封闭的受力框架。上横梁、下横梁 （或称底座）用四根立柱和十六个大螺母就组成了这 个封闭的受力框架。设计锻造液压机时对立柱的受力 作了一个假设或规定，就是规定了它允许的偏心距。 但这个规定是人为的，并没有使其不超限的硬件措施。 锻造工人在高温下工作，使用锻造行车和翻料套筒， 很难保证偏心的大小。超偏心锻造是常常发生的。超 的太多，加上立柱本身的缺陷，立柱的断裂时有发生 的。立柱断裂就要大拆大卸，维修时间很长。因此损 失是很大的。国内外都有立柱的断裂的案例。 1 三梁四柱上压式结构液压机（见图 1）最小 5MN， 最大做到 150MN。是一百多年来的主要结构型式。

图3

图1

除了三梁四柱上压式结构之外，还有其它许多结 构。典型的有： 2 单臂式锻造液压机（见图 2），由于结构原因 只能做成小型的。这种结构的最大优点是操作面开阔， 便于接近，特别适用于人工操作。作者最近还看到这 种压机在快速的工作场面。

4 四柱下拉式（见图 4），这种结构的最大特点 是地面上高度小，地面下的深度深。液压缸和动力站 都在地下，如果是油泵直接传动，最大优点是防火性 能好。重心低，整机稳定性好，但这种结构的运动部 分是整个框架，因此重量太重，回程力要很大，运动 惯量大。

图4

5 双柱斜置下拉式锻造液压机（见图 5）这种结 构的最大特点也是地面上高度小，地面下的深度深。 液压缸和动力站都在地下，如常是油泵直接传动，最 大优点是防火性能好。但这种结构的运动部分重量太 重，回程力要很大，运动惯量大。。

图2

3 双柱斜置上压式锻造液压机（见图 3），这种 结构的最大优点是操作面开阔，与四柱式相比，相同 工作台宽度，可锻的饼类，环类件要大（开口高度足 够大的条件下）。但是与四柱式相比，相同工作台宽 度它的空心柱套，它的三大梁要大、要重。总重量不 一定比三梁四柱预应力框架结构轻，而单个梁的重量 要重。

图5

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6 缸动式锻造液压机（见图 6）这种结构有两层 框架，柱塞反装在上框架上，液压缸装在下框架的上 横梁上。缸动而下框架不动。这种结构的最大特点是 活动部分重量小，惯性小，驱动功耗小。美国的“Bliss” 公司，德国的“Schlomann”公司都生产过这类压机。 中国燕山大学的顾煜基教授曾为氧气瓶镦粗冲孔工序 设计过一台 20MN 的液压机，现在被买到江苏江阴的某 工厂当锻造液压机使用。这种结构用于中小型锻造液 压机是很好的。 图8

四 锻造液压机的传动，过去的水压机都是水泵蓄 势器传动，所以叫水压机。随着技术的进步，高压大 流量的油泵得到广泛应用。因此上个世纪七十到八十 年代以后欧美就开始应用油泵直接传动的油压锻造液 压机，他们很少或根本不再生产水泵蓄势器传动的水 压机了。我国应用油泵直接传动的油压锻造液压机最 早的应该是山东通裕集团公司， 他们的 12.5MN,31.5MN 两台锻造液压机 在 2000 年初就投产了而且每天 24 小 时工作,已经运行了十年。工人门说,这两台压机快, 有劲。后来许多厂家掌握了这项技术,他们生产的几十 台锻造液压机正在国内锻造生产中发挥作用。这种传 动的核心技术是卸荷技术。快速锻造时，每分钟要上 下上百次，就说每分钟 60 次，一次循环只有一秒钟。 这一秒钟要加压，要回程，留给卸荷的时间只有零点 几秒，就在这零点几秒内，即要快速使缸内的高压卸 成低压而且还不许发生震动。 锻造液压机与水泵蓄势器传动相比， 可以节能 20%。 所以今后我们应该推广这种传动方式。油泵直接传动 及水泵蓄势器传动在锻造间歇时，泵还要空运转，这 时也要消耗电能，大约是满负荷时的 1/3。 油泵直接传动用的是矿物油，压机的润滑性能远 优于水介质。水压机，要求用乳化液，但水压机，泄 漏严重，许多工厂就直接用水而不加乳化液。 油泵直接传动用的油压元件的性能远比水阀的性 能先进。因此油压锻造液压机的控制要比水压机先进 的多。比例控制，伺服控制都可以采用，而水阀控制 采用这些技术 就比较困难。性能也比不了油液传动。 上面说的传动称为 “阀控系统” 从节能角度看，最好的传动当属 “泵控系统” 目 前只有德国“PAHNKE”公司拥有这项技术，这种技术 的核心是伺服双向变量泵，在锻造间歇时，泵虽然空 运转，但泵的排量很小，因此这时也是节能的。这种 系统不用传统的换向阀组。“PAHNKE”在全世界已有 数十台这种系统在运行。它的核心技术，也是它的缺 点。种系统要求介质的清度很高，这对大型压机的系 统是很难做到的，因此故障率高，使用者就会说不好 用。另外，再好的泵，总有个使用寿命，和“阀控系 统”相比普通的泵抗污能力比它强，使用寿命相当， 但价格便宜，插装阀可以连续使用十几年，而这伺服 双向变量种泵最多能保证五年，而且“PAHNKE”的这

图6

图7

7 三梁四柱预应力框架上压式（见图 7），这种 结构的最大特点是把受弯曲载荷的一件立柱变成空心 柱套和拉杆两件，空心柱套受弯曲载荷，拉杆只受拉 力，只要设计正确，制造符合要求，这两件都不会损 害。 这种结构最早是由英国 Davy 公司开发的。他们做 了一台 8MN 的，用在日本 JSW 工厂。 一重的 150MN，上重的 165MN，山东通裕集团公司 的 120MN 锻造液压机都是这种结构。（见图 8）

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种泵的价格是阀的上百倍，是普通的泵价格的好多倍。 一旦泵坏了，压机就要停产，而阀坏了，十几分钟就 可更换备件。如果有人开发出性能好，抗污染能力强， 价格低的泵，我认为，泵控传动系统是最好的传动。 五 我个人不可能作全国性的调查研究，但从多方 面了解的情况看，这些年建造的锻造液压机是太多了， 可能会造成产能过剩，特别是大型锻造液压机。许多 企业开工不足，为了抢合同，出现非正常的市场竞争， 为了抢一批风电主轴的锻件，同时有 14 家厂商竟标。 锻件价格和锻造液压机的价格都处在非常低的不合理 的水平。一台锻造液压机的吨价只有国外同类产品的 1/5-1/3 的水平，这样的价格能做出好的机器吗。 锻造液压机的三大梁本应为铸钢结构，现在许多 企业为了省钱都做成了焊接结构。它的使用寿命能长 吗。一些单位原来没有设计过锻造液压机，他们现在 设计的底座受力长度只比窄面中心距宽一点，这种锻 造压机能用马架锻造吗。锻造是要趁热打铁的，就是 说工作速度要快， 过去水压机的工作速度是 150mm/s， 现在有的锻造油压机工作速度只有 20mm/s、30mm/s、 50mm/s，有些更低。本来两火可锻成的锻件，现在要 四火，五火。这多不合理呀。

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锻造液压机的传动国外已很少采用水泵蓄势器传 动，可近几年建造的好几台大锻造压机却仍然选用了 不节能的传动。就是油泵直接传动的充液系统，许多 企业仍然选用带低压蓄势罐的低压充液系统，而系统 简单、故障率低的常压充液系统并没有得到大量推广。 只所以会出现这些问题，原因是多方面的，计划 经济时，上一台大压机部长要亲自过问的，计委是要 挂号的，要集中全国的专家审查，提建议。现在一个 企业只要有钱，说上万吨锻造液压机，马上就上，似 乎没有什么难度。各企业为了保密，互相封锁技术。 如果这个单位有这方面的行家，大问题可能少一些， 可很多单位几乎都是刚刚接触这类工作，这种练兵式 的设计，出问题就不奇怪啦。据说已经投产的大锻造 压机，有许多不好用。 市场经济并不是不要监管的，希望有国家和中国 政府，中国锻压协会对我国目前的锻造工业及锻造液 压机的情况作一次全国性的调查，出台一些有权威的 意见。 参考文献： 液压机的设计及应用 俞新陆 2007 年版 我国大锻件生产的回眸 底学晋李建华蔡 墉 从节能看液压系统发展的三个阶段 徐绳武

锻造液压机的技术发展与创新 刘宏献 （安阳锻压机械工业有限公司 安阳市 455000） 摘要：本文简要介绍了目前国内外锻造液压机的结构和液压控制技术的特征，介绍了安阳锻压公司开发的数控 锻造液压机的技术特征。该机采用数字控制的液压系统多位、多级液压快速卸荷技术；液压弹簧快速回程技术； 气动控制的自动快捷换模技术以及人机界面和磁致传感器测量系统；实现数字控制节能随动输出锻造力和高精 度快速锻造。 关键词：数字控制 锻造液压机 技术创新 1．前言 锻造液压机是二十世纪六十年代开始发展起来的一种液压锻造设备，广泛应用于机械、钢铁、有色冶金、 铁路机车、船舶、风电、核电、航空航天等行业，适用于有色与黑色金属钢锭开坯等自由锻造及胎模锻造，也 适用于锻造温度范围窄的高合金材料和 Ti 合金材料的锻造。能实现快锻、常锻、保压等多种功能；满足了镦粗、 拔长、冲孔、马杠扩孔、错移、剁切、弯曲等锻造工艺的要求。几十年来，该设备的研究在我国基本处于停滞 状态，进入本世纪，随着液压技术和电子技术、传感检测技术、信息处理技术的飞速发展，加快了锻造液压机 的发展步伐，特别是随着企业竞争的加剧和节能减排的压力越来越大，市场对锻造液压机的需求进入了前所未 有的高潮期，我国大型锻造设备的发展进入迅猛崛起、跨越发展时期，大型锻造液压机在吨位上位居先进行列， 但是总体水平还比较落后，设备能耗高、自动化程度和机械化配套水平低。因此，自动化程度高、锻造频次高、 控制精度高、节能环保的自由锻造液压机是目前自由锻造设备的重要研究内容。 2．国内外的发展现状及技术特征 目前国外比较先进锻造液压机主要是德国 MEER、PAHNKE、SPS、辛北尔康普公司生产的，整体技术先进， 代表着国际最高水平和锻造液压机组的发展方向，其主机的结构形式为双柱下拉式（中、小型）和双柱上推式 （大、中型） 。双柱下拉式机架为整体铸造四方框架结构，双立柱为矩形截面，矩形的四面做导轨面，矩形立柱 较之圆形立柱更易于设计导向结构、调整间隙、便于润滑。采用双立柱可装置纵横两个移动工作台面，快速更 换下砧，减少锻造辅助时间，提高生产效率，开阔了操作视野。双柱上推式结构相似于整装三梁四柱式液压机， 机架为预紧结构，立柱的柱套承受偏心锻造时的弯矩，而拉杆则仅承受轴向拉力。柱套为空心梯形截面，活动 横梁以 X 形导向在两边柱套的四个斜平面上导向，导向面的间隙可调。

•不论哪种结构形式，其驱动系统均为油泵直接传动，传动介质为液压油。在液压控制方式上有阀控和泵控两 种控制方式，目前大多采用阀控方式，阀控系统采用定量泵、液压阀的启闭控制着系统的流量和压力，可靠性 高，调试难度大；泵控方式采用变量泵调节系统流量和压力，可逼近光滑的正弦曲线，系统运行平稳、快速， 这种新型操作系统的特点是仅靠主泵本身就能连续完成空程、工作行程、卸压及回程等，避免了活动横梁的停 顿间隙，能够速度更快地完成连续无冲击工作，节能效果显著、可靠性高、维护费用低。但是其成本非常高， 使用条件苛刻，因而价格也很高。

•国内在大型自由锻造液压机整体水平比较低下，效率低，能耗严重，主体结构大多采用传统的三梁四柱结构， 中小吨位的锻造液压机也有消化吸收国外先进技术开发的双柱下拉式结构，液压系统均采用插装阀控制的阀控 系统，液压冲击大，泄漏严重。整体设备造价高、工作频次低、控制方式落后，所生产的锻件精度低、余量大。 3． 现代化的锻造液压机的技术发展与创新 目前我国的节能减排工作任重而道远，特别是为实现“低碳经济”和绿色环保的发展要求，进一步提高企业 的竞争力，必须要更加重视锻造数字技术的应用，提高自由锻造液压机的性能和档次，降低生产能耗。我公司 多年来一直致力于锻造液压机的开发与研究，开发出简单可靠、现代化的数控锻造液压机，该设备具有全面周

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到的运行监测系统、故障诊断系统、压力行程检测系统等；具有自动化程度高、锻造频次高、噪音低、锻造精 度高的优点。通过计算机控制可实现主机和操作机联动，并具有完善的针对不同材料的锻造参数专用数据库， 可实现无人化远程控制程序自动锻造。 数控锻造液压机的性能特点： (1) 简单智能化的 PLC 操作控制系统，数字控制精度高。 设备采用 TFT 真彩显示触摸屏人机界面和磁致传感器测量系统，采用 OMRON 高性能的 CPU 及 DeviceNet 多供应商现场网络数据处理系统，能提供丰富多彩的“可使用功能”，方便输入、修改数据和联动，指令应答时 间达到 0.04μ s ，行程、位置数字控制精度高。可对锻造尺寸随时设定和修正，对设备实现了智能数字化、简 单化控制，锻造频次达到 60 次/min，锻造精度达到±1mm。 操作控制系统以控制台内的 PLC 为控制核心，通过专用电缆按照下图 1（系统结构控制框图）的顺序把各个 框图内的从站连接在一起，形成一个 DeviceNet 多厂商网络，可自由控制油泵，电磁阀等终端（64 个节点内）。 可按预先设定好的行程自动锻打工件，提高工作效率和锻件精度。 CPU 机架

从站 1

从站 2

控制台

液压机 控制柜

液压机 液压站 控制盒

触 摸 屏

操 作 及 指 示

压 机 行 程 控 制

主 油 泵 控 制

控制 冷却 润滑 油泵 控制

电 磁 阀 控 制

液压 油温 度压 力信 号采 集

图 1 系统结构控制框图 (2) 采用液电最佳组合的快速卸荷技术，实现 PLC 控制的多点、多级液压系统快速平稳卸荷，减少了液压冲 击造成的震动、噪音及机器故障。 通过电子、液压相结合的方式在液压机系统的不同部位设置多个多级卸荷装置，能够在极短的时间内将系 统内存储的高压能量全部释放，而不发生大的液压冲击和噪声。快速卸荷系统主要由主缸和副缸一级卸荷阀、 主管道一级卸荷阀、主缸和副缸二三级卸荷阀组成，液压系统上安装有压力传感器，PLC 通过采集压力传感器 输出信号，经过运算比较依次控制各个液压阀卸荷时间。并且所有一级、二级卸荷阀均采用带有调节杆的插装 阀，通过调节该调节杆可实现对卸荷效果的辅助调节。 该装置使机器提高了锻造频次和锻造能力，大大减少了锻造液压机在工作过程中的液压冲击、震动和噪音， 避免了由于震动而引起的泄漏、管道断裂、焊缝开裂等故障，减少了机器故障率。提高了机器的安全性和生产 效率，使机器的总体性能达到了很大提高，实现运行平稳的快速锻造。 (3) 采用创新了液压机快速回升弹簧技术，减短了回升时间，提高锻造频次。

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该回升装置主要利用高压系统中液体压力能的存储与释放，使活动横梁快速回程。主要由插装阀、溢流阀、 蓄能器组成液压弹簧，压力传感器传递信号使补液回路适时补充压力，使该液压弹簧始终保持一定的刚度。当 压机的活动横梁快速下行进行锻造时，把回升缸内的油压入蓄能器内，存储回升压力能。能够在任何锻造压力 和回程高度的情况下，液压系统在卸荷的同时活动横梁就随动回程，实现快速回升，减少了液压阀切换的响应 时间和主泵供油回程的时间，实现稳定的快速回程，提高锻造频次，实现快速锻造。而且运行平稳，机身振动 小，满足了快速锻造要求。 (4) 具有气动控制的快捷换模功能，缩短辅助工作时间，提高了锻造效率。 该装置由两个气缸驱动，四个插销插入定位圆销内，很方便的把上砧固定在上垫板上。当需拆卸上砧时气缸 活塞伸出，拔出插销拿下圆销，就可把上砧拆卸下来。反之，上砧就固定上垫板上。该装置主要包括垫板、上 砧块、气缸、插销、定位圆销等，耐磨气缸套镶嵌在垫板内，密封采用耐高温的金属涨圈密封，的这种设计结 构简单实用，维修方便，具有耐磨损、耐高温、密封性好的优点。 该装置能够方便快捷的自动换模，可进行热承载模更换等特殊作业，满足大型设备快速换砧的需求，缩短辅 助工作时间，提高了锻造效率。 (5) 安全高效的零距离、零压力快速补排液功能，具有缸内建压快、防油液外泄的优点。 油缸顶设置开放式大容积补液箱和大流量的自吸式补液阀，具有补液充分和回油迅速的优点。同时由于充 液阀内置，防止了高压油泄漏外流而造成的危险。 （6）改进的三梁四柱上推式结构形式，在高吨位锻造的情况下，机器有较高的抗偏载能 力和高的使用寿命。 主机结构采用三梁四柱上推式结构形式，主要零部件三梁四柱及缸体在设计上采用有限元分析计算、 Solidworks 三维模拟实体分析等多种方式计算保证其设计强度和刚度，在工艺上通过完善的工艺措施和质量保 证体系保证其制造质量。 主柱塞与活动横梁的连接采用球头浮动连接，在出现偏载时，使主柱塞始终保持与主缸同心和铅垂度， 有效解决偏载的危害；主柱塞设计成空心结构，使液压压力面最大限度的接近活动横梁，减少了由于偏载产 生弯矩对主柱塞和缸体的损害；加长活动横梁的导向长度，增大其抗弯矩能力，提高了整机的抗偏载能力及 导向精度。 4． 结束语： 我国近年来自由锻造液压机达到快速发展，我国万吨级以上的自由锻造液压机已有近十台，大型锻造液压机 在位居世界前茅，标志着我国已经进入世界锻件制造的先进行列，但是设备总体水平还比较落后，自动化程度 和机械化配套水平低。特别是近年来新投资的中小型锻造液压机，大部分档次太低，效率低，能耗严重。因此， 为适应国内外市场经济的发展，需要大力发展高性能的锻造液压机，重视锻造数字技术的应用。安阳锻压机械 工业有限公司多年来一直致力于向用户提供成套的锻压设备，在锻造设备领域为我国锻造技术的进步不断探索， 希望和致力于锻造技术进步的有识之士合作，以高、精、尖作为技术的发展方向，为我国锻造工业的发展和技 术进步贡献自己的力量。 参考文献： ［1］高俊峰.我国快锻液压机的发展与现状［M］.2008 年中国机械工程学会年会暨甘肃省学术年会文 集,2008:335-339 ［2］郭会光.大型锻造的技术研究与质量控制［M］.2008 年中国机械工程学会年会暨甘肃省学术年会文 集,2008:331-334 ［3］陈路.新编锻压精密技术实用手册［M］.北京科海电子出版社,2003:98-99 ［4］帅长红.液压机设计、制造新工艺新技术及质量检验标准规范实务全书［M］.北方工业出版社，2006： 687

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中国国际自由锻会议 2012 将于 2012 年在中国举办，2012 年中国再相见！