当前，在重型装备制造企业里，象冶金设备、锻造设备和电站转子等重型锻件中的很大一部分为轴类锻件，都是用锻造液压机自由锻造生产的，所以不可避免地存在锻造精度低，表面质量差，加工余量大，锻造火次多等缺点。 在激烈竞争的市场环境下，迫切需要通过改进锻造工艺，升级锻造设备来提高液压机的锻造质量、精度和工作效率。如今， 生产中、小型轴类件时已基本上不再采用自由锻造方法，而代之以径向锻造液压机，可以将锻造效率提升数倍，锻造质量和精度也得到很大提升。因此，本文尝试用大型液压机配合专用的径向锻造工具生产重型轴类锻件，以提升锻造质量、精度和工作效率。 与自由锻造相比，径向锻造所使用的锻造工具已经有很大变化。自由锻造一般使用上、下平砧、上、下V 形砧或上平、下V 砧进行锻造，通过砧子单方向运动使锭料或坯料受压而产生变形（见图1）。
由于在自由锻造的条件下，锻件的锻造中心是不断变化的，所以无法实现精确锻造，并且锻造效率较低。而径向锻造一般采用四个锤头，在同一平面内分成两组， 能够同时在锻件上施加均匀分布的锻打力（见图2）。 可见，径向锻造就是用沿零件周向呈“X” 形分布的4 个锤头，在驱动机构的带动下，在锻件的径向方向进行锻造， 所以锻造中心能够始终保持不变，使材料在高静水压力的应力状态下沿轴向、径向流动。由于宽展塑性变形受到径向锻造工具的限制， 从而使金属的塑性变形以轴向延伸为主， 所以极大地提高了锻造效率。1发现现状 （1） 由俄罗斯生产的机械式径向锻造设备（见图3）是通过液压机对锻造工具施压，再通过工具内部的楔块实现4 点沿径向的同步锻造， 但是由于这类工具不能保证锻造中心的一致性，无法完成快速锻造， 对锻造效率和精度提升有限。（2） 德国SMS MEER 公司生产的径向锻造液压机（见图4），配合两台操作机，锻造效率非常高，质量极佳且锻造精度好，国内很多钢铁企业都将此设备用于中、小型轴类件的高精度锻造。但该类径向锻造液压机的最大锻造直径只能达到Φ1000mm，锻造力只能够达到20 MN，仅适合直径Φ1000mm 以下轴类锻件的批量生产，并且设备投资非常大，如果锻件无法达到一定产量，很难获得经济效益。2研究目的和意义 本文所研究的径向锻造工艺， 主要应用于Φ1000mm 以上的重型轴类锻件的锻造生产，比较适合重型轴类锻件批量小、种类多、直径较大的特点。通过本文对径向锻造工艺进行的数值模拟和工艺可行性评估，初步确定了60MN 液压机用径向锻造工具的主要技术参数， 为径向锻造工具的具体设计提供理论支持。3径向锻造工艺设计 本文以某支承辊锻件为例（见图5） 设计一套径向锻造工艺以取代原自由锻造工艺中的拔长工序。3.1 自由锻造工艺（1） 钢锭出炉， 压钳口。（2） 镦粗至Φ2280 mm×2000 mm。（3） KD法拔长至Φ1400 mm×5870 mm（见图6）。①满砧进给，顺锤压下，压完1 道次后翻转90°错半砧， 压下1 道次。 ②压下量为坯料高度的20%。 ③清理裂纹。（4）分料A、B 两块（见图7）。料A：Φ1400 mm×2450 mm料B：Φ1400 mm×2450 mm（5） 拔长至Φ1270 mm×2975mm（见图8）。（6） 拔长出台阶， 出成品两件（见图9）。 拔长工序的变形过程：3.2 径向锻造工艺的规划 可见，用自由锻造工艺锻造毛坯需要6 道工序，其中的第5、6 道工序为拔长工序，总共需要两个火次才能完成，本文就是用径向锻造工艺替代自由锻造的最后2 道拔长工序，以便在1个火次之内完成拔长工序。 拔长工艺一共分为10个工步（见图10）。（1）毛坯出炉运输和装卡， 耗时15 min。（2）将覫1400 mm×2450 mm 毛坯整段拔长至Φ1270 mm×2975 mm。（3） 将毛坯一端拔长出第一段台阶Φ895 mm×965 mm。（4） 将毛坯一端拔长出第二段台阶Φ825 mm×1 025 mm。（5） 将毛坯一端拔长出第三段台阶Φ555 mm×460 mm。（6） 掉头， 耗时10min。（7） 将另一端拔长出第一段台阶Φ895mm×1040mm。（8） 将另一端拔长出第二段台阶Φ825mm×1390mm。（9） 将另一端拔长出第三段台阶Φ555 mm×620 mm。（10） 完成辊身的滚圆工步。3.3 锻造工步的详细设计（1） 工步2 的锻件截面变形过程将Φ1400 mm×2850 mm 毛坯整段锻成Φ1270mm×2975mm 的截面变形图（见图11）。 图11（a）的截面为8 个锻造面，锤头压下1次能够完成4个面的锻造，然后零件旋转1 次，再完成另外4 个面的锻造，每道次进给4 次， 一共锻造10 次。 图11（b）和（c）时， 零件各转动2 次，轴向各进给4 次， 锻造次数各10 次。 工步2 合计锻造30 次。（2） 工步3 的锻件截面变形过程将Φ1270 mm×2975 mm 毛坯一端锻出Φ895mm×965 mm 的台阶（见图12）。 图12（a）的截面为8 个锻造面，锤头压下1次完成4 个面的锻造，然后零件旋转1 次，完成另外4 个面的锻造，一共锻造2 次。 图12（b）时零件转动2次，锻造次数为2次。 图12（c）、（d）、（e）、（f） 时，零件各转动2次， 轴向各进给1次， 锻造次数各4 次。 工步3 合计锻造20 次。（3） 工步4 的锻件截面变形过程将Φ895mm×965 mm 毛坯一端锻出Φ825 mm×1025 mm 的台阶（见图13）。 图13（a） 的截面为8 个锻造面，锤头压下1次完成4 个面的锻造，然后零件旋转1 次，完成另外4 个面的锻造， 轴向进给1 次， 一共锻造4 次。 图13（b）时，零件转动2 次，轴向进给1次， 锻造4 次。 工步4合计锻造8 次。（4）工步5的锻件截面变形过程将Φ825 mm×1025 mm 毛坯一端锻出Φ555mm×460 mm 的台阶（见图14）。 图14（a） 的截面为8 个锻造面， 锤头压下1次完成4 个面的锻造， 然后零件旋转1 次，完成另外4 个面的锻造， 一共锻造2 次。 图14（b） 时， 零件转动2 次， 锻造2 次。 图14（c） 时， 零件转动1 次， 锻造1 次。 图14（d） 时， 零件转动2 次， 锻造2 次。工步5合计锻造7 次。（5） 工步7~工步10 的锻件截面变形过程工步7~工步9 为零件掉头后进行另一端轴颈的锻造， 锻造工艺与工步3~工步5 相同， 只是由于在前面锻造过程中锻件在空气冷却下产生温降，需要适当减小压下量， 以满足工具的锻造能力。 上述3 个步骤共需要23 道次， 锻造75 次。 工步10，最后的滚圆是将轴颈锻成内切圆直径为Φ1270 mm 的16 边形， 然后转动3次，每次转动22.5°， 轴向进给2次， 共锻造12次， 完成滚圆。（6） 锻造次数统计 经统计该支承辊的拔长工序共需要152次锻造（见表1）。（7） 锻造时间估算 用液压机配合径向锻造工具所得锻造频率约为5 次/min 左右。而拔长锻造共需要152 次，锻造耗时约30 min，再加上上料的15 min 及掉头的10min，拔长工序的总耗时约为55 min， 可见只需1个火次就可以完成轴颈的锻造，大大提高了锻造效率。4锻造工艺的数值模拟 本文通过数值模拟对上述径向锻造工艺的可行性进行验证， 以便确定最大锻造力与压下量的关系， 以及锻件的实际变形情况和锻造质量， 最终验证所设计的用大型液压机配合径向锻造工具的拔长工艺的可行性。 由于拔长工序的锻造次数较多， 轴向进给的锻造力差别不大， 而且锻造的动作基本相同， 所以本文不做完整的轴向进给数值模拟， 只进行截面变形的锻造分析， 且只对关键的锻造步骤进行模拟， 分析锻造相关参数对锻造力的影响。 模拟材料：45Cr4NiMoV， 1100 ℃时的流动应力为53 MPa， 1200 ℃时流动应力为33 MPa（见图15）。锤头砧宽600 mm锤头压下速度20 mm/s
4.1 温降对锻造力的影响
由于锻造过程中温降对锻造力的影响比较大，所以必须加入温降模拟过程，然后与锻造过程进行耦合，使得模拟过程在最大程度上与实际情况相符。
模拟条件：锻件温度1250 ℃，环境温度21℃， 模拟1 h 的温降（见图16）。 将支承辊锻造过程中的锻件表面实测温降与模拟值进行对比，发现模拟值与实测值高度吻合，可以反映实际的温降过程（见图17）。4.2 锻造工步2模拟（1） 模拟条件第1 道次：空冷15 min ， 坯料直径Φ1400mm， 压下量35 mm。第2 道次：工件旋转45°， 压下量35 mm。第3 道次：工件旋转22.5°， 压下量65 mm。第4 道次：工件旋转45°， 压下量65 mm。（2） 模拟结果第1 道次锻造力为220 kN（图略）。第2 道次锻造力为240 kN（图略）。第3 道次锻造力为269 kN（图略）。第4 道次锻造力为272 kN（图略）。4.3 锻造工步3模拟（1） 模拟条件第1 道次：坯料直径Φ1270 mm， 工件旋转22.5°， 压下量70 mm。第2 道次：工件旋转45°， 压下量70 mm。第3 道次：工件旋转22.5°， 压下量80 mm。第4 道次：工件旋转45°， 压下量80 mm。（2） 模拟结果第1 道次锻造力为314 kN（图略）。第2 道次锻造力为313 kN（图略）。第3 道次锻造力为294 kN（图略）。第4 道次锻造力为329 kN（图略）。4.4 锻造工步7 模拟（1） 模拟条件第1 道次：空冷38 min， 坯料直径覫1 270mm， 工件旋转22.5°， 压下量70 mm。第2 道次：工件旋转45°， 压下量70 mm。第3 道次：工件旋转22.5°， 压下量80 mm。第4 道次：工件旋转45°， 压下量80 mm。（2） 模拟结果第1 道次锻造力为396 kN（图略）。第2 道次锻造力为365 kN（图略）。第3 道次锻造力为391 kN（图略）。第4 道次锻造力为379 kN（图略）。4.5 模拟数据分析 结合60 MN 液压机结构和能力，对比数值模拟的结果，初定确定了径向锻造工具的主要技术参数：最大单锤头的锻造力280kN， 最大锻造直径Φ1400 mm。 在工步2 时锻造力都在280 kN 以下， 在工步3 时可以通过降低压下量以使锻造力降到280 kN以下， 而掉头之后考虑温降的影响， 在工步7 时锻造力大于280 kN， 此时应减小压下量并控制压下速度以降低锻造力， 满足锻造工具的最大锻造能力。5结语 （1） 通过本文对支承辊锻件径向锻造工艺的设计及数值模拟， 验证了用径向锻造方法锻造重型轴类件的可行性。（2） 确定了在60 MN 液压机上应用径向锻造工具的主参数， 包括最大锻造直径和最大锻造力以及锤头的参数， 为下一步具体设计提供了可靠的工艺参数。作者：文/一重集团大连设计研究院有限公司.殷文齐
