王侃， 安建军， 何雪龙·兰州兰石重工有限公司

国内首台自主研发2MN 径锻机由我公司研发成功并交付使用，该设备为卧式机械结构，公称锻造力2MN，锻造频次620 次/分钟，锻造控制精度±0.5mm/m，该设备可径锻轴类、方棒类材料，并预留锻管结构功能。

径向锻造技术是一种无模锻造近净成形技术，突破了传统材料锻造成形技术的限制，是锻造装备高端化、智能化发展的方向。径锻机作为一种先进的锻造设备，具有锻打频率高、速度快、每次变形量小等优势。径锻机利用夹头夹爪夹持坯料，被周围分布的多个(2 ～8 个)锤头进行快速、同步锻打，锻件处于三向压应力状态，有效提高金属塑性。该机组结构复杂，涉及液压、机械和电气多系统集成工作，且大多核心部件材料都拥有保禁技术，其设计和制造技术一直掌握在少数国外企业手中，截至目前，全世界径向锻造机的供货基本被奥地利GFM公司和德国MEER 公司垄断。目前国内径向锻造机基本依赖进口，主要用于炮管、枪管、舰船主轴、高铁轮对车轴以及特殊钢坯等锻件的加工。

兰石重工径锻机发展史

我公司是国内成熟度最高的径锻机装备研发设计中心和生产制造基地，2006 年开始径锻机的研发工作，2007 年成立专业研究团队并正式立项研究国产1.6MN 径锻机。2012 年成功研制出国内首台拥有自主知识产权的1.6MN 径锻机组并实现工业化应用，2017 年实现1.6MN 径锻机整机出口缅甸并投产使用。截至目前，先后完成1.25MN、1.6MN、5MN、8MN、10MN、16MN 等系列化径锻机的研发设计工作，并实现6 台(套)径锻机的工程化应用。

该套2MN 四锤头卧式径锻机，结构与1.6MN 径锻机类似，具有自动化程度高、锻造精度高、生产效率高、节能降耗等特点，通过数控软件系统，实现锻件与程序的一一对应关系，保证每个动作指令的可编程、可保存、高可靠和稳定性，实现整个锻造过程的数字化控制。该设备为国内首台自主研发的2MN 径锻机，打破了国外径锻机长期垄断国内市场的现状。

国内外技术参数对比

该套设备可用于高合金钢、钛合金、铜及铜合金棒材的冷热径锻加工，能够满足合金轴类、方棒类锻件的各种工艺要求，并预留锻管功能，设备技术实力已达国际水平，与国外设备技术参数对比见表1。

表1 技术参数对比

机组特点

⑴高频锻造，低能耗高效率。径锻机锤头打击频次620 次/分钟，极高的打击频次通过提高变形金属的温度以抵消金属变形过程的温降，使锻造过程中工件的始锻温度与终锻温度差仅为40 ～50K，可一火完成锻造，节省能源。

图1 兰石2MN 径锻机

⑵程序锻造，智能化程度高。应用了计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning，简称CAPP)技术。这一技术的应用，极大地提高了锻造工艺设计和编制效率，保证了锻造工艺质量，工艺设计结果第一时间存入数据库中，方便查阅、管理以及数据积累。通过径向锻造工艺软件，对新产品、新材料的锻造提供工艺支持，结合少量的实践，不断优化，固化新产品的锻造工艺，大大提高了新产品锻造工艺的开发周期。已优化的工艺将固化存储在设备的控制系统中，随用随调，实现“智能锻造”，为高效生产出符合技术要求的精密锻件提供了有力保障。

⑶近净成形，高精度、低成本。径向锻造技术是一种无模锻造近净成形技术。该技术突破了传统毛坯锻造成形技术的壁垒，锻造成形的产品仅需少量加工或不再加工，具有极高的外形尺寸精度、形位精度和表面成形精度。采用此技术制造的产品质量好、精度高，能源与材料消耗低，生产成本低、效率高，市场竞争力显著提高。

机组结构及功能

本套设备公称锻造力2MN，主传动方式为电机机械传动，能够实现手动、半自动、全自动锻造。锻后工件最大长度8000mm，可锻工件最大重量600kg,占地(长×宽×高)35000mm×13700mm×3500mm。

整个锻造流程为，坯料输送至上料辊道，由上料机械手抓取送至夹头夹紧，坯料在主机中心四锤头正中间锻打成形，在成形过程中使工件轴向运动，同时提供必要的旋转动作，并根据成形行程对工件的延长进行补偿，最后将工件由下料机械手传送到下料辊道上。

主机

主机是径向锻造机的核心锻造单元，主要由齿轮箱、锻造箱、锤头调节装置等组成。

锻造箱是径锻机向工件实施锻打的工作单元，是径锻机的核心部件。4 个锻造锤头在锻造箱中呈X 形布置在同一个平面。锻造锤头的正弦运动保证被锻材料的理想变形，且每一次的变形行程的末端变形速度逐渐降低。带飞轮的偏心轴通过齿轮完全同步，这种布置使四个锻造单元的偏心锻打动作实现联锁的机械同步，而且大质量飞轮的旋转能量可以获得高的成形能量或锻造力的输出。

齿轮箱是径向锻机工作动力的传动单元。一台主电机通过弹性联轴器连接到齿轮。这种布置使四个锻造装置的行程动作实现4 个锤头机械同步。每个锤头的锻造频次为620 次/分钟。主电机输出轴通过弹性联轴器与齿轮轴相连，齿轮轴和与其啮合的输出大齿轮组成减速机构，大齿轮再通过三对结构完全相同的过渡齿轮将运动传递到另外三个大齿轮。保证了四个大齿轮的运动同步。四个大齿轮的传动轴为动力输出轴，通过浮动盘联轴器将扭矩传递到锻造箱体。齿轮箱由四个工作齿轮和六个同步齿轮组成，整个齿轮系实现了四个锤头最终工作的同步性。

锤头调节装置是调整锤头位置的部件，使锤头张开或闭合，用于锻造不同规格及截面形状的锻件。本机组设有两组锤头调节装置，分别控制四个锤头的位置，可以实现对角两对锤头两两对称调节，一对锤头的调节范围为100mm，四个锤头在调节过程中始终保证锻造中心不变。

夹头部件

夹头部件主要由A、B夹头、轨道和托料支架构成，在锻造过程中工件的所有运动均在夹头夹持的状态下完成。

夹头在上料循环结束时夹紧工件，在成形过程中使工件轴向运动，同时提供必要的旋转动作，并根据成形行程对工件的延长进行补偿，最后将工件传送到下料机械手上。夹头在轨道上滑动，工件的纵向运动在整个成形过程中相对于锻造尺寸保持独立。

上料夹头(A 夹头)和下料夹头(B 夹头)结构完全一致，分别安装在径向锻机主机上料侧和下料侧，夹头中心线与径锻机主机的中心线重合。用于夹持工件，配合径锻机主机实施锻造。可完成夹持、旋转工件，沿中心线双向移动完成工件锻造时的进给。

轨道由床身及上部的导轨等组成，为夹头的支撑与行走提供基本的保障，使夹头能安全平稳的工作，床身由板焊件拼装而成，要保证其具有足够的强度。轨道连接到主机底座上，通过精确调整，确保了主机锻造中心和夹头锻造中心的重合，同时实现了夹头在轨道上精确的滑动。

托料支架用于在锻造和下料运行过程中的支撑，托料支架由带液压缸的复合杠杆装置，可自由旋转的耐磨辊组成，在正常生产中可根据工件规格自动调整升起高度。

辅助装置

辅助装置主要用于将工件自动运送并抓取到锻造设备。它们适用于不同尺寸工件的上下料，并与其他设备有安全联锁。主要由以下四部分组成：上料辊道、上料机械手、下料机械手和下料辊道。

设备性能验证

以某铜合金材料进行热试锻造，验证带料状态下设备锻造力、锻造频次等重要参数以及设备运行稳定性。

某铜合金材料性能

该铜合金是一种具有优异高温强度，良好导电导热的高性能功能材料。在保持铜合金良好导电导热性的同时又提高了机械强度。可用于国防军工、航天航空、海洋工程、工程机械、智能装备等领域。

锻造工艺

坯料送进速度、转速、主机锻造频次均为项目重要影响参数，初始设计采用中等送进速度和极限转速、锻造频次，锻造过程中，根据出料端的产品情况进行现场调整，并记录相关参数变化。锻造工艺见表2。

表2 锻造工艺

设备性能最终验证

径向锻造机组各项关键参数均通过以太网与数控系统连接，并将数据通过高速采集卡实时记录在工控机中，同时在HMI 中以图像形式显示，下列参数均为设备热试锻造过程中的实时记录数据。

图2 为设备锻造过程中，运动控制器记录的锻造力曲线，设备最大锻造力可达到2MN，此时设备运行平稳，无振动异响，设备锻造力符合设计要求。

图2 锻造力曲线图

图3 为旋转编码器记录主机偏心轴锻打次数，扫描周期为10ms，经记录，单次锻造时间约为96.7ms，即锻造频次620 次/分钟，符合设计要求。

图3 锻造频次曲线表

图4 为成品实物照片，可以看出成品表面光滑，且形成致密细晶硬化层，无螺旋形凹坑、裂纹、弯曲等锻件常见缺陷。

图4 合格成品

最终成形后，对成品棒料进行测量工作，总长约3m，每0.5m 测量一次共取5 个截面，每个截面同方向测量一组数据，旋转90°再测量一组数据，记录数据见表3。数值均在φ(93±0.5)mm 以内，符合设计要求。

表3 成品直径统计表

结束语

2MN 径锻机的成功研制，具有重大意义，增强了兰石重工的市场竞争力，为企业的可持续发展注入了新的活力。经过本次应用实践表明，径锻工艺可大大缩减材料浪费，降低成本；2MN 径锻机采用卧式结构，主传动采用机械传动稳定可行；热试成功标志着兰石重工研制径锻机的能力达到了国际先进水平，填补了国内相关领域空白，为后续径锻机系列化的开发提供了基础数据保障。

锻造行业是国家基础行业，径向锻造机为航空航天、军工、轨道交通、汽车、船舶、新材料等国民经济主战场的发展提供必需的制造装备，进而为各领域提供硬件支撑。随着国内企业技术实力的不断提升和政策的支持，国产径向锻造机有望逐步实现进口替代。这将为国内企业带来巨大的市场机遇和发展空间。