用曲柄热模锻压机床生产管线法兰件

    在现代锻造生产中，为成批制造环形锻件，其中包括法兰锻件，一般采用3种可保证大致相同和足够高水平锻件质量的热变形方法：热模锻、辗扩、带预辗扩环形毛坯的热模锻。
　　热模锻法兰锻件一般用4道工序实现：镦粗、最终成形、冲孔和切边。这时锻件的尺寸和形状可达到所需精度，从而可取消接管外表面和贴近它的锻件法兰部分端面的后续机械加工。这是由于在最终成形时毛坯的温度较稳定，因在前述镦粗过程中毛坯的冷却不显著。
　　与其它制造环形锻件的方法相比，热模锻的特点是在采用最少量锻压设备的条件下达到的生产率最高。采用的设备只有热模锻机（用于镦粗和最终成形工序）和切边压力机（用于冲孔和切边）。这种设备的通用性好，必要时可用于制造其它类型锻件。
　　作为环形热模锻毛坯，一般采用圆形或方形横截面的坯料。首先进行镦粗，然后在模腔内最终成形。冲孔时在毛坯内形成废料，其最小直径尺寸取决于锻件上孔的大小，而最小厚度尺寸取决于最终成形时金属的流动条件。废料的存在将导致金属利用系数的减小、加热和变形该废料的能耗增加，并导致最终成形锻件所需的力增加。
　　在辗扩时，环形毛坯的变形是在旋转工作辊和心轴间的径向间隙内和环形件轧机上的上、下锥辊间的轴向间隙内同时进行的。这时，被辗扩的环形件重量仍不变，而当环形件在径向和轴向间隙内压缩时其直径随环形件横截面积的减小而逐渐增大。型面尺寸差较大的环形件，其中包括法兰锻件的辗扩，主要特点是必须保证环形件横截面内的金属以径向和轴向流动，并且当环形件的直径达到给定尺寸时还要完成横截面型面的最终成形，即被特型工作辊和心轴形成的型腔应完全被金属填满。
　　辗扩只有对带孔的毛坯才可能，因此，在辗扩过程前必须有在相应压力机上用热模锻法制造环形毛坯的过程。这时，最好利用封闭式工具，因毛刺残留在环形毛坯的表面上可能成为辗扩时的缺陷源。在制造环形毛坯时形成的废料不大，因其仅取决于环形件轧机的心轴直径。因此，在辗扩时可以达到较高的毛坯材料的有效利用。
　　但是必须指出，为用辗扩法制造目前最大的法兰锻件，必须有制造环形毛坯用的压力机和径向-轴向环形件轧机，因它们是专门化设备，仅适于生产环形锻件。此外，在辗扩时发现最终成形的锻件的尺寸波动（沿高度或直径）和锻件的圆度偏差，约为锻件最大直径的0.5%。因此，在辗扩时锻件的形状和尺寸精度较热模锻时的低。辗扩的生产率也显著低于热模锻的生产率。
　　热模锻与预辗扩环形毛坯复合的方法，叙述如下。与辗扩一样，预先制造环形毛坯，但在该情况下其横截面形状较简单，无需优化，因辗扩是用光滑轧辊实现的。将毛坯置于环形件轧机上辗扩至获得矩形横截面的环形件，并使其尺寸接近于成品锻件的尺寸。然后，用热模锻法最终成形锻件。
　　采用该工艺时，废料仅在模锻环形毛坯时形成，且其尺寸不大，而在最终成形时仅沿内、外直径形成飞边。与一般热模锻相比，这可显著降低金属的消耗和加热最终成形毛坯的能耗，并可明显减小最终成形的所需力，即在提高制造经济性的同时，还可保证在同一热模锻机上生产较大锻件的可能性。
　　采用辗扩后的环形毛坯件不仅可在锻锤上和压力机上，而且还可在用模具轴向辗扩用的专用热模锻机上实现最终成形，后者获得的环形锻件其精度较在通用设备上模锻时的要高。为实现上述方法，必须有下列设备：制造环形锻件用压力机、环形件轧机、热模锻机和切边机（后者在用模具的轴向辗扩机上最终成形时不需要）。复合方法时的生产率受环形件轧机的生产率限制，故为保持热模锻线上主热模锻机组的生产率，必须安装两台这样的轧机。
　　根据管法兰锻件的制造，在对比环形锻件的各种制造方法时必须指出，热模锻与预辗扩复合的方法目前主要用于汽车工业制造小型横截面的环形锻件。在生产型面尺寸落差很大的法兰时，这种方法实际上不采用。这可解释为，一方面因为重调具有不同特征的多台设备组成的生产线时劳动量较大，仅对大批量生产少品种的锻件才有效，而法兰的特点是同型锻件具有很多品种，其每种规格尺寸有若干方案，它们的锻件尺寸和毛坯尺寸都不相同。另一方面，在最终成形开始前锻件冷却较显著（约200℃），因此在制造法兰锻件时要求补充加热，以稳定预辗扩后锻件的温度，目的是保证法兰的非加工表面所需的精度。
　　同样必须指出，为辗扩尺寸差很大的环形锻件，必须采用径向尺寸差较大的工作轧辊，以使其能形成锻件的相应横截面型面。这时，在辗扩过程中发现锻件型面各段上的圆周速度不同（轧辊的径向尺寸愈大，则圆周速度愈大），并发现被辗扩的材料相对成型工具产生不可避免的滑动，这是工具磨损的主要原因。用目前已有的手段（选择工具材料、采用润滑和冷却）来补偿磨损，效果不大。因此，外径达600mm左右、重量达80kg的型面尺寸差较大的环形锻件，宜用热模锻法制造。因此有理由认为：对管法兰锻件而言，现代热模锻设备的工艺性是限制热模锻法应用范围的主要因素。
　　生产重型机械压力机的沃罗涅日股份公司的实践表明，为热模锻法兰，最好采用曲柄式热模锻压力机。近几年来，该公司生产了11台这种压力机（其中4台公称力40MN，2台63MN，1台80MN和2台125MN），已在西班牙、朝鲜和美国3个知名的法兰制造工厂投入使用。同时在其中1台公称力125MN的压力机上，已于1988年掌握了457.2mm法兰锻件（外径为650mm）的模锻。这在世界实践中是第一次为此目的而采用这么大的曲柄式热模锻压力机。这些数据表明，在法兰生产中模锻锤已让位给曲柄式热模锻压力机。它是最有前景的热模锻设备。
　　当锻件重量较大（这是法兰件的特点）时，曲柄式热模锻压力机的高生产率首先要求其在制造过程中必须实现运送和操纵锻件的自动化，至少是机械化。因此，模锻法兰用的曲柄式热模锻压力机必须和相应装置（包括制造锻件的整个过程——从加热的毛坯运送到压力机上，直至取下成品锻件）视为热模锻装置的统一体进行综合研究。从这观点出发，现在生产的用于热模锻管法兰的重型机械压力的装置，可分为两个不同的组成部分：变形设备和工艺过程自动化的手段。
　　较小尺寸的法兰锻件（包括200 mm的），一般是大批量制造的。这时生产经济性的主要准则是生产率，其首先决定采用的是工艺过程高度自动化的设备，即自动化热模锻综合体。这些综合体的特点是用一台带有抓斗式的输送机按工具的所有工位运送被模锻工件到同一台曲柄式热模锻压力机上，实现热模锻的所有工序（镦粗、最终成形、冲孔和切边）。
    曲型例子是在公称力40MN曲柄式热模锻压力机基础上建造的自动化综合体，用于制造最大外径达350mm的锻件（法兰锻件200mm）。原始材料为一般精度的圆形或方形横截面轧件。轧件是在感应加热装置内加热的，在装置的出口处安装有剪床，以剪切成定长毛坯。当该毛坯加热至1200℃时便进入第一工位的装料机上，装料机将料送入压力机的模锻区，并安装在镦粗用的平台上。镦粗后毛坯借助抓斗式输送机，按其余工位依次运送。
　　毛坯每经滑块一个行程便进入曲柄式热模锻压力机上，即在压力机的模锻区同时有2个毛坯：或在镦粗和冲孔工位上，或在最终成形和切边工位上。这就建立了较良好的清理、润滑和冷却工具的条件，特别在最终成形工位上，最终结果有助于保证所需精度和良好的表面质量，无需经过精光整机械加工，并可大大提高成形工具的耐用度。
　　生产率与毛坯的重量有关。正如使用经验所表明，当毛坯重量25kg~30kg时每小时可生产200件。由于锻件形状的单一，在制造其它尺寸规格的法兰锻件时重调机组的时间消耗不多，而主要是更换模具。
　　较大法兰的锻件（尺寸200mm以上）一般是以较小的批量生产的。批量的大小通常随锻件外径的增大而减小。为制造这种锻件，必须有公称力63MN以上重型曲柄式热模锻压力机。这时，曲柄式热模锻压力机的模具空间不足以安置工具的所有工位，而要增大的话势必导致压力机重量和价格的增大。因此，最好是将冲孔和切边工位安排在单独的切边压力机上。它与曲柄式热模锻压力机、运送和机械手一起，便形成机械化或自动化的热模锻线。
　　在这引起自动线上，生产效率（与生产率同时）的主要准则之一是最大利用热模锻压力机的力和动力的可能性，即在滑块每个行程时在压力机的模具空间内只有一个毛坯在镦粗工位上，或在最终成形工位上。这就决定了在机械化自动线上采用由操作者控制的机械手，在自动化的生产线上采用由程序控制系统控制的工业机器人的合理性。
　　这些自动线的典型例子是用于制造尺寸达354mm法兰锻件（锻件最大直径540mm，最大毛坯的重量约115kg）的半自动热模锻线。该自动线包括公称力80MN的曲柄式热模锻压力机和公称力16MN的切边压力机，作为自动化手段采用了工业机器人，其快速动作决定了该自动线的生产率为每小时达120个锻件。自动线的其它组件以公称力40MN的曲柄式热模锻压力机为基础的热模锻机组的相应组件相似。
　　在曲柄式热模锻压力机上热模锻的实践表明，为达到使用压力机的必要经济效果，必须保证利用其力和动力的可能性不小于50%。下表列出了不同公称力的曲柄式热模锻压力机制作法兰锻件最佳尺寸范围。
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　　曲柄式热模锻压力机            法兰锻件的尺寸
　　  的公称力（MN）      最佳范围（mm）   最大外径（mm）
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　　     40                 100~200           350
　　     50                 150~250           415
　　     63                 200~300           490
　　     80                 250~350           540
　　     100                300~400           605
　　     125                350~450           650
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　　在制造较大法兰的锻件时，生产批量不大，且在法兰生产商的具体工作条件下设备负荷可能不满。在这种情况下最好是在热模锻线上制造法兰锻件的同时（从最佳范围中），制造其它类型锻件。例如，在以公称力为125MN的曲柄式热模锻压力机为基础的自动线上，既考虑生产350mm~450mm的法兰锻件，也考虑生产汽车的曲轴锻件。为此，在自动线的组成中补充进了辊锻机，以及扭转机较准压力机及其随同装置。由此就获得了柔性热模锻自动线，在可能最佳利用曲柄式热模锻压力机的条件下，它同样有效地适用于生产平面圆形锻件和长形锻件。
　　正如上述所指出那样，热模锻法的明显缺点是有不可避免的金属废料，随锻件内径的增大而增加。这时增加的不仅是废料重量的绝对值，而且还有原始毛坯材料变成废料的比例。例如，100mm法兰锻件的废料面积约占无飞边锻件总面积的20%，而450mm法兰锻件则约占无飞边锻件总面积的48%。因此，在生产较大法兰的锻件时，热模锻法愈来愈获得广泛应用，即将废料尺寸故意增大，使其等于能形成较小尺寸规格的法兰锻件所需的镦粗毛坯尺寸。公称力80MN曲柄式热模锻压力机上制造350mm法兰锻件的实践表明，这种方法可使金属废料缩减至最小。明显降低的还有能耗，因350mm和200mm法兰锻件仅一次加热模锻，而75mm法兰锻件仅一次加热模锻，而75mm法兰锻件只需前述锻件的废料预热即可。
　　这样可作出结论，在曲柄式热模锻压力机上热模锻法兰锻件是最好制造方法。