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【摘 要】 金屬锻造在机械加工中占有越来越重要的位置，是涉及到国计民生的基础行业。在飞速发展的过程中要不断提高金属锻造技术水平和工艺水平。本文主要利用空心钢锭制造筒形件锻造工艺进行有效的分析，以说明锻压设备构件生产中的工艺。
【关键词】 锻压设备构件；生产工艺；锻造
大型筒体锻件是火电、核电、石化、煤化工以及航天航空压力容器中的关键部件，为了保证大型筒体锻件的质量，成品锻件必须经过严格的超声波探伤和外观尺寸检测。生产实践表明，在空心钢锭的铸造过程中，钢锭内部的各种冶金缺陷是不可避免的，即使是采用目前国际上最先进的双真空冶炼技术。因此，必须通过锻造的方法消除空心钢锭内部的偏析、孔洞、疏松等铸态缺陷，由于空心钢锭特殊的原始组织结构，不能采用冲去心部缩孔、夹杂等方法来消除内部缺陷，所以，不能简单的套用传统的锻造工艺，应结合空心钢锭缺陷特点选用合理的锻造工艺组合及参数，使成品锻件能达到组织致密性、晶粒细化的要求。国内在大型筒体锻件方面主要采用普通的实心钢锭来生产，其制造工艺流程是：倒棱下料压钳口—粗镦切除水冒口—镦粗冲孔—芯棒拔长—芯轴扩孔—精锻。用这种方法制造，工序多，火次多，内部组织缺陷多，成形质量不易控制，外部尺寸余量大，钢锭的利用率低；采用空心钢锭制造大型筒体锻件可以省去镦粗冲孔两道工序，具有节能、节材、短流程、提高现有设备加工能力等优点，因此空心钢锭非常适合用于大型筒体锻件的制造。
一、利用空心钢锭锻造筒体锻件的工艺方案
利用空心钢锭制造大型筒体锻件，可以查到的工艺很少，且很笼统，多数都是套用传统的实心钢锭制造筒体锻件的工艺，认为空心钢锭成形以直接芯轴拔长加马杠扩孔成形为主。对于工作环境复杂、严峻的大型筒体锻件只通过拔长加扩孔成形，轴向性能不能够保证即轴向锻比不够。利用空心钢锭制造大型筒体锻件工艺方案大致有两类。（1）对于普通的大型筒体锻件可以采用直接芯轴拔长加马杠扩孔成形。（2）对于各向性能要求较高的大型筒体锻件采用扩孔开坯加反复镦拔（或镦扩）和最终扩孔成形。
选用一重制造的30t空心钢锭进行缩比模拟，对其尺寸略有改动，使其尺寸满足H/t=1.5，D/t=3。模拟尺寸如图1所示。
二、开坯锻造工艺的确定与芯棒直径的选择
空心钢锭开坯锻造工艺应选择拔长或扩孔。钢锭在芯轴拔长过程中，靠近外表面的为大变形区，靠近内表面的为小变形区，因此，最终凝固点的缺陷不会产生明显内移，有利于将缺陷和夹杂控制在壁厚中间，在车削加工后缺陷和夹杂不会暴露于内表面。拔长对径向空洞缺陷的锻合能力不强，若开坯过程采用芯轴拔长，很可能不能锻合缺陷或锻合缺陷所需要的变形量较大。由于芯轴拔长是一种减小空心毛坯外径而增加轴向长度的锻造工艺，用于锻制长筒类锻件，芯轴拔长若采用较大的变形会导致H/t增大较多，H/t太大则容易导致后续反复镦拔（扩）的镦粗变形产生凹陷，降低许可压下量，不容易与反复镦拔（扩）的拔长（扩孔）工艺衔接。
马杠扩孔是减小毛坯壁厚而增加锻件外径的工艺。扩孔锻合壁厚中间缺陷的能力比较强，但是扩孔芯棒选择不合适会导致缺陷内移，后续机加工后缺陷会暴露于内表面，导致锻件报废。开坯锻造时扩孔芯棒应该在满足不使缺陷剧烈内移的前提下尽量提高扩孔效率。为了研究不同芯棒直径对空心钢锭截面变形的影响，本文选用四组不同直径的芯棒进行扩孔模拟，空心钢锭内径为d=400mm，芯棒直径分别为120mm、200mm、280mm、360mm即芯棒直径分别为内径的30%、50%、70%、90%。
数值模拟结果可以看出，随着芯棒直径的增加，锻件截面的变形区逐渐扩大，在70%-90%之间时可以看出变形覆盖了整个截面，由于壁厚中间部位分布有空洞、疏松和微裂纹等铸态缺陷，因此该部位的充足的径向压应变变形将有助于压实钢锭疏松、锻合空洞、打碎粗晶。由图可知芯棒直径较小时内孔变形剧烈，靠近上砧处无法得到充分变形，这会导致处于壁厚中间部分的缺陷强烈内移，后续机加工后缺陷、夹杂会暴露于内孔表面，导致锻件报废，因此，增加芯棒直径有利于扩孔工艺的进行，但芯棒直径也不宜与内孔直径过于接近。芯棒直径较小时变形主要集中在靠近内孔处，芯棒直径较大时，变形分布比较均匀。对于扩孔工艺来讲，较小的芯棒直径的扩孔效率高，但是较小的芯棒由于变形时局部变形剧烈会导致最终锻件内孔有梅花状凹陷，给后续的工艺带来不便，另外从扩孔时芯棒的强度考虑，芯棒直径不应过小，芯棒直径至少大于50%d，从变形时的应变分布和扩孔效率方面综合考虑，开坯锻造时芯棒直径应控制在内径的70%左右，因此，实际生产中，是否需要更换芯棒的判断条件是保证芯棒直径约为内径的70%且不低于内径的50%。
三、扩孔开坯各工艺参数的确定
圆筒形锻件在进行芯轴扩孔操作时，每压下一步之后，需要旋转锻件以逐砧锻压达到扩孔成形的目的。在旋转锻件的过程中，连砧转角的控制是最为重要的工艺参数。连砧转角的设计应保证锻件在变形均匀的前提下，尽量提高扩孔效率。研究表明筒体锻件在变形过程中，等效应变、温度、轴向位移和成形力等随着芯棒转动角度的增大先增加后下降，研究表明锻件表面的尺寸精度随着芯棒转动角度的增大有先上升后下降的趋势。从筒体锻件变形连续且充分锻透和锻件表面尺寸精度方面考虑，芯轴转动角度在30°-40°之间比较合理，转角不应超过50°，本文选用30°的芯棒转动角度。
第一圈压完后，锻件变成标准的十二方的形状，第二圈扩孔操作时应在第一圈的基础上进行错砧锻造，消除第一圈砧间结合部位的残留小变形区，建议第二圈压下时上平砧应对准十二方的棱部进行锻造。
通过以上分析，对于各向性能要求比较高的筒体锻件，可以在开坯锻造之后增加两次反复镦拔以提高轴向的变形程度和变形的均匀性，从而提高锻件的综合性能；扩孔开坯时，为保证充分锻合缺陷、打碎粗晶、压实心部并且兼顾扩孔效率，扩孔芯棒应控制在内径的70%且不应低于内径的50%；芯棒转动角度控制在30-40°为宜。 四、锻压优化举措
1、降低金属原材料的使用如图3所示为传统的下料方式分类，其中使用较广的金属切割机床下料会得到较高的下料精度，下料精度的提高，如胚料直径一般比模具小0.2mm，在大批量生产过程中可以大量节省原料使用。原材料使用量降低，符合工业化生产可持续发展战略，降低了废气废水的排放，固体废废物的产生量。
2、锻造有模锻的脱模剂
在脱膜剂的选择过程中，既要保证质量高又要价钱合理，降低前期投资成本，使用较多的脱膜剂是由汽油和废机油制成。以混凝土结构构件脱模举例，为克服模板和（锻）件之间的内聚力，限制接触面积，可降低拆模过程中的粘结力，减少碎屑等污染。其它的脱膜剂如油漆类、乳化油类、石蠟类等多种脱膜剂，根据生产的（锻）件选择合适的模锻，模锻与脱膜剂的合理搭配是提高（锻）件成品率的主要因素。金属锻造在机械加工中发挥越来越重要的作用，有模锻的脱膜剂工艺提高了金属材料的塑性变形效率，脱模过程顺利，会在一定程度上降低噪声污染。
3、改进加热炉的加热方式
传统的锻造加热过程是使用燃煤加热炉、重油加热炉，它们会产生较多的大气污染物，排放气体中包括多种有毒气体如一氧化碳、硫化氢、二氧化氮、二氧化硫等，因此，为了响应国家可持续发展战略，保护人类赖以生存的地球环境，应改善加热炉的燃烧工艺和加热介质。使用天然气加热炉、电炉、轻油反射炉等先进技术和发热介质代替燃煤和重油，使其生产过程更环保，同时提高加热炉的热效率，减少热损失。以炉膛的改进工艺举例，传统的炉膛形状都为矩形或正方形，在形状方面的改进可以将其改造成无死角的椭圆形或者圆形；炉膛内部镀有耐高温材料，为提高燃料的利用率可在炉膛内壁加一层反射能力较强的材料，即可增强炉内反射吸收多余热量，增加燃料利用率，又能保证燃料充分燃烧，燃料充分燃烧的过程中产生的有毒气体如CO、NO、SO2等也会大大减少；，此外还要加强供氧系统，鼓入足量的空气保证燃料充分燃烧。
4、锻造设备的改进
锻造过程根据设备使用的动力不同分为空气锤、电动螺旋压力机、水压机、油压机、电液锤等，因此，选用的设备类型直接影响锻造过程产生的噪声类型，从而，对于设备的选型应按照低能低耗、节能环保、维护方便、安全高效的原则，对使用的空气锤进行升级改造（如改造为电液锤等）或予以淘汰，对于新建项目涉及到锻压设备时，应尽量避免采用空气动力锤，按照产能要求选用液压锤、电动锤或电液锤等，可有效改进设备生产过程中产生的噪声污染等问题。
5、以精密切割等先进的切割手段代替机加工，直接减少机加工作业工序
首先，在个别产品上寻求解决问题的途径，采用选择不同割嘴、不同切割规范、不同割枪倾斜角度等方法，并配合采用割后用砂轮仔细修磨等技术措施，摸索出一整套保证倒角切割精度的有效方法。在取得成熟经验之后，迅速在所有产品中施行。即将过去由机加工做出的连杆等构件的倒角，改由切割时直接割出，减少了机加工工序。
6、提高构件的外观尺寸精度，使加工吃刀量尽量均匀，缩短加工时间并提高机加工作业效率。
以滑块底板为例，原底板毛坯变形大，造成机加工吃刀量不均匀，需多次吃刀增加机加工时间。为此，在构件毛坯阶段就要控制构件的外观尺寸精度。仍以滑块底板为例，注意实施中间工序火焰矫正，并配合正确的制造顺序，可以保证构件的弯曲变形小，保证了机加工吃刀量的均匀，减少吃刀次数，提高了机加工的效率。
结语
大型筒体锻件作为大型成套设备中的关键核心部件，具有尺寸大、质量要求高、生产工艺过程复杂等特点。大型筒体锻件是涉及国计民生的重要领域，其生产制造水平是衡量一个国家重大装备制造水平的重要指标之一。利用空心钢锭制造大型筒体锻件具有节材、节能和短流程等许多实心钢锭无法比拟的优势，空心钢锭的应用是解决我国核电大型筒体锻件绿色制造和产品大型化趋势的一个重要途径。总之，锻压作为一个大型化、高温高压环境下的工业生产过程，可以在生产原料、生产工艺等多个方面加以控制和改进，后期也要开发锻造行业的信息化和智能化管理，企业建立相应的节能减排控制平台，以期实现金属锻造行业的可持续发展。
参考文献
[1]刘力力.身管径向锻造工艺及锻后身管性能研究[D].南京理工大学，2013.
[2]吴彦骏.多工位高速锻造工艺智能集成优化技术研究[D].上海交通大学，2009.
[3]王忠雷，赵国群.精密锻造技术的研究现状及发展趋势[J].精密成形工程，2009，01：32-38+83.
【关键词】 锻压设备构件；生产工艺；锻造
大型筒体锻件是火电、核电、石化、煤化工以及航天航空压力容器中的关键部件，为了保证大型筒体锻件的质量，成品锻件必须经过严格的超声波探伤和外观尺寸检测。生产实践表明，在空心钢锭的铸造过程中，钢锭内部的各种冶金缺陷是不可避免的，即使是采用目前国际上最先进的双真空冶炼技术。因此，必须通过锻造的方法消除空心钢锭内部的偏析、孔洞、疏松等铸态缺陷，由于空心钢锭特殊的原始组织结构，不能采用冲去心部缩孔、夹杂等方法来消除内部缺陷，所以，不能简单的套用传统的锻造工艺，应结合空心钢锭缺陷特点选用合理的锻造工艺组合及参数，使成品锻件能达到组织致密性、晶粒细化的要求。国内在大型筒体锻件方面主要采用普通的实心钢锭来生产，其制造工艺流程是：倒棱下料压钳口—粗镦切除水冒口—镦粗冲孔—芯棒拔长—芯轴扩孔—精锻。用这种方法制造，工序多，火次多，内部组织缺陷多，成形质量不易控制，外部尺寸余量大，钢锭的利用率低；采用空心钢锭制造大型筒体锻件可以省去镦粗冲孔两道工序，具有节能、节材、短流程、提高现有设备加工能力等优点，因此空心钢锭非常适合用于大型筒体锻件的制造。
一、利用空心钢锭锻造筒体锻件的工艺方案
利用空心钢锭制造大型筒体锻件，可以查到的工艺很少，且很笼统，多数都是套用传统的实心钢锭制造筒体锻件的工艺，认为空心钢锭成形以直接芯轴拔长加马杠扩孔成形为主。对于工作环境复杂、严峻的大型筒体锻件只通过拔长加扩孔成形，轴向性能不能够保证即轴向锻比不够。利用空心钢锭制造大型筒体锻件工艺方案大致有两类。（1）对于普通的大型筒体锻件可以采用直接芯轴拔长加马杠扩孔成形。（2）对于各向性能要求较高的大型筒体锻件采用扩孔开坯加反复镦拔（或镦扩）和最终扩孔成形。
选用一重制造的30t空心钢锭进行缩比模拟，对其尺寸略有改动，使其尺寸满足H/t=1.5，D/t=3。模拟尺寸如图1所示。
二、开坯锻造工艺的确定与芯棒直径的选择
空心钢锭开坯锻造工艺应选择拔长或扩孔。钢锭在芯轴拔长过程中，靠近外表面的为大变形区，靠近内表面的为小变形区，因此，最终凝固点的缺陷不会产生明显内移，有利于将缺陷和夹杂控制在壁厚中间，在车削加工后缺陷和夹杂不会暴露于内表面。拔长对径向空洞缺陷的锻合能力不强，若开坯过程采用芯轴拔长，很可能不能锻合缺陷或锻合缺陷所需要的变形量较大。由于芯轴拔长是一种减小空心毛坯外径而增加轴向长度的锻造工艺，用于锻制长筒类锻件，芯轴拔长若采用较大的变形会导致H/t增大较多，H/t太大则容易导致后续反复镦拔（扩）的镦粗变形产生凹陷，降低许可压下量，不容易与反复镦拔（扩）的拔长（扩孔）工艺衔接。
马杠扩孔是减小毛坯壁厚而增加锻件外径的工艺。扩孔锻合壁厚中间缺陷的能力比较强，但是扩孔芯棒选择不合适会导致缺陷内移，后续机加工后缺陷会暴露于内表面，导致锻件报废。开坯锻造时扩孔芯棒应该在满足不使缺陷剧烈内移的前提下尽量提高扩孔效率。为了研究不同芯棒直径对空心钢锭截面变形的影响，本文选用四组不同直径的芯棒进行扩孔模拟，空心钢锭内径为d=400mm，芯棒直径分别为120mm、200mm、280mm、360mm即芯棒直径分别为内径的30%、50%、70%、90%。
数值模拟结果可以看出，随着芯棒直径的增加，锻件截面的变形区逐渐扩大，在70%-90%之间时可以看出变形覆盖了整个截面，由于壁厚中间部位分布有空洞、疏松和微裂纹等铸态缺陷，因此该部位的充足的径向压应变变形将有助于压实钢锭疏松、锻合空洞、打碎粗晶。由图可知芯棒直径较小时内孔变形剧烈，靠近上砧处无法得到充分变形，这会导致处于壁厚中间部分的缺陷强烈内移，后续机加工后缺陷、夹杂会暴露于内孔表面，导致锻件报废，因此，增加芯棒直径有利于扩孔工艺的进行，但芯棒直径也不宜与内孔直径过于接近。芯棒直径较小时变形主要集中在靠近内孔处，芯棒直径较大时，变形分布比较均匀。对于扩孔工艺来讲，较小的芯棒直径的扩孔效率高，但是较小的芯棒由于变形时局部变形剧烈会导致最终锻件内孔有梅花状凹陷，给后续的工艺带来不便，另外从扩孔时芯棒的强度考虑，芯棒直径不应过小，芯棒直径至少大于50%d，从变形时的应变分布和扩孔效率方面综合考虑，开坯锻造时芯棒直径应控制在内径的70%左右，因此，实际生产中，是否需要更换芯棒的判断条件是保证芯棒直径约为内径的70%且不低于内径的50%。
三、扩孔开坯各工艺参数的确定
圆筒形锻件在进行芯轴扩孔操作时，每压下一步之后，需要旋转锻件以逐砧锻压达到扩孔成形的目的。在旋转锻件的过程中，连砧转角的控制是最为重要的工艺参数。连砧转角的设计应保证锻件在变形均匀的前提下，尽量提高扩孔效率。研究表明筒体锻件在变形过程中，等效应变、温度、轴向位移和成形力等随着芯棒转动角度的增大先增加后下降，研究表明锻件表面的尺寸精度随着芯棒转动角度的增大有先上升后下降的趋势。从筒体锻件变形连续且充分锻透和锻件表面尺寸精度方面考虑，芯轴转动角度在30°-40°之间比较合理，转角不应超过50°，本文选用30°的芯棒转动角度。
第一圈压完后，锻件变成标准的十二方的形状，第二圈扩孔操作时应在第一圈的基础上进行错砧锻造，消除第一圈砧间结合部位的残留小变形区，建议第二圈压下时上平砧应对准十二方的棱部进行锻造。
通过以上分析，对于各向性能要求比较高的筒体锻件，可以在开坯锻造之后增加两次反复镦拔以提高轴向的变形程度和变形的均匀性，从而提高锻件的综合性能；扩孔开坯时，为保证充分锻合缺陷、打碎粗晶、压实心部并且兼顾扩孔效率，扩孔芯棒应控制在内径的70%且不应低于内径的50%；芯棒转动角度控制在30-40°为宜。 四、锻压优化举措
1、降低金属原材料的使用如图3所示为传统的下料方式分类，其中使用较广的金属切割机床下料会得到较高的下料精度，下料精度的提高，如胚料直径一般比模具小0.2mm，在大批量生产过程中可以大量节省原料使用。原材料使用量降低，符合工业化生产可持续发展战略，降低了废气废水的排放，固体废废物的产生量。
2、锻造有模锻的脱模剂
在脱膜剂的选择过程中，既要保证质量高又要价钱合理，降低前期投资成本，使用较多的脱膜剂是由汽油和废机油制成。以混凝土结构构件脱模举例，为克服模板和（锻）件之间的内聚力，限制接触面积，可降低拆模过程中的粘结力，减少碎屑等污染。其它的脱膜剂如油漆类、乳化油类、石蠟类等多种脱膜剂，根据生产的（锻）件选择合适的模锻，模锻与脱膜剂的合理搭配是提高（锻）件成品率的主要因素。金属锻造在机械加工中发挥越来越重要的作用，有模锻的脱膜剂工艺提高了金属材料的塑性变形效率，脱模过程顺利，会在一定程度上降低噪声污染。
3、改进加热炉的加热方式
传统的锻造加热过程是使用燃煤加热炉、重油加热炉，它们会产生较多的大气污染物，排放气体中包括多种有毒气体如一氧化碳、硫化氢、二氧化氮、二氧化硫等，因此，为了响应国家可持续发展战略，保护人类赖以生存的地球环境，应改善加热炉的燃烧工艺和加热介质。使用天然气加热炉、电炉、轻油反射炉等先进技术和发热介质代替燃煤和重油，使其生产过程更环保，同时提高加热炉的热效率，减少热损失。以炉膛的改进工艺举例，传统的炉膛形状都为矩形或正方形，在形状方面的改进可以将其改造成无死角的椭圆形或者圆形；炉膛内部镀有耐高温材料，为提高燃料的利用率可在炉膛内壁加一层反射能力较强的材料，即可增强炉内反射吸收多余热量，增加燃料利用率，又能保证燃料充分燃烧，燃料充分燃烧的过程中产生的有毒气体如CO、NO、SO2等也会大大减少；，此外还要加强供氧系统，鼓入足量的空气保证燃料充分燃烧。
4、锻造设备的改进
锻造过程根据设备使用的动力不同分为空气锤、电动螺旋压力机、水压机、油压机、电液锤等，因此，选用的设备类型直接影响锻造过程产生的噪声类型，从而，对于设备的选型应按照低能低耗、节能环保、维护方便、安全高效的原则，对使用的空气锤进行升级改造（如改造为电液锤等）或予以淘汰，对于新建项目涉及到锻压设备时，应尽量避免采用空气动力锤，按照产能要求选用液压锤、电动锤或电液锤等，可有效改进设备生产过程中产生的噪声污染等问题。
5、以精密切割等先进的切割手段代替机加工，直接减少机加工作业工序
首先，在个别产品上寻求解决问题的途径，采用选择不同割嘴、不同切割规范、不同割枪倾斜角度等方法，并配合采用割后用砂轮仔细修磨等技术措施，摸索出一整套保证倒角切割精度的有效方法。在取得成熟经验之后，迅速在所有产品中施行。即将过去由机加工做出的连杆等构件的倒角，改由切割时直接割出，减少了机加工工序。
6、提高构件的外观尺寸精度，使加工吃刀量尽量均匀，缩短加工时间并提高机加工作业效率。
以滑块底板为例，原底板毛坯变形大，造成机加工吃刀量不均匀，需多次吃刀增加机加工时间。为此，在构件毛坯阶段就要控制构件的外观尺寸精度。仍以滑块底板为例，注意实施中间工序火焰矫正，并配合正确的制造顺序，可以保证构件的弯曲变形小，保证了机加工吃刀量的均匀，减少吃刀次数，提高了机加工的效率。
结语
大型筒体锻件作为大型成套设备中的关键核心部件，具有尺寸大、质量要求高、生产工艺过程复杂等特点。大型筒体锻件是涉及国计民生的重要领域，其生产制造水平是衡量一个国家重大装备制造水平的重要指标之一。利用空心钢锭制造大型筒体锻件具有节材、节能和短流程等许多实心钢锭无法比拟的优势，空心钢锭的应用是解决我国核电大型筒体锻件绿色制造和产品大型化趋势的一个重要途径。总之，锻压作为一个大型化、高温高压环境下的工业生产过程，可以在生产原料、生产工艺等多个方面加以控制和改进，后期也要开发锻造行业的信息化和智能化管理，企业建立相应的节能减排控制平台，以期实现金属锻造行业的可持续发展。
参考文献
[1]刘力力.身管径向锻造工艺及锻后身管性能研究[D].南京理工大学，2013.
[2]吴彦骏.多工位高速锻造工艺智能集成优化技术研究[D].上海交通大学，2009.
[3]王忠雷，赵国群.精密锻造技术的研究现状及发展趋势[J].精密成形工程，2009，01：32-38+83.