多向模鍛技術的研究與應用

文/任運來，牛龍江，任杰，曹峰華·上海多向模鍛工程技術研究中心

多向模鍛是一種先進的鍛造技術,它可一次成形出中空且側壁帶有凸臺或多方向枝丫的復雜鍛件，鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機械加工量少；鍛件流線完整，抗應力腐蝕性好，疲勞強度高。使鍛件更好地滿足了機器、電力裝備、石油化工裝備、航空航天裝備、船舶車輛等制造行業和國防建設發展的需求，已成為鍛造技術家族中一個有良好發展前景和廣泛應用的分支。為了加速多向模鍛技術的推進,試驗研究了四種閥體的多向模鍛工藝,在滿足鍛件尺寸的條件下，鍛件重量減少15%，坯料重量降低28%。

多向模鍛及其特點

從兩個或更多個方向對包含在可分合模腔內的坯料施加工藝力，使坯料成形的模鍛方法，稱為多向模鍛。如圖1所示。同其他模鍛方法相比，多向模鍛有如下特點：

圖1 多向模鍛工藝

(1)可成形中空且側壁帶有凸臺的復雜鍛件。圖2所示是采用多向模鍛技術鍛造的缸體鍛件。

圖2 中空且側壁帶有凸臺鍛件

(2)可設置多個分模面，能成形外壁具有多方向枝丫的復雜鍛件。圖3所示是采用多向模鍛技術鍛造的飛機球形接頭鍛件。

圖3 球形接頭鍛件

(3)鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機械加工量少，圖4所示是采用多向模鍛技術鍛造的油泵殼體鍛件。

圖4 油泵殼體鍛件

(4)鍛件流線完整，抗應力腐蝕性好，疲勞強度高。圖5所示是采用多向模鍛技術鍛造的三通閥體解剖的流線分布。

圖5 三通閥體流線

(5)坯料在三向壓應力條件下擠壓成形，可提高材料熱塑性，允許很大的一次性變形。對于變形溫度區間窄的低塑性材料的成形具有特別的意義，圖6所示是采用多向模鍛技術鍛造的導彈噴嘴鍛件。

(6)由于多向模鍛成形需要在多個方向對模腔內的坯料施加工藝力，因此要用專門的鍛造設備—多向模鍛壓機。圖7所示是美國Cameron公司設計制造的100MN多向模鍛壓機。它的垂直合模壓力為100MN，垂直穿孔壓力為27MN，水平壓力為2×55MN。

圖7 Ccameron100MN多向模鍛壓機和完成的鍛件

多向模鍛技術的應用

電力裝備制造中的應用

當前，世界范圍內火電仍然是主要的電力資源，為提高熱效率，正逐漸由亞臨界到超臨界，再向超超臨界的方向發展，蒸汽壓力達30MPa～35MPa,蒸汽溫度達593℃～600℃或更高的參數。在高溫、高壓、高濕度和酸性氣氛中，除要求閥體、管件有高的強度和良好的耐高溫性能外，還要求閥體、管件有優秀的耐應力腐蝕能力。多向模鍛生產的閥體、管件恰恰滿足上述技術要求。

核電裝備制造中的應用

核電站由核島與常規島組成，在核電站中，核島替代了火電機組中的鍋爐，核島閥門除要求具有火力發電閥門的性能外，因內部介質水有強烈放射性，絕對不允許有泄漏，要求閥門、管件產品有高的可靠性、安全性，在質量管理方面，比其他行業閥門、管件的技術要求更為嚴格。必須滿足ASME技術標準，該標準把閥門、管件都視作耐壓容器。除此之外，為提高核電閥門、管件和結構件安全性，盡量減少焊縫數量，因而它們的形狀變得更為復雜。只有采用多向模鍛技術，才能生產出滿足技術要求和復雜形狀要求的鍛件，如圖8所示。

圖8 采用多向模鍛技術鍛造電站閥體鍛件

在核電站中，核電閥門、管件和結構件的數量大、應用面廣，它們連接整個核電站的300余個系統，是核電站安全運行的關鍵附件。據統計，全世界現有核電機組500余座，總裝機容量達四億千瓦以上。有閘閥、截止閥、止回閥、蝶閥、安全閥、主蒸汽隔離閥、球閥、隔膜閥、減壓閥和控制閥等；具有代表性閥門的最高技術參數為：最大口徑DN1200mm(核3級的蝶閥)、DN800mm(核2級的主蒸汽隔離閥)、DN350mm(核1級的主回路閘閥)；壓力約15MPa，溫度約350℃。

石油化工裝備制造業中的應用

石化裝備中的許多管件、泵、閥體等零部件服役于高壓或高溫或強烈腐蝕的條件下，這些閥體要符合美國API6A標準。采用多向模鍛生產這些零件，不僅節材，而且提高其強度和抗腐蝕能力，如圖9所示。典型零部件有井口裝置的單閘板、雙閘板、有無導流孔的鍛鋼平行式閘閥、泥漿閥、角式節流閥、油田專用平行式調節閥、油田專用直通式回閥、注水/聚合物專用平行式閘閥、卡箍式平行閘閥、先導式安全閥和止回閥。

圖9 石油化工裝備需求多向模鍛件

天然氣輸送管線應用的單閘板、雙閘板、有無導流孔的平板閘閥；鍛鋼三體式、上裝式固定球球閥；油密封式、壓力平衡式旋塞閥；旋啟式、蝶式止回閥，通球止回閥；清管閥等。

航空裝備制造業中的應用

飛機等航空設備離地升空和返回地面的耗能和安全性需要盡可能減小其重量；另一方面，為提高設備的載貨能力，又需要增大設備的尺寸或重量，除此之外，設備在惡劣條件下有高的抗沖擊、抗疲勞能力，也是這些航空設備成敗的關鍵。為此，增加一次鍛造過程中零件成形的復雜度，提高零件的整體性和零件內部流線分布的合理性與連續性，可有效提高鍛件的使用性能。直升飛機的發動機球頭、一般飛機起落架等重要零件都采用多向模鍛工藝鍛造制坯，圖10所示是飛機起落架零件。

圖10 飛機起落架零件

多向模鍛工藝的研究

多向模鍛工藝研究

閥體是多枝丫的空心零件，采用多向模鍛技術進行鍛造制坯，既可以直接鍛出大部分內腔，又可省掉飛邊，具有最佳的技術與經濟效益。為此，完成了以下四種閥體的多向模鍛工藝研究，并獲得生產應用。

(1)無法蘭三通閥體的多向模鍛。

圖11所示是火電機組應用的一種無法蘭三通閥體，它的三個通道出口都沒有法蘭，采用焊接的方法與外部管道連接。

圖11 無法蘭三通閥體

無法蘭三通閥體的另一形狀特點是，主通道內徑遠大于兩側通道，且主通道深，它的技術難點是兩側分料均勻，主通道穿孔偏差小和較高的主穿孔凸模壽命。

(2)帶側法蘭三通閥體的多向模鍛。

帶側法蘭三通閥體多用于石油化工行業，其形狀見圖12，它的技術難度較無法蘭三通閥體大，主要集中在兩側法蘭的成形與測通道的穿孔。

圖12 帶側法蘭三通閥體

帶側法蘭三通閥體的多向模鍛，通常它是由主模腔擠壓坯料向兩側模腔流動分料，由于兩側臂部模腔較細長,坯料流動阻力大且不等,導致兩側分料不均，造成后面法蘭成形不佳，其次是，端部坯料降溫大，再加上坯料端部形狀差，更加影響法蘭的最后形狀與尺寸。

(3)帶主法蘭三通閥體的多向模鍛。

帶主法蘭三通閥體的形狀，如圖13所示，其名字源于它的主通道端部帶有法蘭，由于法蘭與側通道之間，有一小圓柱段，當分模面垂直于主軸線時，鍛件不能脫模，因此，采用現有多向模鍛液壓機進行鍛造時，必須采用垂直分模方式，并增加輔助合模裝置。

圖13 帶主法蘭三通閥體

(4)全法蘭三通閥體的多向模鍛。

全法蘭三通閥體的幾何形狀，如圖14所示，它的每個通道端部都設有法蘭，其名也得于此，是幾何形狀最復雜的閥體。

圖14 全法蘭三通閥體

由于幾何形狀復雜，它的成形過程也相應更為復雜，它兼具前面三種閥體的鍛造成形的技術難點，首先它需要采用垂直分模的鍛造方式，其次是法蘭成形與坯料的分料同時進行，再次是坯料的分料流動量大。

結論

(1)給出了多向模鍛的定義，分析總結了多向模鍛的技術優勢和經濟效益。為更好的了解多向模鍛技術提供方便。

(2)試驗研究四種閥體的多向模鍛工藝，鍛造出相應的鍛件，為閥體鍛造生產提供了技術參考與依據。