多向模锻技术(multi-way forge或multi-ram forge)是一种精密优质、节能省材的锻造技术。其特点是:模具闭合后,几个冲头自不同方向对毛坯进行穿孔/挤压,从而在一次加热和压机一次行程中完成复杂锻件,特别是带内空腔或凹凸外形锻件的成形(见图1)。
a)多向模锻的垂直分模工艺 b)多向模锻的复合分模工艺 c)多向模锻成形的金属流线
多向模锻结合了上述普通模锻与挤压的特点,既具有挤压工艺在巨大三向压应力下塑性变形的优点,如材料塑性提高、变形均匀、组织致密、流线完整、易于消除缺陷、锻件的力学性能和耐蚀性好,又具有闭式模锻的优点,如制件形状复杂、成形精度高等。同时还具有坯料形状简单、制坯成本低,复杂零件可一次成形、工序少、火次少、有效降低能耗和材料烧损,是大型、高性能、高价值复杂锻件(如核电和超超临界电站高温高压阀门阀体、火箭和鱼雷壳体、导弹喷管、飞机起落架以及涡轮盘等)的理想锻造工艺。
由于多向模锻可以锻造出零件的内孔和侧向结构,可提高材料利用率近1倍,并减少约70%的后续切削加工工作量。仅提高材料利用率一项,每年就可以为一个年产5万t大中型多向精密锻件的生产企业,节省原材料8.3万t。若按每吨锻件耗能1.4t标准煤计算,可节省11.6万t标准煤,相当于减少CO2排放22.5万t。可见,多向模锻技术是一种具有显著节能减排效果的锻造技术。
多向模锻技术最早由美国喀麦隆(Cameron)公司于20世纪50年代提出,并建造了100MN、180MN和300MN三台多向模锻液压机,使多向模锻技术迅速投入工业生产。到20世纪60年代末,美国先后装备了36～300MN多向模锻液压机7台。德国欧福控股有限公司(OTTO FUCHS)为其300MN液压机配置了10MN的水平侧缸。
苏联于20世纪70年代开始研制多向模锻液压机。在进行了6.3～10MN小型多向模锻液压机的研究后,开始研制30～160MN的大型多向模锻液压机。还曾计划建造1台500MN多向模锻液压机,并且研制了5MN和37MN试验样机,进行了结构和液压控制方面的研究。
我国在1980～1990年对多向模锻工艺及设备开展过不少研究。曾设计制造了8MN多向模锻液压机(1971年,上重和西安重型机械研究所为开封高压阀门厂),建造了100MN多向模锻液压机(1974年,二重为西南铝,为我们目前最大多向模锻液压机),研制了10MN多向模锻液压机样机(1980年,清华大学与二重合作),开展了20MN多向模锻工业试验项目(1996年,一重和燕山大学),并且开展了火箭喷管、起落架套筒、球形接头、阀门阀体等零件的多向模锻工艺的探索和研究。
2000年后,中北大学和合肥工业大学分别研制了12.5MN和6.3MN多向模锻液压机,并开展了三通、履带板等典型多向模锻锻件的工艺研究。中南大学采用先进的计算机控制系统,对国内100MN多向模锻液压机的液压控制系统进行了改造。
多向模锻作为一种精密、优质锻件的生产技术,是生产核电和超超临界火电阀门阀体以及航空航天领域难变形、高强度、复杂零件的关键制造技术。例如:垄断全球核电阀门市场的Velan公司,其阀门阀体的锻造就是依托喀麦隆(Cameron)公司(1997年后与威曼高登合并)的100MN、180MN和300MN等三台多向模锻液压机的制造能力。若不掌握重型多向模锻液压机及多向模锻工艺,就无法解决大规格、高等级阀门的制造技术瓶颈,就无法实现核电、超超临界核电阀门的自主化生产。
而航空航天锻件是喀麦隆(Cameron)公司最重要的锻件产品,特别是钛合金、高温合金等贵重金属锻件,以及起落架、套筒、火箭喷管、涡轮盘等复杂锻件。喀麦隆(Cameron)公司利用其装备的300MN多向模锻液压机,生产的起落架锻件可节材50%,而力学性能大大提高;生产的压气机盘强度达1250～1650MPa,比标准的1200MPa高出4%～38%,而延伸率达20%,比标准的10%提高一倍。
1970年,美国空军及波音公司的对比研究证明:多向模锻制造的起落架锻件寿命可提高3～4倍,而制造成本可降低20%。因此,英美飞机起落架等筒形零件,多数是在多向模锻液压机上进行锻造的。
我国在20世纪80年代初对起落架外套进行多向模锻与普通模锻的对比研究,证明多向模锻锻件的组织致密,力学性能提高20%,而材料利用率则提高了1倍,由原来的9.3%提高到34.3%。
2010年清华大学和中国二十二冶集团有限公司联合研制的40MN/64MN多向模锻液压机热试成功,2012年联合研制的90MN/126MN多向模锻液压机热试车成功。经过几年的工艺摸索,该系列多向模锻液压机已形成了阀门等不同复杂锻件的生产能力,同时也验证了正交预紧机架结构能够有效解决多向模锻液压机多向承载结构设计的难题,为发展我国的多向模锻制造技术奠定了独立自主的技术基础。
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