西馬克集團(tuán)的徑向鍛造液壓機(jī)SMX 已有30 多年的成功經(jīng)驗，其中SMX 的顯著性特征是四個液壓驅(qū)動的錘頭。與傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)相比，液壓驅(qū)動在鍛造過程和工件質(zhì)量方面具有顯著優(yōu)勢，即在每個鍛造油缸的整個行程中都能達(dá)到最大鍛造力。因此，通過控制錘頭的運動，可以實現(xiàn)良好的心部鍛透性以及靈活的鍛造模式。
在此背景下，本文將介紹先進(jìn)的鍛造模式，這些模式僅適用于西馬克集團(tuán)的SMX 以及用于徑向鍛造工藝設(shè)計的先進(jìn)工具，特別是用于航空航天應(yīng)用的工具。
設(shè)備示意圖
鍛造框架位于該系統(tǒng)的中心，其特點是四個相同的液壓驅(qū)動錘頭以X 形排列。工件的搬運由兩個軌道式操作機(jī)和各種支撐系統(tǒng)完成，如對中裝置和支撐輥。上料和下料由專門的設(shè)備完成，常規(guī)總體設(shè)計如圖1 所示。
目前，鍛造材料的裝載通常是通過機(jī)器人系統(tǒng)完成的，由于一些關(guān)鍵材料的鍛造溫度窗口很窄，要求從出爐到開始鍛造的運輸時間很短。
鍛壓機(jī)的主要部件是液壓驅(qū)動的錘頭，它允許大型操作機(jī)在工件顯著減少橫截面積的同時步進(jìn)。由于液壓驅(qū)動，錘頭在任何位置都能有最大的鍛造力。簡潔的設(shè)計還確保在最后的精整過程中實現(xiàn)高頻率。得益于液壓錘頭相互獨立的運動，沒有機(jī)械硬連接，在控制實現(xiàn)良好心部變形的主要因素方面有著很大的自由度。這一結(jié)果可以在鍛造棒材的凸起端部觀察到，如圖2 所示。
適用于航空航天應(yīng)用的先進(jìn)鍛造模式
徑向鍛造的主要目標(biāo)可以概括為：最高的成形效率，鍛造時間短、避免多次加熱，節(jié)省能源；改善微觀組織，確保工件心部和表面有足夠的變形，形成細(xì)晶粒的再結(jié)晶微觀組織；鑄造過程中會形成孔隙和空腔，其可以封閉鑄件內(nèi)部的孔隙，防止裂紋的形成。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，可以采用三種不同的鍛造模式:
⑴螺旋鍛造。操作機(jī)在每次沖程中前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)，這種方式可以被描述為在實現(xiàn)良好的微觀結(jié)構(gòu)和高生產(chǎn)效率的目標(biāo)之間的折中方案。
⑵RUMX 鍛造。在這種模式中，操作機(jī)在每次沖程后不旋轉(zhuǎn)，并且使用較大的進(jìn)給量。這種鍛造模式產(chǎn)生較高的靜水壓力分量，從而產(chǎn)生更好的心部變形和良好的孔隙封閉。
⑶“2+2”(交替鍛造)。該模式的特點是兩對油缸交替鍛造，工件不旋轉(zhuǎn)，如圖3 所示。自由延展使工件能夠獲得更高程度的變形，從而實現(xiàn)更細(xì)的晶粒尺寸和良好的孔隙閉合。圓形工件被送入徑鍛機(jī)，工件僅用一對錘頭鍛造，因此可以自由延展。在操作機(jī)步進(jìn)后，工件隨后被第二對錘頭鍛造成方形。
“2+2”鍛造模式的模擬
為了證明先進(jìn)鍛造模式的優(yōu)勢，在本文提出的研究中，通過數(shù)值模擬，將傳統(tǒng)螺旋鍛造與先進(jìn)的“2+2”鍛造進(jìn)行了比較，驗證了西馬克集團(tuán)SMX 徑鍛機(jī)上獨有的液壓驅(qū)動的各種優(yōu)勢。
通常來說，要使鍛件心部產(chǎn)生更大的變形，就必須進(jìn)行權(quán)衡，因為更大的變形總是意味著更多的變形做功。這種變形做功可以通過增加更多的成形步驟來完成，這意味著需要更多的時間，也可以通過增加每次打擊的變形量來完成，這意味著需要更大的力。這種靈活性具有優(yōu)勢，對于小型或柔軟的工件，可以通過調(diào)整鍛造參數(shù)在幾乎相同的時間內(nèi)顯著增加心部的變形。相反，對于大型或堅硬的工件，鍛造力無法進(jìn)一步增加，因此通過增加打擊次數(shù)來實現(xiàn)額外的變形，即增加時間投入。因此，為了增加心部的變形，最好根據(jù)所需的力調(diào)整鍛造策略，從而盡可能地減少鍛造時間。如果目標(biāo)只是實現(xiàn)心部的最大變形，增加過程時間和力的組合是有效的。在本次討論中，由于存在非中心力或需要額外更換工具等各種缺點，因此不考慮第三種增加核心變形的方法，即修改工具幾何形狀。
對于本文，采用了前面提到的“2+2”策略，即通過更多道次使工件獲得額外變形的模式，見表2，并與表1 所示的傳統(tǒng)鍛造策略“螺旋”進(jìn)行比較。由于液壓錘頭可以交替運動，這是可行的，與常規(guī)的螺旋鍛造不同，側(cè)向延展是允許的。側(cè)向延展在隨后的道次中被鍛造回來，產(chǎn)生類似于自由鍛造的變形分布。