文/FridtjofRudolph，，，AlexanderSchander——SMSGroup
径向锻造是一种渐进的成形工艺，主要用于生产对机械性能和微观组织要求很高的棒材，几乎应用于所有工业领域，如航空航天或医疗工业。近年来，对高合金钢、镍基合金和钛合金等现代材料在心部变形和晶粒组织方面的要求越来越高。结合高度的自动化和可重复性，在高生产效率的条件下确保产品的质量和一致性。
西马克集团的径向锻造液压机SMX已有30多年的成功经验，其中SMX的显著性特征是四个液压驱动的锤头。与传统的机械驱动系统相比，液压驱动在锻造过程和工件质量方面具有显著优势，即在每个锻造油缸的整个行程中都能达到最大锻造力。因此，通过控制锤头的运动，可以实现良好的心部锻透性以及灵活的锻造模式。
在此背景下，本文将介绍先进的锻造模式，这些模式仅适用于西马克集团的SMX以及用于径向锻造工艺设计的先进工具，特别是用于航空航天应用的工具。
设备示意图锻造框架位于该系统的中心，其特点是四个相同的液压驱动锤头以X形排列。工件的搬运由两个轨道式操作机和各种支撑系统完成，如对中装置和支撑辊。上料和下料由专门的设备完成，常规总体设计如图1所示。
图1径锻机
目前，锻造材料的装载通常是通过机器人系统完成的，由于一些关键材料的锻造温度窗口很窄，要求从出炉到开始锻造的运输时间很短。
锻压机的主要部件是液压驱动的锤头，它允许大型操作机在工件显著减少横截面积的同时步进。由于液压驱动，锤头在任何位置都能有最大的锻造力。简洁的设计还确保在最后的精整过程中实现高频率。得益于液压锤头相互独立的运动，没有机械硬连接，在控制实现良好心部变形的主要因素方面有着很大的自由度。这一结果可以在锻造棒材的凸起端部观察到，如图2所示。
图2圆棒(上)和方坯(下)端部
适用于航空航天应用的先进锻造模式径向锻造的主要目标可以概括为：最高的成形效率，锻造时间短、避免多次加热，节省能源；改善微观组织，确保工件心部和表面有足够的变形，形成细晶粒的再结晶微观组织；铸造过程中会形成孔隙和空腔，其可以封闭铸件内部的孔隙，防止裂纹的形成。为实现这些目标，可以采用三种不同的锻造模式:
⑴螺旋锻造。操作机在每次冲程中前进和旋转，这种方式可以被描述为在实现良好的微观结构和高生产效率的目标之间的折中方案。
⑵RUMX锻造。在这种模式中，操作机在每次冲程后不旋转，并且使用较大的进给量。这种锻造模式产生较高的静水压力分量，从而产生更好的心部变形和良好的孔隙封闭。
⑶“2+2”(交替锻造)。该模式的特点是两对油缸交替锻造，工件不旋转，如图3所示。自由延展使工件能够获得更高程度的变形，从而实现更细的晶粒尺寸和良好的孔隙闭合。圆形工件被送入径锻机，工件仅用一对锤头锻造，因此可以自由延展。在操作机步进后，工件随后被第二对锤头锻造成方形。
图3“2+2”模式
“2+2”锻造模式的模拟为了证明先进锻造模式的优势，在本文提出的研究中，通过数值模拟，将传统螺旋锻造与先进的“2+2”锻造进行了比较，验证了西马克集团SMX径锻机上独有的液压驱动的各种优势。
通常来说，要使锻件心部产生更大的变形，就必须进行权衡，因为更大的变形总是意味着更多的变形做功。这种变形做功可以通过增加更多的成形步骤来完成，这意味着需要更多的时间，也可以通过增加每次打击的变形量来完成，这意味着需要更大的力。这种灵活性具有优势，对于小型或柔软的工件，可以通过调整锻造参数在几乎相同的时间内显著增加心部的变形。相反，对于大型或坚硬的工件，锻造力无法进一步增加，因此通过增加打击次数来实现额外的变形，即增加时间投入。因此，为了增加心部的变形，最好根据所需的力调整锻造策略，从而尽可能地减少锻造时间。如果目标只是实现心部的最大变形，增加过程时间和力的组合是有效的。在本次讨论中，由于存在非中心力或需要额外更换工具等各种缺点，因此不考虑第三种增加核心变形的方法，即修改工具几何形状。
对于本文，采用了前面提到的“2+2”策略，即通过更多道次使工件获得额外变形的模式，见表2，并与表1所示的传统锻造策略“螺旋”进行比较。由于液压锤头可以交替运动，这是可行的，与常规的螺旋锻造不同，侧向延展是允许的。侧向延展在随后的道次中被锻造回来，产生类似于自由锻造的变形分布。
表1道次表-螺旋锻造
表2道次表-先进锻造模式、“2+2”锻造
通过SimufactForming的工艺模拟。材质为镍基合金718，工件加热后在18MN径锻机上锻造，从初始直径400mm到最终直径200mm。在初始螺旋道次锻到直径318mm后，使用两种不同的模式实现了最终的几何形状。在“2+2”模式中，一个螺旋通道被两个“2+2”通道所取代，从而形成类似于自由锻造后的中间方形。在后续道次中，工件通过先锻成八角形然后锻成圆形，如图4所示。
图4螺旋锻造(上)和2+2模式锻造(下)的横截面积变化
采用这种工艺模式，在相同的锻造力下，心部的平均等效应变从1.39增加到2.22，增加了60%，如图5所示。反过来，加工时间从242秒增加到298秒，增加了23%。由于自由延展，压力减小，使“2+2”冲程的进给量大约增加了一倍。这些结果表明，通过改变径向锻造中的锻造模式，可以显著增加形变。较高的变形量对孔隙闭合具有明显的优势，在许多材料中，它会导致更精细的微观结构。此外，对于某些合金，可以取消自由锻压机上的预锻操作。
图5心部的等效应变
图6ComForge®道次计算用户界面
通过这些研究，可以证明这些先进的SMX专用锻造模式的巨大潜力，因为所需的进给量和压下量只能在液压驱动的锻造机上实现。
Comforge-径向锻的先进工艺道次生成软件为了实现最佳的材料性能，特别是对于航空航天的应用，除了机器本身和锻造模式外，还需要先进的工艺道次的设计。由于较高的材料成本和对最终应用的较高要求，特别是镍基合金和钛的锻造，需要详细的工艺设计和精确的锻造操作执行。
锻造工艺软件包-工艺道次设计的新台阶西马克集团的技术目标是支持客户从工艺道次计算到材料性能优化，将现有的工艺集成到Comforge®软件中，并涵盖所有扩展功能。如：ComForge™PassScheduleCalculator道次计算、ComForge®PassScheduleAnalyzer道次分析、ComForge®PropertyPredictor性能预测。而且在将来会持续开发新的功能。
ComForge®道次计算自30多年前第一台SMX径锻机推出以来，ComForge®已被证明是创建工艺道次的高效而强大的工具。ComForge®通过聚焦工艺设计中的主要任务，确保了始终如一的高水平生产质量：从高生产效率到高产品性能、最小误差。
通过详细文档实现高重复性在新的锻造工艺套件中，已知的ComForge®被重新命名为ComForge™®锻造技术套件拥有200多种材料的数据，具备为所有客户计算相关锻造工艺所需的一切。这为工厂所有者提供了一个全面的数据库和经过实际生产技术验证的锻造工艺。计算之后，道次表直接传输到SMX的PLC，并最终完全自动执行。在这里，ComForge®道次计算提供了使用不同工装生产圆形、方形和矩形棒材的各种锻造模式。为了确保对锻造时间和由此产生的生产率进行精确预测，机器的液压特性直接应用于ComForge®的道次计算中。
ComForge®道次分析在锻造过程中，计划的道次表和锻造过程之间可能会出现偏差，例如由于合金成分的偏差导致更高的锻造力，或者工厂操作员的手动操作。道次分析器用于分析来自SMX的记录过程数据(例如速度、位置、锻造力等)，以识别这些偏差。接下来，将这些偏差与预期的道次进度表进行比较，以检查是否对材料性能产生关键影响。
ComForge®性能预测-先进的工艺建模性能预测作为我们锻造工艺套件ComForge®的一部分，是我们先进的技术模块，能够对有关材料特性的径向锻造工艺进行详细的计算和分析：沿工件截面应变分布的计算和可视化、计算截面内的温度分布。
温度计算温度建模的原理是基于有限差分法(FDM)，考虑了通过辐射、对流和工装接触的冷却以及变形中的散热和加热。
变形/等效应变计算确保足够大的形变，特别是在锻件心部组织中，对材料质量非常重要。在径向锻造中，应变分布主要受以下参数的影响:延展率，操作机步进量(MFD)、转角α。对于计算，应变分布是基于解析函数来描述的，其中充分考虑了所有这些参数。半径的变形可以用于计算整个截面的变形。应变模型可用于所有上述材料类别，其中可根据要求实施额外的材料分组。
与ComForge®道次计算的结合以及ComForge®性能预测的好处ComForge®性能预测被设计为独立的技术解决方案，但可以直接与ComForge™PassSchedule计算结合，因此对于使用ComForge®道次计算生产的任何道次表，可以在几秒钟内评估温度和应变分布。
ComForge®性能预测提供以下主要应用案例:
在工艺设计阶段，对于任何ComForge®道次计算生成的道次表都可以详细分析应变和温度，以检查设计的锻造工艺是否满足有关应变和温度的所有要求。ComForge®性能预测可以很容易地用于员工培训，因为它可以直接评估不同锻造参数对工件质量的影响。
与ComForge®道次计算一起，ComForge®性能预测可以广泛应用于工艺优化。在计算之后，生成的道次表作为ComForge®性能预测的输入数据，如图7所示。在此基础上，锻造工艺人员可以调整工艺参数，并评估锻造参数对最终应变和温度分布的影响，实现从工艺分析到材料性能优化。
图7锻造工艺套件ComForge®的工作原理
ComForge®性能预测的进一步好处是：⑴不需要特殊的有限元模拟软件，节省了高昂的授权费。⑵由于锻造技术套件的完全集成化，可以直接在ComForge®内的数据传输非常简单，可以由工艺工程师处理，因此不需要模拟专家。⑶得益于应变和温度的快速建模，模拟时间可以非常短(小于1分钟)。
结束语径向锻造是航空航天工业的决定性工艺，在高性能部件的制造中起着举足轻重的作用。在径向锻造中，液压驱动在整个油缸行程中提供持续恒定的力。这种能力至关重要，因为它允许使用各种锻造模式，每种锻造模式都可以实现特定的材料性能和结构完整性。
这种液压驱动理念最显著的锻造模式之一是“2+2”方式。这种模式的特点是两对油缸对不旋转的工件进行交替锻造，从而获得更好的变形和显着增强材料性能。“2+2”模式能够让工件获得更高程度的变形，从而产生更细的晶粒尺寸，这对于航空航天应用的苛刻要求至关重要。
此外，ComForge®软件有助于径向锻造工艺的设计、分析和优化。通过利用先进的计算工具和方法，ComForge®确保锻造过程的每一步都经过精心规划和执行。这种全面的方法保证了最终产品符合航空用途所需的严格质量标准。
综上所述，径向锻造、液压驱动、先进的“2+2”锻造模式，以及ComForge®工艺的结合，为生产完美质量的航空航天部件提供了一个强大的体系。这些创新不仅提高了锻造部件的材料性能和结构完整性，而且确保制造过程高效可靠，满足航空航天工业的高标准。
审核：冯忠
锻造罗文会：
冲压张旭栋：
锻造张明伦：
冲压贾亚莉：
