隨著工業經濟的發展，大型化甚至超大型鍛件的市場需求日益增大，尤其是國防工業和重工業用大鍛件的需求更為迫切。大型鍛件通常在大型自由鍛造液壓機上鍛造成形，大型鍛件制造技術是重大裝備制造的基礎，因此，大型自由鍛造液壓機的規格和裝備水平經常作為衡量一個國家大型裝備制造能力、經濟與國防實力的重要標志之一。無論是發達國家還是發展中國家，都十分重視大型自由鍛造液壓機的發展。
自由鍛造液壓機的發展
根據帕斯卡流體靜力傳動的基本原理，液壓機是利用高壓液體傳遞工作壓力的鍛造設備。自由鍛造液壓機主要在工作缸的壓力下，利用其上砧、下砧及相應的輔助工具，對待加工的大型鋼錠或鍛件進行鍛壓，使其發生塑性變形，以達到所需的形狀和尺寸。
1884 年，英國在曼徹斯特制造了首臺自由鍛造水壓機用來鍛造鋼錠。在20 世紀中期，隨著工業革命的發展，液壓傳動技術和電子信息技術迅速發展，具有現代控制技術的自由鍛造液壓機相繼出現。自由鍛造液壓機具有自動化生產、高精鍛次數和鍛件厚度尺寸精確控制等功能。近年來，我國大型自由鍛造液壓機在吸收和消化現有的大型自由鍛造設備的技術基礎上，經過再次創新，研制出具有完全自主知識產權的自由鍛造設備與工藝，滿足了船舶、冶金、航空、核電和軍工等行業對大型鍛件產品的需求。
現代自由鍛造液壓機組由于壓機速度快，轉換頻率高，配有操作機等鍛造工裝輔具，大大縮短了鍛造作業時間；操作機送料定位準，機組動作控制精度高；操作機與液壓機配合實現自動控制和聯動控制。國內現在已具備5 ～195MN 全系列現代自由鍛造液壓機組的供貨能力，全球最大的三臺自由鍛造液壓機相繼在國內投產，分別為2008 年于上海重型機器廠投產的由中國重型院設計的165MN 鍛造液壓機(圖1a），2011 年于中信重工投產的由德國PAHNKE 公司設計的185MN 雙柱鍛造液壓機(圖1b），2014 年于江蘇國光投產的由中國重型院設計的195MN 鍛造液壓機(圖1c）。這些大型鍛造液壓機的成功建立，說明我國自由鍛造裝備代表了國際先進的裝機水平，提升了我國大型鍛壓裝備的加工能力和機械化水平，為我國核電和火電等行業大型鍛件的生產奠定了基礎。
萬噸級鍛造液壓機工藝體系分析
萬噸級鍛造液壓機具有規模大，技術復雜，涉及到多個學科和專業，操作起來需要各相關系統相配合，這就要求工藝體系必須具有清晰的邏輯結構、科學的工藝流程、各步驟之間的關系明確，這樣才能高效、有條理地管理大型鍛件的鍛造生產。萬噸級鍛造液壓機的建立需要多領域技術為設備的正常運行提供支撐，總的來說，萬噸級鍛造液壓機工藝體系的邏輯結構是工藝支撐和工藝流程這兩部分構成的運行生命體，圖2 是4300mm 軋機支承輥鍛件在萬噸級鍛造液壓機上的工藝體系結構。
工藝支撐
工藝技術基礎要素包括各類標準、規范、準則、數據、工具及軟件等，萬噸級鍛造液壓機的工藝支撐具體表現為鍛件圖紙設計標準、鋼錠及坯料加熱工藝規范、鍛造變形方法、冷卻及熱處理規范、各個步驟操作的工裝輔具等。這些要素是客觀存在的，必須科學合理地加以使用，并使其創造和產生價值，因此需要將工藝流程加入到工藝體系中去。
工藝流程
在萬噸級鍛造液壓機工藝體系中，工藝流程是工藝技術的體現，大型鍛件進行到哪一個生產環節，就需要相應的工藝支撐對其進行規范，確保萬噸級鍛造液壓機正確、合理地加工出合格的大型鍛件，使得設計與加工過程都有據可依。工藝支撐和工藝流程在萬噸級鍛造液壓機工藝體系的建立中都是不可或缺的。
鍛造工藝體系建立
鍛造工藝體系的建立，是萬噸級鍛造液壓機正常運行及鍛造出合格產品的關鍵所在，圖3 所示為萬噸級鍛造液壓機的鍛造工藝體系設計過程。鍛造工藝體系與液壓機、操作機、車間布局、大鋼錠規格、鍛造工藝方法息息相關，建立鍛造工藝體系必須考慮這些因素，并在此基礎上形成鍛造工藝規范，設計制造工裝輔具及形成鍛造工藝操作規范。
鍛造工藝規范
萬噸級鍛造液壓機的鍛造工藝規范一般由自由鍛件機械加工余量與公差、鋼錠及坯料的加熱工藝規范、鍛后冷卻及熱處理規范及鍛件修整工藝守則等組成。
大型鍛件在大型自由鍛造液壓機上鍛造時，需要留有加工余量，以便去除鍛件表面不平、歪扭等缺陷，并通過后續加工達到零件所要求的精度和表面粗糙度。結合相關的理論基礎、實際經驗與廠內現實情況，對可能遇到的各種不同噸位的大型鍛件，制定合理的機械加工余量與公差；對各種型號的鋼錠及坯料，選擇相應的加熱爐型、加熱速度與保溫時間，確保鍛件被燒透且能正常鍛造，同時避免過燒及燒不透的情況發生；鍛件鍛造冷卻速度的控制以及鍛后熱處理的選用，這是保證大型鍛件獲得優良的內部組織以及為后續機加工做準備的必要工藝過程；對大型鍛件進行修整，可以進一步消除鍛件表面不平、歪扭等缺陷，使鍛件達到鍛件圖紙要求。
從鍛件圖紙設計的源頭開始到大型鍛件轉移出鍛造車間都要遵守這些鍛造工藝規范，這些鍛造工藝規范的出現不僅為工程師設計鍛件加工工藝提供了參考，而且規范了工人施工行為，確保了萬噸級鍛造液壓機被合理地使用，并加工出合格產品。
工裝輔具
將數百噸的鋼錠及鍛件在萬噸級自由鍛造液壓機上進行鍛造，需要相配套的工裝模具，對大型鍛件的各種成形過程進行輔助，并且大型鍛件的轉移、放置與翻轉也需要相應的工裝輔具，這不是人力可以達到的。
在大鍛件的成形過程中，亦需要相應的輔具配合完成鍛造成形。在預鍛時，中心壓實常用WHF 法、FM 法及KD 法等，它們對于鍛造需要的寬砧有不同的要求，增加了砧形，如平砧、V 形砧等，如圖4 所示。還有一系列形狀的鍛件最終成形，需要有相應的工裝輔具輔助加工，如，生產軸類鍛件的工裝輔具主要有各種寬砧及平砧、V 形砧、上下V 形砧、下剁刀、漏盤、平臺、墊環、蓋板等，生產圈類鍛件的工裝輔具主要有馬架、馬架砧子、馬杠、芯棒、沖子、回轉工作臺等。除此之外，還有轉移大型鋼錠及鍛件的通用吊具，主要有鐵鏈、四爪吊鉗和套筒等。
萬噸級自由鍛造液壓機在一系列工裝輔具的幫助下，可以把大型鋼錠如面團一樣輕松地反復鍛造，使得各種形狀的大型鍛件被合格地加工出來；萬噸級自由鍛造液壓機在操作機和工裝輔具的配合下，可以更快速、高效地完成大型鍛件的鍛造。
鍛造工藝操作規范
萬噸級自由鍛造液壓機體型巨大，施工狀況復雜，在實際生產管理中，為了保證施工過程順利推進，需要考慮各個環節之間的關系，對每個環節實現的具體要求進行風險控制與規劃，并將風險降到最低。這就需要通過萬噸級鍛造液壓機的操作工藝守則與工裝輔具使用說明書來規范施工工人的行動，這不僅能保證鍛件可以順利地加工出來，確保其質量，而且保護工人的人身安全，保證施工裝備不被損害。
結束語
本文的工藝體系運用在國內某重機廠建造了18500t 自由鍛造液壓機，經過不斷的生產實踐，可以鍛造500t 級及以下的鋼錠，為船舶、冶金、航空、核電和軍工等各行業鍛造所需的大型鍛件。萬噸級自由鍛造液壓機工藝體系的建立，為全面提升國內大型鍛件生產能力提供了堅實可靠的理論和實踐基礎。
