一锤定音——中国二重8万吨模锻液压机

马氏体

2021-09-13 12:46

大吨位的锻造装备是一个国家工业能力的体现之一。尤其是对于航空工业，万吨以上的模锻液压机与航空工业的发展之间可谓是相辅相成的关系。

在二战期间，德国率先建成了当时世界上最大的1.5万吨和3万吨模锻液压机，而当时同盟国中仅有英国拥有1.2万吨模锻液压机。二战后，大力发展航空工业的美苏两国竞相建造大吨位的模锻液压机，法国也不甘落后。在本世纪初，世界上1万吨以上的模锻液压机共有40余台，美、俄、法各有十余台，各自最大的模锻液压机吨位分别为美国4.5万吨两台、俄罗斯7.5万吨两台和法国6.5万吨一台。大吨位模锻液压机的分布，与世界航空工业版图可谓高度一致。

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相比之下，当时我国大多数航空模锻压机都建设于上世纪60-70年代，设备技术落后，压力等级不高，锻造能力有限，其中最大的1971年投产的重庆西南铝 3 万吨模锻水压机（上图）。缺乏4万吨以上的大型模锻液压机极大地制约了我国航空工业的发展。

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据统计，由铝合金、钛合金、高温合金、高强度钢等材料锻造而成的航空模锻件，约占飞机机体结构重量的20%~35%、占发动机结构重量的30%~45%。使用整体模锻件，可以提高构件的强度和刚度，减轻结构重量；减少装配误差，提高生产效率，也省去了连接件的重量；与用大块材料切削得到零部件相比，模锻件的材料利用率更高，因而节约了成本。随着机体结构变得更加轻盈强健、发动机推力和效率与日俱增，对大尺寸模锻件的需求也水涨船高，呼唤着我们自己的大型模锻液压机。（上图为歼 20的钛合金整体式承力隔框，由西安三角防务的4 万吨模锻压机锻造而成）

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历经十年磨炼，2013年，全球最大的8万吨模锻压力机横空出世，坐落于四川德阳的中国二重（中国第二重型机械集团有限公司，成立于1958年，2013年与中国机械工业集团有限公司实施重组，成为其全资子公司。8万吨模锻压机由二重集团与中国航空工业集团共同持股的万航模锻公司运作），完全由我国自主研制。

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这台巨无霸地上高27米、地下15米，总重2.2万吨。四根粗大的立柱撑起它伟岸的身躯，由粗大的液压缸驱动的活动横梁（写着“中国二重”的部分）上下运动，施加可达8万吨的压力；模具（画面右侧正在吊装的物体）分为上下两部分，分别安装在活动横梁和下横梁的工作台上，金属就在其中像“压月饼”一般被锻压成型（下图为模具内表面）。

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它的万钧之力来自复杂的液压系统。

在实际生产中，八万吨模锻液压机还需要大量辅助装备的配套。

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以锻造大型客机起落架锻件为例，圆柱形的钢坯首先在加热炉中，加热到锻造温度（一般为1200℃左右）。

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如果直接把这个钢坯模锻成型，所需的锻造压力太大，且很难让金属充分变形成为复杂的形状。因此，首先在较小的4500吨快锻机（上图）上以自由锻的方式制坯，即先把钢坯压制出大致的形状。

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（模锻是对整块坯料施加压力使之变形流动，而自由锻是对坯料一点一点地施加局部变形，因此对于同等质量的锻件，自由锻造所需要的压机吨位远小于模锻压机，1万多吨的自由锻压机就可以锻造数百吨的大锻件，而8万吨模锻压机所锻造的最大锻件不过十吨左右。相较而言，模锻适合大批量、复杂形状锻件的生产，而自由锻更适合小批量、简单形状锻件的生产。）

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初步成型的坯料重新加热后，被放入8万吨模锻压机的下模中，万事俱备，只等一锤定音。

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俗话说“趁热打铁”，其中蕴含的原理就是在高温下金属材料一边变形一边发生动态再结晶（发生变形的大晶粒转换成新的细小的晶粒），一方面削弱了加工硬化效应（在低温下随着材料的变形程度增加，强度和硬度上升的现象），从而降低锻造所需的压力；另一方面细化晶粒，提升材料的强度和韧性（晶粒越小，强度和韧性越好；相比之下，铸造得到的晶粒一般是较为粗大的）。

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如果锻压机的吨位不够高，就需要分多次锻造，一方面增加生产成本、延长了生产周期，另一方面，反复加热易导致晶粒长大，不利于材料的强度和韧性。8万吨模锻压机锻造重达4.3吨的波音787客机主起落架外筒锻件，只需分两次锻造，每次从出炉到锻压完成只需几分钟。能够完成世界航空工业中最大单体部件之一的锻造，体现的是世界顶级的模锻能力。

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随着回程油缸发力抬起活动横梁，一件新的起落架锻件锻造完成。

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锻件还需要经过热处理进一步提升力学性能，经过机械加工得到最终的产品形状（上图展示的是上下模接缝处，钢铁被挤出形成的飞边，需要在后续加工时切除）。

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8万吨模锻压机的成功研制，解决了我国大型模锻件受制于人的困境。国产大飞机C919一飞冲天的背后，就离不开这台国宝级设备锻造的包括起落架在内的上百件锻件，占整架飞机锻件总数的70%。凭借8万吨模锻压机世界最强的锻造能力和精湛的技术水平，万航模锻也成功打入国际市场，成为国际知名起落架生产商瑞士利勃海尔（Liebherr）和法国赛峰（Safran）公司的供应商，为波音787、空客A320等机型锻造起落架锻件。

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此外，大型模锻压机的另一项“拳头”产品是高温合金涡轮盘。涡轮盘是在航空发动机和燃气轮机里连接涡轮叶片与轴的重要零件。工作在高温环境下的涡轮盘由在高温下仍具有很高强度的钛合金和高温合金（主要是镍基合金）制成，也就意味着需要很大的压力才能锻造成型。尤其是重型燃气轮机的涡轮盘锻件，直径可达2米以上，重量可达10吨以上，非大型模锻压机所不能锻造，大型锻压机对解决我国动力“心脏病”问题同样至关重要。（上图是8万吨模锻压机即将锻造一个涡轮盘，可以看到坯料是一块圆盘）

与它参与打造的C919等“明星”型号相比，居于幕后的8万吨模锻压力机并不引人瞩目，但是一个国家若要摘取航空工业的桂冠，就离不开一个扎实的、独立自主的工业体系的支撑。所谓“大国重器”，不仅仅“重”在体量和能力，更“重”在它代表着攀登先进制造业最高峰途中的一个坚定足迹。

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