文/莊云霞，欒新民，朱元勝·青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司

MFP-8000A型80MN多工位摩擦壓力機(jī)的研究與開發(fā)

文/莊云霞，欒新民，朱元勝·青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國內(nèi)汽車、鐵路、航空、航天及五金工具等行業(yè)對鍛壓設(shè)備的需求越來越多樣化、數(shù)量化和重型化。例如，近幾年飛速發(fā)展起來的汽車行業(yè)，不僅汽車的產(chǎn)量越來越大，對汽車的安全要求也越來越高。因此對配件的精度要求較高，汽車的關(guān)鍵零件如曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等鍛件性能對螺旋壓力機(jī)提出了能量大、變形比大的要求。普通的鍛壓設(shè)備已不能滿足相關(guān)制造業(yè)的工藝、質(zhì)量要求，例如無法滿足斯太爾汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)的要求等。特別是最近幾年我國列車的高速化，對列車的連接部件提出了更高的要求，原以鑄鋼件為主的相關(guān)連接件和其他重要零件由于列車的提速，其強(qiáng)度與剛度等機(jī)械性能已不能滿足其安全性和可靠性。因此鐵道部經(jīng)專家分析論證提出，必須以模鍛件來取代鑄件，這也是對人身安全與機(jī)車安全的重要保證。較大型的列車連接部件——鉤尾框等生產(chǎn)所需的設(shè)備國內(nèi)尚未開發(fā)，如圖1所示，有的用戶不惜重金引進(jìn)國外設(shè)備，造成了外匯的浪費(fèi)。為了振興民族工業(yè)，提高我國裝備制造業(yè)的技術(shù)水平、節(jié)約外匯，青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司（以下簡稱青鍛公司）提出了自主研發(fā)適應(yīng)于上述產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大型螺旋壓力機(jī)，以滿足當(dāng)前國內(nèi)市場的迫切需求。

經(jīng)市場調(diào)研，分析計算，青鍛公司決定開發(fā)大型并可進(jìn)行多工位鍛造的雙盤摩擦壓力機(jī)，并定為MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)。

圖1 鉤尾框

主要結(jié)構(gòu)

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主要結(jié)構(gòu)圖

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)采用4根拉桿，將橫梁、立柱和底座通過電極加熱預(yù)緊組合在一起成為封閉的框架機(jī)身，非?？煽康亟鉀Q了機(jī)身的剛度、強(qiáng)度等要求。傳動機(jī)構(gòu)采用了脹縮式摩擦盤調(diào)整機(jī)構(gòu)傳遞力矩，脹縮機(jī)構(gòu)是針對多工位摩擦壓力機(jī)的特殊性而開發(fā)設(shè)計的?；瑝K采用了青鍛公司的專利結(jié)構(gòu)，銅推力軸承代替踵片和銅墊片，消除了踵片脫落和銅墊片破碎問題，滑塊采用矩形導(dǎo)軌，有效地提高了壓機(jī)的精度。飛輪采用預(yù)應(yīng)力式螺桿過盈雙聯(lián)結(jié)構(gòu)，螺桿材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，錐體對鍵過盈預(yù)緊結(jié)構(gòu)，解決了切向鍵上竄和輪體開裂問題。潤滑是設(shè)備關(guān)鍵件使用壽命的保障，為提高設(shè)備的使用壽命，通過周密計算，并參見其他壓機(jī)實(shí)際使用情況，選用遞進(jìn)式循環(huán)指示發(fā)訊裝置，對潤滑點(diǎn)出油量進(jìn)行監(jiān)控自動報警。該設(shè)備還設(shè)有上、下頂料裝置，上頂料采用連桿機(jī)構(gòu)帶動齒輪軸進(jìn)行多桿頂料，下頂料采用復(fù)合缸圓柱導(dǎo)向。大行程多桿頂料，為設(shè)備進(jìn)行多工位鍛造提供了基礎(chǔ)，縮短了頂料時間，保證了運(yùn)行精度與可靠性。并對整機(jī)的設(shè)計進(jìn)行三維模擬制圖、結(jié)構(gòu)分析和力能模擬，達(dá)到了預(yù)期效果。

工作原理

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)為螺旋壓力機(jī)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要工作原理為：兩個主電機(jī)通過三角皮帶分別帶動左右兩個摩擦盤轉(zhuǎn)動。從機(jī)身正面看，當(dāng)左側(cè)操縱氣缸進(jìn)氣時，推動左摩擦盤向右方向壓緊飛輪，依靠摩擦力矩驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)（從壓力機(jī)上方俯視為順時針旋轉(zhuǎn)），通過螺旋副將飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的向下直線運(yùn)動，如圖3所示。當(dāng)滑塊運(yùn)動到預(yù)定位置時，左側(cè)操縱氣缸停止供氣，摩擦盤恢復(fù)到中間位置，同時與飛輪脫開?；瑝K通過模具接觸工件后，飛輪及滑塊將運(yùn)動部分的能量完全釋放，飛輪的慣性力矩通過螺旋副轉(zhuǎn)化為滑塊對工件的鍛擊力，完成一次鍛擊。一次鍛擊結(jié)束后，右側(cè)操縱氣缸供氣，右摩擦盤在活塞作用下向左方向壓緊飛輪，飛輪反向旋轉(zhuǎn)，滑塊回程。當(dāng)滑塊上升至預(yù)定位置，操縱缸排氣，摩擦盤恢復(fù)中間位置，滑塊進(jìn)入制動行程，制動閘板在彈簧力作用下制動飛輪外緣，使滑塊停止在設(shè)定的上限位置，至此，完成一個工作循環(huán)。

圖3 工作原理簡圖

主要技術(shù)性能指標(biāo)

螺旋壓力機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)為打擊力和運(yùn)動部分能量。MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)的公稱力為80000kN，允許長期打擊力為12500kN，運(yùn)動部分能量為1150kJ。如此大的力能目前在世界上屬空前的，因此嚴(yán)格的理論計算相當(dāng)重要，研發(fā)項目組針對壓力機(jī)所鍛工件的特點(diǎn)做了詳細(xì)的計算與模擬試驗(yàn)。根據(jù)鍛件工藝要求，研發(fā)項目組根據(jù)公式En＝0.165Pn3/2，選取運(yùn)動部分能量為1150kJ，同時決定根據(jù)德國科學(xué)家瓦德曼研究的“瓦德曼銅柱鐓粗法”進(jìn)行打擊能量測試，以保證數(shù)據(jù)的高精度。

該公式經(jīng)近年來的實(shí)驗(yàn)證明，能量測試值是相當(dāng)可靠的，被國內(nèi)外業(yè)界廣泛應(yīng)用，具體公式為：

公式（1）中：試件對數(shù)變形程度φh=In1/（1-ε）

應(yīng)變ε=h0－h(huán)1/h0

平均變形速率ωm＝V/h0

式中 h0——試件原始高度，mm；

h1——試件打擊后高度，mm；

K——彈性恢復(fù)系數(shù)（取0.8）；

V——銅柱體積，mm3。

通過計算，研發(fā)項目組設(shè)計出銅柱試件圖及相應(yīng)的試件數(shù)量及鐓鍛后的試件高度。在保證了力能指標(biāo)的同時，研發(fā)項目組對鍛件工藝及尺寸范圍提出了多工位鍛造的設(shè)想，提出了其他參數(shù)，如滑塊行程、行程次數(shù)、裝模高度和工作臺尺寸等。其中，行程次數(shù)嚴(yán)格按公式（2）進(jìn)行計算選擇，并取一定的安全系數(shù)以保證打擊次數(shù)的合理性與可靠性。

式中 Kn——計算系數(shù)，（鍛造型一般為12～13）；

v——滑塊速度，（一般為0.6～0.7m/s）；

H——滑塊行程，m。

研發(fā)項目組在確定了性能參數(shù)及相關(guān)工藝參數(shù)后，又根據(jù)MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的各類鍛件所需的打擊力及公稱打擊力所獲得的有效打擊能量，繪制出了力能特性曲線，以供用戶在選用時參考，力能特性曲線如圖4所示。

圖4 MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)的力能特性曲線

至此，MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)的主要技術(shù)性能指標(biāo)的研究基本完成，并形成了一個可靠的、適用范圍廣的基本參數(shù)表，見表1。該基本參數(shù)表將在進(jìn)一步的技術(shù)設(shè)計中起到指導(dǎo)作用。

表1 MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)基本參數(shù)表

技術(shù)創(chuàng)新

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)合理、性能先進(jìn)和工藝性強(qiáng)，具備良好的工作特性，是目前世界上最大規(guī)格的可進(jìn)行多工位鍛造的摩擦壓力機(jī)。如上所述，本項目在研究過程中采用了大量的先進(jìn)技術(shù)與結(jié)構(gòu)。特別是，本項目在研發(fā)過程中為實(shí)現(xiàn)多工位鍛造，針對滑塊導(dǎo)向裝置、潤滑油量而設(shè)計了專用工裝，并進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，以求找到最佳方案。通過一次次試驗(yàn)、反復(fù)修改、對比試驗(yàn)記錄，分析確定了滑塊導(dǎo)軌導(dǎo)向裝置的高度和寬度，以及間隙大小與潤滑油量。由于滑塊導(dǎo)向裝置和機(jī)體都具有很高的剛性，所以在受偏心負(fù)載時可以有效地避免滑塊傾斜，保證鍛件精度，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滑塊導(dǎo)軌裝置結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)對上下頂料系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計。上頂料采用了連桿機(jī)構(gòu)帶動同步齒輪軸轉(zhuǎn)動，再通過齒輪軸帶動頂料桿上下運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)多桿頂料，有效地配合多工位鍛造工藝中的上頂料工序。圖6所示為上頂料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖6 上頂料結(jié)構(gòu)簡圖

下頂料相對上頂料在工作過程中的負(fù)載大，頂料行程也相對長，而且還會出現(xiàn)偏載的復(fù)雜情況。因此，基于上述問題，創(chuàng)新設(shè)計了圓柱導(dǎo)軌式大行程多頂料裝置，以解決行程長、負(fù)載大的難題，同時提高了抗偏載能力，保證了頂料精度。圖7所示為下頂料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖7 下頂料結(jié)構(gòu)簡圖

結(jié)束語

多工位雙盤摩擦壓力機(jī)是一種萬能性較強(qiáng)的鍛壓機(jī)械設(shè)備，其廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車、拖拉機(jī)、航空、鐵路和電力等工業(yè)部門。多年來我國自行設(shè)計了從630kN到25000kN雙盤摩擦壓力機(jī)系列產(chǎn)品。但是，隨著精密模鍛的需要，重型摩擦壓力機(jī)也發(fā)展迅速，特別是“十一五”期間，以青鍛公司為代表的國內(nèi)鍛壓機(jī)械研發(fā)制造企業(yè)相繼試制成功了31500kN、40000kN、63000kN、80000kN雙盤摩擦壓力機(jī)，從而使我國的摩擦壓力機(jī)已基本形成了完整系列。同時，80000kN多工位雙盤摩擦壓力機(jī)的研制成功也使得我國成為世界上惟一能制造這一規(guī)格多工位摩擦壓力機(jī)的國家。

從MFP-8000A型多工位摩擦壓力機(jī)的研發(fā)過程來分析，整個項目的研發(fā)吸收了大量的先進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)及專利技術(shù)，創(chuàng)造性地設(shè)計了適用于多工位鍛造的上、下頂料裝置。經(jīng)過對試制出的兩臺樣機(jī)進(jìn)行用戶運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，該壓力機(jī)操作簡單，靈敏可靠，打擊力大，適用于多模膛鍛造。因此，該壓力機(jī)具有極好的市場前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

莊云霞，高級工程師，從事鍛壓設(shè)備的開發(fā)設(shè)計。