謝廣玉,李秀珠,胡海燕
(徐州壓力機(jī)械有限公司技術(shù)中心,江蘇徐州221004)
鍛造是熱加工領(lǐng)域的基本工藝,大多數(shù)金屬材料都可以通過(guò)鍛造來(lái)改善其內(nèi)部質(zhì)量、工件外形和綜合機(jī)械性能。鍛造生產(chǎn)能力及鍛造工藝水平的高低對(duì)一個(gè)國(guó)家工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都有一定的影響。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)全球化步伐的不斷加快,鍛造行業(yè)作為中國(guó)機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)也得到了迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)鍛造裝備的需求量也急劇增加。本文就我國(guó)鍛造壓機(jī)的現(xiàn)狀、傳動(dòng)方式及鍛造油壓機(jī)的研發(fā)情況作一個(gè)粗略的綜合分析。
早在1893年,世界上成功研制了第一臺(tái)120000kN(120MN)鍛造水壓機(jī),使大鋼錠的鍛造工藝逐步由使用鍛錘過(guò)渡到使用鍛造水壓機(jī)。由于軍備擴(kuò)張的需要,在第二次世界大戰(zhàn)期間3 萬(wàn)噸和7萬(wàn)噸大型模鍛水壓機(jī)也相繼研發(fā)成功。六十年代初,國(guó)外一些自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)在大型鍛造液壓機(jī)、大型模鍛液壓機(jī)和一些大型擠壓液壓機(jī)上都得到了廣泛應(yīng)用,并實(shí)現(xiàn)了鍛造液壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動(dòng),鍛造工具自動(dòng)更換,使鍛造工藝的自動(dòng)化和機(jī)械化程度都達(dá)到了很高水平。在我國(guó),自由鍛造液壓機(jī)從上世紀(jì)六十年代起,由國(guó)內(nèi)幾個(gè)重機(jī)廠和重型機(jī)械研究所開(kāi)始研制,并先后研制成功了30000kN、60000kN、80000kN、120000kN 用于自由鍛的鍛造水壓機(jī)和300000kN 模鍛液壓機(jī)、310000kN 多向模鍛液壓機(jī)。
上世紀(jì)70年代期間,由德國(guó)、日本等國(guó)成功研制了20000kN 的快鍛液壓機(jī)組,隨后我國(guó)由“西重所”、“蘭石化”研制出了 6300kN、8000kN、20000kN等一系列快鍛液壓機(jī)。
上世紀(jì)80年代后期,隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,一些液壓機(jī)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)(包括大中型國(guó)營(yíng)企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)),先后生產(chǎn)了 10000kN、20000kN、31500kN、36000kN、45000kN 鍛造水壓機(jī)和鍛造油壓機(jī)。這些企業(yè)所生產(chǎn)的鍛造設(shè)備在我國(guó)鍛造裝備市場(chǎng)上占有相當(dāng)大的份額,并且發(fā)展迅速。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)正在使用的從5000kN~125000kN 自由鍛造液壓機(jī)大約有150 多臺(tái)。這些設(shè)備大多是國(guó)內(nèi)六七十年代的產(chǎn)品,還有一些是用其他液壓機(jī)改造后用于自由鍛造的。這些設(shè)備技術(shù)含量不高,控制簡(jiǎn)單,設(shè)備在使用過(guò)程中能量損耗較大。配套設(shè)備主要有鍛造行車(chē)、夾翻料機(jī)和一些簡(jiǎn)單的操作機(jī)。而能夠接近世界先進(jìn)水平、配套完整的自由鍛壓機(jī)卻很少。另外,有一些快鍛液壓機(jī),雖然采用了先進(jìn)的電液伺服控制技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)較高的重復(fù)定位控制精度并與雙操作機(jī)聯(lián)動(dòng),但是這類(lèi)快鍛壓機(jī)的可靠性較差,故障率也較高,設(shè)備的開(kāi)工率較低。大多數(shù)中小型鍛造廠更多的使用鍛錘(蒸汽錘或電液錘),但這類(lèi)鍛錘會(huì)因?yàn)榄h(huán)保問(wèn)題而被逐漸淘汰。從整體上看,我國(guó)鍛造行業(yè)所使用的鍛造設(shè)備技術(shù)含量不高,相對(duì)落后。
近些年來(lái),隨著我國(guó)電力、能源、汽車(chē)、航空航天等行業(yè)的發(fā)展,鍛造行業(yè)發(fā)展迅猛,各類(lèi)鍛件的需求急速增加。鍛造實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化,向世界先進(jìn)水平靠攏已迫在眉睫,鍛造裝備的更新?lián)Q代也勢(shì)在必行。
國(guó)內(nèi)使用的鍛造液壓機(jī)通常有以下幾種典型結(jié)構(gòu)形式:?jiǎn)伪凼健㈦p柱下拉式、三梁四柱上動(dòng)式等。
單臂式一般機(jī)身為“C”型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)多用于小型鍛造液壓機(jī),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)架可用整體鑄鋼結(jié)構(gòu)或鋼板焊接結(jié)構(gòu),工作時(shí)可以從三個(gè)方向接近工件,操作方便,但其整體機(jī)架的剛性較差。為了保證機(jī)架有足夠的強(qiáng)度和剛度,機(jī)架相對(duì)要做的比較笨重。
雙柱(整體框架)下拉式一般機(jī)身為方型整體框架。這種結(jié)構(gòu)多用于中小型鍛造液壓機(jī),其壓機(jī)的重心較低,設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性好,立柱按對(duì)角線布置,在縱橫兩個(gè)方向上可布置移動(dòng)工作臺(tái)及橫向移砧裝置,操作工人有較寬廣的工作視野,壓機(jī)輔助工具也有較大的工作空間。但基礎(chǔ)工程量大,在偏載狀態(tài)下,機(jī)架變形很大,運(yùn)動(dòng)質(zhì)量較大,慣性大。
三梁四柱上動(dòng)式一般機(jī)身由上梁、滑塊、下橫梁、四立柱、移動(dòng)工作臺(tái)、主油缸組成,上梁和下橫梁通過(guò)四根立柱及立柱螺母預(yù)緊形成整體受力框架,滑塊在主油缸驅(qū)動(dòng)下,以立柱為導(dǎo)向上下運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)一直是鍛造壓機(jī)的主力機(jī)型,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于制造、使用、維修。在結(jié)構(gòu)上易于得到較大的總壓力,并可實(shí)現(xiàn)工作壓力分級(jí)控制和較大的工作空間、較長(zhǎng)的工作行程。因此,便于壓制大型工件及較長(zhǎng)較高的工件。其缺點(diǎn)是壓機(jī)的重心高,穩(wěn)定性較差。在偏載狀態(tài)下,其設(shè)備擺動(dòng)量較大。
其他一些結(jié)構(gòu)的鍛造液壓機(jī)目前也得到了廣泛應(yīng)用,如斜置兩柱式上傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、整體框架下拉式結(jié)構(gòu)、多拉桿兩柱框架結(jié)構(gòu)等。
綜上所述,鍛造液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)形式不同,決定了其適用范圍不同。單臂式結(jié)構(gòu)適用于小型鍛造壓機(jī),鍛打小型鍛件操作方便;雙柱下拉式結(jié)構(gòu)適用于中小型鍛造壓機(jī),目前國(guó)內(nèi)快鍛液壓機(jī)就采用這種結(jié)構(gòu),多用于精整、拔長(zhǎng)軸類(lèi)零件等;三梁四柱上傳動(dòng)式結(jié)構(gòu)適用于大型鍛造壓機(jī),由于有大的工作行程和操作空間,并配有移動(dòng)臺(tái),可同時(shí)放置三組砧座,適用于大鋼錠的鐓粗、拔長(zhǎng)、擴(kuò)孔、整形等工藝。從發(fā)展來(lái)看,雙柱上傳動(dòng)式框架結(jié)構(gòu)的鍛造液壓機(jī),由于其可在縱橫兩個(gè)方向上布置移動(dòng)工作臺(tái)及橫向移砧,操作工人有較寬的工作視野,而且能實(shí)現(xiàn)較大的作業(yè)空間,因此將會(huì)被更廣泛地采用。
目前,自由鍛造液壓機(jī)傳動(dòng)方式有兩種:一種是用水作為介質(zhì)的傳動(dòng)方式,它只用大功率水泵通過(guò)分配器和蓄勢(shì)器對(duì)鍛造液壓機(jī)進(jìn)行控制,稱為鍛造水壓機(jī);另一種是用液壓油作為介質(zhì)的傳動(dòng)方式,它是用大功率油泵通過(guò)二通插裝閥對(duì)鍛造液壓機(jī)進(jìn)行控制,稱為鍛造油壓機(jī)。以下對(duì)該兩種不同傳動(dòng)方式的鍛造液壓機(jī)進(jìn)行比較。
2.2.1 鍛造油壓機(jī)的傳動(dòng)控制方式優(yōu)于鍛造水壓機(jī)
鍛造油壓機(jī)所使用大流量高壓油泵、二通插裝閥、可編程控制器(PLC)、工控機(jī)以及電液比例伺服閥的控制系統(tǒng)已經(jīng)很成熟。采用這些控制技術(shù)可以對(duì)鍛造液壓機(jī)的速度、壓力、活動(dòng)橫梁的行程大小實(shí)現(xiàn)精確控制,很容易實(shí)現(xiàn)鍛造液壓機(jī)與鍛造操作機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)自動(dòng)化。而鍛造水壓機(jī)控制比較簡(jiǎn)單,元件大多是自制件,一些先進(jìn)的控制技術(shù)無(wú)法在鍛造水壓機(jī)上應(yīng)用。
2.2.2 鍛造油壓機(jī)比鍛造水壓機(jī)節(jié)能
有資料表明,水泵蓄勢(shì)器傳動(dòng)的鍛造液壓機(jī),傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為50%~60%,而油泵插裝閥傳動(dòng)的鍛造液壓機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為70%。如果采用正弦油泵直接驅(qū)動(dòng),其傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為80%以上。
2.2.3 鍛造油壓機(jī)控制系統(tǒng)比鍛造水壓機(jī)控制系統(tǒng)制造成本低
在相同的工作速度下,油泵直接傳動(dòng)的油壓機(jī)電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本僅是水壓機(jī)水泵蓄勢(shì)站的1/3~1/4。
2.2.4 鍛造水壓機(jī)比鍛造油壓機(jī)使用安全隱患小
由于水介質(zhì)是不可燃的,而液壓油的燃點(diǎn)較低,因而鍛造油壓機(jī)存在有安全隱患。因此,在鍛造油壓機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮安全防護(hù)措施,并加強(qiáng)鍛造油壓機(jī)工作現(xiàn)場(chǎng)的安全管理。
總之,隨著液壓機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷改進(jìn)、創(chuàng)新,鍛造液壓機(jī)將向著環(huán)保、節(jié)能、可靠,更能滿足鍛造工藝要求的方向發(fā)展。
以徐州壓力機(jī)械有限公司45000kN 鍛造油壓機(jī)的研發(fā)過(guò)程為例,對(duì)鍛造油壓機(jī)的結(jié)構(gòu)、控制特點(diǎn)進(jìn)行綜合分析。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)中小型鍛造廠的鍛造工藝調(diào)訪,認(rèn)為國(guó)內(nèi)需求量最大的自由鍛造液壓機(jī),主要用于拔長(zhǎng)、鐓粗、擴(kuò)孔、整形等鍛造工藝。且拔長(zhǎng)、鐓粗使用最多。所配備的操作機(jī)也多為簡(jiǎn)易形獨(dú)立控制的操作機(jī)。另外,根據(jù)自由鍛造的工藝特點(diǎn)、工作環(huán)境以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鍛造企業(yè)的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)承受能力,開(kāi)發(fā)的鍛造液壓機(jī)必須有以下幾個(gè)特點(diǎn):①主機(jī)結(jié)構(gòu)剛度大。主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其抗偏載能力。因此,主機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都較普通壓機(jī)高。同時(shí)考慮到鍛造工作環(huán)境的惡劣條件,壓機(jī)要有很好的抗碰撞能力。②設(shè)備工作速度、升降壓速度快。俗話說(shuō)“趁熱打鐵”,通過(guò)快速鍛造,才能有效地降低鍛造成本。③鍛造壓機(jī)運(yùn)行可靠安全,維修保養(yǎng)要方便快捷。特別是大噸位鍛造油壓機(jī),如果設(shè)備故障率高,鍛件在加熱爐保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成能源浪費(fèi)。④充分考慮了液壓油防燃問(wèn)題。鍛造壓機(jī)必須充分考慮安全問(wèn)題,因?yàn)橛偷娜键c(diǎn)較低,如果不考慮安全問(wèn)題,一旦出現(xiàn)火花,后果不堪設(shè)想。⑤充分考慮國(guó)內(nèi)中小型鍛造廠的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。設(shè)備的配置要適中,影響到設(shè)備運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵元器件用國(guó)際上最好品牌的產(chǎn)品。其他一些輔助元器件盡可能用國(guó)產(chǎn)的,使設(shè)備的性價(jià)比最優(yōu)。
根據(jù)以上鍛造液壓機(jī)的特點(diǎn),我們制定自由鍛造液壓機(jī)的設(shè)計(jì)方案:①設(shè)備的使用范圍:主要用于金屬材料的自由鍛造,包括鐓粗、拔長(zhǎng)、擴(kuò)孔、精整等。②主機(jī)結(jié)構(gòu):采用三梁四柱結(jié)構(gòu)形式,主油缸采用三缸布置,實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓制。③傳動(dòng)方式:采用大流量斜盤(pán)式高壓柱塞油泵驅(qū)動(dòng),通過(guò)二通插裝閥和可編程序控制器(PLC)對(duì)壓機(jī)的速度、壓力及各種工藝動(dòng)作進(jìn)行控制。④設(shè)備整體布置:動(dòng)力站、電控柜在地面以上與主機(jī)隔離,操作臺(tái)在主機(jī)與動(dòng)力站之間,移動(dòng)工作臺(tái)與地面平。為了減少液壓系統(tǒng)的壓力損失,將三級(jí)卸壓控制閥塊,放在設(shè)備頂部,其他控制閥塊及液壓系統(tǒng)輔助裝置均在主油箱頂部。⑤設(shè)備配置:二通插裝閥的先導(dǎo)控制閥用德國(guó)力士樂(lè)產(chǎn)品,密封元件用德國(guó)MERKEL 產(chǎn)品。電控PLC 用日本歐姆龍公司產(chǎn)品。⑥設(shè)備主要參數(shù)的確定:盡可能靠近水壓機(jī)幾何參數(shù),以保證鍛造工具在鍛造沖壓機(jī)上可互換使用。
總之,鍛造液壓機(jī)研制的技術(shù)難點(diǎn)是主油缸快速卸壓,即三級(jí)卸壓系統(tǒng)和大型零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
3.2.1 主機(jī)部分
主機(jī)部分由機(jī)身、主油缸、充液裝置等組成。機(jī)身由上梁、下橫梁通過(guò)四根立柱、立柱鎖母形成受力框架。立柱與上梁、下橫梁之間采用工頻感應(yīng)加熱預(yù)緊法預(yù)緊。滑塊依靠四根立柱作導(dǎo)向上下運(yùn)動(dòng)。上梁、滑塊、下橫梁為結(jié)構(gòu)件,材料采用Q235-A,拉壓應(yīng)力取值比普通壓機(jī)低20%左右。立柱采用45#鍛鋼,螺紋均采用45°鋸齒形螺紋,拉應(yīng)力取值比普通壓機(jī)低30%左右。主油缸采用三缸布置,中間缸為20000kN,兩側(cè)缸為12500kN,實(shí)現(xiàn) 20000/45000kN兩級(jí)壓制。壓機(jī)所有油缸均采用柱塞式油缸結(jié)構(gòu),缸體材料采用35# 鍛鋼,應(yīng)力取值比普通壓機(jī)低20%。柱塞桿采用45#鍛鋼,表面中頻淬火,其硬度為 HRC45~52。
缸口導(dǎo)向套采用抗壓耐磨的ZQSn6-6-3 青銅材料,密封圈采用德國(guó)MERKEL 公司“V”型密封組件。
3.2.2 移動(dòng)工作臺(tái)
移動(dòng)工作臺(tái)由工作臺(tái)板、防護(hù)拖板及驅(qū)動(dòng)油缸組成。工作臺(tái)板、防護(hù)拖板均為鑄鋼件ZG270-500,油缸與工作臺(tái)板聯(lián)接方式采用球面鉸接,工作臺(tái)板和防護(hù)拖板有足夠的剛度,既要抗一定的熱變形又要耐砸撞。
3.2.3 液壓控制系統(tǒng)
液壓控制系統(tǒng)由油泵電機(jī)組、二通插裝閥、冷卻過(guò)濾、管路等組成,借助于電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓機(jī)的各種工藝動(dòng)作。鍛造油壓機(jī)工作方式一般設(shè)有定壓控制和定程控制,動(dòng)作方式有調(diào)整動(dòng)作和手動(dòng)動(dòng)作。
(1)45000kN 鍛造液壓機(jī)的主油泵電機(jī)組由三十臺(tái)250MCY14-1B 定量軸向柱塞泵和三十臺(tái)Y315L1-6-B3 電動(dòng)機(jī)組成,總排量為7500l/min,總電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率為3300kW。泵頭控制閥塊安裝在油泵的出油口,以減少管路安裝和沿程壓力損失。
(2)二通插裝閥塊。為了方便維修,減少液壓系統(tǒng)不必要的壓力損失,合理布置該機(jī)液壓控制閥塊,按功能分為六個(gè)功能控制閥塊。①泵頭控制閥塊。主要完成對(duì)油泵的超壓保護(hù)和空載排油。②主油缸控制閥塊。主要完成壓力分級(jí)控制和主油缸下行工藝動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、工進(jìn)動(dòng)作轉(zhuǎn)換。③主油缸回程控制閥塊。完成主油缸慢回,快回動(dòng)作轉(zhuǎn)換及回程壓力調(diào)整。④主油缸三級(jí)卸壓控制閥塊。主要完成主油缸快速無(wú)沖擊卸壓,在快鍛工藝動(dòng)作時(shí)完成主油缸快速排油。⑤移動(dòng)工作臺(tái)控制閥塊。完成對(duì)移動(dòng)工作臺(tái)工藝動(dòng)作、液壓鎖緊的控制。⑥充液閥控制閥塊。完成對(duì)充液閥的開(kāi)啟控制,配合主缸上腔控制閥塊,實(shí)現(xiàn)在小噸位時(shí)提高設(shè)備的工作速度。
(3)充液閥。本機(jī)充液閥采用二個(gè)Dg275 和四個(gè)Dg200。充液閥主要作用是供主缸吸排油用。當(dāng)滑塊快速下行時(shí)由于主缸上腔形成負(fù)壓,將充液閥吸開(kāi),充液箱內(nèi)的大量油液充入油缸內(nèi)以補(bǔ)充油液不足;當(dāng)滑塊工進(jìn)時(shí)充液閥關(guān)閉,由主油泵向油缸提供壓力油;當(dāng)滑塊回程時(shí),充液閥芯打開(kāi)使油缸油液向充液箱排油。這里要說(shuō)明的是,鍛造壓機(jī)由于速度快,滑塊工作頻次高,用于一般冷壓加工的鍛壓設(shè)備的充液閥不適合在鍛壓機(jī)上使用。該機(jī)的充液閥只為鍛造壓機(jī)單獨(dú)設(shè)計(jì),其有一定的剛度并對(duì)大閥芯上下運(yùn)動(dòng)行程采用剛性限位,大閥芯的開(kāi)啟由液壓缸控制。
(4)冷卻過(guò)濾系統(tǒng)。由于鍛造壓機(jī)工作環(huán)境差,設(shè)備使用頻率高,對(duì)工作介質(zhì)油溫控制很有必要,這樣不僅能大幅度地提高液壓系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,也能延長(zhǎng)液壓元器件和密封元件的使用壽命。本機(jī)配有四組30m2的板式水冷機(jī)組,同時(shí)預(yù)留了多個(gè)可安裝強(qiáng)制冷機(jī)組的接口,以備用戶根據(jù)設(shè)備的使用情況增加制冷機(jī)組。同時(shí)本機(jī)還配有油液過(guò)濾系統(tǒng),可對(duì)油液進(jìn)行定期過(guò)濾。
(5)管路。鍛造液壓機(jī)液壓系統(tǒng)內(nèi)部液壓沖擊非常大。因此,管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也很重要。一般管內(nèi)流速取值不大于5mm/s,管夾分布應(yīng)合理,盡量不使用高壓軟管,各連接法蘭由平面徑向密封,改成圓柱面軸向密封,同時(shí)要考慮充液箱快速排油,方便維修等,盡可能減小管路的長(zhǎng)度和彎管數(shù)量。
3.2.4 電控系統(tǒng)
本機(jī)電氣控制系統(tǒng)分為動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。
動(dòng)力部分包括控制總電源、各電動(dòng)機(jī)的啟停及保護(hù)開(kāi)關(guān)等。大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)均采用降壓?jiǎn)?dòng),電源采用三相四線制AC380V,50Hz。
控制部分包括控制箱、操作平臺(tái),控制箱安裝有PLC 可編程序控制系統(tǒng),可完成對(duì)壓機(jī)的全部動(dòng)作的控制,主操作臺(tái)可完成該機(jī)的全部動(dòng)作的操作,操作面板上設(shè)有操作手柄,各種操作按鈕、壓力數(shù)顯、各種報(bào)警指示、急停銨鈕等。
另外,本機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)、安全保護(hù)等在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了鍛造壓機(jī)的特點(diǎn)和使用環(huán)境。
總之,隨著鍛造行業(yè)的迅速發(fā)展和一些先進(jìn)的控制技術(shù)、控制元器件的出現(xiàn)并得到可靠的應(yīng)用,我國(guó)的鍛造設(shè)備也會(huì)逐步向國(guó)際先進(jìn)水平靠近。衷心希望中國(guó)鍛造業(yè)興旺發(fā)達(dá),希望為我國(guó)鍛造工業(yè)服務(wù)的鍛造裝備制造廠同仁繼續(xù)努力,爭(zhēng)取為鍛造業(yè)提供最好最先進(jìn)的鍛造裝備。
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