袁 雯 劉于康

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究院，四川 618013)

高能螺旋壓力機(jī)(又稱離合器式螺旋壓力機(jī))，是20 世紀(jì)70 年代末、90 年代初國外出現(xiàn)的新型模鍛壓力機(jī)。它結(jié)合了普通螺旋壓力機(jī)、液壓機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，傳動(dòng)方式有了新的突破，是一種結(jié)構(gòu)比較簡單、生產(chǎn)效率高、節(jié)省能源的設(shè)備。

高能螺旋壓力機(jī)與傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)相比，具有的明顯優(yōu)點(diǎn)是:總機(jī)械效率提高以上;打擊能量提高1 倍以上;生產(chǎn)效率提高1 倍;具有多工位鍛造的能力。

高能螺旋壓力機(jī)與熱模鍛壓力機(jī)相比:打擊力可以準(zhǔn)確地控制，設(shè)備不會(huì)超載;有效打擊行程長，滑塊在?的行程都可以發(fā)揮最大打擊力和最大鍛造能量;鍛件精度可提高一級(jí);模具熱接觸時(shí)間減少?。

高能螺旋壓力機(jī)主要用于精密鍛造、模鍛、鐓鍛、擠壓成形、校正、切邊和壓印等。由于其本身所具有的優(yōu)點(diǎn)，因而以很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力出現(xiàn)在鍛壓設(shè)備領(lǐng)域。它的價(jià)格低于同等能力的液壓螺旋壓力機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和曲柄熱模鍛壓力機(jī)，而生產(chǎn)率已接近或超過了熱模鍛壓力機(jī)。由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、價(jià)格相對(duì)較低、能源消耗比較小，因此有較大的發(fā)展前途。

1 工作原理

25 MN 高能螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。飛輪3 通過軸承支承在機(jī)身7 上，電動(dòng)機(jī)(圖中未畫出)通過三角皮帶驅(qū)動(dòng)飛輪單向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。離合器1 裝在飛輪3 上，與飛輪同步旋轉(zhuǎn)。離合器中的摩擦盤2 與螺桿8 固定連接。當(dāng)離合器結(jié)合時(shí)，飛輪帶動(dòng)螺桿一起旋轉(zhuǎn)，螺桿由止推軸承4 支承在機(jī)身上。螺母6 裝在滑塊9 中。當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母帶動(dòng)滑塊作直線運(yùn)動(dòng)，完成鍛打?；爻谈? 的作用:一是在工作行程中平衡滑塊的重量，二是當(dāng)離合器脫開后，立刻帶動(dòng)滑動(dòng)快速回到上死點(diǎn)。

25 MN 離合器式螺旋壓力機(jī)的工作過程(原理)為:當(dāng)工作循環(huán)開始時(shí)，離合器結(jié)合，螺桿在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到飛輪轉(zhuǎn)速，滑塊以500 mm/s的速度下行，進(jìn)行鍛造使工件變形。當(dāng)變形完成后，離合器及時(shí)脫開，滑塊在回程缸的作用下立即回程。離合器的脫開受電氣和機(jī)械慣性機(jī)構(gòu)兩套系統(tǒng)控制。當(dāng)需控制滑塊行程時(shí)，電氣系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的滑塊行程控制離合器脫開。當(dāng)需控制鍛壓力時(shí)，一旦實(shí)際鍛壓力達(dá)到操作面板上預(yù)置的鍛壓力，機(jī)械慣性機(jī)構(gòu)使離合器的卸荷閥迅速打開，使離合器接合油缸中的介質(zhì)快速排出，藉彈簧將離合器脫開，從慣性機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作到離合器脫開的全過程所需時(shí)間極小。這兩套系統(tǒng)準(zhǔn)確地控制滑塊行程和打擊力，使設(shè)備完全排除了超載的危險(xiǎn)。即使兩套系統(tǒng)同時(shí)失靈，設(shè)備也是安全的。由于離合器的扭矩受液壓系統(tǒng)的最高油壓限制，而最大鍛壓力又受離合器扭矩的限制，當(dāng)載荷過大時(shí)，離合器將打滑。這就使高能螺旋壓力機(jī)與傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)的力能關(guān)系明顯不同，且公稱噸位相同的情況下，傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)的冷擊力要大25%～60%。

圖1 25 MN 高能螺旋壓力機(jī)Figure 1 25 MN high power screw press

2 25MN 高能螺旋壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)

公稱壓力/MN:25

壓力機(jī)在此壓力下工作，應(yīng)滿足輸出能量、速度、行程次數(shù)等項(xiàng)要求，且值為摩擦離合器所能傳遞最大壓力，超過此值則離合器打滑、脫離。

最大壓力/MN:31.5

壓力機(jī)可在此負(fù)荷條件下短期工作，但不保證輸出能量、速度、行程次數(shù)等項(xiàng)要求。

最大冷擊力/MN:40

此值為壓力機(jī)在冷擊條件下(工件無塑性變形)、離合器傳遞25 MN 作用力并打滑、脫離時(shí)，壓力機(jī)所產(chǎn)生最大作用力。在使用中，不允許在接近公稱壓力條件下產(chǎn)生冷擊。

最大工件變形能/kNm:1 020

滑塊最大速度/mm·s－1:500

最大行程/mm:475

最小閉合高度/mm:900

最大行程次數(shù)/min－1:201

工作臺(tái)尺寸/mm:1 400×1 400

螺桿直徑/mm:460

主電機(jī)功率/kW:132

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)包括摩擦壓力機(jī)、電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和液壓螺旋壓力機(jī)，它們共同的特點(diǎn)是飛輪與螺桿固定聯(lián)接，每一次上、下循環(huán)都有兩次儲(chǔ)存和釋放能量過程，而且必須拖動(dòng)一大慣量的飛輪作正、反向旋轉(zhuǎn)。而高能螺旋壓力機(jī)飛輪與螺桿和滑塊系統(tǒng)通過離合器聯(lián)接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大慣量飛輪只作定向旋轉(zhuǎn)。下行時(shí)，離合器接合;打擊完成后，離合器脫開，由回程缸拉升螺桿與滑塊系統(tǒng)。由于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使高能螺旋壓力機(jī)具有以下一些明顯的優(yōu)點(diǎn)。

3.1 有效鍛造能量高

由于傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)和高能螺旋壓力機(jī)有不同的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以它們具有不同的力能關(guān)系，參見圖2。傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)屬能量固定設(shè)備，冷擊力一般為公稱壓力的2～2.5 倍。由于設(shè)備上主要受力部件的強(qiáng)度都是按冷擊力設(shè)計(jì)的，冷擊力與有效能量的平方根成正比，為了使設(shè)備不過于笨重，及每次飛輪起動(dòng)引起電機(jī)電流不致過大，飛輪能量受到嚴(yán)格控制。高能螺旋壓力機(jī)打擊力可受到準(zhǔn)確的控制，這點(diǎn)與液壓機(jī)相近，應(yīng)屬于力固定的設(shè)備。飛輪能量不受冷擊力的限制，可以根據(jù)鍛件的需要靈活設(shè)計(jì)，冷擊力是公稱壓力的1.25～1.6倍。公稱壓力相同的兩臺(tái)設(shè)備，一般傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)的冷擊力要大25%～60%，當(dāng)然螺桿和機(jī)身也要大得多。高能螺旋壓力機(jī)主電機(jī)要小40%～50%，而提供的有效能量要大2～3 倍。

圖2 力能關(guān)系曲線Figure 2 Relation curve of force and energy

高能螺旋壓力機(jī)冷擊力計(jì)算公式:

式中 Mk——離合器傳遞的最大扭矩;

hk——螺桿導(dǎo)程;

Ck——設(shè)備的垂直剛度;

η——機(jī)械效率;

Ak——螺桿和滑塊具有的動(dòng)能。

高能螺旋壓力機(jī)鍛造能量由飛輪提供。在鍛造過程中飛輪轉(zhuǎn)速一般降低12.5%～15%。飛輪儲(chǔ)存的總能量為:

式中 Az——飛輪儲(chǔ)存的總能量;

Jk——飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Ω——飛輪角速度;

N——飛輪轉(zhuǎn)速。

工作循環(huán)中飛輪釋放能量為:

式中 ω0——開始角速度;

ω1——工作后角速度;

n0——開始飛輪轉(zhuǎn)速;

n1——工作后飛輪轉(zhuǎn)速。

當(dāng)允許飛輪轉(zhuǎn)速降為12.5%時(shí)，飛輪釋放能量的百分比為:

高能螺旋壓力機(jī)噸位選擇公式:

式中 PKN——高能螺旋壓力機(jī)公稱壓力;

qk——設(shè)備特征系數(shù)。其值等于設(shè)備最大打擊力Pkmax與公稱壓力的比值。一般qk=1.25～1.6。

3.2 有效打擊行程長和行程次數(shù)高

傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)在工作循環(huán)中，慣量很大的飛輪系統(tǒng)要被加速到額定轉(zhuǎn)速需要很長的加速行程。在回程過程中，飛輪又被反向加速，儲(chǔ)存的能量在制動(dòng)過程中全部轉(zhuǎn)為摩擦能。因此設(shè)備總的機(jī)械效率低，行程次數(shù)少，生產(chǎn)率較低。高能螺旋壓力機(jī)由于飛輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在工作循環(huán)中只有慣量很小的螺桿和摩擦盤被加速和減速，所以加速行程很短。滑塊離開上死點(diǎn)后，只需總行程的約10%，即經(jīng)過100 mm～150 mm 行程就達(dá)到額定速度，可以輸出最大打擊力和額定能量，滑塊的空行程大大縮短，壓力機(jī)有效行程次數(shù)比傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)提高1 倍以上。由于總的機(jī)械效率提高，高能螺旋壓力機(jī)的主電機(jī)功率只有同噸位傳統(tǒng)螺旋壓力機(jī)的50%～60%。

高能螺旋壓力機(jī)的行程和打擊力可以根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定。當(dāng)滑塊達(dá)到預(yù)定位置或打擊力達(dá)到預(yù)定值，離合器立即脫開，完全沒有悶車的危險(xiǎn)。其有效行程可占總行程的?以上。由于鍛件精度是依靠上下模具打靠來保證，模具調(diào)整十分簡單。

熱模鍛壓力機(jī)鍛件精度不但受模具尺寸的影響，還受機(jī)身彈性變形的影響。而高能螺旋壓力機(jī)的鍛件只受模具尺寸影響，因而其鍛件精度一般比熱模鍛壓力機(jī)鍛件精度高1～2 級(jí)。

3.3 成形速度均勻

當(dāng)離合器接合時(shí)，數(shù)毫秒內(nèi)螺桿即與飛輪接合，滑塊也在極短時(shí)間內(nèi)加速，達(dá)到它的成形速度，且保持勻速直到行程終了，因此允許在滑塊行程的較寬范圍內(nèi)快速成形。

3.4 熱接觸時(shí)間短

由于成形速度快以及傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，離合器即時(shí)脫開，使滑塊在行程終了時(shí)，瞬時(shí)停止后即返回上死點(diǎn)，使模具與鍛件的接觸時(shí)間減至最小。同時(shí)由于模具溫升—冷卻的熱應(yīng)力較低，使模具壽命較長。

3.5 偏心鍛造和多工位模鍛

高能螺旋壓力機(jī)機(jī)身具有橫向穩(wěn)定性?；瑝K具有X 形和圓柱形兩套導(dǎo)向，因而抗偏能力大大提高。因此，即使在偏心載荷時(shí)，滑塊墊板與工作臺(tái)也能保持平行，沒有彎曲力傳給螺桿。螺桿僅在每次工作行程終了時(shí)，受到壓力和扭矩作用。

3.6 獨(dú)特的滑塊回程系統(tǒng)

該系統(tǒng)具有兩個(gè)回程缸，位于滑塊兩側(cè)。當(dāng)離合器脫開時(shí)，將滑塊提升到上死點(diǎn)。由于液壓缸是由傳動(dòng)系統(tǒng)控制的，所以成形后，飛輪可立即以一定的轉(zhuǎn)速從降速狀態(tài)開始恢復(fù)原速，因而增加壓力機(jī)可能的行程次數(shù)?；爻谈淄瑫r(shí)也作為一種安全裝置，一旦螺桿失效，其對(duì)滑塊仍可保持一定壓力。

3.7 壓力機(jī)基礎(chǔ)要求低

高能螺旋壓力機(jī)只需簡單而廉價(jià)的地基。垂直作用在地基上的動(dòng)載荷約為壓力機(jī)重量的1.6倍。由于傳動(dòng)系統(tǒng)及從動(dòng)件的質(zhì)量較小，所以作用在基礎(chǔ)上的扭轉(zhuǎn)沖擊載荷大大低于其他類型的螺旋壓力機(jī)。

4 有限元分析

機(jī)身和螺桿是高能螺旋壓力機(jī)的最重要的兩個(gè)零件，尤其是機(jī)身為影響整體性能水平和重量的主要因素，它的剛度直接影響到產(chǎn)品的精度。因此，合理的機(jī)身結(jié)構(gòu)，是設(shè)計(jì)優(yōu)良高能螺旋壓力機(jī)的一個(gè)基本前提。為實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)正常工作，必須保證機(jī)身有足夠的強(qiáng)度和剛度，并使其質(zhì)量盡可能的小，以減少成本。而對(duì)螺桿來說，主要是保證其強(qiáng)度足夠。這就要求我們對(duì)它們的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行較精確的計(jì)算，及盡可能地對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

傳統(tǒng)的材料力學(xué)計(jì)算方法精度差，已不能滿足要求。而有限元法已被公認(rèn)為是結(jié)構(gòu)分析的有效工具，可以保證計(jì)算的精度和可靠性。這次機(jī)身和螺桿是在SUN 工程工作站上采用I－DEAS軟件進(jìn)行分析。對(duì)壓力機(jī)分別在中心載荷、左右偏心載荷和前后偏心載荷條件下，建立了機(jī)身三種載荷工況的有限元模型。網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮了應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位。對(duì)機(jī)身分別在三種載荷工況下，進(jìn)行了三維有限元分析，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了大量的后處理，繪制了應(yīng)力等值線圖和變形圖等。圖3 為前后偏心載荷應(yīng)力等值線圖，圖4 為前后偏心載荷變形圖。螺桿由于不受彎曲力矩，三種載荷工況下其受力都一樣，故對(duì)其只在一種工況進(jìn)行了三維有限元分析，圖5 為螺桿應(yīng)力等值線圖。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)這些應(yīng)力和變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并進(jìn)行了靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和剛度計(jì)算，驗(yàn)證了其強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，要求在滿足強(qiáng)度和剛度條件下即機(jī)身在最大載荷下，其變形和應(yīng)力應(yīng)當(dāng)在容許值的范圍內(nèi)，使其重量最輕、尺寸最小。另外，對(duì)機(jī)身的一些過渡圓角、過渡面的優(yōu)化，也是機(jī)身優(yōu)化的一個(gè)重要方面。通過它可以改善應(yīng)力集中，降低局部應(yīng)力，使應(yīng)力分布盡可能地合理?？紤]到本文分析的對(duì)象是一個(gè)龐大復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)問題，在前面的有限元分析中，將結(jié)構(gòu)離散成18912個(gè)單元，5107個(gè)結(jié)點(diǎn)。如采用有限元方法建立目標(biāo)函數(shù)，約束條件，再用優(yōu)化準(zhǔn)則法或數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解，在計(jì)算過程中，必定要用很長的時(shí)間，使用大量的機(jī)時(shí)，在目前的情況下，不具備條件，有待于今后作進(jìn)一步的研究。

圖3 前后偏心載荷應(yīng)力等值線圖Figure 3 Forward and backward eccentric load stress contour drawing

圖4 前后偏心載荷變形圖Figure 4 Forward and backward eccentric load deformation drawing

圖5 螺桿應(yīng)力等值線圖Figure 5 Screw stress contour drawing

經(jīng)過前面的有限元計(jì)算、強(qiáng)度和剛度分析，得知現(xiàn)有的機(jī)身結(jié)構(gòu)存在著一些不足之處，如質(zhì)量分布不太合理，某些部位應(yīng)力集中較大，立柱的強(qiáng)度、剛度較弱等?，F(xiàn)從工程的角度，對(duì)本機(jī)身結(jié)構(gòu)提出一些優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更加合理。參考國內(nèi)外各種壓力機(jī)類似的機(jī)身結(jié)構(gòu)，并分析有限元的計(jì)算結(jié)果，對(duì)該機(jī)身提出如下的改進(jìn):

(1)立柱的強(qiáng)度和剛度是機(jī)身的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。機(jī)身的最大應(yīng)力在立柱上，且立柱的變形直接影響滑塊導(dǎo)向，進(jìn)而影響鍛件的精度和設(shè)備的性能，故應(yīng)增強(qiáng)立柱的強(qiáng)度和剛度，尤其是其抗彎能力?？紤]立柱內(nèi)側(cè)應(yīng)力較大，應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃罅⒅鶅?nèi)側(cè)板的厚度，將立柱中隔板數(shù)從一個(gè)增加到兩個(gè)。

(2)由于上橫梁上部應(yīng)力較小，強(qiáng)度較富裕。其截面形狀可相應(yīng)簡化。

(3)下橫梁下部的強(qiáng)度儲(chǔ)備較大，可適當(dāng)?shù)販p小其結(jié)構(gòu)的厚度，但同時(shí)要保證其剛度足夠。

(4)上橫梁與立柱連接的內(nèi)側(cè)處的應(yīng)力集中較大，應(yīng)盡可能加大此處的過渡圓半徑。

(5)為提高機(jī)身的抗彎能力，即抗偏載能力，可在保持截面面積不變的情況下，適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)身的總寬和總厚尺寸。

機(jī)身的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，要兼顧壓力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的各方面要求，而許多要求不但相互矛盾，而且沒有確切的界限，甚至有些無法用數(shù)學(xué)式表達(dá)。如從降低成本，便于制造安裝來說，要求機(jī)身重量輕、尺寸小;而在提高模具壽命、保持工件尺寸精度方面，則要求機(jī)身變形小，剛度大;又如為了工藝適用性廣，要求工作臺(tái)面和封閉高度的尺寸大些為好，以及一些制造和裝配的工藝要求等。所以，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，兼顧各方面的要求，最后定出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

6 結(jié)論

通過對(duì)高能螺旋壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)進(jìn)行全面分析，可以看出，這種壓力機(jī)與其他壓力機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。積極研究和發(fā)展這種壓力機(jī)，可以推動(dòng)我國模鍛和精模鍛設(shè)備的發(fā)展，使我國模鍛設(shè)備盡快趕上世界先進(jìn)水平，并可大大提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］周郴知.高能螺旋壓力機(jī).鍛壓機(jī)械，1987.3.

［2］蔣希賢.螺旋壓力機(jī)剛度分析.鍛壓機(jī)械，1990.2.

［3］趙呈林.鍛壓設(shè)備.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996.4.