謝廣玉，李秀珠，胡海燕

（徐州壓力機械有限公司技術(shù)中心，江蘇徐州221004）

0 引言

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鍛造來改善其內(nèi)部質(zhì)量、工件外形和綜合機械性能。鍛造生產(chǎn)能力及鍛造工藝水平的高低對一個國家工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都有一定的影響。隨著中國經(jīng)濟全球化步伐的不斷加快，鍛造行業(yè)作為中國機械制造工業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)也得到了迅速發(fā)展。國內(nèi)鍛造裝備的需求量也急劇增加。本文就我國鍛造壓機的現(xiàn)狀、傳動方式及鍛造油壓機的研發(fā)情況作一個粗略的綜合分析。

1 發(fā)展過程及技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 鍛造液壓機的發(fā)展過程

早在1893年，世界上成功研制了第一臺120000kN（120MN）鍛造水壓機，使大鋼錠的鍛造工藝逐步由使用鍛錘過渡到使用鍛造水壓機。由于軍備擴張的需要，在第二次世界大戰(zhàn)期間3 萬噸和7萬噸大型模鍛水壓機也相繼研發(fā)成功。六十年代初，國外一些自動檢測技術(shù)和自動控制技術(shù)在大型鍛造液壓機、大型模鍛液壓機和一些大型擠壓液壓機上都得到了廣泛應(yīng)用，并實現(xiàn)了鍛造液壓機與操作機聯(lián)動，鍛造工具自動更換，使鍛造工藝的自動化和機械化程度都達到了很高水平。在我國，自由鍛造液壓機從上世紀六十年代起，由國內(nèi)幾個重機廠和重型機械研究所開始研制，并先后研制成功了30000kN、60000kN、80000kN、120000kN 用于自由鍛的鍛造水壓機和300000kN 模鍛液壓機、310000kN 多向模鍛液壓機。

上世紀70年代期間，由德國、日本等國成功研制了20000kN 的快鍛液壓機組，隨后我國由“西重所”、“蘭石化”研制出了 6300kN、8000kN、20000kN等一系列快鍛液壓機。

上世紀80年代后期，隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，一些液壓機專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)（包括大中型國營企業(yè)和民營企業(yè)），先后生產(chǎn)了 10000kN、20000kN、31500kN、36000kN、45000kN 鍛造水壓機和鍛造油壓機。這些企業(yè)所生產(chǎn)的鍛造設(shè)備在我國鍛造裝備市場上占有相當大的份額，并且發(fā)展迅速。

1.2 國內(nèi)鍛造液壓機的技術(shù)現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)正在使用的從5000kN～125000kN 自由鍛造液壓機大約有150 多臺。這些設(shè)備大多是國內(nèi)六七十年代的產(chǎn)品，還有一些是用其他液壓機改造后用于自由鍛造的。這些設(shè)備技術(shù)含量不高，控制簡單，設(shè)備在使用過程中能量損耗較大。配套設(shè)備主要有鍛造行車、夾翻料機和一些簡單的操作機。而能夠接近世界先進水平、配套完整的自由鍛壓機卻很少。另外，有一些快鍛液壓機，雖然采用了先進的電液伺服控制技術(shù)，可以實現(xiàn)較高的重復(fù)定位控制精度并與雙操作機聯(lián)動，但是這類快鍛壓機的可靠性較差，故障率也較高，設(shè)備的開工率較低。大多數(shù)中小型鍛造廠更多的使用鍛錘（蒸汽錘或電液錘），但這類鍛錘會因為環(huán)保問題而被逐漸淘汰。從整體上看，我國鍛造行業(yè)所使用的鍛造設(shè)備技術(shù)含量不高，相對落后。

近些年來，隨著我國電力、能源、汽車、航空航天等行業(yè)的發(fā)展，鍛造行業(yè)發(fā)展迅猛，各類鍛件的需求急速增加。鍛造實現(xiàn)機械化和自動化，向世界先進水平靠攏已迫在眉睫，鍛造裝備的更新?lián)Q代也勢在必行。

2 鍛造液壓機的幾種結(jié)構(gòu)形式及傳動方式

2.1 鍛造液壓機的幾種結(jié)構(gòu)方式

國內(nèi)使用的鍛造液壓機通常有以下幾種典型結(jié)構(gòu)形式：單臂式、雙柱下拉式、三梁四柱上動式等。

單臂式一般機身為“C”型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)多用于小型鍛造液壓機，其結(jié)構(gòu)簡單，機架可用整體鑄鋼結(jié)構(gòu)或鋼板焊接結(jié)構(gòu)，工作時可以從三個方向接近工件，操作方便，但其整體機架的剛性較差。為了保證機架有足夠的強度和剛度，機架相對要做的比較笨重。

雙柱（整體框架）下拉式一般機身為方型整體框架。這種結(jié)構(gòu)多用于中小型鍛造液壓機，其壓機的重心較低，設(shè)備運行穩(wěn)定性好，立柱按對角線布置，在縱橫兩個方向上可布置移動工作臺及橫向移砧裝置，操作工人有較寬廣的工作視野，壓機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，機架變形很大，運動質(zhì)量較大，慣性大。

三梁四柱上動式一般機身由上梁、滑塊、下橫梁、四立柱、移動工作臺、主油缸組成，上梁和下橫梁通過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)動下，以立柱為導(dǎo)向上下運動。該結(jié)構(gòu)一直是鍛造壓機的主力機型，其結(jié)構(gòu)簡單，便于制造、使用、維修。在結(jié)構(gòu)上易于得到較大的總壓力，并可實現(xiàn)工作壓力分級控制和較大的工作空間、較長的工作行程。因此，便于壓制大型工件及較長較高的工件。其缺點是壓機的重心高，穩(wěn)定性較差。在偏載狀態(tài)下，其設(shè)備擺動量較大。

其他一些結(jié)構(gòu)的鍛造液壓機目前也得到了廣泛應(yīng)用，如斜置兩柱式上傳動結(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，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，目前國內(nèi)快鍛液壓機就采用這種結(jié)構(gòu)，多用于精整、拔長軸類零件等；三梁四柱上傳動式結(jié)構(gòu)適用于大型鍛造壓機，由于有大的工作行程和操作空間，并配有移動臺，可同時放置三組砧座，適用于大鋼錠的鐓粗、拔長、擴孔、整形等工藝。從發(fā)展來看，雙柱上傳動式框架結(jié)構(gòu)的鍛造液壓機，由于其可在縱橫兩個方向上布置移動工作臺及橫向移砧，操作工人有較寬的工作視野，而且能實現(xiàn)較大的作業(yè)空間，因此將會被更廣泛地采用。

2.2 鍛造液壓機的傳動方式

目前，自由鍛造液壓機傳動方式有兩種：一種是用水作為介質(zhì)的傳動方式，它只用大功率水泵通過分配器和蓄勢器對鍛造液壓機進行控制，稱為鍛造水壓機；另一種是用液壓油作為介質(zhì)的傳動方式，它是用大功率油泵通過二通插裝閥對鍛造液壓機進行控制，稱為鍛造油壓機。以下對該兩種不同傳動方式的鍛造液壓機進行比較。

2.2.1 鍛造油壓機的傳動控制方式優(yōu)于鍛造水壓機

鍛造油壓機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)可以對鍛造液壓機的速度、壓力、活動橫梁的行程大小實現(xiàn)精確控制，很容易實現(xiàn)鍛造液壓機與鍛造操作機的聯(lián)動控制，實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)自動化。而鍛造水壓機控制比較簡單，元件大多是自制件，一些先進的控制技術(shù)無法在鍛造水壓機上應(yīng)用。

2.2.2 鍛造油壓機比鍛造水壓機節(jié)能

有資料表明，水泵蓄勢器傳動的鍛造液壓機，傳動系統(tǒng)的總效率為50%～60%，而油泵插裝閥傳動的鍛造液壓機傳動系統(tǒng)的總效率為70%。如果采用正弦油泵直接驅(qū)動，其傳動系統(tǒng)的總效率為80%以上。

2.2.3 鍛造油壓機控制系統(tǒng)比鍛造水壓機控制系統(tǒng)制造成本低

在相同的工作速度下，油泵直接傳動的油壓機電液控制系統(tǒng)的設(shè)計成本僅是水壓機水泵蓄勢站的1/3～1/4。

2.2.4 鍛造水壓機比鍛造油壓機使用安全隱患小

由于水介質(zhì)是不可燃的，而液壓油的燃點較低，因而鍛造油壓機存在有安全隱患。因此，在鍛造油壓機設(shè)計時，應(yīng)充分考慮安全防護措施，并加強鍛造油壓機工作現(xiàn)場的安全管理。

總之，隨著液壓機傳動控制系統(tǒng)的不斷改進、創(chuàng)新，鍛造液壓機將向著環(huán)保、節(jié)能、可靠，更能滿足鍛造工藝要求的方向發(fā)展。

3 鍛造油壓機的研發(fā)

以徐州壓力機械有限公司45000kN 鍛造油壓機的研發(fā)過程為例，對鍛造油壓機的結(jié)構(gòu)、控制特點進行綜合分析。

3.1 技術(shù)調(diào)訪及方案確定

通過對國內(nèi)中小型鍛造廠的鍛造工藝調(diào)訪，認為國內(nèi)需求量最大的自由鍛造液壓機，主要用于拔長、鐓粗、擴孔、整形等鍛造工藝。且拔長、鐓粗使用最多。所配備的操作機也多為簡易形獨立控制的操作機。另外，根據(jù)自由鍛造的工藝特點、工作環(huán)境以及國內(nèi)現(xiàn)有鍛造企業(yè)的技術(shù)水平、經(jīng)濟承受能力，開發(fā)的鍛造液壓機必須有以下幾個特點：①主機結(jié)構(gòu)剛度大。主機設(shè)計時要充分考慮其抗偏載能力。因此，主機結(jié)構(gòu)的強度和剛度都較普通壓機高。同時考慮到鍛造工作環(huán)境的惡劣條件，壓機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“趁熱打鐵”，通過快速鍛造，才能有效地降低鍛造成本。③鍛造壓機運行可靠安全，維修保養(yǎng)要方便快捷。特別是大噸位鍛造油壓機，如果設(shè)備故障率高，鍛件在加熱爐保溫時間過長，造成能源浪費。④充分考慮了液壓油防燃問題。鍛造壓機必須充分考慮安全問題，因為油的燃點較低，如果不考慮安全問題，一旦出現(xiàn)火花，后果不堪設(shè)想。⑤充分考慮國內(nèi)中小型鍛造廠的經(jīng)濟實力。設(shè)備的配置要適中，影響到設(shè)備運行可靠性的關(guān)鍵元器件用國際上最好品牌的產(chǎn)品。其他一些輔助元器件盡可能用國產(chǎn)的，使設(shè)備的性價比最優(yōu)。

根據(jù)以上鍛造液壓機的特點，我們制定自由鍛造液壓機的設(shè)計方案：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、擴孔、精整等。②主機結(jié)構(gòu)：采用三梁四柱結(jié)構(gòu)形式，主油缸采用三缸布置，實現(xiàn)兩級壓制。③傳動方式：采用大流量斜盤式高壓柱塞油泵驅(qū)動，通過二通插裝閥和可編程序控制器（PLC）對壓機的速度、壓力及各種工藝動作進行控制。④設(shè)備整體布置：動力站、電控柜在地面以上與主機隔離，操作臺在主機與動力站之間，移動工作臺與地面平。為了減少液壓系統(tǒng)的壓力損失，將三級卸壓控制閥塊，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)控制閥用德國力士樂產(chǎn)品，密封元件用德國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：盡可能靠近水壓機幾何參數(shù)，以保證鍛造工具在鍛造沖壓機上可互換使用。

總之，鍛造液壓機研制的技術(shù)難點是主油缸快速卸壓，即三級卸壓系統(tǒng)和大型零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.2 45000kN鍛造液壓機的設(shè)計說明

3.2.1 主機部分

主機部分由機身、主油缸、充液裝置等組成。機身由上梁、下橫梁通過四根立柱、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)向上下運動。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，實現(xiàn) 20000/45000kN兩級壓制。壓機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MERKEL 公司“V”型密封組件。

3.2.2 移動工作臺

移動工作臺由工作臺板、防護拖板及驅(qū)動油缸組成。工作臺板、防護拖板均為鑄鋼件ZG270-500，油缸與工作臺板聯(lián)接方式采用球面鉸接，工作臺板和防護拖板有足夠的剛度，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)由油泵電機組、二通插裝閥、冷卻過濾、管路等組成，借助于電控系統(tǒng)來實現(xiàn)壓機的各種工藝動作。鍛造油壓機工作方式一般設(shè)有定壓控制和定程控制，動作方式有調(diào)整動作和手動動作。

（1）45000kN 鍛造液壓機的主油泵電機組由三十臺250MCY14-1B 定量軸向柱塞泵和三十臺Y315L1-6-B3 電動機組成，總排量為7500l/min，總電機驅(qū)動功率為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，合理布置該機液壓控制閥塊，按功能分為六個功能控制閥塊。①泵頭控制閥塊。主要完成對油泵的超壓保護和空載排油。②主油缸控制閥塊。主要完成壓力分級控制和主油缸下行工藝動作，實現(xiàn)快進、工進動作轉(zhuǎn)換。③主油缸回程控制閥塊。完成主油缸慢回，快回動作轉(zhuǎn)換及回程壓力調(diào)整。④主油缸三級卸壓控制閥塊。主要完成主油缸快速無沖擊卸壓，在快鍛工藝動作時完成主油缸快速排油。⑤移動工作臺控制閥塊。完成對移動工作臺工藝動作、液壓鎖緊的控制。⑥充液閥控制閥塊。完成對充液閥的開啟控制，配合主缸上腔控制閥塊，實現(xiàn)在小噸位時提高設(shè)備的工作速度。

（3）充液閥。本機充液閥采用二個Dg275 和四個Dg200。充液閥主要作用是供主缸吸排油用。當滑塊快速下行時由于主缸上腔形成負壓，將充液閥吸開，充液箱內(nèi)的大量油液充入油缸內(nèi)以補充油液不足；當滑塊工進時充液閥關(guān)閉，由主油泵向油缸提供壓力油；當滑塊回程時，充液閥芯打開使油缸油液向充液箱排油。這里要說明的是，鍛造壓機由于速度快，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上使用。該機的充液閥只為鍛造壓機單獨設(shè)計，其有一定的剛度并對大閥芯上下運動行程采用剛性限位，大閥芯的開啟由液壓缸控制。

（4）冷卻過濾系統(tǒng)。由于鍛造壓機工作環(huán)境差，設(shè)備使用頻率高，對工作介質(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)運行的可靠性，也能延長液壓元器件和密封元件的使用壽命。本機配有四組30m2的板式水冷機組，同時預(yù)留了多個可安裝強制冷機組的接口，以備用戶根據(jù)設(shè)備的使用情況增加制冷機組。同時本機還配有油液過濾系統(tǒng)，可對油液進行定期過濾。

（5）管路。鍛造液壓機液壓系統(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，同時要考慮充液箱快速排油，方便維修等，盡可能減小管路的長度和彎管數(shù)量。

3.2.4 電控系統(tǒng)

本機電氣控制系統(tǒng)分為動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。

動力部分包括控制總電源、各電動機的啟停及保護開關(guān)等。大電動機的啟動均采用降壓啟動，電源采用三相四線制AC380V，50Hz。

控制部分包括控制箱、操作平臺，控制箱安裝有PLC 可編程序控制系統(tǒng)，可完成對壓機的全部動作的控制，主操作臺可完成該機的全部動作的操作，操作面板上設(shè)有操作手柄，各種操作按鈕、壓力數(shù)顯、各種報警指示、急停銨鈕等。

另外，本機的潤滑系統(tǒng)、安全保護等在設(shè)計時充分考慮了鍛造壓機的特點和使用環(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，我國的鍛造設(shè)備也會逐步向國際先進水平靠近。衷心希望中國鍛造業(yè)興旺發(fā)達，希望為我國鍛造工業(yè)服務(wù)的鍛造裝備制造廠同仁繼續(xù)努力，爭取為鍛造業(yè)提供最好最先進的鍛造裝備。

[1]俞新陸.液壓機.北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]天津市鍛壓機床廠.中小型液壓機設(shè)計計算[M].天津：天津人民出版社,1977.

[3]雷天覺.新編液壓工程手冊.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[4]成大先.機械設(shè)計手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1976.