楊紅娟，楊大祥，薛菲菲，段麗華，周少凡

（中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032）

0 前言

多向模鍛是在多向模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行分模模鍛的一種精密鍛造技術(shù)，采用這一工藝能夠避免產(chǎn)生飛邊，節(jié)約毛坯材料，減少模鍛工序，并能提高鍛件精度和機(jī)械性能。因此在航空、石油、化工、汽車(chē)制造、原子能工業(yè)中有關(guān)中空架體、活塞、軸類(lèi)、筒形件、大型閥體、飛機(jī)起落架等鍛件大多采用多向模鍛進(jìn)行生產(chǎn)[1]。

中鋁西南鋁10000t多向模鍛水壓機(jī)是鋁加工行業(yè)國(guó)寶級(jí)設(shè)備，造于上個(gè)世紀(jì)七十年代，是我國(guó)自力更生設(shè)計(jì)生產(chǎn)的第一臺(tái)大型鋁加工多向模鍛壓機(jī)，也是西南鋁的重大設(shè)備。

長(zhǎng)期的使用和近些年模鍛技術(shù)的迅速發(fā)展，使得這臺(tái)國(guó)寶級(jí)的設(shè)備不僅顯得技術(shù)落后，而且能耗極高，尤其是水壓驅(qū)動(dòng)元件壽命低，系統(tǒng)易泄露，造成設(shè)備故障率逐年加大，可靠性降低，已不適應(yīng)目前高效節(jié)能綠色生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)和市場(chǎng)的需求[2]。

因此從2017年開(kāi)始，中國(guó)重型院開(kāi)始對(duì)此設(shè)備進(jìn)行全面升級(jí)改造。本文主要介紹10000t多向模鍛水壓機(jī)改為油壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 結(jié)構(gòu)形式及改造后的主要技術(shù)參數(shù)

1.1 10000t多向模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，10000t多向模鍛壓機(jī)是由一臺(tái)10000t三梁四柱立式壓機(jī)和一臺(tái)雙向作用的5000t臥式壓機(jī)組合而成[3]。

垂直部分為上下梁和4個(gè)拉桿、4個(gè)內(nèi)襯套組成一個(gè)封閉受力框架，活動(dòng)橫梁在機(jī)架內(nèi)部來(lái)回運(yùn)動(dòng)。活動(dòng)橫梁壓下由中間主缸和2個(gè)側(cè)主缸驅(qū)動(dòng)。

水平部分為左右橫梁和4個(gè)拉桿組成組成一個(gè)封閉受力框架，左右主缸缸體固定在左右橫梁上，分模模具分別和左右主缸主柱塞相連，左右主柱塞尾部伸出主缸體和導(dǎo)向橫梁相連；驅(qū)動(dòng)主柱塞回程的左右水平回程缸缸體固定在左右橫梁上，活塞桿和導(dǎo)向橫梁相連。

圖1 10000t多向模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 改為油壓機(jī)的主要任務(wù)

10000t多向模鍛水壓機(jī)技術(shù)升級(jí)主要包括：（1）大型構(gòu)件留用，輔助零部件更新制作，恢復(fù)壓機(jī)精度； （2） 將液壓系統(tǒng)由水泵-蓄勢(shì)器傳動(dòng)的水控系統(tǒng)改為油泵直接傳動(dòng)的油控系統(tǒng)；（3） 在保留左右水平主缸聯(lián)動(dòng)功能的前提下，增加水平模鍛左右水平主缸獨(dú)立控制功能；（4） 更新全套電氣控制系統(tǒng)。

1.3 升級(jí)后的技術(shù)參數(shù)

多向模鍛水壓機(jī)主要缸的結(jié)構(gòu)形式為柱塞缸，水壓機(jī)為水泵-蓄勢(shì)器傳動(dòng)，采用水壓驅(qū)動(dòng)時(shí)速度控制精度較差。水控系統(tǒng)改為油控系統(tǒng)后，液壓系統(tǒng)除了滿足壓力、速度要求外，還要對(duì)主要幾個(gè)部件進(jìn)行速度精度控制。升級(jí)后10000t多向模鍛油壓機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1改為油壓機(jī)后的技術(shù)參數(shù)

2 改為油壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 動(dòng)力源的選取和設(shè)定

10000t多向模鍛壓機(jī)改造前有三種動(dòng)力源：32MPa的高壓水泵站、8～12bar的充液罐、低壓補(bǔ)長(zhǎng)器（置于壓機(jī)頂部）。水平模鍛所需的45MPa超高壓水是32MPa的高壓水通過(guò)增壓器獲得的。

隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，柱塞泵的技術(shù)越來(lái)越成熟。柱塞泵的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，并且具有較高的容積效率和總效率，能在較高的轉(zhuǎn)速和壓力下工作，所以在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[4]。此次改造升級(jí)，選用德國(guó)力士樂(lè)公司A4VSO500HS5、A4VBO450HS5軸向柱塞變量泵作為32MPa、45MPa的動(dòng)力源，選用A4VSO125DR作為伺服外控、普通外控和輔助動(dòng)作動(dòng)力源。

壓機(jī)改造前，壓機(jī)垂直部分活動(dòng)橫梁主工作缸和回程缸、水平部分左右主缸及回程缸均為柱塞缸，充液罐空程時(shí)起動(dòng)力源的作用，所以壓力較高，為8～12bar。為了降低壓力，確保低壓密封壽命，此次升級(jí)改造，水平部分回程缸改為了活塞缸，空程前進(jìn)和后退靠主油泵直接驅(qū)動(dòng)，充液罐只起充液作用，垂直部分空程下降時(shí)設(shè)備自重本身就是動(dòng)力源，壓力需求不高。因此，改造后的充液罐壓力為2～5bar。

充液罐就布置在壓機(jī)前，從油壓機(jī)使用的安全角度出發(fā)，此次改造去掉了置于壓機(jī)頂部的低壓補(bǔ)償器。

改造后的壓機(jī)，增加了水平部分獨(dú)立和聯(lián)動(dòng)控制功能，因此，主泵必須能組合成5種壓力源：垂直主缸控制油源P1、左水平主缸控制油源32MPa P2、左水平主缸控制油源45MPa P3、右水平主缸控制油源32MPa P4，以及右水平主缸控制油源45MPa P5。

改造后的壓機(jī)，有一個(gè)主油箱、一個(gè)伺服油箱、2個(gè)充液罐（互相連通）共三種盛放傳動(dòng)介質(zhì)的容器。壓機(jī)要正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這三種容器的液位控制必須有一定的邏輯關(guān)系，即：充液罐液位超過(guò)最高液位以后，會(huì)通過(guò)安全閥或電控閥排放至主油箱，充液罐液位低于最低液位以后，螺桿泵會(huì)及時(shí)補(bǔ)液給充液罐；伺服油箱液位超過(guò)最高液位以后，會(huì)通過(guò)螺桿泵抽油至主油箱，伺服油箱液位低于最低液位以后，螺桿泵會(huì)及時(shí)補(bǔ)液給伺服油箱。

2.2 垂直部分模鍛控制技術(shù)

垂直部分活動(dòng)橫梁主要有快速下降、慢速下降、加壓、停止、保壓、慢速回程、快速回程、停止等幾個(gè)動(dòng)作，這些動(dòng)作需要依靠主缸及回程缸控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制才能實(shí)現(xiàn)。

垂直部分控制系統(tǒng)由主缸控制閥塊、充液閥、回程缸控制閥塊和低速等溫模鍛閥塊組成。垂直部分共有3個(gè)柱塞缸，中間主缸φ1680mm，2個(gè)側(cè)主缸φ800mm。工藝要求可以分3000t、7000t、10000t3個(gè)壓力等級(jí)。因此，中間主缸獨(dú)立控制，2個(gè)側(cè)主缸并聯(lián)一起獨(dú)立控制，共設(shè)中間主缸和側(cè)主缸2個(gè)控制閥塊。

主缸控制閥塊由進(jìn)液閥、斷電安全閥、泄壓閥組成。為了獲得最佳的卸壓特性和最大限度地降低卸壓給設(shè)備造成的液壓沖擊，卸壓閥選用的是力士樂(lè)的2WCR高頻響比例插裝閥。這種閥是一個(gè)先導(dǎo)閥為伺服閥，主閥為帶行程傳感器的兩級(jí)閥，通過(guò)伺服閥控制主閥上部活塞兩腔的進(jìn)排油狀態(tài)來(lái)控制主閥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于主閥帶有傳感器，所以可以根據(jù)所給的電信號(hào)使主閥處于全行程范圍內(nèi)的任意位置，從而實(shí)現(xiàn)主閥流量的隨意調(diào)節(jié)，主閥的啟閉速度也可以根據(jù)所給的電信號(hào)隨意調(diào)節(jié)[5]。這種閥的滯環(huán)精度小于0.2%，相應(yīng)靈敏度小于0.1%。斷電安全閥在設(shè)備正常生產(chǎn)過(guò)程中遭遇突然斷電時(shí)自動(dòng)緩慢卸荷，起安全保護(hù)作用。中間主缸有效面積是兩側(cè)主缸的2倍，為了方便閥塊的設(shè)計(jì)和備件的準(zhǔn)備，進(jìn)液閥、斷電安全閥、泄壓閥各選三套，兩套并聯(lián)用于控制中間主缸，一套用于控制兩側(cè)主缸。

壓機(jī)改造后，垂直部分活動(dòng)橫梁的回程由原來(lái)的回程缸和平衡缸共同來(lái)控制?；爻谈缀推胶飧拙鶠橹?，活動(dòng)橫梁的回程控制由進(jìn)液閥、單向閥、慢降閥、平衡閥、快降閥、限速閥、安全閥組成。進(jìn)液閥為插裝式方向閥，進(jìn)液閥打開(kāi)時(shí)，單向閥防止回程缸里的液體反向流動(dòng)，活動(dòng)橫梁的回程速度靠變量泵直接調(diào)節(jié)。慢降閥是一代調(diào)節(jié)桿的插裝式方向閥，主要用于壓機(jī)對(duì)模、排氣、調(diào)零等輔助操作，慢降閥的開(kāi)口量可以手動(dòng)調(diào)節(jié)?？旖甸y選用的是力士樂(lè)的2WCR高頻響比例插裝閥。限速閥是一代調(diào)節(jié)桿的插裝式方向閥，活動(dòng)橫梁快速下降時(shí)，快降閥和限速閥均開(kāi)啟，橫梁下降速度的大小取決于快降閥的開(kāi)口度。限速閥可以防止快速閥失調(diào)時(shí)造成設(shè)備事故。壓機(jī)活動(dòng)部分質(zhì)量大、慣性大，因此帶有兩級(jí)壓力設(shè)置的插裝式電磁壓力閥在下降時(shí)用以平衡這部分重量及慣性力，回程時(shí)用以設(shè)置回程壓力，平衡取低壓，回程取高壓。

壓機(jī)改造后，垂直部分增加了低速等溫鍛造功能。低速等溫鍛造閥塊由開(kāi)關(guān)閥和力士樂(lè)4WRPEH伺服電磁閥組成。該回路為伺服變量泵和4WRPEH高頻響方向閥組成的旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)液壓泵的工作壓力隨負(fù)載力的變化而變化，回路功率損失小，效率較高[6]。圖2為旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)的速度-負(fù)載特性曲線。從該曲線可以看出：（1）當(dāng)閥開(kāi)口面積不變時(shí)，負(fù)載越大，回路速度剛度越高；（2）當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，閥開(kāi)口面積越小，速度剛度越高。閥開(kāi)口面積越大，回路速度剛度越低。因此，該回路的調(diào)試要注意伺服變量泵的流量和伺服電磁閥閥口大小的匹配。4WRPEH伺服電磁閥的滯環(huán)精度小于0.2%，信號(hào)從0到100%的響應(yīng)時(shí)間為25ms。采用以上回路，鍛造速度可以在0.01～0.05mm/s無(wú)級(jí)可調(diào)，精度±10%。

圖2旁路節(jié)流調(diào)速速度-負(fù)載特性曲線

2.3 水平部分模鍛控制技術(shù)

壓機(jī)的水平部分有3550t和5000t2個(gè)壓力等級(jí)，左右水平主缸可以單動(dòng)，也可以聯(lián)動(dòng)。改造后的壓機(jī)由活塞式側(cè)缸驅(qū)動(dòng)空程前進(jìn)和后退，工作時(shí)主側(cè)缸同時(shí)加壓。

水平部分控制系統(tǒng)由主缸控制閥塊、充液閥、回程缸控制閥塊和左右水平主缸聯(lián)通閥塊組成。

水平主缸控制閥塊由單向閥、進(jìn)液閥、斷電安全閥、排液閥組成。壓力等級(jí)32MPa時(shí)，最大模壓速度30mm/s，主泵A4VSO和A4VBO全部投入。壓力等級(jí)45MPa時(shí)，最大模壓速度12mm/s，主泵A4VBO投入。為了防止壓力等級(jí)45MPa時(shí)，A4VBO出口的高壓油串至A4VSO出口油路上，主缸控制閥塊設(shè)置了單向閥，壓力等級(jí)32MPa的油源接在閥前，壓力等級(jí)45MPa的油源接在閥后。斷電安全閥在設(shè)備正常生產(chǎn)過(guò)程中遭遇突然斷電時(shí)自動(dòng)緩慢卸荷，起安全保護(hù)作用。排液閥選用的是帶兩級(jí)壓力調(diào)節(jié)的比例溢流閥，一級(jí)起安全閥作用，一級(jí)起比例卸荷排液作用。

改造后的壓機(jī)，水平回程缸活塞桿固定在左右橫梁上，缸體和左右主柱塞導(dǎo)向橫梁剛性連接?；钊贿M(jìn)油，壓機(jī)回程，活塞桿腔進(jìn)油，壓機(jī)空程前進(jìn)或加壓?；爻谈卓刂崎y塊活塞腔由進(jìn)液閥、單向閥、平衡閥、排液閥、安全閥和后位保持閥組成，回程缸控制閥塊活塞桿腔由進(jìn)液閥、排液閥、安全閥和補(bǔ)液閥組成?；钊贿M(jìn)液壓機(jī)回程時(shí)，主缸充液閥打開(kāi)連通充液罐，充液罐雖然壓力不高，但是主缸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于側(cè)缸，為了防止側(cè)缸活塞腔減壓過(guò)程中壓機(jī)反向運(yùn)動(dòng)，活塞腔進(jìn)液閥后串接了單向閥?；钊麠U腔進(jìn)液壓機(jī)空程前進(jìn)時(shí)，主缸充液閥打開(kāi)連通充液罐，為了便于精確控制，活塞腔設(shè)置了平衡閥，用以平衡充液罐的作用力。壓機(jī)加壓時(shí)該平衡閥電磁閥帶電，不再起平衡作用，不會(huì)損失壓機(jī)壓力。壓機(jī)后退至停止位時(shí)，輔助系統(tǒng)蓄能器壓力通過(guò)后位保持閥使壓機(jī)可靠地停止在后位。

3 結(jié)論

目前，10000t多向模鍛油壓機(jī)安裝調(diào)試已經(jīng)全部完成，采用以上集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓力分級(jí)控制選擇功能，實(shí)現(xiàn)了垂直活動(dòng)橫梁和水平模座的自動(dòng)控制功能，實(shí)現(xiàn)了模壓鍛造精確定位、位置預(yù)置和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了模壓鍛造和低速等溫模鍛速度無(wú)極可調(diào)、閉環(huán)控制。

通過(guò)本文的研究和試驗(yàn)，以下幾條結(jié)論對(duì)舊的模鍛水壓機(jī)的改造和新的模鍛油壓機(jī)的設(shè)計(jì)都有很重要的借鑒意義。

（1） 高壓泵和充液罐組合動(dòng)力源對(duì)多向模鍛壓機(jī)是切實(shí)可行的。

（2） 模鍛壓機(jī)選用2WCR高頻響比例插裝閥做為主缸泄壓閥，既能有效地減少卸壓時(shí)間，又能成功地減小卸壓時(shí)的液壓沖擊和震動(dòng)。

（3） 模鍛壓機(jī)回程缸設(shè)置帶有兩級(jí)壓力的插裝式電磁壓力閥可以用以平衡活動(dòng)橫梁的重量及慣性力，不用另外設(shè)置平衡缸。

（4） 伺服變量泵和4WRPEH高頻響方向閥組成的旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，能成功地實(shí)現(xiàn)0.01～0.05mm/s的低速等溫模鍛。

（5） 鍛造水壓機(jī)改造為油壓機(jī)，由于活塞密封技術(shù)的成熟和可靠，在原設(shè)備結(jié)構(gòu)空間允許的情況下，可以盡可能把回程缸改為活塞缸，這樣既方便控制，又能提高壓機(jī)節(jié)奏。