自由鍛造液壓機的發展與展望

郭曉鋒，成先飚，張建華

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

液壓機是根據帕斯卡液體靜壓傳動的基本原理，以高壓液體傳送工作壓力的鍛壓設備;按工作介質 (如乳化液、水或礦物油等)不同，可分為水壓機和油壓機兩大類，一般水壓機采用泵－蓄勢器傳動，油壓機采用泵直接傳動。液壓機從結構上易于得到較大的總壓力、工作空間和行程，并能夠在任意位置發出最大的工作力，得到較大的鍛造深度，最適合于大鍛件、大變形量的鍛造。自由鍛造液壓機主要在工作缸壓力作用下，通過上、下砧和一些簡單的通用工具，使鋼錠或鋼坯產生塑形變形，以獲得所需形狀和尺寸的鍛件［1］。

1 發展歷程及現狀

1859～1861年在維也納鐵路工廠出現了第一批用于金屬加工的液壓機，1884年在英國曼徹斯特首先使用了鍛造鋼錠的自由鍛造水壓機。由于自由鍛造液壓機與鍛錘相比，具有低噪音和大變形等顯著優勢，1887～1888年自由鍛造水壓機迅速得到系列開發和應用。1893年美國建成了第一臺萬噸級 (126 MN)自由鍛造水壓機［2］，使大鋼錠的鍛造由鍛錘過渡到使用鍛造液壓機，50 kN以上的大型自由鍛錘逐漸被淘汰。由于純水的氣蝕、銹蝕等特性，使閥的壽命極低，因此，水壓機也由最初的以純水為工作介質的蒸汽增壓器傳動，逐漸發展為常規的以乳化液為工作介質的泵－蓄勢器傳動。1938～1944年德國率先制造了三臺世界最大噸位的150 MN自由鍛造水壓機［3］。泵－蓄勢器傳動的自由鍛造水壓機持續了一百多年的發展應用，其操縱系統雖然幾經革新，但仍然以手動操作為主，且大多無鍛造精度控制。

進入20世紀中期，隨著工業革命的進一步發展，要求自由鍛造液壓機具有自動化生產、高精鍛次數和鍛件厚度尺寸精確控制等功能。通過對壓機增加鍛件尺寸控制和輔助機械，由微型計算機控制，使壓機與操作機進行聯動來提高勞動生產率，減輕工人勞動強度，實現了自由鍛造工藝的一次重大突破。

泵直接傳動系統具有恒速性，且油壓電氣控制元件規格齊全，油壓控制技術趨于成熟，油壓機成為自由鍛造實現高效高精自動化生產的理想選擇。1952年瑞典首先研制了一臺10 MN快速鍛造油壓機，其后英、美和西德等國都設計制造了5～30 MN的快速鍛造液壓機。1962年英國鋼鐵協會 (BISRA)制造了首套壓機與操作機聯動的自由鍛造油壓機組，采用電子數碼控制裝置，成功實現厚度控制和壓機與操作機聯動。五年后，該協會研制的采用計算機控制的自由鍛造油壓機正式投入工業生產［4］，開創了自由鍛造全自動化生產的新紀元。但由于缺乏大功率、大流量的油壓高壓動力系統，初期的自由鍛造油壓機的最大噸位均不超過30 MN，自由鍛造液壓機進入了水壓機和油壓機共存時期。

油壓機按液壓控制方式的不同分為閥控系統和泵控系統，閥控系統具有高精度和高頻響的特點，被絕大多數壓機所采用;泵控系統用于油品好、效率高、功率大的場合，僅限于德國PAHNKE公司使用的潘克改進型正弦驅動系統。

進入20世紀70年代，歐美各國便開始對舊的泵－蓄勢器傳動水壓機進行改造，其主要方法如下:

(1)廢棄水泵蓄勢站。僅留用壓機的本體，將水壓機直接改為泵直接傳動的油壓機。表1統計了1975～1985年間歐美國家將舊水壓機改造為油壓機的數量;

表1 歐美國家將水壓機改造為油壓機數量統計Table 1 Statistics data of transforming water presses to oil presses in Europe and America countries

(2)選擇油控水系統。保留原有的水泵蓄勢站和工作缸的進排液分配閥，增加一套油壓伺服系統，根據動梁位置，采用油壓伺服閥或高性能比例閥，通過接力缸控制分配器搖桿軸的擺角和速度。或者，通過單頂缸控制單個進排液分配閥的啟閉動作，提高壓機的自動化程度，美國的OILGEAR公司就是根據此原理對舊的水壓機進行全面改造。但是，由于油控水系統是借助中間油缸，間接控制進排液分配閥的啟閉，因此，響應速度、閥口開啟量和鍛件尺寸精度始終無法達到泵直接傳動油壓機的效果。同時，工作介質和控制介質的不同更易造成交叉污染。

進入21世紀，自由鍛造液壓機在數控化、高精度化和專業化方向得到高速發展，隨著高壓大流量油泵的問世，突破了長期制約大型油壓機發展的瓶頸，油壓機已完全替代水壓機成為自由鍛造的主流設備，1996年德國SMS率先制造了一臺100 MN自由鍛造油壓機。目前世界上已投產的閥控系統自由鍛造油壓機最大噸位已達165 MN［5］，泵控系統自由鍛造油壓機最大噸位已達185 MN。所有壓機控制系統均采用計算機控制，具有速度快 (提高每分鐘的行程次數)、精度高(±1～±3 mm)、自動控制壓下量、自動測量鍛件尺寸、自動記錄生產管理數據、自動診斷故障等功能;在機械化方面，都配有全液壓鍛造操作機，與液壓機聯動，用來提高鍛件產量。表2列舉了2000年以來投產的80 MN以上自由鍛造液壓機的數量統計。

表2 2000年以來投產的80MN以上自由鍛造液壓機數量統計Table 2 Statistics data of free forging hydraulic presses with the tonnage above 80 MN since year of 2000

2 發展趨勢

近年來，隨著人們環保意識的加強和排污成本的增大，國際上很多知名生產液壓機的大企業，如德國的威普克－潘克 (Wepuko Pahnke)、梯芬巴赫 (Tiefenbach)、英國的芬樂 (Fenner)和丹麥的丹夫斯 (Danfoss)等公司已開始致力于純水液壓系統基礎元件和控制技術的研究，雖然研發還局限于一些特定應用目標的需要，品種規格還十分有限，但發展勢頭卻十分強勁。針對純水介質的腐蝕、磨損、泄漏、氣蝕和沖擊等技術難題，從新材料、新技術和新工藝三方面入手，研制開發了高壓水泵、馬達、各種壓力、流量和方向控制閥、甚至比例和伺服控制閥等液壓基礎元件，額定壓力可達到32 MPa甚至更高。一些元件的性能 (包括可靠性及使用壽命)達到甚至超過同類的油壓元件，隨著這些基礎元件的成功應用，為研究開發真正意義上的由單一純水系統控制的自由鍛造水壓機創造了技術條件。

純水與液壓油理化特性的差異，使純水壓機具有如下顯著優勢:

(1)液壓油在防氣蝕、防銹、密封和潤滑性能方面都比純水好得多，但是，液壓油也存在著價格高、易燃、易變質和易污染等問題，特別是對于上傳動壓機液壓油的泄漏是致命的，必須設置車間消防設施。國內已有自由鍛造油壓機由于液壓油的泄漏引起火災的實例;

(2)純水的粘度低，50℃時，其運動粘度約為0.56 mm2/s，是壓機常用的N68液壓油運動粘度的1.2%。因此，純水系統的閥門和管道設計流速可達油壓系統的兩倍以上，閥門和管道的減小可有效降低液壓系統投資;

(3)純水的比熱容約為4.19 kJ/kg，是液壓油比熱容的約2.2倍，因此，純水系統工作介質溫升小，可以縮減或取消龐大的冷卻系統;

(4)純水的體積壓縮系數約為4.76×10－5cm2/kg，是液壓油體積壓縮系數的約70%，因此，在相同壓力下，水壓機工作缸及管道內的壓縮容積是油壓機的約70%。也就是說，壓機在加壓動作結束時，需要快速釋放的介質壓縮容積減小30%，這將使壓機的卸壓時間大幅減少，可有效增加動作頻次，特別對大型液壓機效果尤為顯著;

(5)在高壓狀態下，純水的溶氣量遠低于液壓油，因此，在使用增壓器或蓄勢器系統時，不需要考慮氣水隔離，簡化設計，降低成本。

因此，用純水作單一介質的泵直接傳動自由鍛造水壓機，可以滿足鍛壓設備高效、節能和環保的要求，是未來自由鍛造液壓機的發展方向。

3 結語

經過上百年的發展，自由鍛造壓機設備和鍛造工藝水平取得了很大的發展，但還需要不斷努力的將新理論和新技術應用于新設備的開發，努力探索和發展鍛造設備及輔助設備的新原理、新結構，開發出安全可靠、高效節能、性能優越的新型鍛造設備，為基礎工業發展和經濟增長做出新的貢獻。

［1］ 俞新陸．液壓機的設計與應用 ［M］．北京:機械工業出版社，2006．

［2］ 高峰，郭為忠．重型制造裝備國內外研究與發展［J］．機械工程學報，2010(19):92－107．

［3］ 俞新陸．液壓機 ［M］．北京:機械工業出版社，1982．

［4］ 譯文集．快速鍛造液壓機 ［M］．第一機械工業部重型機械研究所，1966．

［5］ 楊大祥，韓炳濤．165 MN自由鍛造油壓機的液壓控制系統 ［J］．重型機械，2006(3):11－16．