自由鍛造液壓機的技術現狀及設計分析

謝廣玉，李秀珠，胡海燕

（徐州壓力機械有限公司技術中心，江蘇徐州221004）

0 引言

鍛造是熱加工領域的基本工藝，大多數金屬材料都可以通過鍛造來改善其內部質量、工件外形和綜合機械性能。鍛造生產能力及鍛造工藝水平的高低對一個國家工業、農業、國防及科學技術的發展都有一定的影響。隨著中國經濟全球化步伐的不斷加快，鍛造行業作為中國機械制造工業的基礎產業也得到了迅速發展。國內鍛造裝備的需求量也急劇增加。本文就我國鍛造壓機的現狀、傳動方式及鍛造油壓機的研發情況作一個粗略的綜合分析。

1 發展過程及技術現狀

1.1 鍛造液壓機的發展過程

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，在第二次世界大戰期間3 萬噸和7萬噸大型模鍛水壓機也相繼研發成功。六十年代初，國外一些自動檢測技術和自動控制技術在大型鍛造液壓機、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用，并實現了鍛造液壓機與操作機聯動，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，隨著市場經濟的不斷發展，一些液壓機專業生產企業（包括大中型國營企業和民營企業），先后生產了 10000kN、20000kN、31500kN、36000kN、45000kN 鍛造水壓機和鍛造油壓機。這些企業所生產的鍛造設備在我國鍛造裝備市場上占有相當大的份額，并且發展迅速。

1.2 國內鍛造液壓機的技術現狀

據不完全統計，國內正在使用的從5000kN～125000kN 自由鍛造液壓機大約有150 多臺。這些設備大多是國內六七十年代的產品，還有一些是用其他液壓機改造后用于自由鍛造的。這些設備技術含量不高，控制簡單，設備在使用過程中能量損耗較大。配套設備主要有鍛造行車、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，可以實現較高的重復定位控制精度并與雙操作機聯動，但是這類快鍛壓機的可靠性較差，故障率也較高，設備的開工率較低。大多數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保問題而被逐漸淘汰。從整體上看，我國鍛造行業所使用的鍛造設備技術含量不高，相對落后。

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

2 鍛造液壓機的幾種結構形式及傳動方式

2.1 鍛造液壓機的幾種結構方式

國內使用的鍛造液壓機通常有以下幾種典型結構形式：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”型結構。這種結構多用于小型鍛造液壓機，其結構簡單，機架可用整體鑄鋼結構或鋼板焊接結構，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。這種結構多用于中小型鍛造液壓機，其壓機的重心較低，設備運行穩定性好，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。但基礎工程量大，在偏載狀態下，機架變形很大，運動質量較大，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緊形成整體受力框架，滑塊在主油缸驅動下，以立柱為導向上下運動。該結構一直是鍛造壓機的主力機型，其結構簡單，便于制造、使用、維修。在結構上易于得到較大的總壓力，并可實現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，穩定性較差。在偏載狀態下，其設備擺動量較大。

其他一些結構的鍛造液壓機目前也得到了廣泛應用，如斜置兩柱式上傳動結構、整體框架下拉式結構、多拉桿兩柱框架結構等。

綜上所述，鍛造液壓機的結構形式不同，決定了其適用范圍不同。單臂式結構適用于小型鍛造壓機，鍛打小型鍛件操作方便；雙柱下拉式結構適用于中小型鍛造壓機，目前國內快鍛液壓機就采用這種結構，多用于精整、拔長軸類零件等；三梁四柱上傳動式結構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。從發展來看，雙柱上傳動式框架結構的鍛造液壓機，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，而且能實現較大的作業空間，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已經很成熟。采用這些控制技術可以對鍛造液壓機的速度、壓力、活動橫梁的行程大小實現精確控制，很容易實現鍛造液壓機與鍛造操作機的聯動控制，實現鍛造生產自動化。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無法在鍛造水壓機上應用。

2.2.2 鍛造油壓機比鍛造水壓機節能

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

2.2.3 鍛造油壓機控制系統比鍛造水壓機控制系統制造成本低

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的設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，在鍛造油壓機設計時，應充分考慮安全防護措施，并加強鍛造油壓機工作現場的安全管理。

總之，隨著液壓機傳動控制系統的不斷改進、創新，鍛造液壓機將向著環保、節能、可靠，更能滿足鍛造工藝要求的方向發展。

3 鍛造油壓機的研發

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

3.1 技術調訪及方案確定

通過對國內中小型鍛造廠的鍛造工藝調訪，認為國內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，根據自由鍛造的工藝特點、工作環境以及國內現有鍛造企業的技術水平、經濟承受能力，開發的鍛造液壓機必須有以下幾個特點：①主機結構剛度大。主機設計時要充分考慮其抗偏載能力。因此，主機結構的強度和剛度都較普通壓機高。同時考慮到鍛造工作環境的惡劣條件，壓機要有很好的抗碰撞能力。②設備工作速度、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，維修保養要方便快捷。特別是大噸位鍛造油壓機，如果設備故障率高，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，一旦出現火花，后果不堪設想。⑤充分考慮國內中小型鍛造廠的經濟實力。設備的配置要適中，影響到設備運行可靠性的關鍵元器件用國際上最好品牌的產品。其他一些輔助元器件盡可能用國產的，使設備的性價比最優。

根據以上鍛造液壓機的特點，我們制定自由鍛造液壓機的設計方案：①設備的使用范圍：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主機結構：采用三梁四柱結構形式，主油缸采用三缸布置，實現兩級壓制。③傳動方式：采用大流量斜盤式高壓柱塞油泵驅動，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。為了減少液壓系統的壓力損失，將三級卸壓控制閥塊，放在設備頂部，其他控制閥塊及液壓系統輔助裝置均在主油箱頂部。⑤設備配置：二通插裝閥的先導控制閥用德國力士樂產品，密封元件用德國MERKEL 產品。電控PLC 用日本歐姆龍公司產品。⑥設備主要參數的確定：盡可能靠近水壓機幾何參數，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難點是主油缸快速卸壓，即三級卸壓系統和大型零部件的結構設計。

3.2 45000kN鍛造液壓機的設計說明

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加熱預緊法預緊。滑塊依靠四根立柱作導向上下運動。上梁、滑塊、下橫梁為結構件，材料采用Q235-A，拉壓應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，兩側缸為12500kN，實現 20000/45000kN兩級壓制。壓機所有油缸均采用柱塞式油缸結構，缸體材料采用35# 鍛鋼，應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

液壓控制系統由油泵電機組、二通插裝閥、冷卻過濾、管路等組成，借助于電控系統來實現壓機的各種工藝動作。鍛造油壓機工作方式一般設有定壓控制和定程控制，動作方式有調整動作和手動動作。

（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，實現快進、工進動作轉換。③主油缸回程控制閥塊。完成主油缸慢回，快回動作轉換及回程壓力調整。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，實現在小噸位時提高設備的工作速度。

（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，充液箱內的大量油液充入油缸內以補充油液不足；當滑塊工進時充液閥關閉，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。由于鍛造壓機工作環境差，設備使用頻率高，對工作介質油溫控制很有必要，這樣不僅能大幅度地提高液壓系統運行的可靠性，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，同時預留了多個可安裝強制冷機組的接口，以備用戶根據設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，可對油液進行定期過濾。

（5）管路。鍛造液壓機液壓系統內部液壓沖擊非常大。因此，管路系統的設計也很重要。一般管內流速取值不大于5mm/s，管夾分布應合理，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量。

3.2.4 電控系統

本機電氣控制系統分為動力系統和控制系統兩部分。

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，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，操作面板上設有操作手柄，各種操作按鈕、壓力數顯、各種報警指示、急停銨鈕等。

另外，本機的潤滑系統、安全保護等在設計時充分考慮了鍛造壓機的特點和使用環境。

總之，隨著鍛造行業的迅速發展和一些先進的控制技術、控制元器件的出現并得到可靠的應用，我國的鍛造設備也會逐步向國際先進水平靠近。衷心希望中國鍛造業興旺發達，希望為我國鍛造工業服務的鍛造裝備制造廠同仁繼續努力，爭取為鍛造業提供最好最先進的鍛造裝備。

[1]俞新陸.液壓機.北京：機械工業出版社，1982.

[2]天津市鍛壓機床廠.中小型液壓機設計計算[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：北京理工大學出版社，1998.

[4]成大先.機械設計手冊.北京：化學工業出版社，1976.