鍛造設備的發展過程及發展趨勢研究

唐啟國

摘要：鍛造設備的發展是伴隨工業技術的發展同步進行的，它的歷史也是比較漫長和悠久的。從它的發展過程中可以看出鍛造設備的發展趨勢就是從最初的原始化、簡單化，發展到具有先進高新技術加入的高效化、快速化、成套化、數控化和聯動化。本文介紹了鍛造液壓機的特點及其發展演變過程，敘述了目前的技術現狀，描述了鍛造液壓機在我國的發展趨勢，并指出了鍛造液壓機發展所面臨的機遇和問題。

關鍵詞：鍛造；鍛造設備；發展過展；發展趨勢

在人類社會發展進程中，制造業起到了舉足輕重的作用，可以說制造業是制造人類財富的支柱。談到鍛造設備的發展過程及發展趨勢， 首先要談一下鍛錘。鍛錘是一種最古老而又萬能的鍛壓設備，在鍛造工業中一直發揮著重要作用，是機械制造業中量大面廣，不可缺少的一種鍛壓設備。雖然隨著其它一些鍛壓設備如液壓機和機械壓力機等的出現和發展， 在一定程度上取代了一部分鍛錘的工作。但是直到現在，鍛錘，尤其是模鍛錘，在各國鍛造工業中仍占主導地位，絕大多數模鍛件都是在錘上生產的。隨著科學技術的發展！ 鍛造設備的設計和制造技術取得了長足的進步，鍛造設備在鈦合金鍛造生產中起到了重要作用，提高了生產效率和產品質量。我們的鍛造工藝和模具技術得到了較大的發展，對一些技術要求高的大型復雜鍛件也能夠做到完全自給，保證了社會的需求。

一、鍛造設備的發展

1.1 老式鍛錘的改進

古老的鍛錘是各種鍛壓機器的先驅，至今仍在我國鍛造生產中占有數量上的優勢。其中錘類設備最常用的為蒸氣----空氣錘，這類錘主要使用蒸氣作為工作介質，由于其能量利用率太低（3%左右），工作時產生巨大的噪聲和地基振動，促使人們想方設法對其進行改造。50年代，曾生產過系列的具有各種打擊能量的雙向對擊錘，同時，人們對振動介質，材料選用和基礎抗震進行了許多研究和改進，但總體效果不理想。60年代，人們開始研究以電動機驅動的液壓系統代替老式鍛錘的蒸氣或壓縮空氣動力源，這種蒸汽錘的能量利用率可達）75%，又因其在機身上設置了液壓反彈系統，使整個設備鍛造時對地基的振動大大減少，而生產效率與原來相當。經過70--80 年代嘗試和引進改進，較受歡迎，但其工作噪音的問題仍未得到解決。

1.2 螺旋壓力機

摩擦螺旋壓力機是中國五六十年代的主要鍛壓設備之一，總體數量很大，與蒸空鍛錘相當，幾乎在每一個中、小型鍛造車間里都由它承擔著小批量模型鍛造的生產任務。這種壓力機在很多方面彌補了鍛錘的不足，而且投資較小，我國磨擦壓力機的最大公稱壓力達到35000KN。

雖然這種機器的名稱和外型與鍛錘差異很大，但就其作用于金屬塑性變形的原理來講二者是基本相同的。因此它同樣有著效率低、能耗大的缺點。又因為它的特殊力能轉換關系和整體框架式結構，實際工作中的打擊力經常超載，機架、螺桿斷裂的事故屢有所見，模具壽命也受到影響，人們采取了增加過載保護、更新操縱機構等措施，但并未達到預期效果。

70年代末，國外對傳統摩擦螺旋壓力機的結構進行了重大變革，把摩擦和飛輪的運動狀態及主從關系互相調換，并應用了大量現代的機、液、電、計算機技術，出現了新型螺旋壓力機。我國于90年代初制造出同類產品，現已有十余臺達到國際先進水平的國產離合器式螺旋壓力機投放市場。這種壓力機不僅高效、節能，而且有效行程很長、可調，打擊力和輸出能量都是可以預選的，幾乎集各種傳統通用鍛壓機器之所長，但因它的技術含量較大，在使用和維護方面尚有待于人們的適應，其造價較高也需要企業有相當的經濟承受能力。無論如何，這種新型螺旋壓力機的優點是肯定無疑的，它也許會成為通用鍛壓設備的更新換代產品。

1.3 機械鍛壓機

加熱、成形和精整三種設備構成模鍛生產的基本單元，即所謂的“機組”。最簡單的、也是最初始的模鍛機組應包含加熱爐、模鍛錘、切邊壓力機各一臺，若三者之間再用簡單的輸送機械聯系起來，就形成各種現代鍛造生產線的雛形。

50年代熱模鍛壓力機就在中國的模鍛機組中出現了，60年代籌建一個大型汽車制造廠曾用它完全取代了模鍛錘。但相對于模鍛錘來講，它的造價是十分昂貴的，通用性較差，對工藝設計、下料精度、模具安裝、設備調試等環節的要求都很高，因此多年來的應用都不很普及。鍛錘和摩擦壓力機的工作原理是較為簡單的能量轉換關系，即鍛壓機械把其執行部件從高速運動中所獲得的動能轉化為金屬塑性變形的位能。熱模鍛壓力機則與此不同，它主要是由剛性連接的機械傳動機構發出強制壓力克服變形阻力，使金屬在準靜態下塑性變形。依照這種原理工作的專用機械也很多，例如水平鍛造機、多工位鐓鍛機、輾環機、彎曲機等。

1.4 電液錘

近10年來，我國在電液錘研制方面也取得很大發展，主要表現在傳統蒸汽錘、空氣錘、換頭改造上。即采用電液傳動裝置了代原有鍛錘的氣缸及動力站！保留原有機架、砧座。安陽鍛壓機械公司利用這種技術為數十家企業改造1--3t傳統蒸汽錘和空氣錘10余臺.取得了較好效果，能源利用率由2%提高到20--60%除換頭外，電液錘整機的研制仍處于發展階段，居于德國Lasco公司第2代產品發展水平上，屬于液氣錘，全液壓錘研究和制造正在起步。

1.5 液壓機

液壓機的結構特點使其易于獲得較大的工作壓力、行程和空間；工作壓力和工作速度可根據需要進行調整，且平穩，無沖擊。其不足之處是生產效率比較低，活動橫梁下死點不易控制準確。我國液壓機設計制造技術與國際水平相當，第一重型機械集團、第二重型機械集團公司均可制造12000t液壓機。我國擁有10000t級大型液壓機數量已躍居世界第3位。為了提高液壓機的使用效率，國外液壓機制造商把目光放在鍛造液壓機的技術改造上，主要對液壓系統和控制系統的改造。在這方面德國SPS公司，德馬克公司積累了不少成功經驗。液壓系統采用現代的先導閥，手工操縱改用計算機控制$改造后液壓機具有與快鍛機相同的控制精度和性能。

二、發展趨勢

2.1 自由鍛錘的發展趨勢

自由鍛錘發展趨勢就是大型化和成套化。過去由于制造水平的約束，我國雙臂自由鍛錘的最大規格只有5噸，單臂自由鍛錘的最大規格只有3 噸。目前，安鍛公司已經開發出8 噸雙臂自由鍛錘和5噸單臂自由鍛錘，下一步還將開發出10噸雙臂自由鍛錘和8噸單臂自由鍛錘。另外一個趨勢就是成套化，根據自由鍛錘的配套要求，成功開發了系列帶鋸機、系列操作機和系列裝取料機。用戶可以根據不同的鍛造工件購買相應的成套自由鍛設備。

2.2 模鍛錘的發展趨勢

模鍛錘是模鍛車間使用范圍最廣泛的設備，它的主要特點是成型速度快、金屬流動性好、鍛件質量高。因此，特別適用于薄壁零件的鍛造成型，但是普通模鍛錘打擊能量不能精確控制，鍛錘的操作者是靠聽模具打靠聲音來判斷鍛件是否打成，模具在終鍛時受到頻繁的沖擊和過載，很容易發生早期損壞。實現打擊能量數控化，使得設備輸出的能量既保證鍛件打成，又不產生多余的能量，避免模具打靠產生過載，是提高模具壽命的必經之路。采用數控全液壓模鍛錘來進行鍛造，打擊能量和打擊工序實現了數控化，下一步就是使用機器人自動上下料，實現自動化生產。因此采用數控全液壓模鍛錘為主機，實現模鍛生產線全自動化生產是下一步的發展趨勢。

2.3 數控全液壓模鍛錘

2.3.1 基本原理

數控錘采用油泵-蓄能器傳動，油缸下腔通常壓，液壓系統對上腔進行單獨控制。上腔進油閥打開，來自油泵、蓄能器以及通過差動回路引來的下腔的共三部分高壓油進入上腔， 實現錘頭的加速向下和打擊行程，上腔一旦卸壓，錘頭立即快速回程。打擊能量的精確控制靠數字化控制系統控制打擊閥閉合時間的長短來實現。

2.3.2 性能特點

1）能實現打擊能量的精確控制。數控錘通過精確控制打擊閥的閉合時間， 既保證了鍛件所需的能量，又不產生額外的沖擊動能，因此鍛造模具的壽命大大提高。實測表明，能量偏差控制在±1.5%左右，對于不同高度的模具，可以方便地調整起始時間，保證能量的同一性和準確性。

2）回程速度很快。由于主油缸下腔始終通蓄能器，上腔一旦卸壓，能迅速抬錘，因此模具接觸時間短，該性能與能量精確控制相結合，可以使鍛造模具使用壽命提高2倍以上。

3）鍛造精度高。該產品由于導軌采用“X”形結構，因此導軌間隙可以調得很小，打出的鍛件精度很高。

4）材料利用率很高。由于能量可以控制，因而制坯精度很高，打出的鍛件飛邊較為均勻，又由于鍛造精度高，上下模不會出現錯模現象，因此材料利用率很高，為少無切削奠定了基礎。

5）低噪音。由于該產品屬打擊能量可數控設備，因此編制程序，使鍛件打成，但不多給剩余能量，因此噪音很小。傳統鍛錘的操作者是靠聽模具打靠聲音來判斷鍛件是否打成，有時判斷不準，習慣于多打幾下，實際是多余的。

6）無撞頂現象。通過精確計算和設計液壓系統中阻尼孔和節流孔尺寸，使得錘頭到頂緩沖下來，很平穩，無一點撞頂現象的發生。

7）低振動。由于該產品打擊能量可數控，無多余能量產生，加上錘身下部裝有德國技術生產的隔而固品牌隔振器，對周圍機床、居民區無任何影響。

8）環保。由于該產品在打擊過程中，沖擊噪音小，又有減振器，振動小，因而是一種環保型產品。

9）鍛件質量較為穩定。由于通過程控器的控制，各種各樣鍛件的鍛造工序可存入程序中，隨時根據需要調出來使用， 因此同一種鍛件可以得到一致的打擊能量和打擊次數， 避免了人工操作的多樣性，因此鍛件質量比較穩定。

10）易于實現自動化生產。由于打擊工序和打擊能量已實現數控化， 因此為下一步使用機器人自動上下料打下了基礎，自動化生產很容易實現。

2.4 鍛造液壓機的發展過程及發展趨勢

鍛造液壓機是在普通液壓機的基礎上逐步發展起來的。我國第一臺鍛造液壓機是1953 年在沈陽制造成功的， 開始由于受液壓技術和一些液壓基礎元器件的局限， 鍛造液壓機的發展是比較緩慢的。近十幾年來，由于液壓技術的不斷發展，鍛造液壓機進入了一個高速發展期。在2000 年以前我國萬噸以上壓機不足10 臺，僅2006 年一年，投資興建的萬噸壓機就有17 臺，2007 年投資10 臺，兩年的投建臺數就超過了建國以后五十年的發展， 中小噸位的鍛造液壓機的需求更是遠遠大于萬噸以上液壓機的需求，目前我國鍛造液壓機的數量大約有200 余臺。

鍛造液壓機發展到現在， 下一步發展趨勢就是兩個：一個快速性，另一個就是數控聯動化。

2.4.1 快速性。目前國外的鍛造液壓機基本上都是快鍛機，快鍛次數可達到每分鐘100 次以上。特別是適合鍛造溫度區間很小的高合金材料。在自由鍛設備中被認為是發展的主要方向之一。制造快鍛機最大的技術難題就在于克服快鍛過程中的液壓沖擊及噪音。

2.4.2 數控聯動化。通過采用數控系統來控制鍛造液壓機的液壓系統，實現設備工作智能化，從而實現精密定程壓制和定壓壓制。主機和操作機通過計算機控制，可實現聯動。極大地提高了生產效率，鍛件精度也有很大程度的提高，鍛件成本可得到有效控制。

三、結語

重視技術創新，加大科技投入，深化改革，加強管理，經過數十年的發展，中國的鍛造上了一個新的臺階，在增強自主開發能力、節約能源、加速發展精密成形等方面都取得了可喜的成果。希望在21世紀能有更多完全國產化的先進技術裝備進入鍛造業，努力實現全面的鍛件凈成形，使我國盡早步入世界鍛造技術強國之林。

參考文獻

[1]范宏才.現代鍛壓機械[M].北京：機械工業出版社，1994

[2]張長龍，邱林弟. 鍛壓機械[J]，2004，29（2）：53-54