我國鍛造操作機的現狀及未來的發展方向

文／郭樹偉，戴昆·青島華東工程機械有限公司 王仲仁·哈爾濱工業大學 許久成·內蒙古北方重工業集團有限公司特種鋼管分公司

我國鍛造操作機的現狀及未來的發展方向

文／郭樹偉，戴昆·青島華東工程機械有限公司 王仲仁·哈爾濱工業大學 許久成·內蒙古北方重工業集團有限公司特種鋼管分公司

郭樹偉，總工程師，主要從事鍛造操作機與裝出料機以及鍛壓機械手工藝及結構方案的制定工作，先后主持完成了50～600t·m全系列全液壓鍛造操作機、1～30t鍛造裝出料機以及0.3～5t鍛壓機械手技術方案的確定，獲得市級科技進步二等獎1項，技術專利4項。

鍛造輔助設備是指為滿足鍛造生產工藝需要、提供高生產效率、降低從業者勞動強度等所使用的除鍛造主機和加熱爐之外的各種機械化輔助設備，主要包括鍛造操作機、鍛造裝出料機、鍛造機械手等。

我國鍛造輔助設備的研制起步較晚，鍛造操作機的研制始于20世紀60年代，由于受當時經濟體制的限制，在鍛壓行業國家將主要精力投入鍛造主機的發展，而鍛造操作機等輔助設備未得到應有的重視，僅有部分鍛造生產企業為解決自身的生產困難而開始自行研制鍛造操作機，主要包括北京第二通用機器廠、廣州重型機械廠、陜西壓延等公司。

隨著工業生產機械化程度的提高，20世紀80年代末期青島四方機車廠鍛造車間首先提出裝出料機械化的構想，經過多次技術改進，最終將鍛造裝出料機應用到了實際生產中。至20世紀90年代初期，隨著我國機械制造業的發展，國內出現了鍛造輔助設備的專業生產廠，從此鍛造輔助設備的快速發展翻開了新的一頁，但由于基礎薄弱、技術落后，當時的主要產品只是機械式(電機驅動）操作機和裝出料機，后來才發展為機械＋液壓混合式。

進入21世紀后，世界制造業重心開始向中國轉移，國際上節能、降耗的要求，使得鍛造生產企業必須要提高生產效率和產品質量，鍛造輔助設備隨之得到了快速發展，出現了技術先進、成熟的數控式全液壓鍛造操作機和數控式液壓重載機器人。

下面就根據筆者多年的工作經驗來介紹一下我國鍛造操作機的現狀及未來的發展方向，與大家共同分享。

鍛造操作機的基本動作

鍛造操作機是實現鍛造機械化、自動化最重要的裝備，主要用于夾持鍛件配合鍛造主機(壓機、鍛錘等）完成各種復雜的自由鍛造工藝。使用鍛造操作機可以減輕勞動強度、提高鍛造生產率、改善產品質量。目前國內外已普遍采用鍛造操作機來實現鍛造的機械化，性能先進的鍛造操作機還可以實現與鍛造主機的聯動控制，從而實現鍛造的自動化。

為滿足基本的鍛造工藝要求，鍛造操作機一般具有以下5種基本動作和4種輔助動作。5種基本動作分別為：夾鉗夾緊/松開；夾鉗旋轉；夾鉗的平行升降(或夾鉗的前端升降）；夾鉗的上下傾斜(或夾鉗的后端升降）；車體行走。4種輔助動作分別為：鉗架體左右平移；鉗架體左右側擺；臺架回轉；鉗桿伸縮。

鉗架體左右平移及鉗架體左右側擺功能主要用在全液壓四連桿鍛造操作機上，具有該功能的鍛造操作機可以使偏心鍛件比較容易地放置在鍛造設備的打擊中心，增加了鍛造操作的靈活性。

臺架回轉功能主要在5t及以下規格的簡易機械結構(代表特征：鋼絲繩吊掛）的鍛造操作機上有所應用，主要目的是能夠方便地從軌道側面區域夾取工件、工具或將鍛后工件放置到軌道側面區域，除此之外，它也可以將偏心工件調整至鍛造設備的打擊中心。臺架機構的增加，使得鍛造操作機的可靠性有了一定程度的降低，所以在近幾年生產的鍛造操作機中，5t以上的鍛造操作機已基本不采用臺架回轉功能。

鉗桿的前后伸縮功能主要用在較先進的全液壓四連桿鍛造操作機上，在液壓系統和電控系統的協調控制下，利用該功能可以實現鍛造操作機車體行走方向的雙動進給。具有該功能的鍛造操作機主要用來配合快速鍛造液壓機進行鍛造操作，可以較大幅度地提高鍛造操作機在主機快頻次鍛造時的單次進給量，提高鍛造的生產效率，這對于合金鋼、工模具鋼等鍛造溫度區間較小的材料的鍛造很有意義。

鍛造操作機的分類

按車體運行方式分

鍛造操作機按車體的運行方式可分為軌道式鍛造操作機和無軌式鍛造操作機。

軌道式鍛造操作機(圖1）的活動范圍及服務的鍛造主機是確定的，一般一臺軌道式鍛造操作機僅服務于一臺固定的鍛壓主機。由于軌道具有較高的承載力，所以軌道式鍛造操作機的噸位可以做到很大，目前世界上最大噸位的300t/750t·m鍛造操作機即為軌道式鍛造操作機。固定的工作位置可以方便地采用電能作為能源，可靠性高、成本低。平行于軌道安裝銷齒條，將原來的車輪驅動改為鏈輪驅動，消除了車輪打滑，實現了鍛造操作機精確的位置控制，同時能夠得到更高的啟動加速度。正因為軌道式鍛造操作機有如此多的優點，所以筆者認為，在可以預見的很長一段時間內，軌道式鍛造操作機都將是鍛造操作機的主流。

無軌式鍛造操作機不受軌道及電源線的限制，活動范圍較大，自驅動性好，可以為多臺鍛造主機服務，也可以擔任車間內的運輸工作等。但由于無軌式鍛造操作機采用彈性橡膠或聚氨酯作為車輪，因此其對車間地面的承載力及平整度有嚴格要求，這就使得車間地面的施工造價大大增高。同時，無軌式鍛造操作機采用燃油發動機驅動，對車間環境有嚴重污染，這對車間通風系統也提出了更高的要求。目前，國外研制出的無軌式鍛造操作機最大載荷可達到75t，但在國內，受市場需求量小的限制，現在還尚未開始對無軌式鍛造操作機的研制。

圖1 典型的軌道式鍛造操作機

按各動作的驅動方式分

鍛造操作機按各動作的驅動方式可分為全機械式鍛造操作機、機械液壓混合式鍛造操作機和全液壓式鍛造操作機3種。

全機械式鍛造操作機和機械液壓混合式鍛造操作機主要配套鍛錘來進行鍛造生產，采用鋼絲繩吊掛結構，彈簧緩沖，以適應鍛錘的沖擊性振動。全機械式鍛造操作機的特點是：各動作均采用電機作為動力源，夾鉗夾緊機構采用電機＋絲杠傳動，緩沖裝置采用彈簧緩沖。該形式的鍛造操作機一般用作額定載荷在2t以下的小噸位操作機。隨著液壓元件和技術的不斷提升，全機械式鍛造操作機目前已很少見。機械液壓混合式鍛造操作機(圖2）是在全機械式鍛造操作機的基礎上發展起來的，其特點是：車體行走采用電機傳動，夾鉗夾緊系統改為液壓缸驅動，夾鉗旋轉裝置及前后提升裝置可以采用液壓驅動(前提升采用液壓卷筒帶動鋼絲繩實現提升）。由于該類型操作機可控性差，不易實現自動控制和精度控制，因此目前該類操作機已進入衰退期，不久的將來，這類操作機將被逐漸淘汰。

全液壓式鍛造操作機主要與鍛造液壓機配套，采用液壓馬達或液壓油缸作為驅動單元，多為四連桿懸掛結構。由于全液壓式鍛造操作機更容易實現自動化和精度控制，因此該類操作機代表著鍛造操作機的發展方向，特別是2010年以來，新購置的與鍛造液壓機配套的操作機基本上都是全液壓式鍛造操作機，并且基本上實現了自動化和精度控制。幾種軌道式全液壓鍛造操作機的基本參數見表1。

圖2 典型的機械液壓混合式鍛造操作機

目前國內鍛造操作機的研制能力

在國內，額定載荷120t、額定載荷力矩360t·m的全液壓式鍛造操作機已于2010年投入使用，額定載荷200t、額定載荷力矩600t·m的全液壓式鍛造操作機(圖3）也已于2012年投入使用。到目前為止，1t/3t·m～200t/600t·m的全液壓式鍛造操作機已實現系列化生產，并能實現與主機的聯動控制，300t/900t·m的鍛造操作機也完成了技術開發，具備了隨時投產制造的能力。部分優秀企業生產的鍛造操作機，其技術含量及產品質量已達到或接近國際先進水平。

圖3 200t/600t·m的全液壓式鍛造操作機

由上海交通大學、清華大學、浙江大學等國內頂級院校承接的國家973項目——《巨型重載操作裝備的基礎科學研究》已于2010年成功結題，研究成果也已被大量應用到實際設計、生產中。

與國外先進工業國家的對比

在國外先進的工業國家，簡易結構的機械式鍛造操作機已基本淘汰殆盡，先進的全液壓數控式鍛造操作機占主導地位。在國內市場上，由于鍛錘的保有量還相當大，因此與其相配套的簡易結構的機械式鍛造操作機仍有一定的保有量。但是隨著近幾年鍛造壓機數量大幅度增加以及原有鍛造壓機的技術改造，全液壓式鍛造操作機的數量同比增長迅速，所占比例與發達國家的差距在逐漸縮小。與前幾年所不同的還有，原先效率極低的鍛造行車現在基本上都被全液壓式鍛造操作機所取代。目前，除二重160MN的壓機尚未配套鍛造操作機外，其余80MN以上的壓機均已配套鍛造操作機，其中國有大型重機廠大多采購國外進口的鍛造操作機，而民營企業如煙臺臺海、山東通裕、浙江德潤等公司則采用國產的鍛造操作機，從這一點上也能看出近幾年我國自由鍛造操作機技術提升顯著，與國外先進國家的差距在逐漸縮小。

表1 幾種軌道式全液壓鍛造操作機的基本參數

就設備的規格而言，國內目前制造的最大噸位的鍛造操作機為青島華東生產的200t/600t·m鍛造操作機，而國際上系列生產的最大噸位的鍛造操作機為德國DDS公司的300t/750t·m鍛造操作機。

就設備的性能而言，國內目前制造的先進的鍛造操作機可以實現單、雙操作機與主機的聯動控制，其速度、控制精度也能夠達到與國外先進的鍛造操作機相近的水準，但加速度參數以及設備整機性能穩定性與國外先進的鍛造操作機相比還有一定的差距。這其中一個很重要的原因在于，國內制造的性能較先進的鍛造操作機的價格一般只有國外同規格設備的1/2左右，這就使得國內鍛造操作機的供應商在易于獲得市場訂單的同時，卻也無力在提高設備性能上過多投入。

未來的發展方向

⑴在行走方式上，由于承載力大，能夠方便地實現精確定位以及具有較高的加速度，因此軌道式鍛造操作機在未來一段時間內仍將是鍛造操作機的主流。無軌式鍛造操作機活動范圍廣、自驅動靈活，在特殊的條件下可填補軌道式鍛造操作機的空缺，今后也將得到小范圍的發展。

⑵在傳動方式上，由于鍛錘的生存空間被逐漸壓縮，因此，與之相配套的全機械式鍛造操作機和機械液壓混合式鍛造操作機將逐步退出鍛造操作機的主流舞臺。全液壓數控式鍛造操作機已開始占據鍛造操作機的主導地位，并代表著鍛造操作機傳動方式的發展方向。

⑶在夾鉗的運動形式上，由于直移式和回轉式鍛造操作機具有各自的缺陷，且不能相互彌補，不能完全滿足自由鍛造工藝的要求，因此它們的發展都會受到一定的局限性。而具有側移及擺移功能的鍛造操作機綜合了直移式和回轉式鍛造操作機的優點，代表著鍛造操作機未來的發展方向。

⑷在鍛造操作機的噸位級別上，由于10MN及以下的小型數控鍛造壓機的發展，鍛錘的生存空間被進一步壓縮，與之相配套的全機械式鍛造操作機和機械液壓混合式鍛造操作機也逐漸被相對應的全液壓數控式鍛造操作機所取代。國產巨型重載鍛造操作機的成功開發，使得效率低下的鍛造行車逐漸退出了歷史舞臺。而國產巨型重載鍛造操作機在裝備國內萬噸級自由鍛液壓機后，便以其高可靠性、低價格優勢、易售后服務和易維護等特點而迅速占據了這一級別鍛造操作機的市場空間。目前全液壓式鍛造操作機已經實現了1t/3t·m～200t/600t·m的系列化生產。

⑸在鍛造操作機的性能指標上，鍛造操作機將逐步開始向高可靠性、高性能指標方向發展，如較高的速度和加速度參數、較高的鍛造控制精度、與壓機隨動升降控制技術、車體行走雙動進給控制技術、液壓伺服定位控制技術等，將逐步在新型鍛造操作機上得到應用和推廣。

⑹在鍛造操作機的操作模式和控制模式上，將由原來的操作機和主機分別由兩人操作，逐步發展為操作機和主機由一人來操作；由原來的操作機和主機均為手動操作，發展為操作機和主機聯動控制并可手動、單次、連續相結合的操作；由原來的繼電器控制或簡單的PLC開關量觸點控制，發展為具有模擬信號和數字脈沖信號處理功能的高性能PLC＋工業控制計算機的聯合控制。

結束語

總體來看，近幾年國內鍛造操作機的整體技術水平與國外發達國家的差距在逐漸縮小，但在加速度參數以及設備整機性能穩定性等方面與國外先進的鍛造操作機相比還有一定差距。