螺旋壓力機的噸位選擇與多模膛設計

文/夏巨諶·華中科技大學

螺旋壓力機的噸位選擇與多模膛設計

文/夏巨諶·華中科技大學

本文在闡述螺旋壓力機的力能關系及其噸位計算的基礎上，提出了噸位選擇的兩條基本原則；在對螺旋壓力機抗偏載能力進行分析的基礎上，提出了螺旋壓力機進行多工序模鍛時，其多模膛設計（即位置的合理布置）的兩種方式。

螺旋壓力機的力能關系

由各種螺旋壓力機的工作原理可知，螺旋壓力機工作負荷的特點與錘類設備工作負荷的特點相同或相似，屬于動載特性。螺旋壓力機的運動部分（飛輪、螺桿和滑塊或飛輪和螺桿）在傳動系統作用下，經過規定的向下驅動行程所蓄存的能量為ET。

在鍛擊終了時，滑塊速度等于零，運動部分的能量ET轉化為工件加壓成形所需的變形能EP；螺旋壓力機受力零件的彈性變形能量Ed；克服運動部分的機械摩擦所消耗的能量Ef。

帶有摩擦式過載保護裝置的螺旋壓力機的力—能關系曲線及能量分配情況，如圖1所示。曲線1為沒有過載保護裝置的力—能關系曲線，曲線2為有過載保護裝置的力—能關系曲線。圖1中a點相應于飛輪與摩擦盤開始打滑，打擊力達到公稱打擊力PN或PM（PN=b）的點；c表示許可打擊力，一般可控制在公稱打擊力的0.9～1.6倍；Pmax表示冷擊力，一般控制在公稱打擊力的2倍；Ef為壓力機運動部分所消耗的摩擦能，Ecd為機身和受力零件彈性變形所消耗的能量；EP為鍛件塑性變形所吸收的能量；Ec為摩擦盤與飛輪打滑時所消耗的摩擦能量。由圖1可知，當螺旋壓力機的打擊能量ET一定時，EP也一定，所以打擊時的作用力PX與鍛件的變形量s成反比，與機身、螺桿的剛度成正比。

螺旋壓力機的噸位選擇

由圖1分析可知：鍛件的變形量s越小，打擊時的作用力PX越大，而打擊時所需的變形力越大，鍛件所吸收的能量EP反而越小，這時大部分能量消耗于模具和機身的彈性變形，增加了模具和設備的磨損，并產生大的噪聲；當s=0時，其打擊能全部被機身和零件的彈性變形所吸收，此時PX達到最大值，稱為冷擊力。所以，螺旋壓力機兼有錘與機械壓力機兩者的優點：對于變形量較大的鐓粗、擠壓等工序可提供大的變形能量；對于變形量小的精壓等工序則可提供大的工作壓力。

螺旋壓力機上模鍛時的作用力—行程曲線如圖2所示。由圖2可知，當打擊力Pmax大于鍛件需要的變形力PP（圖2a）時，鍛件成形后還有大量的剩余能量被設備和鍛模所承受，這會引起設備和模具加速磨損甚至損壞等不良后果。當工作行程sp正好等于鍛件的變形量s（s1為滑塊行程，s2為鍛件、機身及模具的彈性變形行程），或者鍛件的成形力正好等于打擊力時，則鍛件成形后設備沒有剩余能量，如圖2b所示，這是最理想的情況。因此，應當根據實際需要的變形力選用螺旋壓力機噸位，或根據需要合理調節螺旋壓力機的能量。

基于以上分析，可以得出螺旋壓力機噸位選擇的兩條基本原則：

⑴對于水平投影面積較大而高度尺寸小乃至很薄的鍛件的開式模鍛，應以成形力為主來選擇壓力機的噸位。

⑵對于以鐓粗、擠壓為主要變形方式的閉式模鍛，因變形量較大，應在計算其成形力的基礎上，計算所需的成形能，根據成形力和能都能滿足的條件選擇壓力機的噸位。

圖1 摩擦壓力機力—能關系曲線及能量分配圖

抗偏載能力分析

為了正確使用各種類型的螺旋壓力機，有必要對其承受偏載的能力進行分析。根據各種螺旋壓力機的不同結構特點和實際使用情況來看，承受偏載能力的主要影響因素是滑塊的高度L與寬度B之比K=L/B的大小和導向精度即滑塊與導軌的間隙δ的大小。

對國產螺旋壓力機的K值統計：摩擦壓力機系列（1MN～25MN）K1=0.95～1.05；電動螺旋壓力 機 系 列（1.6MN～25MN）K2=1.22～1.38；滑塊采用導軌和圓筒組合導向的電動和離合器式螺旋壓力機K=1.51～1.73。

這三種螺旋壓力機的滑塊導向結構如圖3所示。為了比較三種螺旋壓力機承受偏載的能力，假設在它們的公稱壓力、滑塊寬度、機身剛度及滑塊導向面與機身導軌之間的間隙均相同的條件下，當承受同樣的偏心載荷時，滑塊相對于導軌傾斜的角度r則可表示承受偏載的能力，即r角越大，承受偏載的能力越差。

圖2 螺旋壓力機力一行程曲線

圖3 三種螺旋壓力機的滑塊導向結構

圖3很直觀地表明：對于摩擦壓力機而言，因K值小，滑塊高度L小，滑塊導向面同機身導軌接觸長度小，因此，當滑塊承受偏心載荷P時，其中心線相對于垂直線即相對于導軌的傾斜角度就大，表明承受偏載的能力小（圖3a）。

對于電動螺旋壓力機而言，因K值越大，滑塊高度L大，滑塊導向面同機身導軌接觸長度長，因此，當滑塊承受偏心載荷P時，其中心線相對垂直線即相對于導軌的傾斜角度就小，表明承受偏載的能力強（圖3b）。

對于具有導軌和圓筒雙重導向的電動螺旋壓力機和離合器式螺旋壓力機而言，因K值更大，滑塊高度L更大，滑塊導向面的接觸長度更長，因此，承受偏載的能力更強（圖3c）。不難看出，在上述假設條件下，螺旋壓力機承受偏載的能力的規律是，隨著K值的增加，承受偏載的能力不斷增強。

但隨著K值的增大，滑塊導向面同導軌的接觸長度隨之增長，則其相對間隙值大為減小，這必然使制造和安裝調試成本增加。因此，在選用螺旋壓力機時，除了遵循上述規律外，還應在保證鍛模設計時模膛的布置與壓力機承受偏載的能力要相符。

多模膛位置設計

多模膛位置設計主要是指模膛位置的合理布置。

⑴摩擦壓力機上多模膛布置。

由于摩擦壓力機承受偏載的能力差，故一般只采用單模膛模鍛，當需要采用預鍛和終鍛兩個模膛模鍛時，其經驗設計方法是：兩個模膛分布在螺桿中心線的兩邊，兩個模膛中心線間的距離為a/b≤1/2，且a+b≤D/2，如圖4所示。

⑵電動螺旋壓力機和離合器式螺旋壓力機上多模膛布置。

電動螺旋壓力機和離合器式螺旋壓力機承受偏載能力大為提高，但必須注意只有中心打擊時才能采用公稱壓力的1.6倍，即1.6Pg，而在偏離螺桿中心線時，其打擊力應相應減小。圖5為鍛造力同螺桿直徑與滑塊尺寸的關系曲線，它是根據相關廠家生產實踐及我國引進國外大型螺旋壓力機時供應商提供類似資料綜合繪制的，可為多模膛模鍛時模具設計提供參考。

多模膛布置可采取如下兩種方式：

⑴將壓扁、彎曲和預鍛等成形力小和較小的模膛布置在螺桿中心線的兩旁，成形力大的終鍛模膛中心線與螺桿中心線重合或偏離很小，例如，連桿或具有彎曲線和復雜橫截面的長軸類鍛件可采用這種方式來布置。

圖4 摩擦壓力機上預鍛與終鍛模膛的布置

圖5 鍛造力與螺桿直徑及滑塊尺寸的關系

⑵基于預鍛和終鍛工步變形量相等或接近而所需成形力與能相等或接近的工藝設計，可將鐓粗、預鍛和終鍛模膛沿螺桿直徑自左至右均勻分布，這種方式適合于結構復雜的盤狀齒輪和餅盤類鍛件的開式和閉式模鍛。