電鐓設備的技術原理與應用

文/王璐·深圳勤達科技有限公司

電鐓設備的技術原理與應用

文/王璐·深圳勤達科技有限公司

本文深入介紹了電鐓設備的結構、工作原理與市場應用，并對電鐓設備的優勢和發展做了總結性概述。作者所屬的意大利CEMSA公司（中國總代理：勤達科技集團）從20世紀50年代開始逐步進入電鐓設備行業，并迅速成長為國際電鐓行業的領先企業。

什么是電鐓技術？這類技術又將如何影響鍛造行業呢？電鐓是一種熱金屬變形技術。通常這種技術應用于加工鐵、鋼和合金鋼，但是電鐓設備還可以加工其他更多的金屬和合金，例如黃銅、鈦、鈦鋁合金及尼孟合金等。

電鐓其實是一種熱預成形技術，通常電鐓完成后，產品會緊接著通過不同壓力機的熱鍛或落錘鍛加工，一般是配合摩擦壓力機或螺旋壓力機（直接傳動型）來完成后續工序。

當工件的一部分是長桿，且不參與熱變形加工時，采用電鐓技術有很大的優勢，如發動機閥、半軸（驅動軸）、管兩端變形、斜齒輪、扭轉棒、拉桿、鍵銷、卡車輪胎閥（銅）、芽莖和汽車零部件等。

電鐓機的突出優勢

電鐓機的突出優勢主要包括節能節材和快速成形兩個方面：⑴電鐓機可以使用直徑非常接近成品的棒料。在很多應用中，如驅動軸、閥桿是不需要參與鍛造的，因此它的直徑必須大于成品，只需要下游加工即可。而且，工件經過電鐓后，可以在密閉的模具中鍛造，這使得材料不會因飛濺而流失。隨著生產過程中的用材減少，所耗費的能源也會相應減少，這對實現降低生產成本的目標非常有意義；⑵在產品的成形方面，相比傳統的鍛造工藝，電鐓機具備明顯的速度優勢。這對提升生產線的生產效率，降低企業的運營成本相當有效。圖1所示為CEMSA公司的電鐓設備。

設備基本構成

電鐓設備由以下兩大部分構成：⑴堅固的鋼焊接框架。可有力支撐安裝在其上的工作區域；⑵整體框架上帶有機器的電氣和液壓組件。圖2所示為電鐓設備原理圖，其主要工作部件有鍛錘、截流銅夾和砧座。

鍛錘

鍛錘由一個或多個液壓缸驅動，在一定的壓力下，推動棒料冷端，使其加熱部位獲得足夠的變形。鍛錘在合適的壓力下移動，不會發生打滑的情況，保證工件燒球部分的勻稱增大。通常，推力在7～15daN/mm2之間。例如一個直徑為20mm的棒料，頂鍛力為2200～5000daN。在相同情況下，球狀部位的溫度會隨著推力的增加而降低。

截流銅夾

截流銅夾固定在機器框架上，連接變壓器的次級線圈或整流器；由一個液壓缸驅動，截流銅夾合金部分夾住棒料，并給其加熱電流。截流銅夾緊固力必須保證與棒料充分接觸，它與棒料間是一種滑動接觸。在頂鍛過程中，棒料在與截流銅夾的接觸部位滑動。為保證良好的導電，且不燒傷工件表面和減少磨損，棒料表面狀態、截流銅夾的接觸面材料和緊固力的位置調整都是至關重要的。

砧座

砧座是在頂鍛推進過程中，用于反向支撐棒料尾端的部件。砧座與變壓器或者整流器連接，電流由其中流出加熱棒料。砧座如鍛錘一樣由液壓驅動，根據指引移動，它的移動過程對獲得需要的球泡形狀非常重要。機器工作周期開始時，砧座非常接近載流銅夾，使棒料集中加熱，以避免棒料不受控制的不對稱彎曲變形（如蛇形一樣）；若砧座延遲移動，其沖程的長度和速度對工件球泡成形有很大的影響。

圖1 CEMSA公司的電鐓設備

圖2 電鐓設備原理圖

電鐓成形原理

通過焦耳效應使工件加熱，如不同類型的電阻焊設備一樣，根據鐓鍛棒料的尺寸不同，加熱電流可在幾千安培到十幾萬安培間變化。如直徑為15mm的小棒料，其電流密度范圍在30～40A/mm2；棒料直徑超過100mm的，電流密度大約為12A/mm2。次級電壓和加熱電流的值或多或少都與電阻焊機相似，但由于電鐓機的工作循環效率比電阻焊機高很多，電極大小是不同的。循環時間從加工小型發動機閥的幾秒，到加工大型驅動軸的幾分鐘不等。通常的電鐓設備是能夠適用于額定功率下100%工作循環的，最大功率可超過額定功率。電鐓機不僅僅要加熱工件，還需要控制其熱變形量，以便達到接下來的鍛造加工需要的預成形。

為了使棒料的直徑增大，在特定的時間和部位達到必需的溫度，需要給棒料加入一個軸向壓力。這個過程需要注意的是，如果軸向壓力過高，鍛壓成形就會在過低的溫度下進行；相反，如果壓力太低，棒料可能會過燒甚至熔化。

電鐓成形關鍵因素

合適球泡形狀和溫度對于電鐓成形非常重要。球泡形狀不正確，可能造成熱材料的坍塌或者不必要的毛刺，導致無法填入模具；球泡處的溫度必須足夠產生形變且不造成破裂，但也不能過高，以免對材料的冶金和機械特性（纖維排列和/或微顆粒大小）造成損害。另外，溫度必須適合填充到模具中，為后續的鍛造做準備。圖3所示為電鐓過程的球泡形狀。

事實上，電鐓設備帶有一套完整的方案來控制生產過程中的所有參數。為使球泡的形狀和工作周期最優化，設備會預測電鐓的幾個步驟。每一步都需要設定好加熱電流和推力的值，這樣，在最短的時間內，才能保證設備工作周期中的任何點的壓力和電流都能使球泡形狀達到理想效果。整個工作周期中，電流被實時監控并反饋到PLC去。如果工作周期內電流值低于標準，程序會調節變壓器的初級電壓升高；相反，如果電流高于標準，電壓值會相應降低。通過這種系統我們確保了設備在工作周期中電流值可以精確的保持在程序要求的標準。同樣的，砧座的速度也是由連接在其上的編碼器實時監控。如果速度低于標準，PLC會增加比例閥的流量；相反，速度過高，會相應降低流量。正是由于有實時校正電鐓機主要參數的系統，即使在操作有變化的情況下，也能保證鍛造產品的一致性。

圖3 球泡形狀

結束語

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