常用模鍛螺旋壓力機的結構性能研究及發展趨勢

文／朱元勝·中鍛智能裝備設計院

趙旭東·中國鍛壓協會

于鎮瑋·青島宏達鍛壓機械有限公司

螺旋壓力機在市場中保有量大，占據著模鍛設備的主要市場。螺旋壓力機因結構種類較多，性能特點不一，適應的工藝對象也不一樣，在設備選型和使用時應充分注意，以確保設備性能的充分發揮和效益最大化。

螺旋壓力機結構簡單，可實現重復多次打擊，無固定下死點，換模、調模簡單，不受鍛件批量影響，性價比高。螺旋壓力機可分為恒能量型(飛輪雙向旋轉)螺旋壓力機和恒扭矩型(飛輪單向旋轉)離合器式螺旋壓力機兩大類。

恒能量型螺旋壓力機的性能特點

恒能量型螺旋壓力機結構簡單，打擊力和變形能一般不能同時到達最大值。恒能量型螺旋壓力機的能量是固定的，若忽略滑塊等附加動能，其能量大小為：E= Jω2/2。式中：E-飛輪儲存的能量，J-飛輪轉動慣量，ω-飛輪最大角速度。其對鍛件做的功大約為：A=Pf×S。式中：A-鍛件的變形功，Pf-實際鍛壓力，S-鍛件變形行程，若忽略其他變形因素，飛輪的能量基本上轉化為鍛件的變形能，可近似認為：E=A，∴Pf=E/S 。圖1 所示為一款恒能量型螺旋壓力機，力能關系曲線可近似為圖2 所示。

圖1 EP-10000 型數控電動壓力機

圖2 恒能量型力能關系曲線

對一臺參數固定的恒能量型螺旋壓力機，在額定能量E 不變的情況下，其力能曲線是一定的，對于某已知的鍛件，所需的成形能和終鍛力也是一定的。若壓力機選擇恰當，即鍛件所需的終鍛力和變形能分別與壓力機的壓力和變形能相等，則可實現一次成形。若壓力機噸位選擇過小，則壓力機所能提供的變形能和壓力達不到鍛件所需，此時會出現“欠鍛”現象，必須經過多次鍛擊，甚至仍無法成形。若壓力機噸位選得過大，此時若用全能量鍛擊，鍛件成形后，壓力機還有多余能量，則會引起超載，這對壓力機和模具都是十分不利的。因此，設備選型時要根據鍛件所需的變形能和變形力來選擇，以充分發揮設備的性價比，減少不必要的浪費。

對于具有可變能量預選裝置的螺旋壓力機，可根據鍛件要求選定飛輪能量。若壓力機無能量預選裝置，也可通過增加裝模高度，減少行程高度或降低飛輪角速度的辦法來達到降低能量的目的。由于鍛件的成形能和終鍛力的確切數據，一般用戶難以確定，因此，通常在一批鍛件中，先從小到大調整壓力機行程或能量進行試鍛，直至得出合乎質量要求的鍛件，然后再進行批量生產。

根據恒能量型螺旋壓力機的力能曲線可知，對一臺特定的壓力機，打擊力越大其有效能量就越小。在能量相同的情況下，鍛件變形越大，吸收的成形能越多，終鍛力就越小。反之，鍛件變形越小，吸收的成形能越少，終鍛力就越大。因此恒能量型螺旋壓力機很容易產生大于公稱力的作用力。

恒能量型螺旋壓力機的公稱力是推薦長期使用的打擊力，公稱力與其具體參數形成固定關系。通常情況下，在公稱力下使用時，壓力機能同時釋放出比較恰當的打擊能量和公稱打擊力，發揮最大能效比，且有利于延長壓力機的使用壽命。

恒能量型螺旋壓力機通常最大力可達到公稱力的1.6 倍，但此時有效變形能很小，這種情況只出現在個別高度變形極小的冷擊型鍛造工藝中，除特殊設計外，一般不推薦使用，長期使用最大力會嚴重縮短壓力機的使用壽命。

恒能量型螺旋壓力機的結構類型

根據鍛造工藝，恒能量型螺旋壓力機，可分為模鍛型和精壓型兩種。模鍛型螺旋壓力機能量較大，適用于鍛件變形能較大的模鍛工藝。精壓型螺旋壓力機能量較小，但可使用的變形力較大，適用于變形力較大的精壓工藝。

根據傳動形式，恒能量型螺旋壓力機，又可分為摩擦傳動式螺旋壓力機(摩擦壓力機)、皮帶傳動式電動螺旋壓力機(皮帶式電動壓力機)、齒輪傳動式電動螺旋壓力機(齒輪式電動壓力機)和直驅式電動螺旋壓力機(直驅式電動壓力機)四種類型。國內發展情況如下：

摩擦傳動式螺旋壓力機

摩擦壓力機(圖3)是我國第一代螺旋壓力機。電機通過小皮帶輪和皮帶帶動大皮帶輪(立式摩擦盤)始終向一個方向旋轉，摩擦盤通過操縱裝置左右水平移動壓緊并驅動水平飛輪和螺桿使其正反雙向交替旋轉，螺桿通過固定在機身橫梁里的主螺母產生螺旋運動，從而使飛輪螺桿既旋轉又帶動滑塊上下運動。

圖3 J53-18000 型摩擦壓力機

摩擦壓力機市場存量大，結構簡單，一般采用普通異步電機定速驅動，成本低。因傳動存在摩擦打滑，所以控制精度差，效率低。滑塊導向長度短，導向精度和抗偏載能力差，多用于中心受力的單工位鍛造。因飛輪可上下移動，明顯具有鍛錘的一些特點，沖擊力大，適合深度較大的沖填鍛件的模鍛成形。也可以進行變形量較小的精鍛成形。

摩擦帶(塊)等易損件，使用壽命短，需要經常更換。隨著摩擦帶的磨損，摩擦盤與飛輪的摩擦間隙需要經常調整，調整過程比較繁瑣。設備傳動系統重心高，剎車位置高，扭矩大，易產生扭曲振動，整機易晃動、噪聲大。中小型摩擦壓力機已逐步被電動壓力機所取代。

摩擦壓力機結構簡單、維修方便，性價比較高，在所有鍛造設備中售價最低。尤其是大中型摩擦壓力機仍然占據著一定的模鍛市場。

目前，宏達鍛壓生產的摩擦壓力機規格已由25MN 發展到40MN、63MN、80MN、100MN、160MN、180MN 和200MN，廣泛應用于高鐵鉤尾框、煤機刮板和曲軸等中小批量的大型鍛件的鍛造成形，是一種實用型的鍛造設備。

皮帶傳動式電動螺旋壓力機

皮帶式電動壓力機是第二代螺旋壓力機。電機通過小皮帶輪和皮帶帶動大皮帶輪(飛輪)和螺桿正反雙向交替旋轉，螺桿通過固定在滑塊里的主螺母產生螺旋運動，從而帶動滑塊上下運動。由于皮帶傳動需要較大的張緊力，為保持飛輪螺桿對稱受力不偏載，應盡量采用對稱偶數電機驅動。

皮帶式電動壓力機因皮帶有彈性易打滑，壓力機工作時沖擊振動小、噪聲小，主要用于需頻繁正反轉的壓磚機上。該種結構的壓力機制造成本低，但皮帶易磨損，需要經常更換，維護成本較高。

皮帶式電動壓力機是根據摩擦壓力機改制而成的，有的把主螺母改到滑塊上，隨滑塊上下移動，螺桿和飛輪只旋轉不上下運動；有些主螺母仍然固定在橫梁里不動，飛輪只旋轉不上下運動，螺桿既旋轉又帶動滑塊一起上下運動。

皮帶式電動壓力機與其他電動壓力機相比制造成本最低，但滑塊導軌短、導向精度低、抗偏載能力差，皮帶易打滑導致控制精度低于其他傳動形式的電動壓力機，但整體性能優于摩擦壓力機。

目前，國內皮帶式電動壓力機主要應用于1600噸以下的中小型電動壓力機或電動壓磚機，因皮帶易打滑、壽命短、精度差制約了該產品系列的發展。皮帶式電動壓力機在模鍛市場上應用不多，主要用于摩擦壓力機改電動壓力機技術改造方面。

齒輪傳動式電動螺旋壓力機

齒輪式電動壓力機(圖4)是第三代螺旋壓力機。齒輪式電動壓力機一般采用多電機驅動，通常由電機通過小齒輪驅動大齒輪(飛輪)和螺桿正反雙向交替旋轉，通過固定在滑塊里的主螺母產生螺旋運動，帶動滑塊上下運動。多個驅動電機的疊加使總功率可以做的很大，而單個電機的功率相對較小，這有利于降低電機及驅動部分的制造成本。

圖4 EPC-2500A 型電動壓力機

齒輪式電動壓力機工作時，當飛輪加速到預先設定的能量后，固定在滑塊上的上模對鍛件毛坯加壓成形，隨即電動機反轉，帶動滑塊回程，回程到某一距離后，電動機斷電，由飛輪儲蓄的能量帶動滑塊繼續上行，此時電機由電動機狀態轉變為發電機狀態(電磁制動狀態)，將飛輪儲蓄的能量轉變為電能，如驅動單元配備有能量回收裝置，這一部分電能可反饋到電網中，或者采用電阻消耗這部分能量。滑塊回程到上死點后，機械制動器再制動飛輪，使滑塊停止。從以上工作過程可以看出，電動機只有在壓制鍛件時才工作，停轉時基本無空載損耗，所輸出的能量主要用于加速飛輪和主機摩擦損耗，因而電動壓力機能耗低，效率高，節能減排。

齒輪式電動壓力機滑塊導向長度長，精度好、效率高，是目前市場上數量最多的電動壓力機類型。目前，宏達鍛壓生產的產品已實現全系列覆蓋，小到160 噸，大型產品規格已發展到4000 噸、6300 噸、8000 噸、10000 噸、12500 噸和16000 噸等，技術水平已到達國際先進水平。

直驅式電動螺旋壓力機

直驅式電動壓力機(圖5)是第四代螺旋壓力機。電機轉子直接與螺桿飛輪連接，驅動飛輪和螺桿正反雙向旋轉，通過固定在滑塊里的主螺母產生螺旋運動，帶動滑塊上下運動。

圖5 EPA-630 型直驅電動壓力機

直驅式電動壓力機只有一個電機且轉子直接與螺桿連接，沒有任何中間傳動環節，傳動鏈短，近零傳動，結構簡單，易損零部件少，可靠性好，效率高，是螺旋壓力機今后的重要發展方向。

直驅式電動壓力機是電機直接傳動的電動螺旋壓力機，它采用了專用低速、大轉矩、伺服型電機，電機直接安裝在主機頂部，電機轉子為螺旋壓力機飛輪的組成部分并固定在飛輪上與主螺桿直接連接，電機定子安裝在機身上，轉子和定子之間的磁場產生了力矩，驅動轉子飛輪和主螺桿做加速旋轉運動并儲蓄能量。

直驅式電動壓力機是螺旋壓力機中最簡單的結構形式，加工制造和維護保養方便，節省資源，轉子和飛輪直接傳動的結構特點決定了它在工業中屬優先采用的電動螺旋壓力機傳動方案。但這種傳動形式對電機的性能也提出了更高的要求，主要是制造低速、大扭矩、大功率的電機有困難，尤其是制造功率超過800 千瓦的專用低速大扭矩電機，制造成本將大幅度提高。因此，目前該種直驅式電動壓力機一般在6300 噸以下應用較為普遍。目前，中鍛設計院聯合宏達公司已成功研制了160 噸、300 噸、400 噸、630噸、1000 噸、1600 噸 、2500 噸、4000 噸、5000 噸等系列化直驅式電動壓力機。

直驅式電動壓力機用電機直接驅動，傳動環節少，又沒有需要經常更換的磨損件，因此深受用戶歡迎。

從其工作原理和結構可以看出，直驅式電動壓力機具有以下發展優勢：

⑴主機結構比較簡單，故障率低，易于維護。

⑵傳動鏈短，打擊能量可精確設置，成形精度高，制件公差小，特別適合精密鍛造。由于能精確控制打擊能量，所以可減輕模具載荷和設備超負荷，模具壽命高。

⑶可進行程序鍛造，主機能自動按預先設置的各項工步打擊能量運行，自動化程度高。

⑷設備導向長度大，導向精度高，機身剛度好，設備精度高，抗偏載能力強，可進行多模膛鍛造，節約能源和人力資源。

⑸由于采用了特種專用電機，壓力機工作時，電機啟動電流小，不會對工廠電網產生沖擊和影響其他設備運行。

⑹滑塊靜止時，電機不工作，電耗低，當采用了飛輪能量回收裝置后，還可以進一步降低電耗，節約電能，提高效率。

⑺無固定下死點。不必調整模具高度，不會產生悶車現象，模具結構簡單、換模容易。能方便地調整行程高度，回程位置準確，打擊力穩定，滑塊有效行程次數多、效率高。

⑻可通過人機界面設定各種參數，預選打擊能量和打擊力，并可通過屏幕顯示實際打擊力大小，方便工藝人員做工藝實驗、分析工藝過程。

《常用模鍛螺旋壓力機的結構性能研究及發展趨勢》(下)見《鍛造與沖壓》2024 年第9 期