自由锻造液压机的技术现状及设计分析

谢广玉，李秀珠，胡海燕

（徐州压力机械有限公司技术中心，江苏徐州221004）

0 引言

锻造是热加工领域的基本工艺，大多数金属材料都可以通过锻造来改善其内部质量、工件外形和综合机械性能。锻造生产能力及锻造工艺水平的高低对一个国家工业、农业、国防及科学技术的发展都有一定的影响。随着中国经济全球化步伐的不断加快，锻造行业作为中国机械制造工业的基础产业也得到了迅速发展。国内锻造装备的需求量也急剧增加。本文就我国锻造压机的现状、传动方式及锻造油压机的研发情况作一个粗略的综合分析。

1 发展过程及技术现状

1.1 锻造液压机的发展过程

早在1893年，世界上成功研制了第一台120000kN（120MN）锻造水压机，使大钢锭的锻造工艺逐步由使用锻锤过渡到使用锻造水压机。由于军备扩张的需要，在第二次世界大战期间3 万吨和7万吨大型模锻水压机也相继研发成功。六十年代初，国外一些自动检测技术和自动控制技术在大型锻造液压机、大型模锻液压机和一些大型挤压液压机上都得到了广泛应用，并实现了锻造液压机与操作机联动，锻造工具自动更换，使锻造工艺的自动化和机械化程度都达到了很高水平。在我国，自由锻造液压机从上世纪六十年代起，由国内几个重机厂和重型机械研究所开始研制，并先后研制成功了30000kN、60000kN、80000kN、120000kN 用于自由锻的锻造水压机和300000kN 模锻液压机、310000kN 多向模锻液压机。

上世纪70年代期间，由德国、日本等国成功研制了20000kN 的快锻液压机组，随后我国由“西重所”、“兰石化”研制出了 6300kN、8000kN、20000kN等一系列快锻液压机。

上世纪80年代后期，随着市场经济的不断发展，一些液压机专业生产企业（包括大中型国营企业和民营企业），先后生产了 10000kN、20000kN、31500kN、36000kN、45000kN 锻造水压机和锻造油压机。这些企业所生产的锻造设备在我国锻造装备市场上占有相当大的份额，并且发展迅速。

1.2 国内锻造液压机的技术现状

据不完全统计，国内正在使用的从5000kN～125000kN 自由锻造液压机大约有150 多台。这些设备大多是国内六七十年代的产品，还有一些是用其他液压机改造后用于自由锻造的。这些设备技术含量不高，控制简单，设备在使用过程中能量损耗较大。配套设备主要有锻造行车、夹翻料机和一些简单的操作机。而能够接近世界先进水平、配套完整的自由锻压机却很少。另外，有一些快锻液压机，虽然采用了先进的电液伺服控制技术，可以实现较高的重复定位控制精度并与双操作机联动，但是这类快锻压机的可靠性较差，故障率也较高，设备的开工率较低。大多数中小型锻造厂更多的使用锻锤（蒸汽锤或电液锤），但这类锻锤会因为环保问题而被逐渐淘汰。从整体上看，我国锻造行业所使用的锻造设备技术含量不高，相对落后。

近些年来，随着我国电力、能源、汽车、航空航天等行业的发展，锻造行业发展迅猛，各类锻件的需求急速增加。锻造实现机械化和自动化，向世界先进水平靠拢已迫在眉睫，锻造装备的更新换代也势在必行。

2 锻造液压机的几种结构形式及传动方式

2.1 锻造液压机的几种结构方式

国内使用的锻造液压机通常有以下几种典型结构形式：单臂式、双柱下拉式、三梁四柱上动式等。

单臂式一般机身为“C”型结构。这种结构多用于小型锻造液压机，其结构简单，机架可用整体铸钢结构或钢板焊接结构，工作时可以从三个方向接近工件，操作方便，但其整体机架的刚性较差。为了保证机架有足够的强度和刚度，机架相对要做的比较笨重。

双柱（整体框架）下拉式一般机身为方型整体框架。这种结构多用于中小型锻造液压机，其压机的重心较低，设备运行稳定性好，立柱按对角线布置，在纵横两个方向上可布置移动工作台及横向移砧装置，操作工人有较宽广的工作视野，压机辅助工具也有较大的工作空间。但基础工程量大，在偏载状态下，机架变形很大，运动质量较大，惯性大。

三梁四柱上动式一般机身由上梁、滑块、下横梁、四立柱、移动工作台、主油缸组成，上梁和下横梁通过四根立柱及立柱螺母预紧形成整体受力框架，滑块在主油缸驱动下，以立柱为导向上下运动。该结构一直是锻造压机的主力机型，其结构简单，便于制造、使用、维修。在结构上易于得到较大的总压力，并可实现工作压力分级控制和较大的工作空间、较长的工作行程。因此，便于压制大型工件及较长较高的工件。其缺点是压机的重心高，稳定性较差。在偏载状态下，其设备摆动量较大。

其他一些结构的锻造液压机目前也得到了广泛应用，如斜置两柱式上传动结构、整体框架下拉式结构、多拉杆两柱框架结构等。

综上所述，锻造液压机的结构形式不同，决定了其适用范围不同。单臂式结构适用于小型锻造压机，锻打小型锻件操作方便；双柱下拉式结构适用于中小型锻造压机，目前国内快锻液压机就采用这种结构，多用于精整、拔长轴类零件等；三梁四柱上传动式结构适用于大型锻造压机，由于有大的工作行程和操作空间，并配有移动台，可同时放置三组砧座，适用于大钢锭的镦粗、拔长、扩孔、整形等工艺。从发展来看，双柱上传动式框架结构的锻造液压机，由于其可在纵横两个方向上布置移动工作台及横向移砧，操作工人有较宽的工作视野，而且能实现较大的作业空间，因此将会被更广泛地采用。

2.2 锻造液压机的传动方式

目前，自由锻造液压机传动方式有两种：一种是用水作为介质的传动方式，它只用大功率水泵通过分配器和蓄势器对锻造液压机进行控制，称为锻造水压机；另一种是用液压油作为介质的传动方式，它是用大功率油泵通过二通插装阀对锻造液压机进行控制，称为锻造油压机。以下对该两种不同传动方式的锻造液压机进行比较。

2.2.1 锻造油压机的传动控制方式优于锻造水压机

锻造油压机所使用大流量高压油泵、二通插装阀、可编程控制器（PLC）、工控机以及电液比例伺服阀的控制系统已经很成熟。采用这些控制技术可以对锻造液压机的速度、压力、活动横梁的行程大小实现精确控制，很容易实现锻造液压机与锻造操作机的联动控制，实现锻造生产自动化。而锻造水压机控制比较简单，元件大多是自制件，一些先进的控制技术无法在锻造水压机上应用。

2.2.2 锻造油压机比锻造水压机节能

有资料表明，水泵蓄势器传动的锻造液压机，传动系统的总效率为50%～60%，而油泵插装阀传动的锻造液压机传动系统的总效率为70%。如果采用正弦油泵直接驱动，其传动系统的总效率为80%以上。

2.2.3 锻造油压机控制系统比锻造水压机控制系统制造成本低

在相同的工作速度下，油泵直接传动的油压机电液控制系统的设计成本仅是水压机水泵蓄势站的1/3～1/4。

2.2.4 锻造水压机比锻造油压机使用安全隐患小

由于水介质是不可燃的，而液压油的燃点较低，因而锻造油压机存在有安全隐患。因此，在锻造油压机设计时，应充分考虑安全防护措施，并加强锻造油压机工作现场的安全管理。

总之，随着液压机传动控制系统的不断改进、创新，锻造液压机将向着环保、节能、可靠，更能满足锻造工艺要求的方向发展。

3 锻造油压机的研发

以徐州压力机械有限公司45000kN 锻造油压机的研发过程为例，对锻造油压机的结构、控制特点进行综合分析。

3.1 技术调访及方案确定

通过对国内中小型锻造厂的锻造工艺调访，认为国内需求量最大的自由锻造液压机，主要用于拔长、镦粗、扩孔、整形等锻造工艺。且拔长、镦粗使用最多。所配备的操作机也多为简易形独立控制的操作机。另外，根据自由锻造的工艺特点、工作环境以及国内现有锻造企业的技术水平、经济承受能力，开发的锻造液压机必须有以下几个特点：①主机结构刚度大。主机设计时要充分考虑其抗偏载能力。因此，主机结构的强度和刚度都较普通压机高。同时考虑到锻造工作环境的恶劣条件，压机要有很好的抗碰撞能力。②设备工作速度、升降压速度快。俗话说“趁热打铁”，通过快速锻造，才能有效地降低锻造成本。③锻造压机运行可靠安全，维修保养要方便快捷。特别是大吨位锻造油压机，如果设备故障率高，锻件在加热炉保温时间过长，造成能源浪费。④充分考虑了液压油防燃问题。锻造压机必须充分考虑安全问题，因为油的燃点较低，如果不考虑安全问题，一旦出现火花，后果不堪设想。⑤充分考虑国内中小型锻造厂的经济实力。设备的配置要适中，影响到设备运行可靠性的关键元器件用国际上最好品牌的产品。其他一些辅助元器件尽可能用国产的，使设备的性价比最优。

根据以上锻造液压机的特点，我们制定自由锻造液压机的设计方案：①设备的使用范围：主要用于金属材料的自由锻造，包括镦粗、拔长、扩孔、精整等。②主机结构：采用三梁四柱结构形式，主油缸采用三缸布置，实现两级压制。③传动方式：采用大流量斜盘式高压柱塞油泵驱动，通过二通插装阀和可编程序控制器（PLC）对压机的速度、压力及各种工艺动作进行控制。④设备整体布置：动力站、电控柜在地面以上与主机隔离，操作台在主机与动力站之间，移动工作台与地面平。为了减少液压系统的压力损失，将三级卸压控制阀块，放在设备顶部，其他控制阀块及液压系统辅助装置均在主油箱顶部。⑤设备配置：二通插装阀的先导控制阀用德国力士乐产品，密封元件用德国MERKEL 产品。电控PLC 用日本欧姆龙公司产品。⑥设备主要参数的确定：尽可能靠近水压机几何参数，以保证锻造工具在锻造冲压机上可互换使用。

总之，锻造液压机研制的技术难点是主油缸快速卸压，即三级卸压系统和大型零部件的结构设计。

3.2 45000kN锻造液压机的设计说明

3.2.1 主机部分

主机部分由机身、主油缸、充液装置等组成。机身由上梁、下横梁通过四根立柱、立柱锁母形成受力框架。立柱与上梁、下横梁之间采用工频感应加热预紧法预紧。滑块依靠四根立柱作导向上下运动。上梁、滑块、下横梁为结构件，材料采用Q235-A，拉压应力取值比普通压机低20%左右。立柱采用45#锻钢，螺纹均采用45°锯齿形螺纹，拉应力取值比普通压机低30%左右。主油缸采用三缸布置，中间缸为20000kN，两侧缸为12500kN，实现 20000/45000kN两级压制。压机所有油缸均采用柱塞式油缸结构，缸体材料采用35# 锻钢，应力取值比普通压机低20%。柱塞杆采用45#锻钢，表面中频淬火，其硬度为 HRC45～52。

缸口导向套采用抗压耐磨的ZQSn6-6-3 青铜材料，密封圈采用德国MERKEL 公司“V”型密封组件。

3.2.2 移动工作台

移动工作台由工作台板、防护拖板及驱动油缸组成。工作台板、防护拖板均为铸钢件ZG270-500，油缸与工作台板联接方式采用球面铰接，工作台板和防护拖板有足够的刚度，既要抗一定的热变形又要耐砸撞。

3.2.3 液压控制系统

液压控制系统由油泵电机组、二通插装阀、冷却过滤、管路等组成，借助于电控系统来实现压机的各种工艺动作。锻造油压机工作方式一般设有定压控制和定程控制，动作方式有调整动作和手动动作。

（1）45000kN 锻造液压机的主油泵电机组由三十台250MCY14-1B 定量轴向柱塞泵和三十台Y315L1-6-B3 电动机组成，总排量为7500l/min，总电机驱动功率为3300kW。泵头控制阀块安装在油泵的出油口，以减少管路安装和沿程压力损失。

（2）二通插装阀块。为了方便维修，减少液压系统不必要的压力损失，合理布置该机液压控制阀块，按功能分为六个功能控制阀块。①泵头控制阀块。主要完成对油泵的超压保护和空载排油。②主油缸控制阀块。主要完成压力分级控制和主油缸下行工艺动作，实现快进、工进动作转换。③主油缸回程控制阀块。完成主油缸慢回，快回动作转换及回程压力调整。④主油缸三级卸压控制阀块。主要完成主油缸快速无冲击卸压，在快锻工艺动作时完成主油缸快速排油。⑤移动工作台控制阀块。完成对移动工作台工艺动作、液压锁紧的控制。⑥充液阀控制阀块。完成对充液阀的开启控制，配合主缸上腔控制阀块，实现在小吨位时提高设备的工作速度。

（3）充液阀。本机充液阀采用二个Dg275 和四个Dg200。充液阀主要作用是供主缸吸排油用。当滑块快速下行时由于主缸上腔形成负压，将充液阀吸开，充液箱内的大量油液充入油缸内以补充油液不足；当滑块工进时充液阀关闭，由主油泵向油缸提供压力油；当滑块回程时，充液阀芯打开使油缸油液向充液箱排油。这里要说明的是，锻造压机由于速度快，滑块工作频次高，用于一般冷压加工的锻压设备的充液阀不适合在锻压机上使用。该机的充液阀只为锻造压机单独设计，其有一定的刚度并对大阀芯上下运动行程采用刚性限位，大阀芯的开启由液压缸控制。

（4）冷却过滤系统。由于锻造压机工作环境差，设备使用频率高，对工作介质油温控制很有必要，这样不仅能大幅度地提高液压系统运行的可靠性，也能延长液压元器件和密封元件的使用寿命。本机配有四组30m2的板式水冷机组，同时预留了多个可安装强制冷机组的接口，以备用户根据设备的使用情况增加制冷机组。同时本机还配有油液过滤系统，可对油液进行定期过滤。

（5）管路。锻造液压机液压系统内部液压冲击非常大。因此，管路系统的设计也很重要。一般管内流速取值不大于5mm/s，管夹分布应合理，尽量不使用高压软管，各连接法兰由平面径向密封，改成圆柱面轴向密封，同时要考虑充液箱快速排油，方便维修等，尽可能减小管路的长度和弯管数量。

3.2.4 电控系统

本机电气控制系统分为动力系统和控制系统两部分。

动力部分包括控制总电源、各电动机的启停及保护开关等。大电动机的启动均采用降压启动，电源采用三相四线制AC380V，50Hz。

控制部分包括控制箱、操作平台，控制箱安装有PLC 可编程序控制系统，可完成对压机的全部动作的控制，主操作台可完成该机的全部动作的操作，操作面板上设有操作手柄，各种操作按钮、压力数显、各种报警指示、急停铵钮等。

另外，本机的润滑系统、安全保护等在设计时充分考虑了锻造压机的特点和使用环境。

总之，随着锻造行业的迅速发展和一些先进的控制技术、控制元器件的出现并得到可靠的应用，我国的锻造设备也会逐步向国际先进水平靠近。衷心希望中国锻造业兴旺发达，希望为我国锻造工业服务的锻造装备制造厂同仁继续努力，争取为锻造业提供最好最先进的锻造装备。

[1]俞新陆.液压机.北京：机械工业出版社，1982.

[2]天津市锻压机床厂.中小型液压机设计计算[M].天津：天津人民出版社,1977.

[3]雷天觉.新编液压工程手册.北京：北京理工大学出版社，1998.

[4]成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，1976.