MFP-8000A型80MN多工位摩擦壓力機的研究與開發(fā)

文/莊云霞，欒新民，朱元勝·青島青鍛鍛壓機械有限公司

MFP-8000A型80MN多工位摩擦壓力機的研究與開發(fā)

文/莊云霞，欒新民，朱元勝·青島青鍛鍛壓機械有限公司

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國內(nèi)汽車、鐵路、航空、航天及五金工具等行業(yè)對鍛壓設(shè)備的需求越來越多樣化、數(shù)量化和重型化。例如，近幾年飛速發(fā)展起來的汽車行業(yè)，不僅汽車的產(chǎn)量越來越大，對汽車的安全要求也越來越高。因此對配件的精度要求較高，汽車的關(guān)鍵零件如曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等鍛件性能對螺旋壓力機提出了能量大、變形比大的要求。普通的鍛壓設(shè)備已不能滿足相關(guān)制造業(yè)的工藝、質(zhì)量要求，例如無法滿足斯太爾汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)的要求等。特別是最近幾年我國列車的高速化，對列車的連接部件提出了更高的要求，原以鑄鋼件為主的相關(guān)連接件和其他重要零件由于列車的提速，其強度與剛度等機械性能已不能滿足其安全性和可靠性。因此鐵道部經(jīng)專家分析論證提出，必須以模鍛件來取代鑄件，這也是對人身安全與機車安全的重要保證。較大型的列車連接部件——鉤尾框等生產(chǎn)所需的設(shè)備國內(nèi)尚未開發(fā)，如圖1所示，有的用戶不惜重金引進國外設(shè)備，造成了外匯的浪費。為了振興民族工業(yè)，提高我國裝備制造業(yè)的技術(shù)水平、節(jié)約外匯，青島青鍛鍛壓機械有限公司（以下簡稱青鍛公司）提出了自主研發(fā)適應(yīng)于上述產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大型螺旋壓力機，以滿足當前國內(nèi)市場的迫切需求。

經(jīng)市場調(diào)研，分析計算，青鍛公司決定開發(fā)大型并可進行多工位鍛造的雙盤摩擦壓力機，并定為MFP-8000A型多工位摩擦壓力機。

圖1 鉤尾框

主要結(jié)構(gòu)

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主要結(jié)構(gòu)圖

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機采用4根拉桿，將橫梁、立柱和底座通過電極加熱預緊組合在一起成為封閉的框架機身，非?？煽康亟鉀Q了機身的剛度、強度等要求。傳動機構(gòu)采用了脹縮式摩擦盤調(diào)整機構(gòu)傳遞力矩，脹縮機構(gòu)是針對多工位摩擦壓力機的特殊性而開發(fā)設(shè)計的?；瑝K采用了青鍛公司的專利結(jié)構(gòu)，銅推力軸承代替踵片和銅墊片，消除了踵片脫落和銅墊片破碎問題，滑塊采用矩形導軌，有效地提高了壓機的精度。飛輪采用預應(yīng)力式螺桿過盈雙聯(lián)結(jié)構(gòu)，螺桿材料采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，錐體對鍵過盈預緊結(jié)構(gòu)，解決了切向鍵上竄和輪體開裂問題。潤滑是設(shè)備關(guān)鍵件使用壽命的保障，為提高設(shè)備的使用壽命，通過周密計算，并參見其他壓機實際使用情況，選用遞進式循環(huán)指示發(fā)訊裝置，對潤滑點出油量進行監(jiān)控自動報警。該設(shè)備還設(shè)有上、下頂料裝置，上頂料采用連桿機構(gòu)帶動齒輪軸進行多桿頂料，下頂料采用復合缸圓柱導向。大行程多桿頂料，為設(shè)備進行多工位鍛造提供了基礎(chǔ)，縮短了頂料時間，保證了運行精度與可靠性。并對整機的設(shè)計進行三維模擬制圖、結(jié)構(gòu)分析和力能模擬，達到了預期效果。

工作原理

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機為螺旋壓力機的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其主要工作原理為：兩個主電機通過三角皮帶分別帶動左右兩個摩擦盤轉(zhuǎn)動。從機身正面看，當左側(cè)操縱氣缸進氣時，推動左摩擦盤向右方向壓緊飛輪，依靠摩擦力矩驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)（從壓力機上方俯視為順時針旋轉(zhuǎn)），通過螺旋副將飛輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的向下直線運動，如圖3所示。當滑塊運動到預定位置時，左側(cè)操縱氣缸停止供氣，摩擦盤恢復到中間位置，同時與飛輪脫開。滑塊通過模具接觸工件后，飛輪及滑塊將運動部分的能量完全釋放，飛輪的慣性力矩通過螺旋副轉(zhuǎn)化為滑塊對工件的鍛擊力，完成一次鍛擊。一次鍛擊結(jié)束后，右側(cè)操縱氣缸供氣，右摩擦盤在活塞作用下向左方向壓緊飛輪，飛輪反向旋轉(zhuǎn)，滑塊回程。當滑塊上升至預定位置，操縱缸排氣，摩擦盤恢復中間位置，滑塊進入制動行程，制動閘板在彈簧力作用下制動飛輪外緣，使滑塊停止在設(shè)定的上限位置，至此，完成一個工作循環(huán)。

圖3 工作原理簡圖

主要技術(shù)性能指標

螺旋壓力機的主要技術(shù)性能指標為打擊力和運動部分能量。MFP-8000A型多工位摩擦壓力機的公稱力為80000kN，允許長期打擊力為12500kN，運動部分能量為1150kJ。如此大的力能目前在世界上屬空前的，因此嚴格的理論計算相當重要，研發(fā)項目組針對壓力機所鍛工件的特點做了詳細的計算與模擬試驗。根據(jù)鍛件工藝要求，研發(fā)項目組根據(jù)公式En＝0.165Pn3/2，選取運動部分能量為1150kJ，同時決定根據(jù)德國科學家瓦德曼研究的“瓦德曼銅柱鐓粗法”進行打擊能量測試，以保證數(shù)據(jù)的高精度。

該公式經(jīng)近年來的實驗證明，能量測試值是相當可靠的，被國內(nèi)外業(yè)界廣泛應(yīng)用，具體公式為：

公式（1）中：試件對數(shù)變形程度φh=In1/（1-ε）

應(yīng)變ε=h0－h(huán)1/h0

平均變形速率ωm＝V/h0

式中 h0——試件原始高度，mm；

h1——試件打擊后高度，mm；

K——彈性恢復系數(shù)（取0.8）；

V——銅柱體積，mm3。

通過計算，研發(fā)項目組設(shè)計出銅柱試件圖及相應(yīng)的試件數(shù)量及鐓鍛后的試件高度。在保證了力能指標的同時，研發(fā)項目組對鍛件工藝及尺寸范圍提出了多工位鍛造的設(shè)想，提出了其他參數(shù)，如滑塊行程、行程次數(shù)、裝模高度和工作臺尺寸等。其中，行程次數(shù)嚴格按公式（2）進行計算選擇，并取一定的安全系數(shù)以保證打擊次數(shù)的合理性與可靠性。

式中 Kn——計算系數(shù)，（鍛造型一般為12～13）；

v——滑塊速度，（一般為0.6～0.7m/s）；

H——滑塊行程，m。

研發(fā)項目組在確定了性能參數(shù)及相關(guān)工藝參數(shù)后，又根據(jù)MFP-8000A型多工位摩擦壓力機應(yīng)用領(lǐng)域中的各類鍛件所需的打擊力及公稱打擊力所獲得的有效打擊能量，繪制出了力能特性曲線，以供用戶在選用時參考，力能特性曲線如圖4所示。

圖4 MFP-8000A型多工位摩擦壓力機的力能特性曲線

至此，MFP-8000A型多工位摩擦壓力機的主要技術(shù)性能指標的研究基本完成，并形成了一個可靠的、適用范圍廣的基本參數(shù)表，見表1。該基本參數(shù)表將在進一步的技術(shù)設(shè)計中起到指導作用。

表1 MFP-8000A型多工位摩擦壓力機基本參數(shù)表

技術(shù)創(chuàng)新

MFP-8000A型多工位摩擦壓力機的結(jié)構(gòu)合理、性能先進和工藝性強，具備良好的工作特性，是目前世界上最大規(guī)格的可進行多工位鍛造的摩擦壓力機。如上所述，本項目在研究過程中采用了大量的先進技術(shù)與結(jié)構(gòu)。特別是，本項目在研發(fā)過程中為實現(xiàn)多工位鍛造，針對滑塊導向裝置、潤滑油量而設(shè)計了專用工裝，并進行了模擬試驗，以求找到最佳方案。通過一次次試驗、反復修改、對比試驗記錄，分析確定了滑塊導軌導向裝置的高度和寬度，以及間隙大小與潤滑油量。由于滑塊導向裝置和機體都具有很高的剛性，所以在受偏心負載時可以有效地避免滑塊傾斜，保證鍛件精度，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滑塊導軌裝置結(jié)構(gòu)圖

該結(jié)構(gòu)對上下頂料系統(tǒng)進行了技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計。上頂料采用了連桿機構(gòu)帶動同步齒輪軸轉(zhuǎn)動，再通過齒輪軸帶動頂料桿上下運動，以實現(xiàn)多桿頂料，有效地配合多工位鍛造工藝中的上頂料工序。圖6所示為上頂料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖6 上頂料結(jié)構(gòu)簡圖

下頂料相對上頂料在工作過程中的負載大，頂料行程也相對長，而且還會出現(xiàn)偏載的復雜情況。因此，基于上述問題，創(chuàng)新設(shè)計了圓柱導軌式大行程多頂料裝置，以解決行程長、負載大的難題，同時提高了抗偏載能力，保證了頂料精度。圖7所示為下頂料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖。

圖7 下頂料結(jié)構(gòu)簡圖

結(jié)束語

多工位雙盤摩擦壓力機是一種萬能性較強的鍛壓機械設(shè)備，其廣泛地應(yīng)用于機械制造、汽車、拖拉機、航空、鐵路和電力等工業(yè)部門。多年來我國自行設(shè)計了從630kN到25000kN雙盤摩擦壓力機系列產(chǎn)品。但是，隨著精密模鍛的需要，重型摩擦壓力機也發(fā)展迅速，特別是“十一五”期間，以青鍛公司為代表的國內(nèi)鍛壓機械研發(fā)制造企業(yè)相繼試制成功了31500kN、40000kN、63000kN、80000kN雙盤摩擦壓力機，從而使我國的摩擦壓力機已基本形成了完整系列。同時，80000kN多工位雙盤摩擦壓力機的研制成功也使得我國成為世界上惟一能制造這一規(guī)格多工位摩擦壓力機的國家。

從MFP-8000A型多工位摩擦壓力機的研發(fā)過程來分析，整個項目的研發(fā)吸收了大量的先進技術(shù)、結(jié)構(gòu)及專利技術(shù)，創(chuàng)造性地設(shè)計了適用于多工位鍛造的上、下頂料裝置。經(jīng)過對試制出的兩臺樣機進行用戶運行試驗，試驗結(jié)果證明，該壓力機操作簡單，靈敏可靠，打擊力大，適用于多模膛鍛造。因此，該壓力機具有極好的市場前景和可觀的經(jīng)濟效益及社會效益。

莊云霞，高級工程師，從事鍛壓設(shè)備的開發(fā)設(shè)計。