自由鍛造液壓機的發(fā)展與展望

郭曉鋒，成先飚，張建華

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

液壓機是根據(jù)帕斯卡液體靜壓傳動的基本原理，以高壓液體傳送工作壓力的鍛壓設(shè)備;按工作介質(zhì) (如乳化液、水或礦物油等)不同，可分為水壓機和油壓機兩大類，一般水壓機采用泵－蓄勢器傳動，油壓機采用泵直接傳動。液壓機從結(jié)構(gòu)上易于得到較大的總壓力、工作空間和行程，并能夠在任意位置發(fā)出最大的工作力，得到較大的鍛造深度，最適合于大鍛件、大變形量的鍛造。自由鍛造液壓機主要在工作缸壓力作用下，通過上、下砧和一些簡單的通用工具，使鋼錠或鋼坯產(chǎn)生塑形變形，以獲得所需形狀和尺寸的鍛件［1］。

1 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1859～1861年在維也納鐵路工廠出現(xiàn)了第一批用于金屬加工的液壓機，1884年在英國曼徹斯特首先使用了鍛造鋼錠的自由鍛造水壓機。由于自由鍛造液壓機與鍛錘相比，具有低噪音和大變形等顯著優(yōu)勢，1887～1888年自由鍛造水壓機迅速得到系列開發(fā)和應(yīng)用。1893年美國建成了第一臺萬噸級 (126 MN)自由鍛造水壓機［2］，使大鋼錠的鍛造由鍛錘過渡到使用鍛造液壓機，50 kN以上的大型自由鍛錘逐漸被淘汰。由于純水的氣蝕、銹蝕等特性，使閥的壽命極低，因此，水壓機也由最初的以純水為工作介質(zhì)的蒸汽增壓器傳動，逐漸發(fā)展為常規(guī)的以乳化液為工作介質(zhì)的泵－蓄勢器傳動。1938～1944年德國率先制造了三臺世界最大噸位的150 MN自由鍛造水壓機［3］。泵－蓄勢器傳動的自由鍛造水壓機持續(xù)了一百多年的發(fā)展應(yīng)用，其操縱系統(tǒng)雖然幾經(jīng)革新，但仍然以手動操作為主，且大多無鍛造精度控制。

進入20世紀中期，隨著工業(yè)革命的進一步發(fā)展，要求自由鍛造液壓機具有自動化生產(chǎn)、高精鍛次數(shù)和鍛件厚度尺寸精確控制等功能。通過對壓機增加鍛件尺寸控制和輔助機械，由微型計算機控制，使壓機與操作機進行聯(lián)動來提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人勞動強度，實現(xiàn)了自由鍛造工藝的一次重大突破。

泵直接傳動系統(tǒng)具有恒速性，且油壓電氣控制元件規(guī)格齊全，油壓控制技術(shù)趨于成熟，油壓機成為自由鍛造實現(xiàn)高效高精自動化生產(chǎn)的理想選擇。1952年瑞典首先研制了一臺10 MN快速鍛造油壓機，其后英、美和西德等國都設(shè)計制造了5～30 MN的快速鍛造液壓機。1962年英國鋼鐵協(xié)會 (BISRA)制造了首套壓機與操作機聯(lián)動的自由鍛造油壓機組，采用電子數(shù)碼控制裝置，成功實現(xiàn)厚度控制和壓機與操作機聯(lián)動。五年后，該協(xié)會研制的采用計算機控制的自由鍛造油壓機正式投入工業(yè)生產(chǎn)［4］，開創(chuàng)了自由鍛造全自動化生產(chǎn)的新紀元。但由于缺乏大功率、大流量的油壓高壓動力系統(tǒng)，初期的自由鍛造油壓機的最大噸位均不超過30 MN，自由鍛造液壓機進入了水壓機和油壓機共存時期。

油壓機按液壓控制方式的不同分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)具有高精度和高頻響的特點，被絕大多數(shù)壓機所采用;泵控系統(tǒng)用于油品好、效率高、功率大的場合，僅限于德國PAHNKE公司使用的潘克改進型正弦驅(qū)動系統(tǒng)。

進入20世紀70年代，歐美各國便開始對舊的泵－蓄勢器傳動水壓機進行改造，其主要方法如下:

(1)廢棄水泵蓄勢站。僅留用壓機的本體，將水壓機直接改為泵直接傳動的油壓機。表1統(tǒng)計了1975～1985年間歐美國家將舊水壓機改造為油壓機的數(shù)量;

表1 歐美國家將水壓機改造為油壓機數(shù)量統(tǒng)計Table 1 Statistics data of transforming water presses to oil presses in Europe and America countries

(2)選擇油控水系統(tǒng)。保留原有的水泵蓄勢站和工作缸的進排液分配閥，增加一套油壓伺服系統(tǒng)，根據(jù)動梁位置，采用油壓伺服閥或高性能比例閥，通過接力缸控制分配器搖桿軸的擺角和速度。或者，通過單頂缸控制單個進排液分配閥的啟閉動作，提高壓機的自動化程度，美國的OILGEAR公司就是根據(jù)此原理對舊的水壓機進行全面改造。但是，由于油控水系統(tǒng)是借助中間油缸，間接控制進排液分配閥的啟閉，因此，響應(yīng)速度、閥口開啟量和鍛件尺寸精度始終無法達到泵直接傳動油壓機的效果。同時，工作介質(zhì)和控制介質(zhì)的不同更易造成交叉污染。

進入21世紀，自由鍛造液壓機在數(shù)控化、高精度化和專業(yè)化方向得到高速發(fā)展，隨著高壓大流量油泵的問世，突破了長期制約大型油壓機發(fā)展的瓶頸，油壓機已完全替代水壓機成為自由鍛造的主流設(shè)備，1996年德國SMS率先制造了一臺100 MN自由鍛造油壓機。目前世界上已投產(chǎn)的閥控系統(tǒng)自由鍛造油壓機最大噸位已達165 MN［5］，泵控系統(tǒng)自由鍛造油壓機最大噸位已達185 MN。所有壓機控制系統(tǒng)均采用計算機控制，具有速度快 (提高每分鐘的行程次數(shù))、精度高(±1～±3 mm)、自動控制壓下量、自動測量鍛件尺寸、自動記錄生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、自動診斷故障等功能;在機械化方面，都配有全液壓鍛造操作機，與液壓機聯(lián)動，用來提高鍛件產(chǎn)量。表2列舉了2000年以來投產(chǎn)的80 MN以上自由鍛造液壓機的數(shù)量統(tǒng)計。

表2 2000年以來投產(chǎn)的80MN以上自由鍛造液壓機數(shù)量統(tǒng)計Table 2 Statistics data of free forging hydraulic presses with the tonnage above 80 MN since year of 2000

2 發(fā)展趨勢

近年來，隨著人們環(huán)保意識的加強和排污成本的增大，國際上很多知名生產(chǎn)液壓機的大企業(yè)，如德國的威普克－潘克 (Wepuko Pahnke)、梯芬巴赫 (Tiefenbach)、英國的芬樂 (Fenner)和丹麥的丹夫斯 (Danfoss)等公司已開始致力于純水液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)元件和控制技術(shù)的研究，雖然研發(fā)還局限于一些特定應(yīng)用目標的需要，品種規(guī)格還十分有限，但發(fā)展勢頭卻十分強勁。針對純水介質(zhì)的腐蝕、磨損、泄漏、氣蝕和沖擊等技術(shù)難題，從新材料、新技術(shù)和新工藝三方面入手，研制開發(fā)了高壓水泵、馬達、各種壓力、流量和方向控制閥、甚至比例和伺服控制閥等液壓基礎(chǔ)元件，額定壓力可達到32 MPa甚至更高。一些元件的性能 (包括可靠性及使用壽命)達到甚至超過同類的油壓元件，隨著這些基礎(chǔ)元件的成功應(yīng)用，為研究開發(fā)真正意義上的由單一純水系統(tǒng)控制的自由鍛造水壓機創(chuàng)造了技術(shù)條件。

純水與液壓油理化特性的差異，使純水壓機具有如下顯著優(yōu)勢:

(1)液壓油在防氣蝕、防銹、密封和潤滑性能方面都比純水好得多，但是，液壓油也存在著價格高、易燃、易變質(zhì)和易污染等問題，特別是對于上傳動壓機液壓油的泄漏是致命的，必須設(shè)置車間消防設(shè)施。國內(nèi)已有自由鍛造油壓機由于液壓油的泄漏引起火災(zāi)的實例;

(2)純水的粘度低，50℃時，其運動粘度約為0.56 mm2/s，是壓機常用的N68液壓油運動粘度的1.2%。因此，純水系統(tǒng)的閥門和管道設(shè)計流速可達油壓系統(tǒng)的兩倍以上，閥門和管道的減小可有效降低液壓系統(tǒng)投資;

(3)純水的比熱容約為4.19 kJ/kg，是液壓油比熱容的約2.2倍，因此，純水系統(tǒng)工作介質(zhì)溫升小，可以縮減或取消龐大的冷卻系統(tǒng);

(4)純水的體積壓縮系數(shù)約為4.76×10－5cm2/kg，是液壓油體積壓縮系數(shù)的約70%，因此，在相同壓力下，水壓機工作缸及管道內(nèi)的壓縮容積是油壓機的約70%。也就是說，壓機在加壓動作結(jié)束時，需要快速釋放的介質(zhì)壓縮容積減小30%，這將使壓機的卸壓時間大幅減少，可有效增加動作頻次，特別對大型液壓機效果尤為顯著;

(5)在高壓狀態(tài)下，純水的溶氣量遠低于液壓油，因此，在使用增壓器或蓄勢器系統(tǒng)時，不需要考慮氣水隔離，簡化設(shè)計，降低成本。

因此，用純水作單一介質(zhì)的泵直接傳動自由鍛造水壓機，可以滿足鍛壓設(shè)備高效、節(jié)能和環(huán)保的要求，是未來自由鍛造液壓機的發(fā)展方向。

3 結(jié)語

經(jīng)過上百年的發(fā)展，自由鍛造壓機設(shè)備和鍛造工藝水平取得了很大的發(fā)展，但還需要不斷努力的將新理論和新技術(shù)應(yīng)用于新設(shè)備的開發(fā)，努力探索和發(fā)展鍛造設(shè)備及輔助設(shè)備的新原理、新結(jié)構(gòu)，開發(fā)出安全可靠、高效節(jié)能、性能優(yōu)越的新型鍛造設(shè)備，為基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟增長做出新的貢獻。

［1］ 俞新陸．液壓機的設(shè)計與應(yīng)用 ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 高峰，郭為忠．重型制造裝備國內(nèi)外研究與發(fā)展［J］．機械工程學報，2010(19):92－107．

［3］ 俞新陸．液壓機 ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1982．

［4］ 譯文集．快速鍛造液壓機 ［M］．第一機械工業(yè)部重型機械研究所，1966．

［5］ 楊大祥，韓炳濤．165 MN自由鍛造油壓機的液壓控制系統(tǒng) ［J］．重型機械，2006(3):11－16．