鍛造操作機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向

張營杰，衛(wèi)凌云，牛 勇，韓炳濤

（中國重型機(jī)械研究院有限公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032）

鍛造操作機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向

張營杰，衛(wèi)凌云，牛 勇，韓炳濤

（中國重型機(jī)械研究院有限公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032）

鍛造操作機(jī)是自動化鍛造作業(yè)中不可缺少的重要裝備之一，在提高生產(chǎn)效率，保證加工質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要作用。本文綜述了鍛造操作機(jī)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，提出了今后的研究方向，為我國大型鍛造操作機(jī)的研究發(fā)展提供參考。

機(jī)械制造；鍛造操作機(jī)；發(fā)展現(xiàn)狀；研究方向

1 引言

國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，極大地促進(jìn)了我國航空航天、國防、交通運輸、船舶動力、電力電器和機(jī)械制造等行業(yè)的發(fā)展。對大型自由鍛件的需求，無論在規(guī)格、數(shù)量和質(zhì)量上都提出了新的要求。提高產(chǎn)品開發(fā)速度，加速鍛造現(xiàn)代化；提高鍛件質(zhì)量，延長使用壽命；提高鍛件精度，減少機(jī)加工量；提高生產(chǎn)效率，增加經(jīng)濟(jì)效益；安全環(huán)保，改善勞動環(huán)境已成為自由鍛件生產(chǎn)行業(yè)的共識。鍛造操作機(jī)是鍛件精確制造的基本裝備之一，與自由鍛造壓機(jī)配合進(jìn)行鍛造作業(yè)能極大提高鍛造生產(chǎn)效率和鍛件制造質(zhì)量，降低制造成本。

國內(nèi)外通過配備鍛造操作機(jī)，大幅提升了鍛造效率。日本神戶制鋼所采用1600kN/4000kN·m鍛造操作機(jī)后，比采用兩臺鍛造天車效率提高了1.6～2倍；上海重型機(jī)器廠有限公司的統(tǒng)計也表明，使用鍛造操作機(jī)可以顯著提高鍛造生產(chǎn)效率[1]。在現(xiàn)代化的鍛造車間，尤其在大型自由鍛造液壓機(jī)上配備鍛造操作機(jī)已是必不可少，而且鍛造壓機(jī)機(jī)組設(shè)備中配備雙鍛造操作機(jī)已逐步成為一個新的發(fā)展趨勢[1～5]。

本文綜述了鍛造操作機(jī)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、機(jī)械結(jié)構(gòu)形式以及未來研究方向，為我國大型鍛造操作機(jī)的研究發(fā)展提供參考。

2 國外研究現(xiàn)狀

鍛造操作機(jī)早在60年前就已經(jīng)問世。最早在美國、前蘇聯(lián)，而后在日本、英國、奧地利等國發(fā)展起來，成為系列化產(chǎn)品并進(jìn)入工業(yè)性生產(chǎn)。最初的操作機(jī)多為機(jī)械傳動，到20世紀(jì)60、70年代出現(xiàn)了混合傳動、全液壓傳動等結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活的鍛造操作機(jī)。90年代中期，國外大型鍛造操作機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，它與鍛造壓機(jī)配合使用，大大提高了鍛造生產(chǎn)效率、鍛件精度和質(zhì)量，同時提高了材料利用率，降低了能耗。

國外鍛造操作機(jī)的制造商主要有德國的DDS公司、SMS－MEER公司、GLAMA公司、捷克ZDAS公司、WEPUKO公司、韓國HBS PRESS公司等。圖1（a）所示為SMS－MEER為俄羅斯生產(chǎn)的2500kN/6300kN·m鍛造操作機(jī)，是目前世界上最早投入使用的最大的現(xiàn)代化鍛造操作機(jī)。圖 1（b）、（c）、（d）所示分別為DDS公司、GLAMA公司和ZDAS公司生產(chǎn)的鍛造操作機(jī)。DDS公司和SMS－MEER公司對具有現(xiàn)代控制技術(shù)鍛造操作機(jī)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動作用，目前已經(jīng)成功制造了多臺2500kN/6300kN·m鍛造操作機(jī)。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國鍛造操作機(jī)研究起步于上世紀(jì)60年代，并在1974年首次制訂了鍛造操作機(jī)系列標(biāo)準(zhǔn)。從上世紀(jì)60年代末期開始，中國重型機(jī)械研究院有限公司由國家投資，與快鍛油壓機(jī)同步開始進(jìn)行新型鍛造操作機(jī)的研究工作，是我國最早研究鍛造操作機(jī)的單位之一。從上世紀(jì)80年代開始，先后成功開發(fā)并投入工業(yè)生產(chǎn)的有 20kN/40kN·m、30kN/60kN·m、50kN/120kN·m、100kN/250kN·m 等多臺鍛造操作機(jī)。并在近幾年開發(fā)研制了200kN/400kN·m、300kN/800kN·m、1200kN/3000kN·m 等多臺套大中型鍛造操作機(jī)。但是，由于國內(nèi)整體技術(shù)水平相對落后，1600kN級以上大型鍛造操作機(jī)主要依賴進(jìn)口。例如：在上海重型機(jī)器廠有限公司投入使用的我國自行設(shè)計制造的165MN鍛造油壓機(jī)，配備了一臺SMS-MEER設(shè)計的2500kN/6300kN·m鍛造操作機(jī)；第一重型機(jī)械集團(tuán)公司150MN鍛造水壓機(jī)配備了DDS設(shè)計的2500kN/6300kN·m鍛造操作機(jī)；第二重型機(jī)械集團(tuán)公司125MN鍛造水壓機(jī)配備了DDS公司的1600kN/4000kN·m鍛造操作機(jī)。國內(nèi)目前正在建造的萬噸級大型自由鍛造液壓機(jī)超過十臺套，都亟需配備相應(yīng)的大型鍛造操作機(jī)。由于我國目前尚未掌握1600kN級以上大型鍛造操作機(jī)的核心技術(shù)，嚴(yán)重地制約了國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

圖1 國際鍛造操作機(jī)廠商制造的鍛造操作機(jī)

為解決大型鍛造操作機(jī)自主設(shè)計問題，2006年國家973計劃設(shè)立“巨型重載操作裝備的基礎(chǔ)科學(xué)問題”研究項目，力求為我國巨型重載操作裝備系統(tǒng)的自主化設(shè)計開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。2010年國家科技重大專項支持了由中國重型機(jī)械研究院有限公司負(fù)責(zé)的“3000kN/7500kN·m鍛造操作機(jī)”研究項目，目標(biāo)是掌握大型鍛造操作機(jī)核心技術(shù)，開發(fā)出具有國際先進(jìn)技術(shù)水平、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)和市場競爭力的新型大噸位鍛造操作機(jī)。

圖2 我國自主研發(fā)制造的鍛造操作機(jī)

圖2所示為中國重型機(jī)械研究院有限公司自行設(shè)計制造的鍛造操作機(jī)。圖2（a）所示為兩臺200kN/400kN·m鍛造操作機(jī)配合20MN快鍛油壓機(jī)進(jìn)行鍛造作業(yè)；圖2（b）所示為正在鍛造生產(chǎn)中的1200kN/3000kN·m鍛造操作機(jī)，該操作機(jī)為目前我國自主研發(fā)并投入工業(yè)應(yīng)用的最大鍛造操作機(jī)。中國重型機(jī)械研究院有限公司結(jié)合國家重大專項要求，聯(lián)合“產(chǎn)、學(xué)、研、用”多家單位，進(jìn)行了3000kN/7500kN·m大型鍛造操作機(jī)的開發(fā)研制，在大型鍛造操作機(jī)方面具備了較強(qiáng)的科研開發(fā)能力和較高的技術(shù)水平。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型

4.1 夾持裝置的形式

根據(jù)受力情況，鍛造操作機(jī)夾持裝置形式主要有長杠桿式和短杠桿式。典型長杠桿式夾持裝置結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，由鉗殼、鉗口、鉗臂、連桿、夾緊缸等組成。長杠桿式的優(yōu)點是拉桿上需要的拉緊力較小，夾持范圍大，可改善有關(guān)零件的受力狀況；缺點是拉桿行程較長，零件較多，加工制造難度較大。

圖3 鍛造操作機(jī)夾持裝置結(jié)構(gòu)形式

典型短杠桿式夾持裝置結(jié)構(gòu)如圖3（b）、（c）所示，由鉗殼、鉗口、鉗臂、夾緊缸等組成。短杠桿式的優(yōu)點是鉗頭零件數(shù)量少，容易加工制造；缺點是拉緊力較大。

4.2 吊掛裝置的形式

目前，大型鍛造操作機(jī)吊掛裝置主要有兩種常見的結(jié)構(gòu)形式。圖4（a）為平行連桿式，它由前部吊臂、前轉(zhuǎn)臂、平升缸、緩沖缸、傾斜缸、后轉(zhuǎn)臂和連桿等組成。圖4（b）為擺動杠桿式，它由前吊桿、傾斜缸、緩沖缸、后吊桿、平升缸和轉(zhuǎn)臂等組成。平行連桿式結(jié)構(gòu)所占空間小，對液壓系統(tǒng)和制造精度要求較低，但機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜。擺動連桿式結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，但所占空間較大，對液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的控制精度要求較高。

圖4 鍛造操作機(jī)吊掛裝置結(jié)構(gòu)形式

5 研究方向

大型鍛造操作機(jī)是世界上最大的多自由度重載機(jī)器人之一，屬于機(jī)電液一體化的復(fù)雜裝備。為了滿足生產(chǎn)需要，對大型鍛造操作機(jī)需要開展以下幾個方面的研究。

5.1 大型鍛造操作機(jī)的工作機(jī)理研究與構(gòu)型方案設(shè)計

針對適用于大型鍛造操作機(jī)的重載構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，研究出大型鍛造操作機(jī)的工作構(gòu)型和主體結(jié)構(gòu)。冗余輸入并聯(lián)機(jī)構(gòu)的引入可以有效提高鍛造操作機(jī)的機(jī)構(gòu)承載能力，進(jìn)行設(shè)計并優(yōu)化分析以確定適用于偏心大載荷條件下的冗余輸入并聯(lián)機(jī)構(gòu)。5.2 運動性能與承載能力協(xié)調(diào)匹配以及重載條件下界面特性和整體剛度特性

由于大型鍛造操作機(jī)夾持重量大，承載能力必須足夠強(qiáng)，同時對運動性能要求也較高，所以要解決運動性能與承載能力的協(xié)調(diào)匹配以及保證重載條件下界面特性和整體剛度特性。

5.3 大型零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化和力流優(yōu)化配置技術(shù)

進(jìn)行鍛造操作機(jī)夾持裝置、吊掛裝置、機(jī)架等大型零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化和力流優(yōu)化分析，設(shè)計出合理的結(jié)構(gòu)形式。

5.4 大慣量、大流量、高精度液壓系統(tǒng)控制技術(shù)

針對大型鍛造操作機(jī)運動慣量大、負(fù)載大、精度高的特點，綜合考慮負(fù)載特性、主控制元件、容積效應(yīng)、液壓系統(tǒng)中輔助子系統(tǒng)、主動力子系統(tǒng)、主控制子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)等各方面因素的影響，解決該液壓系統(tǒng)控制的靜、動態(tài)特性問題。

5.5 動態(tài)負(fù)載特征變化與系統(tǒng)功率匹配技術(shù)研究鍛造操作機(jī)工作過程的動態(tài)負(fù)載變化規(guī)律，解決系統(tǒng)負(fù)載特征變化與功率匹配問題，研發(fā)高效節(jié)能的大型鍛造操作機(jī)動力傳輸控制系統(tǒng)。

5.6 多自由度的協(xié)調(diào)和同步控制技術(shù)針對大型鍛造操作機(jī)多執(zhí)行器負(fù)載敏感性，結(jié)合實際工況，研究多執(zhí)行器的復(fù)合控制性能，采用先進(jìn)工業(yè)控制計算機(jī)和傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)合大型鍛造操作機(jī)動力傳輸控制系統(tǒng)的基本控制方案，建立試驗平臺，以模擬仿真和試驗研究相結(jié)合的方式，研究操作機(jī)的控制算法，以確保多個執(zhí)行器動作的協(xié)調(diào)性和同步性，進(jìn)而提高系統(tǒng)復(fù)合動作的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性。

5.7 基于大型鍛件鍛造生產(chǎn)與壓機(jī)聯(lián)合控制的鍛造工藝程序控制技術(shù)

與大型自由鍛造壓機(jī)相結(jié)合，針對典型的大型或特大型鍛件進(jìn)行鍛造工藝研究和探索，在鍛造實驗基礎(chǔ)上開發(fā)出典型鍛件的鍛造工藝程序，應(yīng)用于大型鍛件的工業(yè)批量生產(chǎn)。

6 結(jié)論

鍛造操作機(jī)是鍛件精確制造的基本裝備之一，與自由鍛造壓機(jī)配合實現(xiàn)鍛造作業(yè)，可極大提高鍛造生產(chǎn)效率和鍛件制造質(zhì)量，降低制造成本。本文綜述了鍛造操作機(jī)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，提出了鍛造操作機(jī)未來發(fā)展的研究方向，即大型鍛造操作機(jī)的工作機(jī)理研究與構(gòu)型方案設(shè)計，運動性能與承載能力協(xié)調(diào)匹配和重載條件下界面特性和整體剛度特性，大型零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化和力流優(yōu)化配置技術(shù)，大慣量、大流量、高精度液壓系統(tǒng)控制技術(shù)，動態(tài)負(fù)載特征變化與系統(tǒng)功率匹配技術(shù)，多自由度的協(xié)調(diào)和同步控制技術(shù)以及基于大型鍛件鍛造生產(chǎn)與壓機(jī)聯(lián)合控制的鍛造工藝程序控制技術(shù)等。

[1] 余發(fā)國，高 峰，郭為忠，葛 浩.鍛造操作機(jī)的回顧與展望.機(jī)械設(shè)計與研究[J]，2007 ?？?2－15.

[2] 高 峰，郭為忠，宋清玉，杜鳳山.重型制造裝備國內(nèi)外研究與發(fā)展.機(jī)械工程學(xué)報，2010（19）：92～107.

[3] 俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4] 蔡 墉.我國自由鍛液壓機(jī)和大型鍛件生產(chǎn)的發(fā)展歷程.大型鑄鍛件，2007（1）：37～44.

[5] 姚保森.我國鍛造液壓機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005（3）：28～30.

Developing Status and Trend of Forging Manipulator

ZHANG Yingjie,WEI Lingyun,NIU Yong,HAN Bingtao
（State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment,China National Heavy Machine Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,Shanxi China）

The developing history,research status,and the mechanical structure of the forging manipulator have been overviewed in the text.The researching trend has been put forward,which provides reference for the development of domestic heavy-duty forging manipulator.

Forging manipulator;Developing status;Research trend

TG315

B

1672－0121（2012）02－0011－03

國家科技重大專項項目（2010ZX04013－021）

2011－12－20

張營杰（1965－），男，教授級高工，從事鍛壓裝備與工藝技術(shù)研究