淺論鈦加工企業(yè)快鍛機(jī)的選擇

趙富勝

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471039)

隨著我國鈦加工行業(yè)的飛速發(fā)展，近年來，先進(jìn)的油壓泵直接傳動(dòng)式快速自由鍛快鍛機(jī)(以下簡稱快鍛機(jī))在鈦加工行業(yè)的應(yīng)用越來越多。與鍛錘相比，快鍛機(jī)是用液體靜壓力使金屬變形，能量利用率高，操作安全，可改善工人的勞動(dòng)條件；自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化程序控制；可以大壓下量鍛造，能改善大鍛件的鍛透性。采用快鍛機(jī)鍛造時(shí)，變形速度慢，再結(jié)晶軟化能充分進(jìn)行，變形抗力小，塑性高；而在錘上鍛造時(shí)，由于變形速度高，使熱效應(yīng)增大，鍛件過熱危險(xiǎn)性增大，晶粒粗大，塑性降低，不利于鍛造成型和改善組織性能。由于鈦合金對應(yīng)變速率比較敏感，變形速率越大則變形抗力越大，因此，采用快鍛機(jī)鍛造更加合適。本文通過幾個(gè)方面的比較對鈦加工行業(yè)快鍛機(jī)設(shè)備的選擇做簡單分析。

1 公稱壓力的選擇

2 快鍛機(jī)結(jié)構(gòu)型式的選擇

常見的快鍛機(jī)結(jié)構(gòu)可分為三梁四柱式和三梁雙柱式，在此基礎(chǔ)上根據(jù)傳動(dòng)型式又分為上壓式(工作缸安裝在上橫梁上)和下拉式(工作缸安裝在下橫梁上)兩大類型。圖1～圖4分別為四柱上壓式、四柱下拉式、雙柱上壓式和雙柱下拉式快鍛機(jī)。

圖1 四柱上壓式快鍛機(jī)

圖2 四柱下拉式快鍛機(jī)

圖3 雙柱上壓式快鍛機(jī)

圖4 雙柱下拉式快鍛機(jī)

三梁四柱式快鍛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其具有較好的穩(wěn)定性和較高的抗偏心載荷能力。三梁雙柱式快鍛機(jī)的立柱中心線與鍛造操作中心線有一夾角，此特征使其具有更好的操作視野、更佳的鍛造天車或鍛造操作機(jī)可接近性；對于環(huán)和餅類鍛件的鍛造，其具有更大的工作空間。雙柱結(jié)構(gòu)與四柱結(jié)構(gòu)的詳細(xì)對比結(jié)果見表1。由表1可看出，雙柱快鍛機(jī)更具優(yōu)勢，這也可以解釋為什么近年來新上的快鍛機(jī)均為雙柱式，目前世界上最大的185MN快鍛機(jī)采用的即是雙柱結(jié)構(gòu)。

表1 雙柱式快鍛機(jī)與四柱式快鍛機(jī)對比

2.1 上壓式和下拉式

20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)了雙柱下拉式鍛造液壓機(jī)，20世紀(jì)70年代中期英國開發(fā)出世界上第一臺(tái)雙柱上壓式快鍛機(jī)。圖5為這兩種型式快鍛機(jī)的對比圖。

圖5 上壓式和下拉式快鍛機(jī)對比圖

上壓式快鍛機(jī)的下橫梁固定，靠在上橫梁中的工作缸推動(dòng)活動(dòng)橫梁下壓來進(jìn)行鍛造，回程由回程缸完成。下拉式快鍛機(jī)則由上橫梁、下橫梁和兩根立柱通過螺母聯(lián)結(jié)為一個(gè)活動(dòng)的剛性機(jī)架，工作缸固定在下橫梁上，且工作缸是隨機(jī)架一起運(yùn)動(dòng)，工作缸的柱塞則固定在固定梁上；當(dāng)高壓液體通過工作柱塞中的孔道進(jìn)入工作缸時(shí)，推動(dòng)工作缸并帶動(dòng)整個(gè)活動(dòng)機(jī)架向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓下，回程同樣由回程缸完成。此兩種結(jié)構(gòu)型式的快鍛機(jī)各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。

上壓式的優(yōu)點(diǎn)有，油缸和管線都在地上，漏油易發(fā)現(xiàn)；移動(dòng)質(zhì)量小、對基礎(chǔ)的沖擊??；基礎(chǔ)較為簡單，投資少，易安裝。上壓式的缺點(diǎn)有，重心高，抗傾翻能力較弱；地面高度高，廠房高，管線要穿過快鍛機(jī)，泄漏的油將直接滴在地上或工件上，易引起火災(zāi)；液壓站到主機(jī)的管線較長，影響鍛造頻次。

下拉式的優(yōu)點(diǎn)有，快鍛機(jī)高度低、廠房低、易于更換上砧；快鍛機(jī)中心點(diǎn)下移，偏心力矩小，快鍛機(jī)不易傾翻；主缸在地下，由于主缸泄露引起火災(zāi)的可能性低，更安全；油缸與液壓系統(tǒng)的管線短，可提高鍛造頻次。下拉式的缺點(diǎn)有，所需基礎(chǔ)較深；由于液壓系統(tǒng)在地下，需要考慮地下的通風(fēng)、散熱、照明，設(shè)置懸掛天車用于檢修，使基礎(chǔ)較為復(fù)雜，投資較大；液壓系統(tǒng)在地下導(dǎo)致其檢修和維護(hù)較較麻煩；移動(dòng)質(zhì)量較大，使其回程力增大，導(dǎo)致回程缸增大；對于大型快鍛機(jī)(25MN以上)設(shè)計(jì)復(fù)雜，而25MN以下整體框架結(jié)構(gòu)的快鍛機(jī)，其整體鑄造框架較重，采購、運(yùn)輸和安裝成本高。綜合來說，下拉式快鍛機(jī)由于基礎(chǔ)深且龐大，總體投資較上壓式的約高10%，但鍛造頻次能提高5%～10%，適宜廠房高度低和25MN以下的快鍛機(jī)。

2.2 環(huán)抱式導(dǎo)向與“X”型導(dǎo)向

除了液壓系統(tǒng)的控制精度影響快鍛機(jī)的壓下精度外，導(dǎo)向精度也對快鍛機(jī)性能有重大影響。導(dǎo)向精度高而導(dǎo)向調(diào)節(jié)工作量低一直是快鍛機(jī)追求的目標(biāo)。常用的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)有環(huán)抱式導(dǎo)向和“X”型導(dǎo)向。環(huán)抱式導(dǎo)向快鍛機(jī)結(jié)構(gòu)見圖6和圖7，“X”型導(dǎo)向快鍛機(jī)結(jié)構(gòu)見圖8和圖9。

圖6 環(huán)抱式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)快鍛機(jī)

環(huán)抱式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)使活動(dòng)橫梁通過導(dǎo)向套將立柱完全包圍起來，從而使立柱和活動(dòng)橫梁成為一個(gè)整體，增大了快鍛機(jī)的機(jī)架剛度，而機(jī)架整體剛度的增大使其抗偏心載荷能力提高。但同時(shí)也增加了活動(dòng)橫梁的重量，且由于其導(dǎo)向面一般有20～24個(gè)，因此導(dǎo)向間隙調(diào)節(jié)的工作量較大。

圖7 環(huán)抱式導(dǎo)向裝置示意圖

圖8 “X”型導(dǎo)向結(jié)構(gòu)快鍛機(jī)

“X”型導(dǎo)向具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)導(dǎo)向塊少。如圖9所示，“X”型導(dǎo)向共有4各導(dǎo)向面，每個(gè)導(dǎo)向面一般有1～2個(gè)導(dǎo)向塊，整個(gè)快鍛機(jī)共有4～8個(gè)導(dǎo)向塊，因此其在調(diào)節(jié)導(dǎo)向間隙時(shí)的工作量小;

圖9 “X”型導(dǎo)向裝置示意圖

2)熱影響小。其導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與立柱存在一個(gè)45°夾角，在受熱時(shí)可以沿著45°方向自由伸長，理論上在冷熱狀態(tài)下可以不調(diào)節(jié)間隙，因此其導(dǎo)向間隙可以設(shè)置很小(小于1mm)；

3)移動(dòng)橫梁重量小。如圖8所示，此種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)使移動(dòng)橫梁只在兩個(gè)立柱之間，降低了移動(dòng)橫梁的重量；

4)對中性好。如圖9所示，每個(gè)相對導(dǎo)向面的中心連線都通過了快鍛機(jī)的中心點(diǎn)(即中間主缸的中心)，因此上橫梁在受熱膨脹時(shí)其中間主缸中心偏移量很小。

與環(huán)抱式導(dǎo)向相比，“X”型導(dǎo)向的劣勢在于：

1)抗偏心鍛造能力弱。如圖8所示，由于其與導(dǎo)向面接觸的導(dǎo)向臂較薄，在偏心鍛造時(shí)需要承受較大的偏心力和偏心力矩，因此其抗偏心鍛造的能力較弱；

2)所需加工精度高。如圖9所示，由于每個(gè)相對導(dǎo)向面的中心連線都通過了快鍛機(jī)的中心點(diǎn)(即中間主缸的中心)，其上橫梁就必須滿足一定的加工精度以實(shí)現(xiàn)此特點(diǎn)；

3)只適合中間缸大，兩側(cè)缸小的快鍛機(jī)或單缸結(jié)構(gòu)快鍛機(jī)。

2.3 變量泵和定量泵

快鍛機(jī)的液壓系統(tǒng)可以選擇定量泵也可以選擇變量泵。在轉(zhuǎn)速恒定的條件下，輸出流量可變的為變量泵，反之為定量泵。葉片泵通過調(diào)節(jié)偏心距、柱塞泵通過調(diào)節(jié)滑板角度可以實(shí)現(xiàn)變量。

定量泵系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)系統(tǒng)配置簡單，使用方便，價(jià)格便宜；

2)調(diào)速調(diào)壓過程中的功率損失大，系統(tǒng)無功功率較多，單位產(chǎn)品能耗高；

3)定量泵對液壓油的潔凈度要求不高，一般只配置過濾精度較低的吸油過濾器，如果液壓系統(tǒng)清潔度較差，則液壓系統(tǒng)故障率高；

4)無功功率轉(zhuǎn)化為熱能，液壓油油溫較高，液壓油和密封件壽命減短。

變量泵系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

1)相同功率機(jī)器可配置較大排量油泵(一般增加20%)，整機(jī)速度加快；

2)按機(jī)器控制要求輸出流量和壓力，功率消耗減少，比定量油泵系統(tǒng)可節(jié)電20%～45%；

3)無功功率減少，系統(tǒng)發(fā)熱低，液壓油油溫較低，液壓油和密封件壽命延長；

4)保壓時(shí)溢流量減少，系統(tǒng)噪音較低。

與定量泵相比，變量泵可根據(jù)負(fù)載所需速度調(diào)節(jié)泵的輸出流量，并根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)泵的輸出壓力。即變量泵可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)壓力、流量的連續(xù)控制。

快鍛機(jī)的液壓系統(tǒng)，可采用全變量泵也可采用定量泵+變量泵組合的方式來實(shí)現(xiàn)對快鍛機(jī)速度的控制。全用變量泵，快鍛機(jī)的速度控制精度高，速度調(diào)節(jié)范圍大，運(yùn)行中節(jié)能效果較為顯著，但投資較大；采用變量泵+定量泵組合的方式，雖然也能實(shí)現(xiàn)速度的無極調(diào)速，但精度較低，調(diào)節(jié)范圍小，但此種方式即可滿足快鍛機(jī)的精度要求，投資也不高。

定量泵+變量泵組合的方式又分為兩種情況，一種是采用雙出軸電機(jī)，電機(jī)的一端帶定量泵，另一端帶變量泵，也就是一半定量一半變量；另一種則采用單出軸電機(jī)，若干臺(tái)定量泵+若干臺(tái)變量泵，一般采用2～4臺(tái)變量泵用于調(diào)節(jié)快鍛機(jī)速度，也有采用雙級(jí)定量泵+一級(jí)變量泵來實(shí)現(xiàn)快鍛機(jī)調(diào)速的。

從目前國內(nèi)外快鍛機(jī)情況來看，除PAHNKE采用全變量泵系統(tǒng)之外，其他均采用定量泵+變量泵組合的方式。

2.4 預(yù)應(yīng)力拉桿

大型快鍛機(jī)的預(yù)應(yīng)力拉桿結(jié)構(gòu)主要參照國外的兩種形式，SMS的雙拉桿結(jié)構(gòu)以及PAHNKE和SPS的多拉桿結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)形式比較如下：

1)多拉桿比雙拉桿的單根拉桿重量小，易于制造、加工和熱處理，相應(yīng)的拉桿越多，其每根拉桿的性能均勻性要求就越高；

2)多拉桿結(jié)構(gòu)使立柱的截面積增大，從而提高了快鍛機(jī)的剛度和穩(wěn)定性；

3)多拉桿結(jié)構(gòu)使快鍛機(jī)承受的偏心載荷分散到每根拉桿上，使得快鍛機(jī)的抗傾翻能力增強(qiáng)；

4)拉桿越多，預(yù)緊和安裝都比較麻煩。

2.4 蓄能器

蓄能器是實(shí)現(xiàn)快鍛機(jī)快鍛功能的關(guān)鍵設(shè)備，蓄能器有皮囊式和活塞式兩種。皮囊式的單價(jià)便宜，但是可能需要一組多個(gè)皮囊式蓄能器；活塞式的單價(jià)貴，使用壽命長，但需要進(jìn)口，只需1個(gè)活塞式蓄能器+若干個(gè)氣瓶即可。

3 結(jié)論

1)對于需要快鍛機(jī)的鈦加工企業(yè)來說，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選擇合適自己的快鍛機(jī)是一個(gè)很重要的工作?？偟膩碚f，如果需要更高的快鍛頻次，且地質(zhì)條件較好，開挖深基礎(chǔ)較為容易，則可以選擇下拉式快鍛機(jī)；

對于25MN以上的快鍛機(jī)，上壓式的更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；

2)對于國產(chǎn)快鍛機(jī)來說，由于精度原因，“X”型導(dǎo)向在設(shè)備制造上略有難度；

3)采用雙出軸電機(jī)，電機(jī)的一端帶定量泵，另一端帶變量泵的液壓系統(tǒng)即能滿足快鍛機(jī)的精度要求，又可節(jié)省設(shè)備投資，是目前國內(nèi)應(yīng)用較多的一種主泵系統(tǒng)布置方式；

4)對國產(chǎn)快鍛機(jī)來說，采用多根較小的預(yù)應(yīng)力拉桿比采用雙拉桿更合適。因?yàn)樵酱值睦瓧U其制造難度越大，質(zhì)量不易保證；

5)對于蓄能器，若考慮節(jié)省設(shè)備一次性投資，則可選擇皮囊式；若考慮設(shè)備維護(hù)成本，則可以考慮活塞式。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑形工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊.第一卷，鍛造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑形工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊.第三卷，鍛壓車間設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]稀有金屬材料加工手冊編寫組.稀有金屬材料加工手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

[4]鍛壓技術(shù)手冊編委會(huì).鍛壓技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.