冷溫精鍛壓力機(jī)的最新進(jìn)展與難點(diǎn)分析及對策

文/夏巨諶，金俊松，王新云?華中科技大學(xué)

馮儀，余俊?武漢新威奇科技有限公司

冷溫精鍛壓力機(jī)的最新進(jìn)展與難點(diǎn)分析及對策

文/夏巨諶，金俊松，王新云?華中科技大學(xué)

馮儀，余俊?武漢新威奇科技有限公司

冷溫精鍛壓力機(jī)的最新進(jìn)展

為了更好地適應(yīng)高強(qiáng)鋼冷溫精鍛成形和高強(qiáng)度鋁合金溫?zé)峋懗尚蔚囊螅?016年武漢新威奇科技有限公司成功研制Y68SK-315型高性能伺服液壓機(jī)和J58ZK-500型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

伺服壓力機(jī)的工作原理與特點(diǎn)

⑴工作原理。

Y68SK精鍛伺服液壓機(jī)使用液壓站采用“泵控伺服”技術(shù)，通過對泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的精確控制，實(shí)現(xiàn)流量和壓力精確控制。主要由電液伺服驅(qū)動(dòng)器、三相交流永磁同步電機(jī)、德國福伊特高性能專用伺服泵、壓力傳感器等幾部分組成。由于油泵的輸出流量正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油路內(nèi)的壓力正比于電機(jī)的輸出扭矩，通過對系統(tǒng)壓力、流量雙閉環(huán)控制，采用矢量控制+弱磁控制+專用PID控制算法，完成對泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的精確控制。按照實(shí)際需要的流量和壓力實(shí)現(xiàn)精確供給，消除高壓節(jié)流的能源損耗，克服了傳統(tǒng)“閥控伺服”系統(tǒng)高壓節(jié)流產(chǎn)生的油溫升高過快的問題，達(dá)到節(jié)能省電的效果，同時(shí)降低系統(tǒng)油溫，最高節(jié)能率達(dá)70%，平均節(jié)能率達(dá)30%。

1)柔性高?；瑝K運(yùn)動(dòng)曲線可根據(jù)不同精鍛工藝和模具要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，可設(shè)計(jì)特殊的工作特性曲線，進(jìn)行高難度、高精度成形，實(shí)現(xiàn)滑塊“自由運(yùn)動(dòng)”?；瑝K可以設(shè)置為自由工作模式，也可設(shè)定為下死點(diǎn)保壓等功能模式，大大提高了液壓機(jī)智能化程度和適用范圍。

2)效率高。可以根據(jù)實(shí)際情況的需要，在較大范圍內(nèi)設(shè)定滑塊行程次數(shù)，在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)滑塊速度。此外，伺服液壓機(jī)行程也可以方便地調(diào)整，能根據(jù)成形工藝需要，使液壓機(jī)在必要的最小行程內(nèi)工作，生產(chǎn)效率得以提高。

3)精度高。伺服液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以精確控制，裝有滑塊位移檢測裝置，滑塊的任意位置可以準(zhǔn)確控制?；瑝K運(yùn)動(dòng)特性可以優(yōu)化，例如拉伸、彎曲及壓印時(shí)，合理的滑塊曲線可減少回彈，提高制件精度。通過閉環(huán)控制，滑塊的重復(fù)定位精度高，保證了同批制件的精度。

4)噪聲低。伺服液壓機(jī)在工作中能減少噪聲3～10dB，在滑塊靜止時(shí)可減少噪聲30dB以上，大大減少了對操作人員及環(huán)境的影響。

5)節(jié)能省電。與傳統(tǒng)液壓機(jī)比較節(jié)能效果顯著，根據(jù)精鍛成形工藝和生產(chǎn)節(jié)拍不同，伺服驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)比傳統(tǒng)液壓機(jī)可節(jié)電30%～70%。

6)成形性能好。伺服驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)能很好地滿足一些新材料的成形工藝要求。除了鋁合金精鍛成形外，還適合于鎂合金精密成形，鎂合金液壓成形時(shí)需將其加熱到250℃～350℃，由于大部分鎂合金產(chǎn)品為薄板結(jié)構(gòu)，毛坯加熱后在模具中的冷卻速度非?？欤虼?，在傳統(tǒng)的液壓機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)恒溫液壓成形。采用伺服驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)，選用合適的滑塊運(yùn)動(dòng)曲線，易于控制成形溫度、防止工件表面氧化，并獲得理想的高質(zhì)量產(chǎn)品。

7)操作方便。針對模鍛行業(yè)專門開發(fā)的控制系統(tǒng)和人機(jī)交互界面，可以方便進(jìn)行滑塊曲線設(shè)定，滑塊位置、速度的顯示和記錄，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷，設(shè)備安全性更高。

8)維護(hù)保養(yǎng)方便。由于取消了液壓系統(tǒng)中的比例伺服液壓閥、調(diào)速回路、調(diào)壓回路，液壓系統(tǒng)大大簡化。對液壓油的清潔度要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液壓比例伺服系統(tǒng)，減少了液壓油污染對系統(tǒng)的影響。

圖1所示為Y68SK-315伺服液壓機(jī)樣機(jī)。

⑵主要技術(shù)參數(shù)。

表1為Y68SK系列精鍛型伺服液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（武漢新威奇科技有限公司）。

直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)

⑴驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理與特點(diǎn)。

圖1 Y68SK-315伺服液壓機(jī)樣機(jī)

直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的最新發(fā)展，其基本結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示。它由冷卻電機(jī)1、主電機(jī)定子2、轉(zhuǎn)子3、螺桿4、上橫梁5、推力軸承6和拉桿7等主要零部件組成。主電機(jī)定子2固定在上橫梁5的上面，主電機(jī)轉(zhuǎn)子3固定在飛輪外圓柱面上，帶有轉(zhuǎn)子3的飛輪與螺桿4固結(jié)為一體，其余結(jié)構(gòu)與非直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)相同。主電機(jī)2、3正反通電時(shí)，與飛輪為一體的轉(zhuǎn)子3在磁場作用下作正反快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺桿4以相同的速度正反旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)滑塊向下與向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模鍛成形功能。

表1 Y68SK系列精鍛型伺服液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（武漢新威奇科技有限公司）

圖2 直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

基于上述原理，武漢新威奇科技有限公司于2016年研制成公稱壓力為5MN的J58ZK型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，其樣機(jī)如圖3所示，主要技術(shù)參數(shù)列入表2。

⑵主要技術(shù)參數(shù)。

圖3 J58ZK—500型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)樣機(jī)

表2 J58ZK-500型直驅(qū)式數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

由于性能先進(jìn)、運(yùn)行平穩(wěn)，Y68SK-315型伺服壓力機(jī)已由揚(yáng)州恒通精密機(jī)械有限公司采購。J58ZK-500型直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)已由浙江躍進(jìn)有色金屬制造有限公司簽訂采購意向協(xié)議。

難點(diǎn)分析及對策

精密液壓機(jī)的難點(diǎn)分析及對策

⑴液壓傳動(dòng)系統(tǒng)漏油。其主要原因是為了追求低成本，所采用的液壓元器件質(zhì)量差，壓力機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后就開始漏油。既影響操作工人的身體健康，又污染場地，建議采用高性能優(yōu)質(zhì)的液壓元器件。

⑵滑塊速度慢。其工進(jìn)速度一般在20mm/s以內(nèi)，這對于閉式冷精鍛尚可，但對于軸類件多工位冷擠壓就影響生產(chǎn)效率?？論跛俣纫话銥?50mm/ s～200mm/s，導(dǎo)致行程次數(shù)少，生產(chǎn)節(jié)拍慢。建議對于黑色金屬冷精鍛及冷擠壓其工進(jìn)速度應(yīng)為30mm/s左右。溫鍛時(shí)工進(jìn)速度應(yīng)為50mm/ s～100mm/s，對于鋁合金精鍛應(yīng)為30mm/s～40 mm/s?？粘趟俣葢?yīng)為400mm/s～500mm/s。

⑶開發(fā)高性能多工位液壓機(jī)滿足軸類件與杯桿類零件冷溫精鍛要求。對于多工位精鍛壓力機(jī)，其噸位一般在1600t或者更大，除采用加長滑塊及導(dǎo)軌精密導(dǎo)向裝置外，宜采用三缸驅(qū)動(dòng)和比例閥乃至伺服閥實(shí)現(xiàn)同步控制，滑塊空程速度為500mm/s，工進(jìn)速度為34mm/s、50mm/s、100mm/s，工位數(shù)4～5，既能滿足低碳合金鋼軸類件多工位冷精鍛工藝要求，又能滿足中碳合金鋼杯桿類零件多工位溫精鍛工藝要求。

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的難點(diǎn)分析及對策

⑴開發(fā)多工位電動(dòng)螺旋壓力機(jī)能更好滿足溫精鍛工藝要求。對于黑色金屬溫精鍛的初始溫度一般為800±20℃，當(dāng)溫精鍛為多工步成形時(shí)，其終鍛溫度將大為降低，導(dǎo)致變形抗力急劇增加、成形困難、模具壽命降低；對于鍛造鋁合金熱精鍛時(shí)其溫度范圍一般在100℃以內(nèi)，溫精鍛溫度范圍更小。溫度過低很容易使鍛件產(chǎn)生開裂。

目前，為減少偏心載荷對鍛件精度的影響，多采用單機(jī)連線，為保證中心打擊，每臺(tái)壓力機(jī)上只完成一個(gè)工步。這不僅影響鍛件質(zhì)量、模具壽命，還影響生產(chǎn)效率。

建議開發(fā)多工位電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)加寬工作臺(tái)面，通過增大螺桿直徑、機(jī)身橫截面積，保證機(jī)身強(qiáng)度、剛度和抗偏載能力。

⑵開發(fā)智能型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。以目前的數(shù)字化控制和打擊能量可準(zhǔn)確控制為基礎(chǔ)，增加滑塊打擊速度、位移、打擊力及溫度等工藝技術(shù)參數(shù)的信息采集與處理系統(tǒng)，以獲得優(yōu)質(zhì)合格溫精鍛件的工藝參數(shù)作為比照樣本；通過開發(fā)智能化控制系統(tǒng)使壓力機(jī)在溫精鍛過程中具有“自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自調(diào)整”即智能化的功能。使我國中小電動(dòng)螺旋壓力機(jī)居世界領(lǐng)先水平。

結(jié)束語

本文通過介紹冷溫精鍛壓力機(jī)的種類及特點(diǎn)，著重介紹了華中科技大學(xué)同相關(guān)單位合作研制的數(shù)控精鍛液壓機(jī)與數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的特點(diǎn)，推廣應(yīng)用情況，同時(shí)也簡要介紹存在的問題及難點(diǎn)，并提出了一些解決的對策。