整體成形多向壓力機(jī)

文/約亨·貢內(nèi)爾·德國(guó)拉斯科成型技術(shù)有限公司

想要具有幾何形狀分支的鍛件以整體成形的方式制造，這個(gè)過程無法通過傳統(tǒng)單軸鍛造的方式實(shí)現(xiàn)，但是可以通過使用多向壓力機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在很多應(yīng)用領(lǐng)域，使用多向壓力機(jī)的目的就是通過無飛邊鍛造來減少材料的消耗。多向壓力機(jī)具有高度柔性，可以專門使用配備6根壓力機(jī)軸的液壓驅(qū)動(dòng)器。

下文介紹的是橫向擠壓和模鍛領(lǐng)域的多向液壓機(jī)。渦輪機(jī)葉片預(yù)成形件的鍛造，可以通過臥式液壓鍛造機(jī)HWS和靈活的液壓預(yù)成形設(shè)備“FlexiMat”來實(shí)現(xiàn)。

單動(dòng)壓力機(jī)大多配備一個(gè)垂直壓力機(jī)軸，該裝置能夠同時(shí)閉合模具并開啟實(shí)際成形過程。另外，雙動(dòng)壓力機(jī)配備一個(gè)附加壓力機(jī)軸，通常是拉深墊。多軸壓力機(jī)配備有2至6個(gè)壓力機(jī)軸，因此，閉模動(dòng)作可以與實(shí)際成形過程分離，這是無飛邊鍛造的基礎(chǔ)。

多軸壓力機(jī)的優(yōu)先驅(qū)動(dòng)器是液壓驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)闆]有具體下死點(diǎn)的液壓機(jī)的行程可以靈活修改，而且速度也是可調(diào)的。此外，最大壓力可能會(huì)出現(xiàn)在行程中的任意一點(diǎn)。特別是在配備了壓力軸的大型鍛造中心，只有液壓傳動(dòng)裝置可以與單個(gè)軸進(jìn)行靈活組合。當(dāng)使用多軸壓力機(jī)鍛造時(shí)，需要區(qū)分兩個(gè)應(yīng)用范圍：橫向擠壓過程和專用模鍛過程。

目前，圖1展示的配件通常用單動(dòng)壓力機(jī)制造，這就意味著會(huì)產(chǎn)生毛邊。這會(huì)造成過高的材料消耗、大量的無用功以及競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，尤其對(duì)于大批量生產(chǎn)的配件。通過無飛邊鍛造的方式在閉模中生產(chǎn)這種配件，至少需要一個(gè)附加壓力機(jī)軸或者一個(gè)帶有附加功能的專用工具。圖1展示的鍛件，在節(jié)約材料和減少毛邊的模鍛壓力機(jī)中生產(chǎn)。長(zhǎng)度從3米到15米的大型曲軸在單次行程的操作中鍛造，該尺寸的曲軸多為船用柴油機(jī)、大型泵和壓力機(jī)的偏心軸。

圖1 使用多軸液壓機(jī)的例子

橫向擠壓力機(jī)

需要使用4根可移動(dòng)的軸，通過橫向擠壓的方式制造一個(gè)鍛件。從圖2可以看出，首先將坯料定位，然后兩個(gè)平分模具閉合，最后橫向沖頭開始橫向擠壓。多軸壓力機(jī)或?qū)Ｓ瞄]合裝置對(duì)橫向擠壓來說十分必要，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，軸可以通過液壓的方式組合，也可以通過氣壓彈簧的方式組合。

圖2 橫向擠壓的加工過程

模鍛操作

圖3 渦輪機(jī)葉片的工序

渦輪機(jī)葉片是安全零件。因此，需要特別關(guān)注無瑕疵的預(yù)成形。預(yù)成形件通過兩個(gè)步驟制造，幾乎沒有毛邊（圖3）。在分隔開的閉模中，首先通過鐓鍛來增加材料頭部的體積，然后再制成渦輪機(jī)葉片。通常使用螺旋壓力機(jī)，在沒有加工改造預(yù)成形件的情況下進(jìn)行終鍛。渦輪機(jī)葉片的預(yù)成形件經(jīng)過一兩次打擊后鍛造，隨后在螺旋壓力機(jī)上加工成渦輪機(jī)葉片。

臥式液壓鍛造機(jī)HWS

即使到今天，上述操作都是通過機(jī)械傳動(dòng)的臥式鍛造機(jī)實(shí)現(xiàn)的。圖4為機(jī)械鐓鍛機(jī)的功能原理。臥式鐓鍛壓頭作為偏心驅(qū)動(dòng)器，由主傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。夾持驅(qū)動(dòng)器用來關(guān)閉兩部分組成的模具。它是垂直設(shè)置的，由一個(gè)帶有主傳動(dòng)裝置的堅(jiān)硬機(jī)械軸節(jié)驅(qū)動(dòng)。

圖4 機(jī)械鐓鍛機(jī)的功能原理

這些機(jī)器最大的問題就是兩個(gè)緊密結(jié)合的驅(qū)動(dòng)器之間的永久相互作用。此外，它們是不可彎曲的，模具尺寸和閉合高度都是無法改變的。

臥式液壓鍛造機(jī)HWS是在傳統(tǒng)臥式機(jī)械鍛造機(jī)上進(jìn)一步開發(fā)的產(chǎn)品，目前該產(chǎn)品仍在世界范圍內(nèi)使用。HWS的獨(dú)立液壓軸改善了不利條件。夾持力最多可以設(shè)置為最大頂鍛力的150%，且能夠安全地關(guān)閉機(jī)具，并獨(dú)立進(jìn)行鐓鍛操作。并且，可以保留正在使用的機(jī)具。在控制工程方面，配備了具有自動(dòng)機(jī)械和傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)裝置。

拉斯科公司首臺(tái)HWS（圖5）的頂鍛力達(dá)到3150kN，該產(chǎn)品將于2018年秋天交付給渦輪機(jī)葉片制造商。該客戶擁有數(shù)臺(tái)傳統(tǒng)臥式鍛造機(jī)，希望通過此設(shè)備大幅度提高葉片預(yù)成形件的精度。

圖5 臥式液壓鍛造機(jī)HWS

液壓預(yù)成形機(jī)器——FlexiMat

FlexiMat的開發(fā)源于德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部資助的一個(gè)項(xiàng)目（資金編號(hào)：17PNT023），并在固態(tài)成形行業(yè)的LFM Iserlohn公司和拉斯科公司的指導(dǎo)下進(jìn)行。兩個(gè)公司共同設(shè)計(jì)了預(yù)成形機(jī)，開發(fā)了機(jī)器的基本功能，評(píng)估了機(jī)器效率。

FlexiMat的特點(diǎn)是擁有兩個(gè)垂直的閉合和成形軸以及兩個(gè)獨(dú)立的臥式鐓鍛軸的模塊化設(shè)計(jì)（圖6）。因此，可以生產(chǎn)七個(gè)基礎(chǔ)形狀——在組合物中，可以通過多個(gè)（多達(dá)三種）成形方法制作更多幾何形狀復(fù)雜的零件，可以進(jìn)行單獨(dú)和多重操作的傳輸系統(tǒng)用來運(yùn)輸零件。

圖6 FlexiMat的功能原理

圖7 FlexiMat 40/60

同時(shí)，拉斯科公司已經(jīng)可以批量生產(chǎn)FlexiMat。該型號(hào)首臺(tái)壓力機(jī)FlexiMat 40/60（圖7）擁有4000kN的臥式頂鍛力，6000kN的閉合力。我們的客戶Leistritz Turbinentechnik已經(jīng)預(yù)定了該機(jī)器。該機(jī)器將被交付給位于泰國(guó)的工廠，與其同時(shí)引進(jìn)的拉斯科螺旋壓力機(jī)SPR 1600的預(yù)成形設(shè)備配套使用。

液壓伺服直接驅(qū)動(dòng)器

如上所述，液壓驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)器，可以靈活地將多個(gè)壓力機(jī)軸彼此聯(lián)接起來。過去幾年，拉斯科公司一直關(guān)注最新開發(fā)的液壓伺服直接驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)技術(shù)以啟動(dòng)液壓泵的伺服電動(dòng)機(jī)而著名。與伺服電動(dòng)機(jī)出色的可控性原理相反，傳統(tǒng)的壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)器通常受到恒速運(yùn)轉(zhuǎn)的異步電動(dòng)機(jī)的影響。伺服電動(dòng)機(jī)可以精確地控制速度、扭矩和泵轉(zhuǎn)子的位置。因此，可以通過伺服電動(dòng)機(jī)單獨(dú)控制速度、壓力、甚至是液壓缸的活塞位置?？刂崎y和調(diào)節(jié)閥的使用并不是必需的。圖8顯示了傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)器和現(xiàn)代化液壓伺服直接驅(qū)動(dòng)器的對(duì)比。

通常情況下，液壓伺服泵在活塞上面運(yùn)行驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)泵或者泵組在活塞下面運(yùn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)原理還允許進(jìn)行能量恢復(fù)，這指的是壓制操作之后，油缸中的壓縮油通過泵反轉(zhuǎn)來啟動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)。除了出色的可控性，伺服直接驅(qū)動(dòng)器在節(jié)能方面擁有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)壓力機(jī)油缸沒有移動(dòng)的時(shí)候，所有的電機(jī)都是停止的，而且無需能量。

表1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能耗的對(duì)比

圖8 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器和伺服直接驅(qū)動(dòng)器的對(duì)比

拉斯科公司可以測(cè)量客戶的能耗，該客戶同時(shí)操作一臺(tái)800噸的傳統(tǒng)液壓金屬板壓力機(jī)和一臺(tái)配備有液壓伺服直接驅(qū)動(dòng)器的現(xiàn)代化拉斯科壓力機(jī)。測(cè)量能耗時(shí)需將相同的機(jī)具在30分鐘內(nèi)交替安裝在兩個(gè)壓力機(jī)中。表1顯示了測(cè)量結(jié)果。液壓伺服直接驅(qū)動(dòng)器的單個(gè)零件的能量消耗是36.9%，小于傳統(tǒng)液壓機(jī)的能量消耗。

結(jié)束語

液壓設(shè)備是多軸壓力機(jī)的優(yōu)先驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。最新開發(fā)的液壓伺服直接驅(qū)動(dòng)器可以明顯提高機(jī)器的靈活性和能效。渦輪機(jī)葉片生產(chǎn)的例子展示了兩個(gè)最新開發(fā)的用于模鍛操作的多軸壓力機(jī)。