一種鋁合金快速鍛造液壓機(jī)

文／張海杰·合肥合鍛智能制造股份有限公司

本文介紹了鋁合金快速鍛造液壓機(jī)研發(fā)的必要性，在分析現(xiàn)有生產(chǎn)工藝流程模式下成形設(shè)備不足的基礎(chǔ)上闡述了使用鋁合金快速鍛造液壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)。之后闡述了鋁合金快速鍛造液壓機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)條件，包括主機(jī)參數(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，并指出該種成形液壓機(jī)的設(shè)計(jì)成功將極大提高生產(chǎn)效率、降低能耗、噪聲，為該生產(chǎn)工藝的廣泛應(yīng)用提供可能。

目前，鋁合金鍛造工藝流程為加熱、鐓粗、拔長(zhǎng)、滾圓、整形、冷卻。通常采用普通鍛造液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)熱鍛成形，但存在生產(chǎn)效率低、能耗較大、工作現(xiàn)場(chǎng)噪聲大等問(wèn)題。

鋁合金快速鍛造液壓機(jī)（圖1），可采用人工或機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各工序之間的流轉(zhuǎn)，提高了生產(chǎn)效率，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，對(duì)普通自由鍛液壓機(jī)在用于鋁合金鍛造時(shí)的使用工況進(jìn)行分析優(yōu)化后，采用外部液壓控制恒流量泵組和泵直驅(qū)系統(tǒng)，以提高設(shè)備控制精度，降低能量傳遞過(guò)程中的損耗和待機(jī)時(shí)的空運(yùn)行能耗及噪聲，總能耗降低30%左右，噪聲降低10～15db以上，有效的降低了生產(chǎn)能耗和噪聲。

鋁合金快速鍛造生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

圖2所示為鋁合金快速鍛造工藝布局圖。鋁合金快速鍛造生產(chǎn)工藝如下：原材料通過(guò)送料機(jī)進(jìn)入加熱爐加熱→傳送至出料臺(tái)的取料位置→人工或R1機(jī)器人取料→人工或R1機(jī)器人送入液壓機(jī)工作區(qū)→操作機(jī)在工作區(qū)接受工件→操作機(jī)在20000kN壓機(jī)上完成鐓粗、拔長(zhǎng)、滾圓、整形工藝→人工或R1機(jī)器人由壓機(jī)工作區(qū)取出鍛件送至冷卻、轉(zhuǎn)運(yùn)堆放區(qū)，待冷卻后進(jìn)行時(shí)效得到成品。

圖1 鋁合金快速鍛造液壓機(jī)

圖2 鋁合金快速鍛造工藝布局圖

鋁合金快速鍛造液壓機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

滑塊壓制和退回速度快

鋁合金鍛造零件的鍛造溫度一般在400～500℃左右，鍛造溫度區(qū)間很小，一般在70～100℃之間，工件出爐后溫度很快就會(huì)下降到終鍛溫度，必須快速完成鍛造。如果鍛造速度不夠，不能完成全部鍛造工序，就需要重新加熱，極大的延長(zhǎng)了制造時(shí)間、降低了生產(chǎn)效率，并會(huì)產(chǎn)生很大的能源浪費(fèi)。因此，20000kN快速鍛造液壓機(jī)在滿噸位時(shí)的成形速度一般要求≥80mm/s，退回速度≥300mm/s。

設(shè)備偏載較大，沖擊振動(dòng)大

根據(jù)成形零件及模具的相關(guān)要求，20000kN的液壓機(jī)臺(tái)面（長(zhǎng)×寬）為1800mm×1200mm。相對(duì)臺(tái)面較小的模具通過(guò)T形槽固定的臺(tái)板上，模具中心與壓機(jī)中心在安裝模具時(shí)會(huì)存在一定的誤差，使用過(guò)程中這個(gè)誤差會(huì)加大；操作機(jī)在擺放工件時(shí)也會(huì)有誤差，這些都會(huì)導(dǎo)致壓機(jī)存在一定的偏載。特別是拔長(zhǎng)和滾圓工序，工件幾乎不可能擺放在模具正中心，此時(shí)設(shè)備必定存在很大的偏載力矩。設(shè)備滑塊快速接觸工件并壓制的過(guò)程中在上模和工件接觸時(shí)會(huì)像鐵錘敲打一樣產(chǎn)生很大的沖擊振動(dòng)。

設(shè)備的滑塊運(yùn)行精度要求高

由于鋁合金鍛造中，鋁材料的特殊性，在鍛造壓制過(guò)程中的材料抗力不是單向均勻變化的，液壓機(jī)滑塊的速度精度和定位精度對(duì)于鍛件的成形質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很大影響。如果滑塊速度和位置精度不夠，會(huì)導(dǎo)致鍛件的內(nèi)部流線、組織分布不均勻，外形尺寸偏差加大，提高鍛件產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，增加后續(xù)的加工量，影響生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致鍛件的報(bào)廢。由于該設(shè)備需滿足配合機(jī)器人實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)工件的外形尺寸要求較高。如果工件的外形尺寸偏差較大，會(huì)影響機(jī)器人正常抓取工件，增加人工干預(yù)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線運(yùn)行效率降低。

鋁合金快速鍛造液壓機(jī)的主要方案

針對(duì)鋁合金鍛造成形工藝對(duì)設(shè)備的特殊要求：精度高、偏載力較大，以及對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程的詳細(xì)研究分析，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用各種內(nèi)外部資源，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高精度、高效率、節(jié)能環(huán)保。

液壓機(jī)機(jī)身框架以傳統(tǒng)三梁四柱機(jī)身為基礎(chǔ)，優(yōu)化了上下梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了框架柔性以吸收沖擊，梁焊后采用退火徹底消除焊接應(yīng)力，保證了機(jī)身的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)鋁合金鍛造成形工藝的特點(diǎn)：零件較小、應(yīng)力較為集中，滑塊采用單缸加壓的形式有效的適應(yīng)應(yīng)力集中的使用工況。

滑塊本體采用鋼板焊接成箱形結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用有限元進(jìn)行分析和優(yōu)化，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，焊后退火消除焊接應(yīng)力?？紤]到鍛件生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備偏載要求，增加滑塊高度并優(yōu)化改造了滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，滑塊的導(dǎo)向采用導(dǎo)套導(dǎo)向，導(dǎo)套的結(jié)構(gòu)和尺寸經(jīng)過(guò)精密計(jì)算、優(yōu)化，從而保證滑塊在熱環(huán)境下膨脹變形和較大的偏心載荷情況下的的運(yùn)行精度。

根據(jù)成形速度和位移精度的要求，按照常規(guī)液壓機(jī)設(shè)計(jì)，滑塊壓制速度會(huì)隨著負(fù)載壓力變化而變化，不能保證壓制速度恒定，速度不穩(wěn)定又會(huì)導(dǎo)致位移精度下降。因此，20000kN鋁合金快速鍛造液壓機(jī)，采用恒流量泵搭載負(fù)載壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以保持輸出端的流量不隨負(fù)載壓力變化而變化，從而提高速度精度；在補(bǔ)償系統(tǒng)輸入端采用比例伺服閥，用來(lái)調(diào)節(jié)滑塊速度、控制滑塊位移。

根據(jù)鍛造工藝過(guò)程的分析結(jié)果，油泵采用外部液壓控制泵的輸出流量，除成形和回程階段外，泵的排量降低80%～90%，噪聲降低10～15db，用電量降低30%以上，冷卻功率降低30%，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降噪，大大改善了操作環(huán)境，降低了使用成本。

壓機(jī)的滑塊壓力控制采用比例調(diào)壓，壓力調(diào)整范圍為公稱壓力的10%～100%，壓力控制精度為±0.3MPa；滑塊位置采用高精度位移傳感器閉環(huán)控制，位置顯示精度可達(dá)0.01mm，控制精度在±0.5mm以內(nèi)；滑塊速度控制采用比例伺服閥，控制精度在±1mm/s以內(nèi)，有效的提高了鍛件（圖3）的成形精度和位置精度。

圖3 成品鋁合金鍛件

實(shí)踐結(jié)果

該鋁合金快速鍛造液壓機(jī)的研發(fā)成功，對(duì)鋁合金鍛造成形的生產(chǎn)工藝優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率，提高鍛件的質(zhì)量，減少后續(xù)加工量都有著非常積極的意義。目前，此設(shè)備已經(jīng)在用戶處穩(wěn)定運(yùn)行一年的時(shí)間，提高了鍛件一火鍛造的生產(chǎn)效率。