一種大噸位三向模鍛液壓機(jī)

文/張海杰·合肥合鍛智能制造股份有限公司

本文介紹了大噸位三向模鍛液壓機(jī)研發(fā)的必要性，在分析現(xiàn)有生產(chǎn)工藝流程模式下管件生產(chǎn)設(shè)備不足的基礎(chǔ)上闡述了使用大噸位三向模鍛液壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)。隨后介紹了大噸位三向模鍛液壓機(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，該類型模鍛成形液壓機(jī)的設(shè)計(jì)成功極大地提高了生產(chǎn)效率和材料利用率，降低了工藝難度，為該生產(chǎn)工藝的廣泛應(yīng)用提供可能。

管件生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝有兩種，一種是采用鑄造成形毛坯，然后機(jī)加工精修；另一種是采用鍛造毛坯，然后機(jī)加工成形。鑄造工藝存在材料鑄造缺陷風(fēng)險(xiǎn)大、材料許用強(qiáng)度低、鑄件生產(chǎn)過(guò)程效率低、污染大等問(wèn)題；而鍛造工藝也存在毛坯成本高、機(jī)加工時(shí)間長(zhǎng)、效率低、材料利用率低等問(wèn)題。

三向模鍛工藝，也叫三向擠壓工藝，是一種金屬冷塑成形工藝，主要針對(duì)的是金屬管類成形。普通模鍛設(shè)備只能加工彎通、變徑類型的薄壁、厚壁管件，三通、四通類型的管件依然只能使用傳統(tǒng)工藝；三向模鍛液壓機(jī)（圖1）在普通模鍛設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)從三個(gè)方向同時(shí)施加擠壓力，通過(guò)更換不同的模具和工裝，對(duì)所有類型的管件均可一次性模鍛成形，能夠?qū)崿F(xiàn)彎通、三通、四通、變徑等所有管件接頭的一體成形，使用三向模鍛工藝即可完全替代管件生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝。

三向模鍛生產(chǎn)工藝

三向模鍛工藝使用的原料為無(wú)縫管，強(qiáng)度、尺寸精度及表面質(zhì)量均高于鑄件，毛坯重量、單價(jià)小于鍛件，且?guī)缀醪挥妙A(yù)留加工余量。特別是薄壁管件的生產(chǎn)，以無(wú)縫管材為原料，采用擠壓工藝能夠極大地節(jié)約材料，同時(shí)保證薄壁件的強(qiáng)度和尺寸精度。模鍛工藝不受材料限制，碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁、銅等材料均可加工，適用范圍廣。目前三向模鍛工藝主要使用聚氨酯橡膠做芯材（固體芯）或者使用超高壓液體做芯材（液體芯）。固體芯前期試驗(yàn)芯棒尺寸費(fèi)用較高，試驗(yàn)成功后使用費(fèi)用低，適合大批量生產(chǎn)；液體芯沒(méi)有試驗(yàn)費(fèi)用，但因脹形液回收困難，污染較大，導(dǎo)致使用費(fèi)用偏高，適合試驗(yàn)和小批量生產(chǎn)。四通管件三向模鍛模具示意圖見(jiàn)圖2。

三向模鍛生產(chǎn)工藝如下：管坯按尺寸下料（固體芯材擠壓則要在下料后將橡膠芯棒裝入管坯）→管坯放入下凹模內(nèi)→上壓頭帶動(dòng)上模下行，合模并壓緊→左、右壓頭帶動(dòng)左、右擠壓桿同步向中心擠壓（液體芯材擠壓此時(shí)需充入超高壓脹形液）→左、右壓頭帶動(dòng)擠壓桿擠壓到設(shè)定位置→左、右壓頭退回→上壓頭帶動(dòng)上模退回→取出成品（固體芯材擠壓此時(shí)取出橡膠芯棒）→機(jī)加工切除余料。

三向模鍛液壓機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

設(shè)備臺(tái)面較小，噸位大、載荷集中

由于管件成形的工藝基本為冷擠壓，所需成形力較大，特別是對(duì)于較大尺寸的管件，因此三向模鍛設(shè)備噸位普遍較大，超過(guò)80%的三向模鍛設(shè)備合模及左右擠壓力在20000kN以上，而模具尺寸相對(duì)所需模鍛成形力較小，特別是左、右擠壓桿的直徑比油缸活塞桿直徑要小的多，因此壓頭與模具接觸面的應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)大于普通設(shè)備的模具接觸面應(yīng)力，因此需要對(duì)壓頭的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新計(jì)算和校核，壓頭材料需要保證在壓頭和擠壓桿的接觸面上不會(huì)被壓潰，壓頭的結(jié)構(gòu)需要保證把擠壓力分散至整個(gè)活塞桿接觸面上，以免造成油缸損壞。

左、右壓頭壓制同步精度要求高

根據(jù)三向模鍛的工藝要求，左、右壓頭壓制過(guò)程中的位移需要保證同步，同步精度越高，壓制出來(lái)的成品尺寸精度越高、缺陷風(fēng)險(xiǎn)越小，如果同步精度不夠，會(huì)使成品產(chǎn)生褶皺、裂紋、壁厚不勻等缺陷，導(dǎo)致工件報(bào)廢，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致模具損壞。因此，三向模鍛液壓機(jī)左、右壓頭的同步精度直接關(guān)系到生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和廢品率，以及模具的壽命。

設(shè)備幾何精度要求高

三向模鍛液壓機(jī)的上壓頭和工作臺(tái)面間的平行度會(huì)影響合模后的模腔形狀，如果平行度不夠會(huì)導(dǎo)致合模不嚴(yán)，會(huì)導(dǎo)致壓制的工件報(bào)廢；左、右壓頭表面的平行度，壓制過(guò)程中左、右壓頭運(yùn)動(dòng)軌跡的同軸度，壓頭運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)工作臺(tái)面的平行度對(duì)于零件的成形質(zhì)量和模具也會(huì)產(chǎn)生很大影響。如果精度不夠，可能導(dǎo)致左、右擠壓桿彎曲變形，損壞模具；對(duì)于液體模芯成形工藝來(lái)說(shuō)還會(huì)影響密封，導(dǎo)致液體滲漏，使得成形不到位，工件報(bào)廢。

三向模鍛液壓機(jī)的主要方案

針對(duì)三向模鍛工藝對(duì)設(shè)備的特殊要求，精度要求高和載荷集中等，以及對(duì)生產(chǎn)工藝的詳細(xì)研究分析。優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用各種內(nèi)外部技術(shù)資源，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高精度和高效率。

液壓機(jī)機(jī)身框架采用整體框架機(jī)身，機(jī)身結(jié)構(gòu)件為鋼板焊接箱型結(jié)構(gòu)，采用有限元進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析、優(yōu)化，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)三向模鍛成形的特點(diǎn)：零件尺寸相對(duì)公稱力較小，應(yīng)力較為集中，左、右側(cè)擠壓采用單缸加壓的形式，有效地適應(yīng)應(yīng)力集中的使用工況，噸位大、行程短，左、右擠壓缸增長(zhǎng)導(dǎo)套，采用活塞桿導(dǎo)向；上壓頭合模應(yīng)力相對(duì)分散，采用雙缸加壓的形式，配合對(duì)角行程檢測(cè)裝置控制兩個(gè)缸的行程，保證上壓頭對(duì)工作臺(tái)的平行度。

根據(jù)三向模鍛工藝過(guò)程的分析結(jié)果，左、右壓頭的壓制同步控制采用比例伺服系統(tǒng)加高精度位移傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證左、右壓頭的運(yùn)動(dòng)同步，同步精度在±1mm以內(nèi)。

壓機(jī)的上壓頭和左、右壓頭的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。

滑塊本體采用單體厚鋼板結(jié)構(gòu)，保證上壓力均勻傳遞至整個(gè)上模面，使合模力均勻分布?；瑝K不設(shè)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，由高精度對(duì)角行程檢測(cè)裝置和比例伺服系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)工作臺(tái)的平行度。

實(shí)踐結(jié)果

該三向模鍛液壓機(jī)的研發(fā)成功，對(duì)各種類型管件的批量生產(chǎn)，降低毛坯成本、提高生產(chǎn)效率，提高管件成形的質(zhì)量，減少后續(xù)處理工序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)行五年的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了2min/件的生產(chǎn)效率。