自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展與展望

郭曉鋒，成先飚，張建華

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

液壓機(jī)是根據(jù)帕斯卡液體靜壓傳動(dòng)的基本原理，以高壓液體傳送工作壓力的鍛壓設(shè)備;按工作介質(zhì) (如乳化液、水或礦物油等)不同，可分為水壓機(jī)和油壓機(jī)兩大類，一般水壓機(jī)采用泵－蓄勢(shì)器傳動(dòng)，油壓機(jī)采用泵直接傳動(dòng)。液壓機(jī)從結(jié)構(gòu)上易于得到較大的總壓力、工作空間和行程，并能夠在任意位置發(fā)出最大的工作力，得到較大的鍛造深度，最適合于大鍛件、大變形量的鍛造。自由鍛造液壓機(jī)主要在工作缸壓力作用下，通過上、下砧和一些簡(jiǎn)單的通用工具，使鋼錠或鋼坯產(chǎn)生塑形變形，以獲得所需形狀和尺寸的鍛件［1］。

1 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1859～1861年在維也納鐵路工廠出現(xiàn)了第一批用于金屬加工的液壓機(jī)，1884年在英國曼徹斯特首先使用了鍛造鋼錠的自由鍛造水壓機(jī)。由于自由鍛造液壓機(jī)與鍛錘相比，具有低噪音和大變形等顯著優(yōu)勢(shì)，1887～1888年自由鍛造水壓機(jī)迅速得到系列開發(fā)和應(yīng)用。1893年美國建成了第一臺(tái)萬噸級(jí) (126 MN)自由鍛造水壓機(jī)［2］，使大鋼錠的鍛造由鍛錘過渡到使用鍛造液壓機(jī)，50 kN以上的大型自由鍛錘逐漸被淘汰。由于純水的氣蝕、銹蝕等特性，使閥的壽命極低，因此，水壓機(jī)也由最初的以純水為工作介質(zhì)的蒸汽增壓器傳動(dòng)，逐漸發(fā)展為常規(guī)的以乳化液為工作介質(zhì)的泵－蓄勢(shì)器傳動(dòng)。1938～1944年德國率先制造了三臺(tái)世界最大噸位的150 MN自由鍛造水壓機(jī)［3］。泵－蓄勢(shì)器傳動(dòng)的自由鍛造水壓機(jī)持續(xù)了一百多年的發(fā)展應(yīng)用，其操縱系統(tǒng)雖然幾經(jīng)革新，但仍然以手動(dòng)操作為主，且大多無鍛造精度控制。

進(jìn)入20世紀(jì)中期，隨著工業(yè)革命的進(jìn)一步發(fā)展，要求自由鍛造液壓機(jī)具有自動(dòng)化生產(chǎn)、高精鍛次數(shù)和鍛件厚度尺寸精確控制等功能。通過對(duì)壓機(jī)增加鍛件尺寸控制和輔助機(jī)械，由微型計(jì)算機(jī)控制，使壓機(jī)與操作機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)來提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了自由鍛造工藝的一次重大突破。

泵直接傳動(dòng)系統(tǒng)具有恒速性，且油壓電氣控制元件規(guī)格齊全，油壓控制技術(shù)趨于成熟，油壓機(jī)成為自由鍛造實(shí)現(xiàn)高效高精自動(dòng)化生產(chǎn)的理想選擇。1952年瑞典首先研制了一臺(tái)10 MN快速鍛造油壓機(jī)，其后英、美和西德等國都設(shè)計(jì)制造了5～30 MN的快速鍛造液壓機(jī)。1962年英國鋼鐵協(xié)會(huì) (BISRA)制造了首套壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動(dòng)的自由鍛造油壓機(jī)組，采用電子數(shù)碼控制裝置，成功實(shí)現(xiàn)厚度控制和壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動(dòng)。五年后，該協(xié)會(huì)研制的采用計(jì)算機(jī)控制的自由鍛造油壓機(jī)正式投入工業(yè)生產(chǎn)［4］，開創(chuàng)了自由鍛造全自動(dòng)化生產(chǎn)的新紀(jì)元。但由于缺乏大功率、大流量的油壓高壓動(dòng)力系統(tǒng)，初期的自由鍛造油壓機(jī)的最大噸位均不超過30 MN，自由鍛造液壓機(jī)進(jìn)入了水壓機(jī)和油壓機(jī)共存時(shí)期。

油壓機(jī)按液壓控制方式的不同分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)具有高精度和高頻響的特點(diǎn)，被絕大多數(shù)壓機(jī)所采用;泵控系統(tǒng)用于油品好、效率高、功率大的場(chǎng)合，僅限于德國PAHNKE公司使用的潘克改進(jìn)型正弦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，歐美各國便開始對(duì)舊的泵－蓄勢(shì)器傳動(dòng)水壓機(jī)進(jìn)行改造，其主要方法如下:

(1)廢棄水泵蓄勢(shì)站。僅留用壓機(jī)的本體，將水壓機(jī)直接改為泵直接傳動(dòng)的油壓機(jī)。表1統(tǒng)計(jì)了1975～1985年間歐美國家將舊水壓機(jī)改造為油壓機(jī)的數(shù)量;

表1 歐美國家將水壓機(jī)改造為油壓機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics data of transforming water presses to oil presses in Europe and America countries

(2)選擇油控水系統(tǒng)。保留原有的水泵蓄勢(shì)站和工作缸的進(jìn)排液分配閥，增加一套油壓伺服系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)梁位置，采用油壓伺服閥或高性能比例閥，通過接力缸控制分配器搖桿軸的擺角和速度?；蛘?，通過單頂缸控制單個(gè)進(jìn)排液分配閥的啟閉動(dòng)作，提高壓機(jī)的自動(dòng)化程度，美國的OILGEAR公司就是根據(jù)此原理對(duì)舊的水壓機(jī)進(jìn)行全面改造。但是，由于油控水系統(tǒng)是借助中間油缸，間接控制進(jìn)排液分配閥的啟閉，因此，響應(yīng)速度、閥口開啟量和鍛件尺寸精度始終無法達(dá)到泵直接傳動(dòng)油壓機(jī)的效果。同時(shí)，工作介質(zhì)和控制介質(zhì)的不同更易造成交叉污染。

進(jìn)入21世紀(jì)，自由鍛造液壓機(jī)在數(shù)控化、高精度化和專業(yè)化方向得到高速發(fā)展，隨著高壓大流量油泵的問世，突破了長期制約大型油壓機(jī)發(fā)展的瓶頸，油壓機(jī)已完全替代水壓機(jī)成為自由鍛造的主流設(shè)備，1996年德國SMS率先制造了一臺(tái)100 MN自由鍛造油壓機(jī)。目前世界上已投產(chǎn)的閥控系統(tǒng)自由鍛造油壓機(jī)最大噸位已達(dá)165 MN［5］，泵控系統(tǒng)自由鍛造油壓機(jī)最大噸位已達(dá)185 MN。所有壓機(jī)控制系統(tǒng)均采用計(jì)算機(jī)控制，具有速度快 (提高每分鐘的行程次數(shù))、精度高(±1～±3 mm)、自動(dòng)控制壓下量、自動(dòng)測(cè)量鍛件尺寸、自動(dòng)記錄生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、自動(dòng)診斷故障等功能;在機(jī)械化方面，都配有全液壓鍛造操作機(jī)，與液壓機(jī)聯(lián)動(dòng)，用來提高鍛件產(chǎn)量。表2列舉了2000年以來投產(chǎn)的80 MN以上自由鍛造液壓機(jī)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

表2 2000年以來投產(chǎn)的80MN以上自由鍛造液壓機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics data of free forging hydraulic presses with the tonnage above 80 MN since year of 2000

2 發(fā)展趨勢(shì)

近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和排污成本的增大，國際上很多知名生產(chǎn)液壓機(jī)的大企業(yè)，如德國的威普克－潘克 (Wepuko Pahnke)、梯芬巴赫 (Tiefenbach)、英國的芬樂 (Fenner)和丹麥的丹夫斯 (Danfoss)等公司已開始致力于純水液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)元件和控制技術(shù)的研究，雖然研發(fā)還局限于一些特定應(yīng)用目標(biāo)的需要，品種規(guī)格還十分有限，但發(fā)展勢(shì)頭卻十分強(qiáng)勁。針對(duì)純水介質(zhì)的腐蝕、磨損、泄漏、氣蝕和沖擊等技術(shù)難題，從新材料、新技術(shù)和新工藝三方面入手，研制開發(fā)了高壓水泵、馬達(dá)、各種壓力、流量和方向控制閥、甚至比例和伺服控制閥等液壓基礎(chǔ)元件，額定壓力可達(dá)到32 MPa甚至更高。一些元件的性能 (包括可靠性及使用壽命)達(dá)到甚至超過同類的油壓元件，隨著這些基礎(chǔ)元件的成功應(yīng)用，為研究開發(fā)真正意義上的由單一純水系統(tǒng)控制的自由鍛造水壓機(jī)創(chuàng)造了技術(shù)條件。

純水與液壓油理化特性的差異，使純水壓機(jī)具有如下顯著優(yōu)勢(shì):

(1)液壓油在防氣蝕、防銹、密封和潤滑性能方面都比純水好得多，但是，液壓油也存在著價(jià)格高、易燃、易變質(zhì)和易污染等問題，特別是對(duì)于上傳動(dòng)壓機(jī)液壓油的泄漏是致命的，必須設(shè)置車間消防設(shè)施。國內(nèi)已有自由鍛造油壓機(jī)由于液壓油的泄漏引起火災(zāi)的實(shí)例;

(2)純水的粘度低，50℃時(shí)，其運(yùn)動(dòng)粘度約為0.56 mm2/s，是壓機(jī)常用的N68液壓油運(yùn)動(dòng)粘度的1.2%。因此，純水系統(tǒng)的閥門和管道設(shè)計(jì)流速可達(dá)油壓系統(tǒng)的兩倍以上，閥門和管道的減小可有效降低液壓系統(tǒng)投資;

(3)純水的比熱容約為4.19 kJ/kg，是液壓油比熱容的約2.2倍，因此，純水系統(tǒng)工作介質(zhì)溫升小，可以縮減或取消龐大的冷卻系統(tǒng);

(4)純水的體積壓縮系數(shù)約為4.76×10－5cm2/kg，是液壓油體積壓縮系數(shù)的約70%，因此，在相同壓力下，水壓機(jī)工作缸及管道內(nèi)的壓縮容積是油壓機(jī)的約70%。也就是說，壓機(jī)在加壓動(dòng)作結(jié)束時(shí)，需要快速釋放的介質(zhì)壓縮容積減小30%，這將使壓機(jī)的卸壓時(shí)間大幅減少，可有效增加動(dòng)作頻次，特別對(duì)大型液壓機(jī)效果尤為顯著;

(5)在高壓狀態(tài)下，純水的溶氣量遠(yuǎn)低于液壓油，因此，在使用增壓器或蓄勢(shì)器系統(tǒng)時(shí)，不需要考慮氣水隔離，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低成本。

因此，用純水作單一介質(zhì)的泵直接傳動(dòng)自由鍛造水壓機(jī)，可以滿足鍛壓設(shè)備高效、節(jié)能和環(huán)保的要求，是未來自由鍛造液壓機(jī)的發(fā)展方向。

3 結(jié)語

經(jīng)過上百年的發(fā)展，自由鍛造壓機(jī)設(shè)備和鍛造工藝水平取得了很大的發(fā)展，但還需要不斷努力的將新理論和新技術(shù)應(yīng)用于新設(shè)備的開發(fā)，努力探索和發(fā)展鍛造設(shè)備及輔助設(shè)備的新原理、新結(jié)構(gòu)，開發(fā)出安全可靠、高效節(jié)能、性能優(yōu)越的新型鍛造設(shè)備，為基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長做出新的貢獻(xiàn)。

［1］ 俞新陸．液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

［2］ 高峰，郭為忠．重型制造裝備國內(nèi)外研究與發(fā)展［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010(19):92－107．

［3］ 俞新陸．液壓機(jī) ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982．

［4］ 譯文集．快速鍛造液壓機(jī) ［M］．第一機(jī)械工業(yè)部重型機(jī)械研究所，1966．

［5］ 楊大祥，韓炳濤．165 MN自由鍛造油壓機(jī)的液壓控制系統(tǒng) ［J］．重型機(jī)械，2006(3):11－16．