鍛造操作機發展現狀與研究方向

張營杰，衛凌云，牛 勇，韓炳濤

（中國重型機械研究院有限公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032）

鍛造操作機發展現狀與研究方向

張營杰，衛凌云，牛 勇，韓炳濤

（中國重型機械研究院有限公司 金屬擠壓與鍛造裝備技術國家重點實驗室，陜西 西安 710032）

鍛造操作機是自動化鍛造作業中不可缺少的重要裝備之一，在提高生產效率，保證加工質量等方面發揮著重要作用。本文綜述了鍛造操作機的發展歷史、研究現狀、機械結構形式，提出了今后的研究方向，為我國大型鍛造操作機的研究發展提供參考。

機械制造；鍛造操作機；發展現狀；研究方向

1 引言

國民經濟的高速發展，極大地促進了我國航空航天、國防、交通運輸、船舶動力、電力電器和機械制造等行業的發展。對大型自由鍛件的需求，無論在規格、數量和質量上都提出了新的要求。提高產品開發速度，加速鍛造現代化；提高鍛件質量，延長使用壽命；提高鍛件精度，減少機加工量；提高生產效率，增加經濟效益；安全環保，改善勞動環境已成為自由鍛件生產行業的共識。鍛造操作機是鍛件精確制造的基本裝備之一，與自由鍛造壓機配合進行鍛造作業能極大提高鍛造生產效率和鍛件制造質量，降低制造成本。

國內外通過配備鍛造操作機，大幅提升了鍛造效率。日本神戶制鋼所采用1600kN/4000kN·m鍛造操作機后，比采用兩臺鍛造天車效率提高了1.6～2倍；上海重型機器廠有限公司的統計也表明，使用鍛造操作機可以顯著提高鍛造生產效率[1]。在現代化的鍛造車間，尤其在大型自由鍛造液壓機上配備鍛造操作機已是必不可少，而且鍛造壓機機組設備中配備雙鍛造操作機已逐步成為一個新的發展趨勢[1～5]。

本文綜述了鍛造操作機的發展歷史、研究現狀、機械結構形式以及未來研究方向，為我國大型鍛造操作機的研究發展提供參考。

2 國外研究現狀

鍛造操作機早在60年前就已經問世。最早在美國、前蘇聯，而后在日本、英國、奧地利等國發展起來，成為系列化產品并進入工業性生產。最初的操作機多為機械傳動，到20世紀60、70年代出現了混合傳動、全液壓傳動等結構緊湊、操作靈活的鍛造操作機。90年代中期，國外大型鍛造操作機技術已經成熟，它與鍛造壓機配合使用，大大提高了鍛造生產效率、鍛件精度和質量，同時提高了材料利用率，降低了能耗。

國外鍛造操作機的制造商主要有德國的DDS公司、SMS－MEER公司、GLAMA公司、捷克ZDAS公司、WEPUKO公司、韓國HBS PRESS公司等。圖1（a）所示為SMS－MEER為俄羅斯生產的2500kN/6300kN·m鍛造操作機，是目前世界上最早投入使用的最大的現代化鍛造操作機。圖 1（b）、（c）、（d）所示分別為DDS公司、GLAMA公司和ZDAS公司生產的鍛造操作機。DDS公司和SMS－MEER公司對具有現代控制技術鍛造操作機的發展起到了至關重要的推動作用，目前已經成功制造了多臺2500kN/6300kN·m鍛造操作機。

3 國內研究現狀

我國鍛造操作機研究起步于上世紀60年代，并在1974年首次制訂了鍛造操作機系列標準。從上世紀60年代末期開始，中國重型機械研究院有限公司由國家投資，與快鍛油壓機同步開始進行新型鍛造操作機的研究工作，是我國最早研究鍛造操作機的單位之一。從上世紀80年代開始，先后成功開發并投入工業生產的有 20kN/40kN·m、30kN/60kN·m、50kN/120kN·m、100kN/250kN·m 等多臺鍛造操作機。并在近幾年開發研制了200kN/400kN·m、300kN/800kN·m、1200kN/3000kN·m 等多臺套大中型鍛造操作機。但是，由于國內整體技術水平相對落后，1600kN級以上大型鍛造操作機主要依賴進口。例如：在上海重型機器廠有限公司投入使用的我國自行設計制造的165MN鍛造油壓機，配備了一臺SMS-MEER設計的2500kN/6300kN·m鍛造操作機；第一重型機械集團公司150MN鍛造水壓機配備了DDS設計的2500kN/6300kN·m鍛造操作機；第二重型機械集團公司125MN鍛造水壓機配備了DDS公司的1600kN/4000kN·m鍛造操作機。國內目前正在建造的萬噸級大型自由鍛造液壓機超過十臺套，都亟需配備相應的大型鍛造操作機。由于我國目前尚未掌握1600kN級以上大型鍛造操作機的核心技術，嚴重地制約了國內相關行業的發展。

圖1 國際鍛造操作機廠商制造的鍛造操作機

為解決大型鍛造操作機自主設計問題，2006年國家973計劃設立“巨型重載操作裝備的基礎科學問題”研究項目，力求為我國巨型重載操作裝備系統的自主化設計開發奠定理論基礎。2010年國家科技重大專項支持了由中國重型機械研究院有限公司負責的“3000kN/7500kN·m鍛造操作機”研究項目，目標是掌握大型鍛造操作機核心技術，開發出具有國際先進技術水平、擁有完全自主知識產權和市場競爭力的新型大噸位鍛造操作機。

圖2 我國自主研發制造的鍛造操作機

圖2所示為中國重型機械研究院有限公司自行設計制造的鍛造操作機。圖2（a）所示為兩臺200kN/400kN·m鍛造操作機配合20MN快鍛油壓機進行鍛造作業；圖2（b）所示為正在鍛造生產中的1200kN/3000kN·m鍛造操作機，該操作機為目前我國自主研發并投入工業應用的最大鍛造操作機。中國重型機械研究院有限公司結合國家重大專項要求，聯合“產、學、研、用”多家單位，進行了3000kN/7500kN·m大型鍛造操作機的開發研制，在大型鍛造操作機方面具備了較強的科研開發能力和較高的技術水平。

4 機械結構類型

4.1 夾持裝置的形式

根據受力情況，鍛造操作機夾持裝置形式主要有長杠桿式和短杠桿式。典型長杠桿式夾持裝置結構如圖3（a）所示，由鉗殼、鉗口、鉗臂、連桿、夾緊缸等組成。長杠桿式的優點是拉桿上需要的拉緊力較小，夾持范圍大，可改善有關零件的受力狀況；缺點是拉桿行程較長，零件較多，加工制造難度較大。

圖3 鍛造操作機夾持裝置結構形式

典型短杠桿式夾持裝置結構如圖3（b）、（c）所示，由鉗殼、鉗口、鉗臂、夾緊缸等組成。短杠桿式的優點是鉗頭零件數量少，容易加工制造；缺點是拉緊力較大。

4.2 吊掛裝置的形式

目前，大型鍛造操作機吊掛裝置主要有兩種常見的結構形式。圖4（a）為平行連桿式，它由前部吊臂、前轉臂、平升缸、緩沖缸、傾斜缸、后轉臂和連桿等組成。圖4（b）為擺動杠桿式，它由前吊桿、傾斜缸、緩沖缸、后吊桿、平升缸和轉臂等組成。平行連桿式結構所占空間小，對液壓系統和制造精度要求較低，但機構相對復雜。擺動連桿式結構機構簡單，穩定性高，但所占空間較大，對液壓系統和電氣控制系統的控制精度要求較高。

圖4 鍛造操作機吊掛裝置結構形式

5 研究方向

大型鍛造操作機是世界上最大的多自由度重載機器人之一，屬于機電液一體化的復雜裝備。為了滿足生產需要，對大型鍛造操作機需要開展以下幾個方面的研究。

5.1 大型鍛造操作機的工作機理研究與構型方案設計

針對適用于大型鍛造操作機的重載構型進行創新設計，研究出大型鍛造操作機的工作構型和主體結構。冗余輸入并聯機構的引入可以有效提高鍛造操作機的機構承載能力，進行設計并優化分析以確定適用于偏心大載荷條件下的冗余輸入并聯機構。5.2 運動性能與承載能力協調匹配以及重載條件下界面特性和整體剛度特性

由于大型鍛造操作機夾持重量大，承載能力必須足夠強，同時對運動性能要求也較高，所以要解決運動性能與承載能力的協調匹配以及保證重載條件下界面特性和整體剛度特性。

5.3 大型零部件的結構設計、拓撲優化和力流優化配置技術

進行鍛造操作機夾持裝置、吊掛裝置、機架等大型零部件的結構設計、拓撲優化和力流優化分析，設計出合理的結構形式。

5.4 大慣量、大流量、高精度液壓系統控制技術

針對大型鍛造操作機運動慣量大、負載大、精度高的特點，綜合考慮負載特性、主控制元件、容積效應、液壓系統中輔助子系統、主動力子系統、主控制子系統、冷卻子系統等各方面因素的影響，解決該液壓系統控制的靜、動態特性問題。

5.5 動態負載特征變化與系統功率匹配技術研究鍛造操作機工作過程的動態負載變化規律，解決系統負載特征變化與功率匹配問題，研發高效節能的大型鍛造操作機動力傳輸控制系統。

5.6 多自由度的協調和同步控制技術針對大型鍛造操作機多執行器負載敏感性，結合實際工況，研究多執行器的復合控制性能，采用先進工業控制計算機和傳感器技術進行數據處理，結合大型鍛造操作機動力傳輸控制系統的基本控制方案，建立試驗平臺，以模擬仿真和試驗研究相結合的方式，研究操作機的控制算法，以確保多個執行器動作的協調性和同步性，進而提高系統復合動作的適應性和協調性。

5.7 基于大型鍛件鍛造生產與壓機聯合控制的鍛造工藝程序控制技術

與大型自由鍛造壓機相結合，針對典型的大型或特大型鍛件進行鍛造工藝研究和探索，在鍛造實驗基礎上開發出典型鍛件的鍛造工藝程序，應用于大型鍛件的工業批量生產。

6 結論

鍛造操作機是鍛件精確制造的基本裝備之一，與自由鍛造壓機配合實現鍛造作業，可極大提高鍛造生產效率和鍛件制造質量，降低制造成本。本文綜述了鍛造操作機的發展歷史、研究現狀和機械結構形式，提出了鍛造操作機未來發展的研究方向，即大型鍛造操作機的工作機理研究與構型方案設計，運動性能與承載能力協調匹配和重載條件下界面特性和整體剛度特性，大型零部件的結構設計、拓撲優化和力流優化配置技術，大慣量、大流量、高精度液壓系統控制技術，動態負載特征變化與系統功率匹配技術，多自由度的協調和同步控制技術以及基于大型鍛件鍛造生產與壓機聯合控制的鍛造工藝程序控制技術等。

[1] 余發國，高 峰，郭為忠，葛 浩.鍛造操作機的回顧與展望.機械設計與研究[J]，2007 專刊：12－15.

[2] 高 峰，郭為忠，宋清玉，杜鳳山.重型制造裝備國內外研究與發展.機械工程學報，2010（19）：92～107.

[3] 俞新陸.液壓機的設計與應用.北京：機械工業出版社，2006.

[4] 蔡 墉.我國自由鍛液壓機和大型鍛件生產的發展歷程.大型鑄鍛件，2007（1）：37～44.

[5] 姚保森.我國鍛造液壓機的現狀與發展.鍛壓裝備與制造技術，2005（3）：28～30.

Developing Status and Trend of Forging Manipulator

ZHANG Yingjie,WEI Lingyun,NIU Yong,HAN Bingtao
（State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment,China National Heavy Machine Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,Shanxi China）

The developing history,research status,and the mechanical structure of the forging manipulator have been overviewed in the text.The researching trend has been put forward,which provides reference for the development of domestic heavy-duty forging manipulator.

Forging manipulator;Developing status;Research trend

TG315

B

1672－0121（2012）02－0011－03

國家科技重大專項項目（2010ZX04013－021）

2011－12－20

張營杰（1965－），男，教授級高工，從事鍛壓裝備與工藝技術研究