用于鍛造工藝課程實驗的氣錘的研制

韓 飛，明 祖，傅 乾，王衛衛，趙洪運（哈爾濱工業大學（威海），山東 威海 264209）

用于鍛造工藝課程實驗的氣錘的研制

韓 飛，明 祖，傅 乾，王衛衛，趙洪運
（哈爾濱工業大學（威海），山東 威海 264209）

基于沖擊氣缸研制了用于鍛造工藝課程實驗的氣錘。依據鉛試樣鐓粗變形功和沖擊氣缸的最大沖擊功，選擇了沖擊氣缸的缸筒內徑和活塞行程。根據沖擊氣缸的工作原理，設計了沖擊氣缸的控制電路，選用了電器元件和氣路控制元件，設計制造了沖擊氣缸的支架與砧座。當氣壓達到0.7MP a時，按下開關經延時后，錘頭高速向下運動。

氣錘；沖擊氣缸；控制電路；支架

沖擊氣缸具有體積小、結構簡單、成本低、耗氣少，能產生很大沖擊力的特點，利用其沖擊力可進行鍛造、沖壓、鉚接、打印、打樁、破竹破木等多種加工[1-2]。

材料成形及控制工程專業鍛造工藝課程實驗中的鐓粗、拔長、沖孔實驗，一般在液壓機或沖床上進行，而液壓機和沖床的工作速度較低，遠低于鍛錘的打擊速度，因此實驗結果不能完全體現鍛錘上工件變形特點。

在壓縮空氣的驅動下，沖擊氣缸中的活塞桿或沖錘能產生很高的沖擊速度[3]，能達到一般鍛錘的打擊速度[4-6]。為了給鍛造工藝課程實驗提供簡單實用的實驗設備，利用沖擊氣缸作為沖擊力來源研制了鍛造實驗用氣錘，該氣錘結構簡潔，占地面積小，噪聲、振動小。

1 沖擊氣缸的選用

可供選擇的沖擊氣缸結構有多種形式，分別應用于多種場合[7-8]。由于自由鍛造工序（如鐓粗、拔長和沖孔）不需要壓邊，故選用結構簡單的一種沖擊氣缸，其工作原理如圖1所示。

該沖擊氣缸的動作分為復位、蓄能、低速運動和高速運動四個階段，如圖1a~d所示。

圖1 沖擊氣缸工作原理示意圖

圖1a為復位階段，K2孔和K3孔通大氣，K1孔充氣，缸筒3與活塞桿1構成的活塞桿腔填充氣體，活塞環左端面在氣壓作用下，活塞環4和活塞5以及活塞桿1向右移動，活塞5進入右端蓋6，直到活塞環4接觸右端蓋6。

圖1b為蓄能階段，K1孔通大氣，K2孔充氣，活塞環4向左移動，直到接觸左端蓋2，蓄能開始，活塞桿腔壓力上升到氣源壓力。

圖1c為活塞5和活塞桿1低速運動階段，在K2孔持續通氣的情況下，K3孔開始充氣，當活塞5右端面受到的壓力大于活塞5左端面的壓力和活塞桿1左端的大氣壓力以及活塞運動的摩擦阻力之和時，活塞和活塞桿向左低速運動。

圖1d為活塞5和活塞桿1高速運動階段，當活塞右端面離開右端蓋時，活塞桿腔和右端蓋的充氣腔連通，活塞右端面受到高壓氣體的作用，使活塞和活塞桿向左做高速運動，完成沖擊動作。

圓柱體坯料的鐓粗變形功W（單位：J）按下式計算[9]：

變形材料為鉛，其室溫下變形抗力σs＝19MPa[10]，圓柱體直徑D0＝20mm，原始高度H0＝40mm，壓縮后高度H＝20mm。假設鐓粗后的形狀為圓柱體，根據體積不變，鐓粗后的直徑D＝28.3mm，圓柱體的體積V＝0.25π202×40=12560mm3。將這些數據代入公式（1）進行計算，圓柱體坯料的鐓粗變形功為188.9J。故選用沖擊氣缸的缸筒內徑為125mm，當行程達到140mm時，最大沖擊功為273J[2]，大于188.9J，能滿足直徑20mm、高度40mm的鉛圓柱體坯料壓縮試驗的打擊能量要求。

2 沖擊氣缸控制電路圖

沖擊氣缸的控制電路圖如圖2所示。電源采用24V直流電源，開關為常開。圖中采用了一個普通繼電器和一個時間繼電器。采用了兩個二位五通電磁閥。

二位五通電磁閥采用市售亞德客4V210-08Air－TAC，如圖3所示。其中，P是進氣口，接氣源；A、B是出氣口，接沖擊氣缸的K1、K2或K3；R、S是排氣口，可以接過濾器，也可不接，但是會影響AirTAC電磁閥的使用壽命。A是常開口，就是一通氣就從A口出氣。通電或者手動控制時B口出氣。

與普通繼電器相接的二位五通電磁閥的A口接K1孔，B口接K2；與時間繼電器相接的二位五通電磁閥的B口接K3，A口封住（不用）。

圖2 沖擊氣缸控制電路圖

圖3 二位五通氣路控制電磁閥實物圖

接通氣源后，當開關斷開時，如圖1a所示，與A口相接的K1孔充氣，K2孔和K3孔排氣，沖擊氣缸為復位階段。當開關合上時，普通繼電器通電后控制二位五通電磁閥切換工作位置，即通過A口排氣，B口出氣，此時K1孔排氣和K3孔排氣，K2孔進氣，沖擊氣缸為蓄能階段，如圖1b所示。經過時間繼電器延時后，時間繼電器控制的二位五通電磁閥切換工作位置，即B口出氣，此時K3孔進氣，活塞桿先低速運動（圖1c），然后高速運動（圖1d）。

圖4 5s時間繼電器三視圖照片

常用的時間繼電器有5s和10s兩種。本文選用5s繼電器，如圖4所示。普通繼電器則如圖5左上角所示。

繼電器通過插頭與塑料底座的插孔連接，塑料底座上有相應的接線柱，通過螺釘將底座與鋼板連接。二位五通氣路控制電磁閥也通過螺釘與鋼板連接，開關通過壓環和螺釘與鋼板連接，連接好的電路板如圖5所示。24V直流電源及過濾減壓閥通過螺釘與另一塊鋼板連接，如圖6所示。

圖5 電路板照片

圖6 電源及過濾減壓閥

3 氣錘裝配圖

汽錘的機械部分如圖7所示，由支架1、沖擊氣缸2、錘頭3、砧座4和底板5組成。支架由上下左右四塊槽鋼焊接而成，構成一個封閉的框架。氣缸的定位圈與支架的定位孔配合，并且通過螺釘與支架連接。錘頭套在活塞桿上，并通過螺釘緊固。砧座通過螺釘與支架和底板連接。為了減小氣錘打擊時支架對地面的壓強，在支架下面安裝了底板。

圖7 氣錘裝配示意圖

4 安裝調試

將過濾減壓閥的出氣口（圖6左上角）與電路控制板上的兩個電磁閥的共用進氣口，通過塑料快速接頭和氣管對接，用氣管連接兩個電磁閥的三個出氣口與氣缸的三個進氣口。將過濾減壓閥的進氣管（圖6右側）與壓縮空氣泵通過金屬快速插頭對接。接通220V交流電，24V直流電源指示燈亮，啟動氣泵，當氣壓達到0.7MPa時，按動開關，經延時2~3秒后，錘頭高速向下沖擊。

5 結束語

根據自由鍛坯料變形特點，選擇了沖擊氣缸的結構。通過圓柱體坯料鐓粗變形功的計算，根據最大沖擊功大于變形功，確定了沖擊氣缸的缸筒內徑和行程。由沖擊氣缸的工作過程，采用了合適的控制電路和氣路，選購了開關、電磁閥、繼電器以及過濾減壓閥等電器元件。氣管和電磁閥的氣孔、與氣缸的氣孔、與過濾減壓閥的氣孔、與氣泵的出氣孔，均采用快速接頭，方便拆裝。采用了槽鋼焊接框架結構來支撐沖擊氣缸，結構簡單、重量輕，滿足強剛度要求。

[1]徐文燦.沖擊氣缸的選用和設計方法[J].液壓與氣動，1984，（2）：8-13.

[2] 李雪梅，曾德懷，丁 峰.沖擊氣缸的設計與應用[J].液壓與氣動，2005，（3）：65-66.

[3] 王成剛，謝小恒，鄭曉敏，等.沖擊氣缸的數學建模與動態仿真[J].機床與液壓，2013，41（7）：143-145.

[4]李瑞鋒，李建朝，王衛東.一種鍛壓設備打擊速度檢測儀的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2009，（7）：23-25.

[5] 李天博，薛斌斌，梅從立，等.鍛錘錘頭速度軟測量建模研究[J].機械設計與制造，2014，（3）：75-77，80.

[6] 呂富強，朱成康.充壓空氣錘及其動力學分析[J].鍛壓裝備與制造技術，1996，31（1）：10-13.

[7]張志興.關于沖擊氣缸的討論[J].機車車輛工藝，1988，（1）：52-55.

[8] 馮長印，邢 星.壓緊活塞式沖擊氣缸 [J].液壓與氣動，1980，（2）：2-7.

[9]崔令江，韓 飛.塑性加工工藝學（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2013.

[10]龔義吉，張 光，李遠猛.變形金屬物理性能及變形速度對充填性的影響[J].鍛壓技術，1990，（5）：2-4.

Research of pneumatic hammer used in experiment of forging process course

HAN Fei,MING Zu,FU Qian,WANG Weiwei,ZHAO Hongyun
（Harbin Institute of Technology（Weihai）,Weihai 264209,Shandong China）

The air hammer used in experiment of forging process course has been developed on the basis of the impact cylinder.According to the upsetting deformation energy of the lead specimen and the biggest impact energy of impact cylinder,the inner diameter and piston stroke of the impact cylinder have been selected.As per the working principle of impact cylinder,the control circuit of the impact cylinder has been design,and the electrical&pneumatic control elements have been selected.Meanwhile,the bracket and anvil block of the impact cylinder have been designed and produced.When the air pressure is 0.7 MPa, the switch has been press down and delayed,then the hammer has moved downward at a high speed.

Pneumatic hammer;Impact cylinder;Control circuit;Bracket

TH138.9；TG315.3+2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.012

1672-0121（2017）02-0041-03

2016-11-26；

2017-01-22

韓 飛（1962-），男，副教授，從事塑性加工與模具設計、液態模鍛及半固態成形技術研究。

E-mail：hitwhhf@163.com