冷（溫）鍛壓力機(jī)的特點(diǎn)及研制要點(diǎn)（上）

文／李江國(guó)·北京機(jī)電研究所

史向平·武漢昱仝科技有限公司

李海濤·海安北京機(jī)電研究所鍛壓產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心

徐超·機(jī)械科學(xué)研究總院半固態(tài)技術(shù)研究所

本文中所說的冷（溫）鍛壓力機(jī)是指以冷鍛功能為主，同時(shí)能夠兼顧溫鍛（室溫～800℃）功能的壓力機(jī)。在論述時(shí)以冷鍛壓力機(jī)的特點(diǎn)及研制要點(diǎn)為主，在需要兼顧溫鍛功能時(shí)會(huì)特別注明。由于專用的溫鍛壓力機(jī)一般是從熱模鍛壓力機(jī)演化而來，與冷鍛壓力機(jī)有非常大的區(qū)別，這里不論述。

冷鍛工藝的特點(diǎn)

與熱鍛的“趁熱打鐵”、需要快速成形不同，冷鍛條件下金屬的流動(dòng)性比熱鍛條件下要低很多，單位面積的成形力要遠(yuǎn)高于熱鍛，冷鍛成形力對(duì)成形速度比較敏感，要求“順勢(shì)成形”，即成形速度要盡可能低。很多的冷鍛工藝要求背壓成形，需要的起始成形力（即合模力）要比熱鍛大很多。此外，與熱鍛相比，冷鍛還具有成形精度高、模具模架閉合高度高等特點(diǎn)。

多工位成形尤其是變速箱輸入/輸出軸的多工位冷（溫）成形成套技術(shù)日臻成熟。圖1所示為利用冷溫鍛造壓力機(jī)五工位成形技術(shù)生產(chǎn)的雙離合器變速箱輸入/輸出軸鍛件。

圖1 五工位成形的雙離合器變速箱輸入/輸出軸

冷鍛壓力機(jī)

雖然液壓機(jī)適合冷（溫）鍛造工藝，但是具有效率低、能耗高、噪聲大、易泄漏、抗偏載能力差不易實(shí)現(xiàn)多工位等缺點(diǎn)，而機(jī)械式冷鍛壓力機(jī)具有合理的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（能夠兼顧成形區(qū)的速度和生產(chǎn)效率）、比較小的運(yùn)動(dòng)副間隙（冷鍛壓力機(jī)的軸-孔間隙控制在0.075%～0.09%軸徑，導(dǎo)軌間隙控制在0.05～0.08mm，溫鍛壓力機(jī)軸-孔間隙控制在0.09%～0.1%軸徑，導(dǎo)軌間隙控制在0.15～0.2mm之間，可以提高成形精度并減小沖擊）、行程和封閉高度比較大、臺(tái)面尺寸大、電機(jī)能夠調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，因此在多工位冷（溫）鍛領(lǐng)域液壓機(jī)將逐步被機(jī)械壓力機(jī)取代。

機(jī)械壓力機(jī)的典型主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有曲柄-連桿機(jī)構(gòu)（圖2）、肘桿式機(jī)構(gòu)（圖3）和變形肘桿機(jī)構(gòu)（圖4）三種。其中曲柄-連桿機(jī)構(gòu)適合于熱（溫）鍛，肘桿式機(jī)構(gòu)和變形肘桿機(jī)構(gòu)適合冷（溫）鍛。三種主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度曲線對(duì)比如圖5所示。三種主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性對(duì)比如表1所示。變形肘桿機(jī)構(gòu)（多連桿機(jī)構(gòu)）在成形區(qū)的速度最低，同時(shí)因?yàn)槠渚哂屑被靥匦裕旨骖櫫松a(chǎn)效率，是已知的最合適的冷鍛成形主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖2 曲柄-連桿機(jī)構(gòu)

圖3 肘桿式機(jī)構(gòu)

圖4 變形肘桿機(jī)構(gòu)

圖5 三種主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度曲線對(duì)比

表1 三種主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性對(duì)比

冷（溫）鍛壓力機(jī)的開發(fā)及其研制要點(diǎn)

2017年，北京機(jī)電研究所為江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司研制開發(fā)的CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)（圖6）在泰州試車成功。該壓力機(jī)主要用于太平洋精密齒輪（單工位/3工位）和變速箱軸類件的4工位溫鍛成形。試驗(yàn)結(jié)果表明，壓力機(jī)的主要性能和制件精度均達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平，動(dòng)態(tài)特性（噪聲、振動(dòng)、晃動(dòng)）甚至超過國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

圖6 CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)

下面，結(jié)合該壓力機(jī)講述冷（溫）鍛壓力機(jī)的開發(fā)和研制要點(diǎn)。

CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)的主要參數(shù)

CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)的主要參數(shù)如表2所示。

表2 CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)的主要參數(shù)

多連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

多連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)決定了冷溫鍛壓力機(jī)的主要性能。偏置可以使多連桿機(jī)構(gòu)具有雙急回的特性，但是不宜過大，一般取0～15mm即可。優(yōu)化的主要參數(shù)有9個(gè)，包括6個(gè)桿長(zhǎng)， 2個(gè)偏心軸心坐標(biāo)，1個(gè)偏置量（可以事先確定）。優(yōu)化的結(jié)果要滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求、力學(xué)（靜/動(dòng)）要求、經(jīng)濟(jì)性要求、工程要求等。圖7所示為多連桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型。

圖7 多連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型

⑴多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求（曲柄存在條件一般可以建立5個(gè)約束方程）：1)最短桿長(zhǎng)度+最長(zhǎng)桿長(zhǎng)度≤其余兩桿之和；2)連架桿與機(jī)架中必有一桿為四桿機(jī)構(gòu)中的最短桿，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的壓力機(jī)來講，連架桿即曲柄就是最短桿。

⑵滑塊的行程滿足用戶或相關(guān)設(shè)計(jì)要求，行程一般可以建立2個(gè)不等式約束方程。

⑶滑塊速度在某一個(gè)位置達(dá)到設(shè)計(jì)要求（可以建立2個(gè)不等式約束方程）：1)從成形工藝上講，下死點(diǎn)附近成形區(qū)速度越低越好，但是冷（溫）鍛壓力機(jī)行程較大，軸類件的成形區(qū)很長(zhǎng)，如果過分追求下死點(diǎn)附近成形區(qū)的低速度，會(huì)帶來其他成形區(qū)的速度過高，因此不能過分追求下死點(diǎn)附近成形區(qū)的低成形速度；2)成形區(qū)的速度過低，會(huì)導(dǎo)致回程時(shí)間縮短、加速度增大、降低壓力機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。本壓力機(jī)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)：25SPM時(shí)，下死點(diǎn)以上15mm的速度≤125mm/s；3)對(duì)于齒形件成形壓力機(jī)，由于行程較小，可以將下死點(diǎn)以上15mm處的成形速度控制在100mm/s以內(nèi)。圖8所示為CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)優(yōu)化后的滑塊行程/速度-曲柄轉(zhuǎn)角曲線。

圖8 CWFP2-1250冷溫鍛壓力機(jī)優(yōu)化后的滑塊行程/速度-曲柄轉(zhuǎn)角曲線

⑷多連桿機(jī)構(gòu)的力學(xué)要求（可以建立10個(gè)不等式約束方程）：1)在公稱力輸出區(qū)間，三個(gè)主承力桿要接近一條線，各軸承受力最小；2)滑塊的加速度約束；3）曲柄半徑的影響：過大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)載荷過大；4）要對(duì)滑塊側(cè)向力進(jìn)行約束，在成形過程中不能換向；5）要避免曲柄搖桿機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)間隙換向速度過于劇烈?guī)淼臎_擊、振動(dòng)和異響（當(dāng)行程次數(shù)超過一定的數(shù)值、滑塊在上死點(diǎn)附近時(shí)會(huì)出現(xiàn)撞擊的異響）。

⑸多連桿機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。1)對(duì)于立式多連桿冷鍛壓力機(jī)來講，縱向尺寸過小，在滿足其他條件的情況下，會(huì)導(dǎo)致橫向尺寸過大，從而導(dǎo)致壓力機(jī)前后晃動(dòng)過大，影響壓力機(jī)的動(dòng)態(tài)特性；橫向尺寸過小，在滿足其他條件的情況下，會(huì)導(dǎo)致縱向尺寸過大，從而導(dǎo)致剛度急劇下降；兩個(gè)尺寸都過小，會(huì)使傳力性能受到影響；兩個(gè)尺寸都過大，會(huì)導(dǎo)致壓力機(jī)整體尺寸過大，經(jīng)濟(jì)性下降。2)在優(yōu)化多連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)組時(shí)，要將縱向尺寸或橫向尺寸過大的情況事先排除。3)數(shù)學(xué)計(jì)算表明，多連桿機(jī)構(gòu)的最大縱向尺寸/最大橫向尺寸在0.618～1.618之間是比較合理的，工程上取0.9～1.1之間可以滿足各方面的綜合要求。4)如果要提高剛度，可以適當(dāng)降低縱向尺寸。圖9所示為多連桿機(jī)構(gòu)的縱橫比區(qū)間模型。

圖9 多連桿機(jī)構(gòu)的縱橫比區(qū)間模型

⑹利用matlab的GA優(yōu)化函數(shù)，以上述不等式約束作為限制條件，以經(jīng)濟(jì)性（可以加上速度、加速度、輸出力等特性）組成評(píng)價(jià)桿系優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍尋優(yōu)。

《冷（溫）鍛壓力機(jī)的特點(diǎn)及研制要點(diǎn)》（下）見《鍛造與沖壓》2018年第5期