一種鋁合金快速鍛造液壓機

文／張海杰·合肥合鍛智能制造股份有限公司

本文介紹了鋁合金快速鍛造液壓機研發的必要性，在分析現有生產工藝流程模式下成形設備不足的基礎上闡述了使用鋁合金快速鍛造液壓機的優勢。之后闡述了鋁合金快速鍛造液壓機設計的關鍵技術條件，包括主機參數特點及設計優化、液壓系統設計等內容，并指出該種成形液壓機的設計成功將極大提高生產效率、降低能耗、噪聲，為該生產工藝的廣泛應用提供可能。

目前，鋁合金鍛造工藝流程為加熱、鐓粗、拔長、滾圓、整形、冷卻。通常采用普通鍛造液壓機實現熱鍛成形，但存在生產效率低、能耗較大、工作現場噪聲大等問題。

鋁合金快速鍛造液壓機（圖1），可采用人工或機器人實現各工序之間的流轉，提高了生產效率，減輕了人工勞動強度。同時，對普通自由鍛液壓機在用于鋁合金鍛造時的使用工況進行分析優化后，采用外部液壓控制恒流量泵組和泵直驅系統，以提高設備控制精度，降低能量傳遞過程中的損耗和待機時的空運行能耗及噪聲，總能耗降低30%左右，噪聲降低10～15db以上，有效的降低了生產能耗和噪聲。

鋁合金快速鍛造生產工藝簡介

圖2所示為鋁合金快速鍛造工藝布局圖。鋁合金快速鍛造生產工藝如下：原材料通過送料機進入加熱爐加熱→傳送至出料臺的取料位置→人工或R1機器人取料→人工或R1機器人送入液壓機工作區→操作機在工作區接受工件→操作機在20000kN壓機上完成鐓粗、拔長、滾圓、整形工藝→人工或R1機器人由壓機工作區取出鍛件送至冷卻、轉運堆放區，待冷卻后進行時效得到成品。

圖1 鋁合金快速鍛造液壓機

圖2 鋁合金快速鍛造工藝布局圖

鋁合金快速鍛造液壓機的主要技術特點

滑塊壓制和退回速度快

鋁合金鍛造零件的鍛造溫度一般在400～500℃左右，鍛造溫度區間很小，一般在70～100℃之間，工件出爐后溫度很快就會下降到終鍛溫度，必須快速完成鍛造。如果鍛造速度不夠，不能完成全部鍛造工序，就需要重新加熱，極大的延長了制造時間、降低了生產效率，并會產生很大的能源浪費。因此，20000kN快速鍛造液壓機在滿噸位時的成形速度一般要求≥80mm/s，退回速度≥300mm/s。

設備偏載較大，沖擊振動大

根據成形零件及模具的相關要求，20000kN的液壓機臺面（長×寬）為1800mm×1200mm。相對臺面較小的模具通過T形槽固定的臺板上，模具中心與壓機中心在安裝模具時會存在一定的誤差，使用過程中這個誤差會加大；操作機在擺放工件時也會有誤差，這些都會導致壓機存在一定的偏載。特別是拔長和滾圓工序，工件幾乎不可能擺放在模具正中心，此時設備必定存在很大的偏載力矩。設備滑塊快速接觸工件并壓制的過程中在上模和工件接觸時會像鐵錘敲打一樣產生很大的沖擊振動。

設備的滑塊運行精度要求高

由于鋁合金鍛造中，鋁材料的特殊性，在鍛造壓制過程中的材料抗力不是單向均勻變化的，液壓機滑塊的速度精度和定位精度對于鍛件的成形質量會產生很大影響。如果滑塊速度和位置精度不夠，會導致鍛件的內部流線、組織分布不均勻，外形尺寸偏差加大，提高鍛件產生缺陷的風險，增加后續的加工量，影響生產效率，嚴重時可能會導致鍛件的報廢。由于該設備需滿足配合機器人實現半自動化生產，對工件的外形尺寸要求較高。如果工件的外形尺寸偏差較大，會影響機器人正常抓取工件，增加人工干預時間，會導致整個生產線運行效率降低。

鋁合金快速鍛造液壓機的主要方案

針對鋁合金鍛造成形工藝對設備的特殊要求：精度高、偏載力較大，以及對生產工藝過程的詳細研究分析，進而優化設計，充分利用各種內外部資源，實現了設備的高精度、高效率、節能環保。

液壓機機身框架以傳統三梁四柱機身為基礎，優化了上下梁的內部結構，提高了框架柔性以吸收沖擊，梁焊后采用退火徹底消除焊接應力，保證了機身的強度和剛度。根據鋁合金鍛造成形工藝的特點：零件較小、應力較為集中，滑塊采用單缸加壓的形式有效的適應應力集中的使用工況。

滑塊本體采用鋼板焊接成箱形結構，同時采用有限元進行分析和優化，具有足夠的剛度和強度，焊后退火消除焊接應力。考慮到鍛件生產工藝對設備偏載要求，增加滑塊高度并優化改造了滑塊導向結構，滑塊的導向采用導套導向，導套的結構和尺寸經過精密計算、優化，從而保證滑塊在熱環境下膨脹變形和較大的偏心載荷情況下的的運行精度。

根據成形速度和位移精度的要求，按照常規液壓機設計，滑塊壓制速度會隨著負載壓力變化而變化，不能保證壓制速度恒定，速度不穩定又會導致位移精度下降。因此，20000kN鋁合金快速鍛造液壓機，采用恒流量泵搭載負載壓力補償系統，該系統可以保持輸出端的流量不隨負載壓力變化而變化，從而提高速度精度；在補償系統輸入端采用比例伺服閥，用來調節滑塊速度、控制滑塊位移。

根據鍛造工藝過程的分析結果，油泵采用外部液壓控制泵的輸出流量，除成形和回程階段外，泵的排量降低80%～90%，噪聲降低10～15db，用電量降低30%以上，冷卻功率降低30%，實現節能降噪，大大改善了操作環境，降低了使用成本。

壓機的滑塊壓力控制采用比例調壓，壓力調整范圍為公稱壓力的10%～100%，壓力控制精度為±0.3MPa；滑塊位置采用高精度位移傳感器閉環控制，位置顯示精度可達0.01mm，控制精度在±0.5mm以內；滑塊速度控制采用比例伺服閥，控制精度在±1mm/s以內，有效的提高了鍛件（圖3）的成形精度和位置精度。

圖3 成品鋁合金鍛件

實踐結果

該鋁合金快速鍛造液壓機的研發成功，對鋁合金鍛造成形的生產工藝優化，提高生產效率，提高鍛件的質量，減少后續加工量都有著非常積極的意義。目前，此設備已經在用戶處穩定運行一年的時間，提高了鍛件一火鍛造的生產效率。