一種大噸位三向模鍛液壓機

文/張海杰·合肥合鍛智能制造股份有限公司

本文介紹了大噸位三向模鍛液壓機研發的必要性，在分析現有生產工藝流程模式下管件生產設備不足的基礎上闡述了使用大噸位三向模鍛液壓機的優勢。隨后介紹了大噸位三向模鍛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，該類型模鍛成形液壓機的設計成功極大地提高了生產效率和材料利用率，降低了工藝難度，為該生產工藝的廣泛應用提供可能。

管件生產的傳統工藝有兩種，一種是采用鑄造成形毛坯，然后機加工精修；另一種是采用鍛造毛坯，然后機加工成形。鑄造工藝存在材料鑄造缺陷風險大、材料許用強度低、鑄件生產過程效率低、污染大等問題；而鍛造工藝也存在毛坯成本高、機加工時間長、效率低、材料利用率低等問題。

三向模鍛工藝，也叫三向擠壓工藝，是一種金屬冷塑成形工藝，主要針對的是金屬管類成形。普通模鍛設備只能加工彎通、變徑類型的薄壁、厚壁管件，三通、四通類型的管件依然只能使用傳統工藝；三向模鍛液壓機（圖1）在普通模鍛設備的基礎上進行重新設計，可以實現從三個方向同時施加擠壓力，通過更換不同的模具和工裝，對所有類型的管件均可一次性模鍛成形，能夠實現彎通、三通、四通、變徑等所有管件接頭的一體成形，使用三向模鍛工藝即可完全替代管件生產的傳統工藝。

三向模鍛生產工藝

三向模鍛工藝使用的原料為無縫管，強度、尺寸精度及表面質量均高于鑄件，毛坯重量、單價小于鍛件，且幾乎不用預留加工余量。特別是薄壁管件的生產，以無縫管材為原料，采用擠壓工藝能夠極大地節約材料，同時保證薄壁件的強度和尺寸精度。模鍛工藝不受材料限制，碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁、銅等材料均可加工，適用范圍廣。目前三向模鍛工藝主要使用聚氨酯橡膠做芯材（固體芯）或者使用超高壓液體做芯材（液體芯）。固體芯前期試驗芯棒尺寸費用較高，試驗成功后使用費用低，適合大批量生產；液體芯沒有試驗費用，但因脹形液回收困難，污染較大，導致使用費用偏高，適合試驗和小批量生產。四通管件三向模鍛模具示意圖見圖2。

三向模鍛生產工藝如下：管坯按尺寸下料（固體芯材擠壓則要在下料后將橡膠芯棒裝入管坯）→管坯放入下凹模內→上壓頭帶動上模下行，合模并壓緊→左、右壓頭帶動左、右擠壓桿同步向中心擠壓（液體芯材擠壓此時需充入超高壓脹形液）→左、右壓頭帶動擠壓桿擠壓到設定位置→左、右壓頭退回→上壓頭帶動上模退回→取出成品（固體芯材擠壓此時取出橡膠芯棒）→機加工切除余料。

三向模鍛液壓機的主要技術特點

設備臺面較小，噸位大、載荷集中

由于管件成形的工藝基本為冷擠壓，所需成形力較大，特別是對于較大尺寸的管件，因此三向模鍛設備噸位普遍較大，超過80%的三向模鍛設備合模及左右擠壓力在20000kN以上，而模具尺寸相對所需模鍛成形力較小，特別是左、右擠壓桿的直徑比油缸活塞桿直徑要小的多，因此壓頭與模具接觸面的應力會遠大于普通設備的模具接觸面應力，因此需要對壓頭的材料和結構進行重新計算和校核，壓頭材料需要保證在壓頭和擠壓桿的接觸面上不會被壓潰，壓頭的結構需要保證把擠壓力分散至整個活塞桿接觸面上，以免造成油缸損壞。

左、右壓頭壓制同步精度要求高

根據三向模鍛的工藝要求，左、右壓頭壓制過程中的位移需要保證同步，同步精度越高，壓制出來的成品尺寸精度越高、缺陷風險越小，如果同步精度不夠，會使成品產生褶皺、裂紋、壁厚不勻等缺陷，導致工件報廢，嚴重時甚至會導致模具損壞。因此，三向模鍛液壓機左、右壓頭的同步精度直接關系到生產的產品質量和廢品率，以及模具的壽命。

設備幾何精度要求高

三向模鍛液壓機的上壓頭和工作臺面間的平行度會影響合模后的模腔形狀，如果平行度不夠會導致合模不嚴，會導致壓制的工件報廢；左、右壓頭表面的平行度，壓制過程中左、右壓頭運動軌跡的同軸度，壓頭運動軌跡對工作臺面的平行度對于零件的成形質量和模具也會產生很大影響。如果精度不夠，可能導致左、右擠壓桿彎曲變形，損壞模具；對于液體模芯成形工藝來說還會影響密封，導致液體滲漏，使得成形不到位，工件報廢。

三向模鍛液壓機的主要方案

針對三向模鍛工藝對設備的特殊要求，精度要求高和載荷集中等，以及對生產工藝的詳細研究分析。優化設計，充分利用各種內外部技術資源，實現了設備的高精度和高效率。

液壓機機身框架采用整體框架機身，機身結構件為鋼板焊接箱型結構，采用有限元進行應力和變形的分析、優化，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。

根據三向模鍛成形的特點：零件尺寸相對公稱力較小，應力較為集中，左、右側擠壓采用單缸加壓的形式，有效地適應應力集中的使用工況，噸位大、行程短，左、右擠壓缸增長導套，采用活塞桿導向；上壓頭合模應力相對分散，采用雙缸加壓的形式，配合對角行程檢測裝置控制兩個缸的行程，保證上壓頭對工作臺的平行度。

根據三向模鍛工藝過程的分析結果，左、右壓頭的壓制同步控制采用比例伺服系統加高精度位移傳感器的閉環控制系統，保證左、右壓頭的運動同步，同步精度在±1mm以內。

壓機的上壓頭和左、右壓頭的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。

滑塊本體采用單體厚鋼板結構，保證上壓力均勻傳遞至整個上模面，使合模力均勻分布。滑塊不設導向結構，由高精度對角行程檢測裝置和比例伺服系統組成閉環控制系統，保證滑塊運動過程中對工作臺的平行度。

實踐結果

該三向模鍛液壓機的研發成功，對各種類型管件的批量生產，降低毛坯成本、提高生產效率，提高管件成形的質量，減少后續處理工序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五年的時間，實現了2min/件的生產效率。