7.1 快鍛液壓機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及主要應(yīng)用領(lǐng)域

7.1.1 快鍛液壓機(jī)的工作原理

快鍛液壓機(jī)是自由鍛造液壓機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向，它不僅體現(xiàn)在快鍛（精整）時(shí)的頻次（60～100次/min），更主要體現(xiàn)現(xiàn)代鍛造液壓機(jī)的快速性、功能和效率上，包括活動(dòng)橫梁（上砧）的工作速度（含空程和鍛造速度）、鍛造工件的尺寸精度、機(jī)械化程度高和節(jié)能效果顯著等方面。在大型自由鍛工藝中，占用工時(shí)最多的工序是鐓粗和拔長，快速精整工序占用工時(shí)并不多。因此，應(yīng)適當(dāng)提高工作速度和具有一定的鍛造頻次和快速精整功能。

其次，如果以加工對象定義的話，快鍛液壓機(jī)更多地適用于鍛造溫度窄的高合金鋼鍛件、軸類、棒類鍛件，如車軸、圓棒材等的專業(yè)化生產(chǎn)，而且大多為中小型噸位的單缸或多缸結(jié)構(gòu)壓機(jī)。鍛造頻次或精整頻次常常以確定的壓入深度和回程量來計(jì)算的。對于不同噸位的、不同工藝對象的自由鍛液壓機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)大壓下量和滿噸位快鍛的。

現(xiàn)代的快鍛液壓機(jī)主要采用立式、液壓泵直接傳動(dòng)方式，有上壓式和下拉式兩種結(jié)構(gòu)（見圖7-1和圖7-2），下拉式因其活動(dòng)部分（整體機(jī)架）質(zhì)量大，慣性大，在10～30MN快鍛液壓機(jī)或廠房高度受限制的情況下采用，本章主要介紹立式上壓式快鍛液壓機(jī)。

1．快鍛液壓機(jī)的基本系列

快鍛液壓機(jī)的主參數(shù)（公稱力）系列按GB/T 321規(guī)定的優(yōu)先數(shù)R10的圓整值作為公比，近似于等比數(shù)列排列，見表7-1。

2．主要技術(shù)參數(shù)及定義

（1）公稱力 代表液壓機(jī)規(guī)格名義上能產(chǎn)生的最大力，它反映了液壓機(jī)的主要工作能力。單位為MN，在數(shù)值上等于主（側(cè)）缸柱塞的總面積（m2）與液壓系統(tǒng)的最大工作壓力（MPa）的乘積（取整數(shù)）。

（2）液壓系統(tǒng)最大工作液壓力 液壓系統(tǒng)中液體的最大單位工作液壓力，即液體的最大壓強(qiáng)。工作液壓力不宜過低，否則設(shè)備重量、占地面積增加，成本增高；反之，工作液壓力過高，則密封、液壓元件壽命會有影響。目前國內(nèi)液壓機(jī)所用的工作液壓力為25～50MPa，多數(shù)用31.5～35MPa的工作液壓力。

（3）最大回程力 液壓機(jī)活動(dòng)橫梁在回程時(shí)除了要克服各種阻力和運(yùn)動(dòng)部件的重力外，還要考慮滿足快鍛頻次所需的加速度。

（4）開口高度 亦稱凈空高，指活動(dòng)橫梁或整體機(jī)架處于上極限位置時(shí)，上砧墊板下平面至移動(dòng)工作臺上平面的距離。

（5）立柱橫向凈空距 兩個(gè)（四個(gè)）立柱內(nèi)側(cè)允許工件進(jìn)出的凈空距離。

（6）橫向偏心距 鍛件的受壓中心至液壓機(jī)移動(dòng)工作臺中心線之間的距離。一般指常鍛工況最大鍛造力下所允許的最大偏心距離。

（7）最大行程 最大行程是指活動(dòng)橫梁能夠移動(dòng)的最大距離。

（8）工作速度 亦稱加壓速度，指在常鍛工況下，上砧單位時(shí)間內(nèi)的壓下行程。

（9）空程速度 上砧在接觸工件前單位時(shí)間內(nèi)的下降行程。

（10）回程速度 上砧在加壓鍛造后向上單位時(shí)間內(nèi)的行程。

（11）壓下量 即壓縮量，鍛件被壓縮前后高度方向的差值。

（12）行程控制精度 在自動(dòng)鍛造過程中，液壓機(jī)的上砧行程設(shè)定位置與實(shí)際位置的差值。

7.1.2 快鍛液壓機(jī)的特點(diǎn)

快鍛液壓機(jī)適合于黑色金屬直形和臺階形鋼棒、轉(zhuǎn)軸、環(huán)件、襯套、餅件和各類特定的自由鍛件生產(chǎn)，是大型鍛件鐓粗開坯和自由鍛件生產(chǎn)必不可少的壓力加工設(shè)備，具有如下特點(diǎn)。

1．預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)代鍛造壓機(jī)高精度和快速性的工藝要求，壓機(jī)的整體結(jié)構(gòu)剛性和導(dǎo)向精度非常關(guān)鍵，決定著壓機(jī)的整體性能。壓機(jī)本體由兩個(gè)（四個(gè)）堅(jiān)固的長方形空心立柱作為機(jī)架，拉桿置于空心立柱中，在拉桿全長上將上、下橫梁和立柱預(yù)緊固成一個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)組合機(jī)架，上下梁開檔內(nèi)側(cè)之間不再需要設(shè)置和緊固螺母。承受工作負(fù)荷時(shí)能夠達(dá)到很好的平衡和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的整體結(jié)構(gòu)剛性、抗疲勞強(qiáng)度、承載能力和安全可靠性。

2．雙球鉸柱塞式工作缸結(jié)構(gòu)

主工作液壓缸為柱塞式，與上橫梁組合構(gòu)造，上傳動(dòng)方式，更換密封易接近。柱塞與活動(dòng)橫梁的聯(lián)結(jié)均設(shè)計(jì)為雙球鉸節(jié)結(jié)構(gòu)，允許偏心鍛造范圍大，偏心鍛造所產(chǎn)生的偏載力可經(jīng)立柱傳遞到上橫梁，液壓缸導(dǎo)套與密封處不會承受由于偏心鍛造所產(chǎn)生的水平力，從而延長了密封壽命。

3．全封閉立柱平面導(dǎo)向方式

活動(dòng)橫梁為特殊的五件組合式構(gòu)造設(shè)計(jì)，將兩個(gè)空心立柱四周封閉，在立柱外圍四周多個(gè)平面上導(dǎo)向，上下導(dǎo)向面間距長，工作時(shí)自動(dòng)貼合立柱，導(dǎo)向面壓低，導(dǎo)向精度高，導(dǎo)板調(diào)整更換方便，抗偏載能力強(qiáng)，拉桿永無磨損。

4．“宜人化”的鍛造操作環(huán)境

配有工作臺移動(dòng)裝置、型砧橫向移動(dòng)裝置、上砧快速夾緊旋轉(zhuǎn)裝置以及鋼錠旋轉(zhuǎn)升降臺等機(jī)械化設(shè)備，鍛造工具配置與調(diào)配系統(tǒng)可按程序組合和調(diào)用上下砧具，縮短了輔助作業(yè)時(shí)間，減輕了繁重的體力勞動(dòng)，有效地提高了生產(chǎn)效率。

5．單人操作的控制系統(tǒng)

壓機(jī)采用PLC與計(jì)算機(jī)兩級控制，具有友好的單人操作人機(jī)交互操作系統(tǒng)與故障診斷系統(tǒng)，多層面、實(shí)時(shí)地向操作者提供生產(chǎn)工藝、設(shè)備狀態(tài)技術(shù)信息。由1名操作工操作鍛造壓機(jī)、操作機(jī)以及輔助裝備，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)操作控制，并按預(yù)先編好的鍛造程序完成一根臺階軸的鍛造。

6．較高的行程速度和鍛造頻次

采用大流量定量泵、伺服變量泵雙組合直接傳動(dòng)和高頻響比例閥控制技術(shù)，以及三缸分級鍛造，可實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)在規(guī)定條件下進(jìn)行節(jié)能鍛造和快速鍛造；常鍛工作速度可達(dá)80～160mm/s，精整快速鍛造頻次為60～100次/min，縮短作業(yè)時(shí)間，提高效率和鍛件品質(zhì)，降低功率損耗，節(jié)約能源。

7．鍛造尺寸精度控制

采用兩套絕對值編碼器實(shí)時(shí)檢測活動(dòng)橫梁的行程并進(jìn)行閉環(huán)控制，針對快速鍛造時(shí)連續(xù)鍛打的工作特點(diǎn)，采用智能調(diào)節(jié)器自動(dòng)補(bǔ)償活動(dòng)橫梁的位移，使鍛件的熱態(tài)精整鍛造控制精度達(dá)到±（1～2）mm。

8．與操作機(jī)聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

鍛造壓機(jī)可與配套的全液壓軌道式鍛造操作機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制操作和實(shí)時(shí)監(jiān)測。操作機(jī)采用比例伺服控制，可對夾持著鍛件的鉗頭進(jìn)行高精度的進(jìn)退、翻轉(zhuǎn)、提升和平移的自動(dòng)控制，同時(shí)具有傾斜、側(cè)擺功能，配合壓機(jī)完成鋼錠開坯、拔長、整圓等聯(lián)動(dòng)鍛造工藝操作。

7.1.3 快鍛液壓機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

鍛造行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)中的一個(gè)重要基礎(chǔ)工業(yè)，各類鍛件在眾多領(lǐng)域中都起著不可替代的作用。即使在計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)高度發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化的今天，鍛造仍然是大到上天、下海、入地材料的加工，小到金銀首飾制作，國計(jì)民生須臾不離的技術(shù)。只要有金屬，只要有材料加工，就會有鍛造。

20世紀(jì)50～90年代制造的三梁四柱式水壓機(jī)和自由鍛錘在我國早期的工業(yè)發(fā)展中做出了很大的貢獻(xiàn)。但由于高耗能、生產(chǎn)效率低、環(huán)保差、鍛件精度低等方面原因，逐步被中小型快鍛壓機(jī)所取代。快鍛壓機(jī)具有鍛造速度快、動(dòng)作靈敏，鍛造頻次高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，可自動(dòng)控制進(jìn)給量、壓下量、打擊頻率，從而調(diào)節(jié)溫降和變形溫升，保證終鍛溫度、變形率、組織和性能，還能顯著降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；鍛造精度高，鍛件厚度公差可達(dá)到±（1～2）mm。安全、節(jié)能、振動(dòng)小、噪聲低，顯著改善生產(chǎn)工作環(huán)境。

由于新型合金材料不斷出現(xiàn)，這些材料塑性差，變形抗力大，熱加工溫度范圍窄，要求鍛壓設(shè)備能力大、速度快，一般的鍛壓水壓機(jī)和氣錘都不能兼具這兩個(gè)條件，而快鍛液壓機(jī)卻能夠勝任，因此，快鍛液壓機(jī)得到現(xiàn)代鍛造企業(yè)的廣泛青睞，幾乎代替了鍛壓水壓機(jī)。對于特殊鋼及鈦合金生產(chǎn)中，為了擴(kuò)大品種、提高質(zhì)量，快鍛液壓機(jī)已成為現(xiàn)代化特殊鋼廠的必備裝備，對耐熱合金、不銹鋼、高速鋼、模具鋼等材料都能加工，它可生產(chǎn)較大規(guī)格的方、圓、扁坯鍛材和盤件、環(huán)件、炮筒、炮尾座及各種自由鍛件，宜于多品種小批量的生產(chǎn)；它與精密鍛造機(jī)聯(lián)合作業(yè)，還可生產(chǎn)大型管坯、車軸等產(chǎn)品。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，科技水平不斷提高，我國國力的增強(qiáng)，機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)備逐漸向大型化、精密化、緊湊化、成套化、自動(dòng)化方向發(fā)展。大型鍛件生產(chǎn)，如百萬千瓦級火電和超臨界、超超臨界核電用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、特大支承輥、大型高溫高壓厚壁筒體、船用大馬力低速柴油機(jī)組合曲軸等鍛件的質(zhì)量控制需要高精度、高效率的鍛造液壓機(jī)。因此，新型的節(jié)能降耗低碳、精簡連續(xù)、高速高效的產(chǎn)品將會不斷地涌現(xiàn)。基于國內(nèi)自主研發(fā)的價(jià)格優(yōu)勢、國家政策扶持優(yōu)勢以及產(chǎn)品本身技術(shù)性能的不斷提高，基于我國大型運(yùn)輸機(jī)、航空航天業(yè)、船舶、導(dǎo)彈等軍工國防工業(yè)、高速列車、城市軌道交通等現(xiàn)代化交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，自主研發(fā)研制的產(chǎn)品，均需大型化、整體化的鍛件。因此，快速鍛造液壓機(jī)設(shè)備向大型化發(fā)展是必然的。