新型程控液壓模鍛錘1

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容1.1鍛壓機械分類 鍛壓機械是機床行業(yè)中的一個重要門類，在機械制造業(yè)中一直起著重要作用。按照工作原理與結(jié)構(gòu)特點的不同，鍛壓機械可大致分為三大類： 1.機械壓力機類：它采用機械傳動，是一種定行程設(shè)備，其工作行程主要取決于機械傳動部分結(jié)構(gòu)；2.液壓機類：利用帕斯卡原理，采用液壓傳動，是一種定力設(shè)備，其輸出力的大小主要取決于液體工作壓力和工作缸面積；3.鍛錘類：采用蒸汽空氣驅(qū)動，液氣驅(qū)動或機械驅(qū)動，利用錘頭在下落過程中積蓄的能量完成鍛件變形。是一種定能量設(shè)備，其輸出能量主要來自于氣缸中氣體膨脹作功和錘頭的重力位能。1.1. 鍛錘類設(shè)備的發(fā)展史鍛錘類設(shè)備的發(fā)展史1.早期的鍛錘，滑塊靠皮

2、帶或一個帶有摩擦輥的夾板來提升，其安全性主要取決于操作者的經(jīng)驗。每次打擊前，操作者都要定出滑塊提升的高度及打擊能量。2.上世紀(jì)初，這種錘發(fā)展成為空氣驅(qū)動方式，在錘的上端加壓，錘頭（滑塊）以這種上端加壓方式提升和加速，在空氣或蒸汽的壓力下，向下運動，操作者要控制排放閥，就可控制上端壓力，從而控制打擊能量。 鍛錘具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，工藝萬能性強，成形速度快，頻率高和可以多擊成形等特點。(1)優(yōu)點：蒸空鍛錘能耗大，熱效率極低，以蒸汽為動力時，其能量有效利用率有足2%； 有砧座錘振動大，噪音大，影響了附近居民生活和精密儀器的工作； (2)缺點:動力設(shè)備復(fù)雜，運行和維護費用高； 蒸汽鍋爐排放的煙塵嚴

3、重污染環(huán)境； 浪費水資源，煤及煤渣運輸量大。(3)對蒸空鍛錘進行改進和更新?lián)Q代，其中主要有：1.對擊錘；蒸空對擊錘的研制和應(yīng)用消除了有砧座錘劇烈的振動，但蒸汽驅(qū)動方式?jīng)]變，且下錘頭行程大，操作不方便； 2.高速錘；采用液氣驅(qū)動，提高了效率，振動小，但速度過高，力重比高，機身負荷大，易損壞，打擊頻率低，悶?zāi)r間長； 3.電液錘；采用液壓驅(qū)動，用于傳統(tǒng)的蒸空錘進行節(jié)能技術(shù)改造（俗稱“換頭”），目前太原科技大學(xué)、北京理工大學(xué)，西重所，濟南鑄錘所都在進行這方面的研究、開發(fā)工作。 4.液壓模鍛錘 它采用液壓驅(qū)動原理和下錘頭上跳與上錘頭對擊的結(jié)構(gòu)型式是一種高效、節(jié)能和環(huán)保型機電液一體化新產(chǎn)品，用于傳統(tǒng)蒸空

4、鍛錘的更新?lián)Q代，是錘類設(shè)備的研究和發(fā)展方向。 液壓模鍛錘是充分利用錘類設(shè)備的特點，結(jié)合對擊錘、高速錘等設(shè)備的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新型模鍛設(shè)備。它采用液壓驅(qū)動原理和下錘頭上跳與上錘頭對擊的結(jié)構(gòu)型式是一種高效、節(jié)能和環(huán)保型機電液一體化新產(chǎn)品，用于傳統(tǒng)蒸空鍛錘的更新?lián)Q代，是錘類設(shè)備的研究和發(fā)展方向。2.1液壓模鍛錘的特點液壓模鍛錘能量利用率高、節(jié)能效果顯著，與蒸汽驅(qū)動鍛錘相比，節(jié)能達90%以上；液壓模鍛錘采用下錘頭微動型（或錘身微動）上跳的對擊式結(jié)構(gòu)，在不影響鍛造操作的情況下，消除了強烈的振動；液壓錘采用電液驅(qū)動，簡化了動力源，節(jié)約投資，并省去了動力站運行和維護費用；消除了蒸汽錘鍋爐房嚴重的環(huán)境污染

5、；消除了大量的水資源；實現(xiàn)了鍛造程序控制和機電液一體化。2.2液壓模鍛錘發(fā)展概況國外有代表性的產(chǎn)品有：德國Lasco公司在上世紀(jì)四十年代，生產(chǎn)了第一臺帶有液壓裝置提升滑塊的模鍛錘出現(xiàn)了，它用于飛機制造業(yè)。五十年代初這種液壓模鍛錘進入市場并得到進一步的發(fā)展。對于提供同等的能量而言，滑塊質(zhì)量的增加，意味著落下速度及落下的高度的降低，也就是說設(shè)備可以設(shè)計得更加緊湊。 Lasco公司開發(fā)的GH等系列電液無砧座錘，該產(chǎn)品采用上、下錘頭對擊的結(jié)構(gòu)型式和全液壓傳動與控制，下錘頭靠下方氣墊驅(qū)動，可實現(xiàn)能量預(yù)選和程序控制。驅(qū)動的改進使機身更加緊湊，采用單U形機架，由于這些改進，打擊次數(shù)從30 次/分提高到約12

6、0 次/分。這些都使鍛錘的性能得到極大改善。我國有引進產(chǎn)品。 上端液壓驅(qū)動和單體U 形機架的鍛錘其獨特之處是打擊節(jié)拍快，成形能量穩(wěn)定，系統(tǒng)能量充足。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計緊湊并安裝在設(shè)備上端的一個頂端組件中，以適應(yīng)車間的簡陋環(huán)境，頂端組件還包括一個儲油箱，并由抗震基礎(chǔ)支撐。 成形能量是由移動塊的速度決定的，移動塊包括錘頭、上模， 以及裝有活塞及各種固定模具部件的活塞桿。驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)形機架和導(dǎo)向系統(tǒng)形機架和導(dǎo)向系統(tǒng) U 形機架的特點是質(zhì)量分布合理，它采用有限元方法設(shè)計，對結(jié)構(gòu)進行了專門測試并考慮了對加熱工操作引起的變形給予補償。對鍛件質(zhì)量有直接影響的導(dǎo)向系統(tǒng)為X 形，其目的是中和由于溫度升高引起

7、的滑塊的變形?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng) LASCO 液壓模鍛錘都裝有記憶程序控制系統(tǒng)。在控制柱上，裝有生產(chǎn)過程的操作，調(diào)節(jié)，監(jiān)控和帶屏幕的鍵盤操作終端。鍛造操作者即可程序化也可人工控制。在程序控制時，鍛造步驟和每次的打擊能量及節(jié)拍都可預(yù)選并通過腳踏板操作。有關(guān)的鍛造參數(shù)可由操作者輸入。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中貯存了產(chǎn)品的有關(guān)參數(shù)。當(dāng)再生產(chǎn)這些產(chǎn)品時就不必重復(fù)設(shè)置，這就減少了停機時間。紀(jì)錄系統(tǒng)建立了生產(chǎn)和停產(chǎn)的時間診斷系統(tǒng)還以文本或圖像的方式指出錯誤 智能檢測監(jiān)控系統(tǒng)智能檢測監(jiān)控系統(tǒng) 能對成形能量測試中的一些重要環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，因而能給用戶提供更好的服務(wù)，使產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都得到很大提高，這些也是我們的宗旨。另外，

8、系統(tǒng)安裝一個指示器，使設(shè)備得到定期的養(yǎng)護?？紤]到系統(tǒng)的磨損，可調(diào)整鍛錘自動排放閥的作用時間，這樣可使成形能量的偏差在可接受的范圍內(nèi)，每次鍛打的實際成形能量數(shù)值都輸入到排放閥作為更正的參數(shù)，當(dāng)達到一定值時，將在屏幕上出現(xiàn)維護提示，液壓系統(tǒng)也采取類似的控制方式，液壓蓄能器到一定的時間開始蓄能，計時器則開始計時，如果下一次蓄能的時間間隔低于定值，則表明需要維護。通過對蓄能器蓄能時壓力上升的速度的測試，就能確定液壓泵的磨損情況，這一系列的程序是重復(fù)執(zhí)行的。捷克SMERAL工廠研制開發(fā)了KJH、KHZ系列液壓模鍛錘，該產(chǎn)品采用液氣驅(qū)動和錘頭與錘身對擊的結(jié)構(gòu)型式，錘身上跳靠杠桿 拉桿機構(gòu)驅(qū)動。可實現(xiàn)能量預(yù)

9、選和程序控制。我國常州鍛造廠、成都鍛造廠等曾引進該設(shè)備。國內(nèi)液壓錘研究與開發(fā)情況二十世紀(jì)七十年代末，太原科技大學(xué)與海安鍛壓機床廠合作開發(fā)了6.3T-M 液壓模鍛錘，該錘采用液氣驅(qū)動原理和錘頭與錘身對擊式結(jié)構(gòu)型式；吉林工大與吉林鍛壓設(shè)備廠合作開發(fā)了2.5 T-M、5T-M 等規(guī)模的液壓模鍛錘，該錘結(jié)構(gòu)和原理與捷克KJH相近；濟南鑄鍛所研制了10T-M 液壓模鍛錘，其結(jié)構(gòu)類似于普通對擊錘，之后又研制開發(fā)了液壓對擊，氣壓回程的消振液壓錘系列產(chǎn)品；江蘇海安百協(xié)開發(fā)了CHK系列程控全液壓短行程模鍛錘在吸收和借鑒國內(nèi)外液壓模鍛錘現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，太原科技大學(xué) 與長冶鍛壓機床廠、安陽鍛壓機械股份公司合作開發(fā)了

10、新一代程控液壓模鍛錘系列產(chǎn)品。 動力頭采用了錐閥式控制、全液壓驅(qū)動、程序控制、在線傳感、數(shù)字顯示等高新技術(shù)。采用整體鑄鋼砧座、床身，可方便拆換放射形寬導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。不僅具有簡單可靠的結(jié)構(gòu)，而且具有極為周到的運行監(jiān)控系統(tǒng)、故障自動診斷系統(tǒng)、能量自控、程序打擊系統(tǒng)。錘架和砧座連成U形整體， 太原科技大學(xué)研究開發(fā)的新型程控液壓模鍛錘采用液氣驅(qū)動，液壓回程，氣體膨脹打擊的原理，借助于聯(lián)通油路，使氣缸中氣體膨脹作功轉(zhuǎn)變?yōu)樯?、下錘頭（或錘身）系統(tǒng)的打擊動能從而實現(xiàn)鍛件變形。這種驅(qū)動方式充分發(fā)揮了氣體、液體兩種工作介質(zhì)各自的特點，如氣體的流動性和膨脹性好，可以實現(xiàn)鍛錘快速打擊；液體的壓縮性極小，可以控制下錘頭（

11、或錘身）的上跳速度和上跳量。在結(jié)構(gòu)型式上，又分為下錘頭微動型和錘身微動型兩種。3.1下錘頭微動型液壓錘原理和結(jié)構(gòu)特點圖1是6.3KJ程控液壓錘；圖2是6.3KJ程控液壓錘主機；圖3是25KJ下錘頭微動型程控液壓錘；圖4是下錘頭微動型液壓錘主機結(jié)構(gòu)簡圖；圖5是下錘頭微動型液壓錘工作簡圖；6.3KJ程控液壓模鍛錘6.3KJ程控液壓錘主機部分25KJ下錘頭微動型液壓模鍛錘下錘頭微動型液壓錘主機結(jié)構(gòu)簡圖下錘頭微動型液壓錘工作原理簡圖31456872 如圖4、圖5所示，將液壓錘工作缸上腔一次性充入壓強空氣或氮氣，進而封閉?；爻虝r工作缸下腔進入高壓液體，推動上錘頭上升并使氣室中氣體進一步壓縮蓄能。閥1打開

12、，閥2關(guān)閉時，回程缸中液體經(jīng)閥1進入聯(lián)通缸，上錘頭在上腔氣體膨脹作用下加速下行，并通過聯(lián)通油路推動下錘頭微動上跳，實現(xiàn)對擊。打擊后，閥1關(guān)閉，閥2打開，高壓液體使上錘頭再一次提升，下錘頭下方安裝兩個氣墊8，不僅起減振和緩沖作用，而且可為下錘頭上跳提供80%左右的動力。下錘頭微動型液壓錘結(jié)構(gòu)特點下錘頭微動型液壓錘的質(zhì)量比（m2/m1 )較小(一般為=46)，因此運動部分重量和錘頭總量輕，節(jié)約材料；上、下兩油缸均安裝在外框架上，聯(lián)通油路上無需設(shè)置活動接頭，減少了漏油的可能，節(jié)省了加工維修量；工作時，上錘頭在U型下錘頭中導(dǎo)向，下錘頭在外框架中導(dǎo)向，可保證導(dǎo)向精度和鍛造精度；該型式液壓錘需要一個剛度較

13、好的外框架。由于下錘頭質(zhì)量小而且結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，加工成本低，安裝方便；3.2錘身微動型液壓錘工作原理和結(jié)構(gòu)25KJ錘身微動型程控液壓錘25KJ錘身微動型程控液壓錘主要技術(shù)參數(shù)：公稱打擊能量E 25KJ全行程打擊次數(shù)n 260 min-1 工作行程S 450mm最大裝模高度H0 340mm最小裝模高度h 250mm打擊速度v 7m/s充氣壓力P1 0.8MPa上錘頭前后長度L 450mm導(dǎo)軌間距B 520mm錘身上跳量S2 64mm液壓工作壓力 15MPa錘身微動型液壓錘工作原理圖 如圖7所示，氣缸10中一次性充入壓縮空氣或氮氣，進而封閉。當(dāng)液壓系統(tǒng)中的高壓氣體進入工作缸下腔時，液體壓力

14、推動活塞，錘桿或上錘頭11上升，并使上腔氣體壓縮蓄能，當(dāng)閥1打開，閥2關(guān)閉時，工作缸下腔液體經(jīng)閥1進入聯(lián)通缸13，上錘頭11在上腔氣體膨脹作用下，加速下行，與此同時，聯(lián)通缸13中液體壓力、氣缸10中氣體反作用力和氣墊14中氣體壓力共同驅(qū)動錘身12上跳，與上錘頭實現(xiàn)對擊。打擊后，閥1關(guān)閉，閥2打開，上錘頭再次回程，錘身下落在氣墊緩沖器14上，閥7的作用是寸動調(diào)整模具。 25KJ錘身微動型液壓錘結(jié)構(gòu)特點和性能特點：該機錘身采用整體式鑄銅結(jié)構(gòu)，機身剛性好，可保證鍛造精度； 該機結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，并且對外框架的剛度無特殊要求； 這種結(jié)構(gòu)錘身與錘頭質(zhì)量比稍大，錘身上跳行程小，固而鍛造操作方便； 內(nèi)外導(dǎo)

15、軌調(diào)整時互不干涉，因而導(dǎo)軌調(diào)節(jié)方便； 增設(shè)了鍛件頂出裝置，擴大了鍛錘使用范圍，并有利于實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)自動化； 使用下氣墊，在保證錘身行程和打擊效率的同時，可提供部分打擊能量，節(jié)約動力消耗10%以上。 液壓錘的液壓系統(tǒng)不僅要為液壓錘提供動力源，而且還控制著鍛錘各種動作循環(huán)，因此設(shè)計研究液壓錘液壓系統(tǒng)具有重要意義。 我國開發(fā)的第一代液壓錘，大多采用閉式液壓系統(tǒng)，不利于油液的循環(huán)和散熱，元件之間多采用管式連接，再加上元件性能差，因此制約了液壓錘性能，影響了液壓錘的推廣和使用。 新開發(fā)的程控液壓錘采用泵直接傳動的插裝閥集成開式液壓系統(tǒng)，大大提高了效率，提高了液壓錘的性能和工作可靠性。4.1液壓錘液壓系統(tǒng)

16、設(shè)計要求設(shè)計液壓錘液壓系統(tǒng)時應(yīng)考慮以下幾方面要求： 應(yīng)當(dāng)滿足液壓錘的動作循環(huán)和靜態(tài)性能的要求； 結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便，主閥通油流量大，傳動效率高； 應(yīng)具有良好的動態(tài)性能和工作可靠性； 可以完成輔助工作，如鍛件頂出等； 滿足液壓錘操作和自動的程序控制要求； 液壓系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件，互換性好。4.2 液壓錘液壓系統(tǒng)工作原理圖8 新型程控液壓錘液壓系統(tǒng)原理圖 如圖8所示，插裝閥1和插裝閥2是控制上、下錘頭運動的主要元件。啟動電機的油泵，泵出的油經(jīng)電磁溢流閥8卸荷，此時泵空運轉(zhuǎn)。當(dāng)給閥5和閥8通電時，卸荷回路關(guān)閉。泵出的油一部分進入控制回路的蓄能器中并關(guān)閉閥1，一部分油頂開閥4進入回程油缸，提升上錘

17、頭并壓縮上腔氣體。打擊時，閥3通電，閥5斷電，回程缸中的油液頂開閥1進入聯(lián)通缸，上、下錘頭在工作缸上腔氣體膨脹作用下實現(xiàn)對擊。與此同時，泵出的油仍處于高壓狀態(tài)，并為控制回路的蓄能器補液。打擊時，閥5通電，閥3斷電，主油路的高壓油迅速進入回程缸，再次提升上錘頭，下錘靠自重復(fù)位，并將聯(lián)通缸中的油液排出回油箱。 當(dāng)上錘頭提升至接近開關(guān)或需要在任意位置懸錘時，閥3、閥5和閥8均斷電，油泵卸荷。 電磁閥7的作用是實現(xiàn)寸動對模。 該液壓系統(tǒng)可以使液壓錘實現(xiàn)單次打擊、連續(xù)打擊、輕打、重打、寸動對模以及任意位置懸錘等動作，并通過PLC程控操作。 4.3 新型程控液壓錘液壓系統(tǒng)特點 該液壓系統(tǒng)具有以下特點：系統(tǒng)

18、采用泵直接傳動，可以保證液壓錘長時間連續(xù)打擊；采用開式液壓系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)中油液的循環(huán)和散熱；采用封閉的液壓聯(lián)通油路，可保證下錘頭上跳速度，上跳量和打擊效率；主要控制閥采用插裝閥，通油量大，切換靈活，且易于集成，提高了傳動效率；系統(tǒng)中采用了一個小型蓄能器為主的控制油路，即保證了控制油壓的穩(wěn)定，又簡化了系統(tǒng)，節(jié)省投資；通過數(shù)字仿真與實驗研究，證明開式液壓系統(tǒng)比閉式液壓系統(tǒng)錘頭回程迅速，燜模時間短。4.4液壓系統(tǒng)動態(tài)建模與分析 利用“灰箱”建模方法和自動建模與仿真軟件包PMDSHS對液壓錘液壓系統(tǒng)的各個工作過程和動作循環(huán)的動態(tài)特性進行了建模與仿真。結(jié)果表明：所研究開發(fā)的液壓錘液壓系統(tǒng)具有良好的動態(tài)

19、特性。 提起鍛錘，人們自然會想到手動的操作方式，振動和噪音大，工作環(huán)境差，實際上就傳統(tǒng)的蒸空錘而言，若要實現(xiàn)電氣控或程序控制確實難以做到。 液壓模鍛錘的發(fā)展與應(yīng)用，使鍛錘實現(xiàn)電氣控制乃至程序控制成為可能。由于采用電液驅(qū)動和控制系統(tǒng)，因此不僅便于控制，而且改善了工作環(huán)境。 通過研究和實驗，在開發(fā)新一代程控液壓模鍛錘時，成功地設(shè)計和應(yīng)用了PLC程序控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了液壓錘打擊能量和打擊次數(shù)的自動程序控制。5.1程控系統(tǒng)的設(shè)計要求 液壓錘是一種沖擊成形設(shè)備，打擊速度高（一般7m/s），打擊頻率快（n=60120min-1)，鍛錘上鍛造工藝復(fù)雜，工作中會產(chǎn)生振動。因此在設(shè)計液壓錘程控系統(tǒng)時，應(yīng)考慮以下要

20、求： 程控系統(tǒng)應(yīng)滿足各種鍛件和各種鍛造工藝的操作和控制要求，即有較好的工藝適應(yīng)性和擴展性； 控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)適應(yīng)鍛壓車間振動、高溫和粉塵等工作環(huán)境，具有較好的抗干擾能力和工作穩(wěn)定性； 控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有不同的控制方式，以滿足鍛造生產(chǎn)和工人操作要求；5.25.2控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu) 新型液壓錘PLC程控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 所研制的液壓錘PLC程控系統(tǒng)由CPU單元、存儲器、編程器、輸入模塊和輸出模塊等組成，其控制柜結(jié)構(gòu)如圖所示。5.3控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)程序開始Y電機啟動監(jiān)測與保護手動控制塊腳踏控制塊自動控制塊液壓錘PLC控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖液壓錘PLC程控系統(tǒng)的控制軟件包括5部分，它們是：（1）Y電