自由鍛造水壓機(jī)的研究與應(yīng)用

自由鍛造水壓機(jī)的研究與應(yīng)用

液體壓機(jī)是帕斯卡液體壓傳動(dòng)器的基本原則，是用高壓液體在職業(yè)壓上傳遞壓力的訓(xùn)壓設(shè)備。根據(jù)工作量（如乳液、水或礦物油），可分為兩類：水壓機(jī)和壓機(jī)。一般來說，水壓機(jī)采用水泵蓄勢器傳輸，油壓機(jī)采用泵直接傳輸。液壓機(jī)從結(jié)構(gòu)上易于得到較大的總壓力、工作空間和行程,并能夠在任意位置發(fā)出最大的工作力,得到較大的鍛造深度,最適合于大鍛件、大變形量的鍛造。自由鍛造液壓機(jī)主要在工作缸壓力作用下,通過上、下砧和一些簡單的通用工具,使鋼錠或鋼坯產(chǎn)生塑形變形,以獲得所需形狀和尺寸的鍛件。1水壓機(jī)與油壓機(jī)的聯(lián)動(dòng)發(fā)展歷程1859~1861年在維也納鐵路工廠出現(xiàn)了第一批用于金屬加工的液壓機(jī),1884年在英國曼徹斯特首先使用了鍛造鋼錠的自由鍛造水壓機(jī)。由于自由鍛造液壓機(jī)與鍛錘相比,具有低噪音和大變形等顯著優(yōu)勢,1887~1888年自由鍛造水壓機(jī)迅速得到系列開發(fā)和應(yīng)用。1893年美國建成了第一臺(tái)萬噸級(jí)(126MN)自由鍛造水壓機(jī),使大鋼錠的鍛造由鍛錘過渡到使用鍛造液壓機(jī),50kN以上的大型自由鍛錘逐漸被淘汰。由于純水的氣蝕、銹蝕等特性,使閥的壽命極低,因此,水壓機(jī)也由最初的以純水為工作介質(zhì)的蒸汽增壓器傳動(dòng),逐漸發(fā)展為常規(guī)的以乳化液為工作介質(zhì)的泵-蓄勢器傳動(dòng)。1938~1944年德國率先制造了三臺(tái)世界最大噸位的150MN自由鍛造水壓機(jī)。泵-蓄勢器傳動(dòng)的自由鍛造水壓機(jī)持續(xù)了一百多年的發(fā)展應(yīng)用,其操縱系統(tǒng)雖然幾經(jīng)革新,但仍然以手動(dòng)操作為主,且大多無鍛造精度控制。進(jìn)入20世紀(jì)中期,隨著工業(yè)革命的進(jìn)一步發(fā)展,要求自由鍛造液壓機(jī)具有自動(dòng)化生產(chǎn)、高精鍛次數(shù)和鍛件厚度尺寸精確控制等功能。通過對壓機(jī)增加鍛件尺寸控制和輔助機(jī)械,由微型計(jì)算機(jī)控制,使壓機(jī)與操作機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)來提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了自由鍛造工藝的一次重大突破。泵直接傳動(dòng)系統(tǒng)具有恒速性,且油壓電氣控制元件規(guī)格齊全,油壓控制技術(shù)趨于成熟,油壓機(jī)成為自由鍛造實(shí)現(xiàn)高效高精自動(dòng)化生產(chǎn)的理想選擇。1952年瑞典首先研制了一臺(tái)10MN快速鍛造油壓機(jī),其后英、美和西德等國都設(shè)計(jì)制造了5~30MN的快速鍛造液壓機(jī)。1962年英國鋼鐵協(xié)會(huì)(BISRA)制造了首套壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動(dòng)的自由鍛造油壓機(jī)組,采用電子數(shù)碼控制裝置,成功實(shí)現(xiàn)厚度控制和壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動(dòng)。五年后,該協(xié)會(huì)研制的采用計(jì)算機(jī)控制的自由鍛造油壓機(jī)正式投入工業(yè)生產(chǎn),開創(chuàng)了自由鍛造全自動(dòng)化生產(chǎn)的新紀(jì)元。但由于缺乏大功率、大流量的油壓高壓動(dòng)力系統(tǒng),初期的自由鍛造油壓機(jī)的最大噸位均不超過30MN,自由鍛造液壓機(jī)進(jìn)入了水壓機(jī)和油壓機(jī)共存時(shí)期。油壓機(jī)按液壓控制方式的不同分為閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng),閥控系統(tǒng)具有高精度和高頻響的特點(diǎn),被絕大多數(shù)壓機(jī)所采用;泵控系統(tǒng)用于油品好、效率高、功率大的場合,僅限于德國PAHNKE公司使用的潘克改進(jìn)型正弦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)70年代,歐美各國便開始對舊的泵-蓄勢器傳動(dòng)水壓機(jī)進(jìn)行改造,其主要方法如下:(1)廢棄水泵蓄勢站。僅留用壓機(jī)的本體,將水壓機(jī)直接改為泵直接傳動(dòng)的油壓機(jī)。表1統(tǒng)計(jì)了1975~1985年間歐美國家將舊水壓機(jī)改造為油壓機(jī)的數(shù)量;(2)選擇油控水系統(tǒng)。保留原有的水泵蓄勢站和工作缸的進(jìn)排液分配閥,增加一套油壓伺服系統(tǒng),根據(jù)動(dòng)梁位置,采用油壓伺服閥或高性能比例閥,通過接力缸控制分配器搖桿軸的擺角和速度?；蛘?通過單頂缸控制單個(gè)進(jìn)排液分配閥的啟閉動(dòng)作,提高壓機(jī)的自動(dòng)化程度,美國的OILGEAR公司就是根據(jù)此原理對舊的水壓機(jī)進(jìn)行全面改造。但是,由于油控水系統(tǒng)是借助中間油缸,間接控制進(jìn)排液分配閥的啟閉,因此,響應(yīng)速度、閥口開啟量和鍛件尺寸精度始終無法達(dá)到泵直接傳動(dòng)油壓機(jī)的效果。同時(shí),工作介質(zhì)和控制介質(zhì)的不同更易造成交叉污染。進(jìn)入21世紀(jì),自由鍛造液壓機(jī)在數(shù)控化、高精度化和專業(yè)化方向得到高速發(fā)展,隨著高壓大流量油泵的問世,突破了長期制約大型油壓機(jī)發(fā)展的瓶頸,油壓機(jī)已完全替代水壓機(jī)成為自由鍛造的主流設(shè)備,1996年德國SMS率先制造了一臺(tái)100MN自由鍛造油壓機(jī)。目前世界上已投產(chǎn)的閥控系統(tǒng)自由鍛造油壓機(jī)最大噸位已達(dá)165MN,泵控系統(tǒng)自由鍛造油壓機(jī)最大噸位已達(dá)185MN。所有壓機(jī)控制系統(tǒng)均采用計(jì)算機(jī)控制,具有速度快(提高每分鐘的行程次數(shù))、精度高(±1~±3mm)、自動(dòng)控制壓下量、自動(dòng)測量鍛件尺寸、自動(dòng)記錄生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、自動(dòng)診斷故障等功能;在機(jī)械化方面,都配有全液壓鍛造操作機(jī),與液壓機(jī)聯(lián)動(dòng),用來提高鍛件產(chǎn)量。表2列舉了2000年以來投產(chǎn)的80MN以上自由鍛造液壓機(jī)的數(shù)量統(tǒng)計(jì)。2種液壓基礎(chǔ)元件的性能對比近年來,隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和排污成本的增大,國際上很多知名生產(chǎn)液壓機(jī)的大企業(yè),如德國的威普克-潘克(WepukoPahnke)、梯芬巴赫(Tiefenbach)、英國的芬樂(Fenner)和丹麥的丹夫斯(Danfoss)等公司已開始致力于純水液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)元件和控制技術(shù)的研究,雖然研發(fā)還局限于一些特定應(yīng)用目標(biāo)的需要,品種規(guī)格還十分有限,但發(fā)展勢頭卻十分強(qiáng)勁。針對純水介質(zhì)的腐蝕、磨損、泄漏、氣蝕和沖擊等技術(shù)難題,從新材料、新技術(shù)和新工藝三方面入手,研制開發(fā)了高壓水泵、馬達(dá)、各種壓力、流量和方向控制閥、甚至比例和伺服控制閥等液壓基礎(chǔ)元件,額定壓力可達(dá)到32MPa甚至更高。一些元件的性能(包括可靠性及使用壽命)達(dá)到甚至超過同類的油壓元件,隨著這些基礎(chǔ)元件的成功應(yīng)用,為研究開發(fā)真正意義上的由單一純水系統(tǒng)控制的自由鍛造水壓機(jī)創(chuàng)造了技術(shù)條件。純水與液壓油理化特性的差異,使純水壓機(jī)具有如下顯著優(yōu)勢:(1)液壓油在防氣蝕、防銹、密封和潤滑性能方面都比純水好得多,但是,液壓油也存在著價(jià)格高、易燃、易變質(zhì)和易污染等問題,特別是對于上傳動(dòng)壓機(jī)液壓油的泄漏是致命的,必須設(shè)置車間消防設(shè)施。國內(nèi)已有自由鍛造油壓機(jī)由于液壓油的泄漏引起火災(zāi)的實(shí)例;(2)純水的粘度低,50℃時(shí),其運(yùn)動(dòng)粘度約為0.56mm2/s,是壓機(jī)常用的N68液壓油運(yùn)動(dòng)粘度的1.2%。因此,純水系統(tǒng)的閥門和管道設(shè)計(jì)流速可達(dá)油壓系統(tǒng)的兩倍以上,閥門和管道的減小可有效降低液壓系統(tǒng)投資;(3)純水的比熱容約為4.19kJ/kg,是液壓油比熱容的約2.2倍,因此,純水系統(tǒng)工作介質(zhì)溫升小,可以縮減或取消龐大的冷卻系統(tǒng);(4)純水的體積壓縮系數(shù)約為4.76×10-5cm2/kg,是液壓油體積壓縮系數(shù)的約70%,因此,在相同壓力下,水壓機(jī)工作缸及管道內(nèi)的壓縮容積是油壓機(jī)的約70%。也就是說,壓機(jī)在加壓動(dòng)作結(jié)束時(shí),需要快速釋放的介質(zhì)壓縮容積減小30%,這將使壓機(jī)的卸壓時(shí)間大幅減少,可有效增加動(dòng)作頻次,特別對大型液壓機(jī)效果尤為顯著;(5)在高壓狀態(tài)下,純水的溶氣量遠(yuǎn)低于液壓油,因此,在使用增壓器或蓄勢器系統(tǒng)時(shí),不需要考慮氣水隔離,簡化設(shè)計(jì),降低成本。因此,用純水作單一介質(zhì)的泵直接傳動(dòng)自由鍛造水壓機(jī),可以滿足鍛壓設(shè)備高效、節(jié)能和環(huán)保的要求,是未來自由鍛造液