國內(nèi)常用模鍛設(shè)備概述

目前，我國模鍛設(shè)備品種較多，模鍛成形設(shè)備主要包括以螺旋副傳力機(jī)構(gòu)為特征的(摩擦式、離合器式和電動式)螺旋壓力機(jī)、以曲柄連桿傳力機(jī)構(gòu)為特征的(溫)熱模鍛壓力機(jī)、以錘頭傳力機(jī)構(gòu)為特征的模鍛錘、以油缸傳力機(jī)構(gòu)為特征的液壓機(jī)和以旋壓成形為特征的輥鍛機(jī)、輾環(huán)機(jī)等。

其中螺旋壓力機(jī)份額最大，約占市場40%左右，螺旋壓力機(jī)制造行業(yè)已發(fā)展成為我國模鍛裝備制造中一個(gè)舉足輕重的行業(yè)。而隨著社會化大生產(chǎn)的逐步形成，熱模鍛壓力機(jī)適合自動化、批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)必將成為今后產(chǎn)品升級轉(zhuǎn)型改造的重要裝備之一。

模鍛錘是一種限能量的模鍛設(shè)備，打擊速度快，沖擊力大，有利于垂直變形件的充滿，但由于振動和噪聲等缺點(diǎn)，限制了鍛錘的發(fā)展。尤其是生產(chǎn)線機(jī)器人的應(yīng)用受到制約。

輾環(huán)機(jī)是一種環(huán)類件快速批量成形的專用設(shè)備，零件成形纖維質(zhì)量好、效率高。

常用模鍛設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

重型摩擦壓力機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展

在螺旋壓力機(jī)中，一次性投資較少的摩擦壓力機(jī)仍然占據(jù)較大份額，市場擁有量超過15000 臺，然而在其他鍛造業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，摩擦壓力機(jī)已很少生產(chǎn)。在國內(nèi)，中小型摩擦壓力機(jī)已逐漸被電動螺旋壓力機(jī)取代。而大中型的摩擦壓力機(jī)因性價(jià)比高，仍然在模鍛行業(yè)起著重要的作用，尤其是重型摩擦壓力機(jī)，投資少見效快，已成為大型模鍛設(shè)備的重要選項(xiàng)之一。

目前由青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司研制的J53-12500 型萬噸級重型摩擦壓力機(jī)(圖1)已批量生產(chǎn)，J53-16000 型16000 噸重型摩擦壓力機(jī)已投入生產(chǎn)。

圖1 J53-12500 型萬噸級重型摩擦壓力機(jī)

離合器式螺旋壓力機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展

自1993 年國產(chǎn)離合器式螺旋壓力機(jī)進(jìn)入市場以來，保有量已達(dá)到100 臺左右。離合器式螺旋壓力機(jī)的飛輪始終保持單向旋轉(zhuǎn)，離合器帶動的螺桿慣性小，所以加速行程短、提速快。壓力機(jī)可以同時(shí)輸出最大打擊力和額定能量，滑塊空程短，有效次數(shù)快，是一種比較先進(jìn)的節(jié)能型設(shè)備。

但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，離合系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電器系統(tǒng)在使用過程中對使用者的操作維護(hù)水平要求較高，出現(xiàn)問題時(shí)難以快速排除或解決，一般用戶不愿使用，所以近幾年國產(chǎn)離合器式螺旋壓力機(jī)已很少生產(chǎn)，大型離合器式螺旋壓力機(jī)主要依靠進(jìn)口。

數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展

電動螺旋壓力機(jī)能嚴(yán)格控制飛輪的轉(zhuǎn)速，從而精確控制打擊能量，電動螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)比摩擦壓力機(jī)還要簡單，維修成本低，節(jié)能節(jié)材，精度高，易于實(shí)現(xiàn)自動化，受到很多用戶的歡迎。

數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)主要有電機(jī)直接傳動式和電機(jī)—機(jī)械傳動式兩種類型。

⑴電機(jī)直接傳動式—直驅(qū)電動螺旋壓力機(jī)。

直驅(qū)電動螺旋壓力機(jī)屬于電機(jī)直接傳動，傳動鏈短，其工作原理為：電機(jī)的轉(zhuǎn)子與螺桿軸和飛輪連為一體。采用特制專用低速大扭矩電機(jī)，直接安裝在主機(jī)頂部，定子殼體安裝在制動支架上，驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn)直接帶動飛輪正反向旋轉(zhuǎn)，通過螺旋副實(shí)現(xiàn)滑塊上下運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)工件成形。電機(jī)的轉(zhuǎn)子與螺桿軸連為一體，傳動環(huán)節(jié)少，沒有摩擦傳動，具有最短的傳動鏈和較高的效率。但要設(shè)計(jì)低速、大扭矩專用電機(jī)，成本較高，螺桿導(dǎo)套磨損后要及時(shí)更換，否則可能會導(dǎo)致電機(jī)的氣隙不均勻，影響電機(jī)特性。

直驅(qū)電動螺旋壓力機(jī)傳動鏈短，近零傳動，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，是4000 噸以下電動螺旋壓力機(jī)的發(fā)展方向。

⑵電機(jī)—機(jī)械傳動式—齒輪(皮帶)式電動螺旋壓力機(jī)。

4000 噸以上的電動螺旋壓力機(jī)多采用多電機(jī)驅(qū)動大齒輪的形式。大齒輪與螺桿連接，螺母安裝在滑塊內(nèi)。電機(jī)作正反方向旋轉(zhuǎn)，從而使滑塊上下運(yùn)動。滑塊上裝有位移檢測裝置，可以實(shí)時(shí)精確測量滑塊位移，用于能量的精確控制。滑塊對鍛件毛坯加壓成形后，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動滑塊回程。回程到某一距離后，電機(jī)斷電，由飛輪儲存的能量通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽姍C(jī)產(chǎn)生電磁制動，使飛輪減速。滑塊回程到上死點(diǎn)后，機(jī)械剎車制動飛輪，使滑塊停止。

該種壓力機(jī)的電機(jī)高效節(jié)能，制造成本低，更換方便，維護(hù)簡單，制動靈敏可靠。隨著國內(nèi)鍛件尺寸的不斷增大，對設(shè)備的要求必然越來越高，而進(jìn)口產(chǎn)品不僅價(jià)格高，而且受制于人，維修十分不便，尤其是軍工產(chǎn)品，還影響國家安全。因此開發(fā)大重型電動螺旋壓力機(jī)是必然趨勢。

目前，青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的電動螺旋壓力機(jī)已基本系列化，國產(chǎn)最大的10000 噸電動螺旋壓力機(jī)已批量生產(chǎn)，12500 噸電動螺旋壓力機(jī)已開始研制。

⑶驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

驅(qū)動系統(tǒng)是電動螺旋壓力機(jī)的關(guān)鍵部分，是決定設(shè)備能否長期、穩(wěn)定、正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素，其中評價(jià)驅(qū)動電機(jī)性能的兩個(gè)核心技術(shù)指標(biāo)是電機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)矩特性和電機(jī)連續(xù)工作時(shí)的溫升情況。

①開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動方案。

開關(guān)磁阻電機(jī)保留了交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固可靠和直流電機(jī)良好的控制性能的優(yōu)點(diǎn)。具有效率高、適應(yīng)能力強(qiáng)、控制靈活等突出優(yōu)點(diǎn)。

開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，能夠承受螺旋壓力機(jī)在打擊瞬間的沖擊和振動，轉(zhuǎn)子內(nèi)無繞阻及電氣損耗，故不發(fā)熱，減輕了電機(jī)的熱負(fù)荷。損耗主要是定子產(chǎn)生的熱量，通過定子外殼輻射和轉(zhuǎn)子齒形槽透氣直接散熱，電機(jī)易于冷卻，延長了電機(jī)使用壽命。

在電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩方面，可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩3 倍以上，而起動電流僅為額定電流的30%～50%，非常適合電動螺旋壓力機(jī)頻繁起停的工作狀況要求，這些特點(diǎn)使得開關(guān)磁阻電機(jī)很適合作為電動壓力機(jī)的驅(qū)動電機(jī)，是目前在國內(nèi)市場中應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。

②變頻異步電機(jī)驅(qū)動方案。

變頻異步電機(jī)是由普通鼠籠式異步電機(jī)通過變頻控制實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動。制造相對簡單、易維護(hù)、可靠性較高、電機(jī)功率可以做得較大，也是國外應(yīng)用比較早的驅(qū)動方式。但用變頻控制的異步電機(jī)驅(qū)動方案目前仍存在以下問題：

電動螺旋壓力機(jī)工作方式是間歇性的，電機(jī)在頻繁起動時(shí)需要產(chǎn)生較高的起動扭矩，導(dǎo)致了電機(jī)溫度升高；溫度的升高主要是損耗引起，包括銅耗和鐵耗；電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生了銅耗，損耗最終轉(zhuǎn)化為熱能，增加了電機(jī)的熱負(fù)荷，引起了電機(jī)溫度上升，必須額外增加強(qiáng)制機(jī)外冷卻系統(tǒng)才能保障電機(jī)正常運(yùn)行，使整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形龐大。

③永磁伺服電機(jī)驅(qū)動方案。

由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速可精確控制，能嚴(yán)格控制飛輪的角速度，從而精確控制打擊能量，設(shè)備的打擊力精準(zhǔn)。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁采用永久磁鐵，由于無勵(lì)磁電流，也就無勵(lì)磁損耗，避免了轉(zhuǎn)子發(fā)熱。永磁材料提供穩(wěn)定、持久的磁通量，不需要消耗電能，故電動機(jī)效率高、節(jié)約電能。

根據(jù)永磁體安裝方式不同，可分為表面式和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，根據(jù)壓力機(jī)所需驅(qū)動力矩，拼接永磁體組數(shù)，做成大功率驅(qū)動電機(jī)，突破了制約大噸位直驅(qū)壓力機(jī)發(fā)展的“瓶頸”問題。

永磁電機(jī)永磁體的壽命與溫度有關(guān)，過高的溫升和振動會導(dǎo)致永磁體消磁，導(dǎo)致電磁電矩降低，不能發(fā)揮螺旋壓力機(jī)正常的工作能力和性能參數(shù)要求。永磁材料在沿充磁方向的高度受到限制，達(dá)到一定厚度，磁性強(qiáng)度增加將不再明顯，處于平緩狀態(tài)。同時(shí)安裝維護(hù)也需專業(yè)工裝和人員，國內(nèi)研究才剛剛起步。

⑷導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。

電動螺旋壓力機(jī)的滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，主要分為兩種形式：一種是O—X 型滑塊圓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)(圖2)；另一種是X—X 型長滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)(圖3)。

O—X 型結(jié)構(gòu)全程導(dǎo)向，導(dǎo)向長度最長，抗偏載能力強(qiáng)，但對圓導(dǎo)軌部分的加工精度和形位公差要求較高，以保證不漏油。另外這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)螺旋副浸在潤滑油里，潤滑充分，螺旋副使用壽命增長。青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的EP 系列電動螺旋壓力機(jī)和國內(nèi)外的離合器式螺旋壓力機(jī)都采用這種結(jié)構(gòu)。

X—X 型長滑塊導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌長度與滑塊的寬度比應(yīng)達(dá)到1.5 倍以上，導(dǎo)向長度長，導(dǎo)向精度高，能精確的引導(dǎo)滑塊上下運(yùn)動，抗偏載能力強(qiáng)。四個(gè)導(dǎo)軌均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，可以滿足間隙調(diào)整的需要。X 型導(dǎo)軌熱敏感度低，受溫度影響較小，導(dǎo)軌間隙可以調(diào)整得很小，以保證鍛件的尺寸精度。受力導(dǎo)軌一般為方導(dǎo)軌，穩(wěn)定性好，導(dǎo)向精度高。

X—X 型長滑塊導(dǎo)軌易于加工制造，制造精度高，上下導(dǎo)軌面的平行度易于保證，受力均勻，面壓小。導(dǎo)軌上鑲嵌銅導(dǎo)板，耐磨性好，壽命長。導(dǎo)軌的可維修性能好，維護(hù)簡單、方便，青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司等國內(nèi)廠家生產(chǎn)的EPC 系列和國外生產(chǎn)廠家萬家頓和拉斯科都采用這種X-X 型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。滑塊內(nèi)裝有銅螺母，銅螺母的設(shè)計(jì)和制造與螺桿同等重要。使用時(shí)，螺桿與螺母的螺紋結(jié)合面精度要高，且必須在得到充分、可靠潤滑的情況下才能達(dá)到預(yù)期的工作壽命。

螺旋副的潤滑一般采用集中式自動循環(huán)稀油潤滑，循環(huán)稀油系統(tǒng)都是在循環(huán)過濾、流量監(jiān)控和溫度控制的情況下進(jìn)行的。自動循環(huán)稀油潤滑的主要作用是潤滑螺旋副、并帶走磨損雜質(zhì)和熱量。

熱模鍛壓力機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展

熱模鍛壓力機(jī)的發(fā)展與汽車工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，但隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，熱模鍛壓力機(jī)并未得到相應(yīng)的發(fā)展，市場中每年的熱模鍛壓力機(jī)增長量只有幾十臺。主要是國產(chǎn)熱模鍛壓力機(jī)故障率和工藝批量小制約了熱模鍛壓力機(jī)的發(fā)展。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的日益提高，我國鍛造業(yè)的社會化、批量化大生產(chǎn)必將到來，而熱模鍛壓力機(jī)適合自動化、批量化生產(chǎn)的特點(diǎn)必將成為符合這一發(fā)展趨勢的優(yōu)選設(shè)備之一。

熱模鍛壓力機(jī)行程次數(shù)高、振動輕、抗偏載能力強(qiáng)。青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司目前已系列化、批量化生產(chǎn)630 ～6300 噸的熱模鍛壓力機(jī)，經(jīng)過近十年的試驗(yàn)、改進(jìn)和驗(yàn)證，取得了很好的效益，尤其是可靠性方面得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。改進(jìn)后的產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：曲軸轉(zhuǎn)角采用數(shù)字顯示，方便、直觀、可控；機(jī)架采用了高強(qiáng)度整體或組合機(jī)身，整體實(shí)心鑄造，剛性好、精度高、外形美觀；滑塊采用了“X”型對角線導(dǎo)軌，導(dǎo)向精度高；新型制動器制動力大、制動靈敏可靠；新型離合器具有過載保護(hù)和增壓補(bǔ)償式預(yù)防悶車功能；液壓上頂料在下死點(diǎn)頂出，頂出平穩(wěn)、安全、可靠；液壓下頂料具有頂料力大、頂出行程可調(diào)、頂料高度和保持時(shí)間均可以設(shè)定等功能；封閉高度調(diào)整直接數(shù)字顯示，精確度高，直觀性強(qiáng)；采用雙點(diǎn)支撐式連桿，支撐面寬、抗偏載能力強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)多工位鍛造；并設(shè)有飛輪制動器、可使飛輪快速停止下來，提高了工作效率。

模鍛設(shè)備的發(fā)展趨勢

制造業(yè)在我國占有十分重要的地位, 我國是制造大國, 但不是制造強(qiáng)國, 其中最為突出的問題是要解決裝備制造業(yè)這一薄弱環(huán)節(jié)。我國裝備制造業(yè)的產(chǎn)品無論是精度還是可靠性都滿足不了日益增長的要求,發(fā)展裝備制造業(yè)已成為國家主管部門的共識。進(jìn)入21 世紀(jì)以來, 隨著汽車工業(yè)，特別是轎車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車零部件制造商面臨大量外資從我國采購，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高的情況，只有采用先進(jìn)的設(shè)備和工藝才能滿足這一要求。今后, 精密模鍛生產(chǎn)中的主要設(shè)備——螺旋壓力機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)，在提高性能及可靠性的同時(shí)，將向重型化、智能化、數(shù)字伺服化方向發(fā)展。

⑴重型化。

隨著我國高速鐵路、船舶、電力和工程機(jī)械等行業(yè)的發(fā)展，對大型模鍛設(shè)備的需求更為迫切。航空大型整體模鍛件的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平是彰顯國家綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。國產(chǎn)有大國重器之稱的8 萬噸(800MN)模鍛液壓機(jī)高約42 米，總重約2.2 萬噸，最大模鍛壓制力可達(dá)10 萬噸，是目前世界上最大的模鍛壓力機(jī)。

除了我國已建造世界頂級噸位的800MN 模鍛液壓機(jī)外，對于研發(fā)和生產(chǎn)大型、整體、優(yōu)質(zhì)、精密的航空模鍛件，萬噸級螺旋壓力機(jī)具有較大的市場需求。青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司為此制造了我國首臺公稱力為100MN 的EP-10000 型數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)(圖4)，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。公稱力為125MN 的EP-12500 型數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)已在研制之中。

圖4 EP-10000 型數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)

同時(shí)為滿足用戶對火車鉤尾框等大型關(guān)鍵零件鍛造成形的要求，青島宏達(dá)鍛壓機(jī)械有限公司還制造了國內(nèi)外首臺公稱力為125MN 的J53-12500 型摩擦壓力機(jī)，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。公稱力為160MN 的J53-16000 型摩擦壓力機(jī)已投入生產(chǎn)。

我國核電、風(fēng)力發(fā)電等的裝機(jī)容量不斷提高，對大型葉片等鍛件的需求也給重型螺旋壓力機(jī)的發(fā)展提供了空間。2008 年，無錫透平葉片廠從德國進(jìn)口了當(dāng)今世界上打擊力最大的螺旋壓力機(jī)，就是瞄準(zhǔn)核電特大葉片的生產(chǎn)需要。該機(jī)是SMS-Meer 公司生產(chǎn)的SPKA22400 壓力機(jī)，是世界上最大規(guī)格的螺旋壓力機(jī)，可產(chǎn)生3.55 萬噸的最大打擊力。可將滑塊成形速度調(diào)整到0.25 ～0.5m/s，有利于成形特種鋼、鈦、鎳基金屬。這臺壓力機(jī)總重2900 噸, 其飛輪離合器重達(dá)290 噸，設(shè)備總高22m。該設(shè)備是目前世界上螺旋壓力機(jī)技術(shù)的集大成者，是先進(jìn)性能的代表。

重型螺旋壓力機(jī)的研制和生產(chǎn)，對技術(shù)設(shè)計(jì)、大型鑄件澆注、大件加工提出了更高的要求。

⑵智能化。

現(xiàn)代先進(jìn)的鍛壓設(shè)備都由計(jì)算機(jī)控制。離合器式螺旋壓力機(jī)和電動螺旋壓力機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，將能量控制、打擊力顯示，潤滑裝置、頂料裝置、上下料機(jī)構(gòu)的控制和故障報(bào)警集成在一起。今后還要進(jìn)一步發(fā)展智能控制系統(tǒng)，使設(shè)備具有自動監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)、自動判斷故障、自動調(diào)整工藝參數(shù)及實(shí)時(shí)鍛件測量等功能，降低故障率和故障分析難度。這對于提高鍛件質(zhì)量、降低廢品率、減少人工成本、降低勞動強(qiáng)度具有非常重大的實(shí)際意義。

⑶數(shù)字伺服化。

20 世紀(jì)90 年代以來，國外裝備在傳動技術(shù)上的一個(gè)突出趨勢是，發(fā)展大功率電動機(jī)驅(qū)動的新型重載數(shù)字伺服傳動技術(shù)，代替目前廣泛應(yīng)用的液壓伺服傳動和傳統(tǒng)機(jī)械傳動。機(jī)械裝備采用新型重載數(shù)字伺服傳動技術(shù)后，提升了裝備的技術(shù)性能和可靠性，大大降低了安裝、調(diào)試和維修的技術(shù)要求及工作量，進(jìn)一步適應(yīng)和滿足了生產(chǎn)工藝的需要，受到用戶的普遍歡迎。新型重載數(shù)字伺服傳動技術(shù)被認(rèn)為是傳動技術(shù)在21 世紀(jì)的重要發(fā)展方向。電動螺旋壓力機(jī)的發(fā)展符合了這一主流趨勢。電動螺旋壓力機(jī)取代摩擦壓力機(jī)是必然趨勢。而隨著市場的不斷整合，鍛件批量越來越大，適合自動化大批量生產(chǎn)的熱模鍛壓力機(jī)也必將成為模鍛設(shè)備發(fā)展的新趨勢。

總之，目前國產(chǎn)模鍛設(shè)備種類繁多，并已基本系列化，技術(shù)水平也有較大提高，但質(zhì)量可靠性與進(jìn)口產(chǎn)品相比還有較大差距，始終堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展理念和提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的必由之路。