一種基于循環(huán)驅(qū)動(dòng)的重型氣錘技術(shù)

張國(guó)慶

（中國(guó)重汽動(dòng)力公司鍛造廠，山東濟(jì)南250220）

一種基于循環(huán)驅(qū)動(dòng)的重型氣錘技術(shù)

張國(guó)慶

（中國(guó)重汽動(dòng)力公司鍛造廠，山東濟(jì)南250220）

介紹一種新型氣動(dòng)鍛錘，采用閉路循環(huán)供氣驅(qū)動(dòng)。循環(huán)系統(tǒng)中使用的干燥空氣[1]解決了結(jié)冰結(jié)霜卡死活塞致使錘頭難以下落的難題。在空壓機(jī)前端安裝的增壓器[2]減輕了空壓機(jī)負(fù)荷，提高了空壓機(jī)一倍的排氣量。利用這種新型氣動(dòng)鍛錘可以用來(lái)設(shè)計(jì)制造10～100t的重型模鍛和自由鍛氣錘，其中70t錘可以達(dá)到8MJ的沖擊力。

機(jī)械制造；新結(jié)構(gòu)；鍛錘；循環(huán)供氣驅(qū)動(dòng)

1 概述

蒸汽鍛錘經(jīng)過(guò)一百多年的優(yōu)化和改進(jìn)已經(jīng)很完善，鍛錘本身沒(méi)有問(wèn)題，而作為供氣（或汽）的方式方法仍有待改進(jìn)和提升?，F(xiàn)在用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)鍛錘方法很粗造，幾乎沒(méi)有任何計(jì)算，對(duì)空氣中的氣水含量不作任何處理直接進(jìn)入鍛錘，空壓機(jī)效率低下。而設(shè)計(jì)電液錘時(shí)又是那么精確、細(xì)至甚至還用電腦程控，由于阻尼作用，電液錘噸位已到極限（13t），沒(méi)有多少提升空間。這里要介紹的鍛錘技術(shù)是一個(gè)突破和創(chuàng)新，特別適于重型鈦合金復(fù)雜型狀鍛件、壓氣機(jī)葉片、氣機(jī)轉(zhuǎn)子、坦克炮塔、柴油機(jī)、動(dòng)車(chē)、船機(jī)重型曲軸等關(guān)鍵部件的模鍛、自由鍛。

2 鍛壓設(shè)備現(xiàn)狀

2.1 錘類(lèi)設(shè)備

（1）往復(fù)式空氣錘：最大噸位能達(dá)到1t左右常用于自由鍛、胎模鍛工藝，重?fù)舸螖?shù)較高。

（2）電液錘：最大噸位能達(dá)到10t以上，常用于自由鍛。由于鍛擊瞬間錘速較低，約6～7m/s，對(duì)模鍛件模腔充滿(mǎn)能力較差，不適宜大型模鍛。此外，對(duì)驅(qū)動(dòng)介質(zhì)液壓油油溫需強(qiáng)制冷卻，阻尼式電液錘漏油污染環(huán)境，損害工人身體健康。

（3）蒸氣錘、濕空氣驅(qū)動(dòng)的蒸氣錘（開(kāi)路系統(tǒng)）：通常蒸氣錘只有16～32t的規(guī)格，德陽(yáng)二重生產(chǎn)過(guò)100t對(duì)擊錘。它的主要缺點(diǎn)是能耗大，但仍比電液錘有優(yōu)勢(shì)。

（4）夾板錘（落錘）：最大約8t，錘打擊速度太慢，只能用作自由鍛、沖床切邊、劈鐵、冷作等。

2.2 鍛壓機(jī)類(lèi)

（1）熱模鍛壓力機(jī)：由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，只能用到一半的力。行程固定，鍛造精度高。

（2）自由鍛造水壓機(jī)：相比自由鍛重型氣錘速度更慢，鍛件加溫次數(shù)多，鍛件氧化嚴(yán)重。

3 新型氣動(dòng)鍛錘

這是一種閉路循環(huán)供氣的氣動(dòng)鍛錘，其原理參見(jiàn)圖1所示。循環(huán)流程：干燥空氣（柔性氣囊）—增壓器增壓—空壓機(jī)升壓—壓力罐儲(chǔ)能—驅(qū)動(dòng)鍛錘—?dú)馑蛛x器—干燥空氣（柔性氣囊），由此可見(jiàn)，工作過(guò)程中鍛錘排氣口的空氣不放空大氣，而是經(jīng)由柔性氣囊繼續(xù)上述循環(huán)作功，驅(qū)動(dòng)鍛錘進(jìn)行鍛造。類(lèi)似家用冰箱的循環(huán)原理。系統(tǒng)允許一定的壓縮空氣泄漏，泄漏空氣無(wú)毒，不污染環(huán)境。泄漏不到影響鍛擊力時(shí)一般不檢修，需補(bǔ)氣時(shí)可以啟動(dòng)備用小型鼓風(fēng)機(jī)。在鍛錘排氣口氣水分離器和空壓機(jī)中間冷卻器都有排水閥，隨時(shí)將凝結(jié)水排到系統(tǒng)以外，以確保系統(tǒng)內(nèi)空氣的干燥度（實(shí)際上系統(tǒng)中水蒸氣含量很少）。柔性氣囊材料采用透氣較差的布料，工作狀態(tài)只需半癟半鼓，視其體積大小用小型鼓風(fēng)機(jī)向囊內(nèi)補(bǔ)氣，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)氣。

4 汽錘的關(guān)鍵技術(shù)

（1）干燥空氣：系統(tǒng)中的干空氣反復(fù)循環(huán)驅(qū)動(dòng)鍛錘，與外界濕空氣完全隔離。系統(tǒng)循環(huán)使用100%干空氣提高了空壓機(jī)的效率，干燥空氣、水蒸氣、濕空氣三種相比，干燥空氣無(wú)水縮現(xiàn)象應(yīng)該是最“硬”的，應(yīng)按100%計(jì)算氣量。

（2）空壓機(jī)增壓技術(shù)：增壓式空壓機(jī)提高一倍排氣量，是增壓柴油機(jī)移植技術(shù)，在重型卡車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。采用多級(jí)高壓鼓風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)子離心式無(wú)機(jī)械摩擦，低壓大流量，節(jié)能省電，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)增壓式空壓機(jī)工作時(shí)，增壓器占有一定壓差，屬于輕負(fù)荷半空轉(zhuǎn)狀態(tài)，電流較小。這就相當(dāng)于一個(gè)人蹬三輪，另一個(gè)人推三輪，達(dá)到地面的作用力不變，比一個(gè)人蹬三輪時(shí)用的力輕多了。

（3）熱空氣膨脹效應(yīng)：空壓機(jī)末級(jí)排氣不加冷卻器，若采取保溫措施，熱空氣加冷卻時(shí)體積縮小，容易損失能量。

（4）空氣膨脹作功制冷效應(yīng)：氣水分離在空氣分離裝置和制冷工程中主要有兩個(gè)元件產(chǎn)生冷量，一個(gè)是高壓節(jié)流閥效應(yīng)，另一個(gè)就是氣體膨脹機(jī)。氣體在鍛錘氣缸中推動(dòng)活塞膨脹作功時(shí)，鍛錘等效一個(gè)氣體膨脹機(jī)的制冷效應(yīng)，水蒸汽受冷后凝結(jié)在氣水分離器管壁上，靠液體的重力通過(guò)一手閥排出。

（5）氣動(dòng)力學(xué)合理：升錘時(shí)活塞下面進(jìn)氣，活塞上面排氣，錘擊時(shí)活塞上面進(jìn)氣，活塞下面排氣，無(wú)油液阻尼，無(wú)漏油污染，排氣阻力可忽略不計(jì)。

（6）充分利用重力資源：自由落體加氣體推力，據(jù)有較高的沖擊能量。鍛件重量輕、拔模角小、加熱次數(shù)少稀有合金氧化損失少，鍛件強(qiáng)度高。

5 新型氣動(dòng)鍛錘原理的應(yīng)用

根據(jù)新型氣動(dòng)鍛錘原理可以開(kāi)發(fā)出1～35t自由鍛、模鍛、對(duì)擊錘、落錘和氣動(dòng)壓力機(jī)等六大系列180個(gè)鍛錘品種。

1～35t氣動(dòng)模鍛錘：耗電量是同噸級(jí)模鍛電液錘的2/3，鍛擊速度≥9m/s，錘擊次數(shù)≥60/min，模腔充填好，能夠模鍛各種重量不同形狀復(fù)雜的鋼制鍛件、銅鍛件、鋁合金航空鍛件。

1～35t氣動(dòng)自由鍛錘：耗電量是同噸級(jí)自由鍛電液錘的2/3，鍛擊速度≥9m/s，錘擊次數(shù)≥60/min，比在自由鍛造水壓機(jī)上鍛造相同重量鍛件，加熱火次要少一半。

1～35t氣動(dòng)模鍛落錘：耗電量是同噸級(jí)氣動(dòng)模鍛錘1/2，（氣動(dòng)落錘是指鍛錘氣缸上腔通大氣，只留有缸頭保險(xiǎn)器，鍛錘升錘時(shí)下腔通入壓縮空氣，落錘時(shí)上腔不通入壓縮空氣，鍛錘作自由落體下落）適于模腔較淺，重量較輕的鍛件，耗電少。

1～35噸氣動(dòng)自由鍛落錘：耗電量是同噸級(jí)氣動(dòng)自由鍛錘的1/2，適于重量較輕的鍛件，砸個(gè)彎、拍個(gè)扁的都行，耗電少。

1～350kN氣動(dòng)沖床：很有特色，耗電量是同噸級(jí)氣動(dòng)鍛錘的1/4，沖壓次數(shù)20/min，上滑塊越接近工件速度越大，很符合切邊、沖裁、折彎、拉伸等工藝要求。無(wú)下死點(diǎn)、無(wú)悶車(chē)，可實(shí)現(xiàn)急停并直接返回、寸動(dòng)等，無(wú)離合器、制動(dòng)器、曲柄、連桿等，下落速度連續(xù)可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

13t/m～300t/m對(duì)擊錘：耗電量是電液對(duì)擊錘的2/3，鍛擊速度≥9m/s，錘擊次數(shù)≥60/min。下錘頭采用機(jī)械傳動(dòng)，有連桿拉桿換向式、滑輪鋼帶式、滑輪鏈條式、滑輪鋼繩式。鍛錘的傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中盡量不用阻尼發(fā)熱液壓油傳動(dòng)，功耗、污染太大。

鈦鋁鎂高溫合金專(zhuān)用，液壓機(jī)/鍛錘式復(fù)合鍛機(jī)：液壓機(jī)/鍛錘的復(fù)合式鍛機(jī)，完全達(dá)到?jīng)_擊+保壓的工藝要求。

6 新型氣動(dòng)鍛錘的其他技術(shù)

（1）錘身、導(dǎo)軌：本技術(shù)專(zhuān)利只涉及供氣、驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)錘身、導(dǎo)軌等沒(méi)有特殊限制，現(xiàn)有液氣錘所采用的技術(shù)都可以用。

（2）下砧技術(shù)創(chuàng)新：配套上述各系列鍛錘，它能提供30t～1000t的下砧質(zhì)量，澆鑄、加工、吊裝、運(yùn)輸都很方便，可分為：氣浮式微上跳下砧技術(shù)模式1，氣浮式微上跳下砧技術(shù)模式2。

（3）潤(rùn)滑：無(wú)油潤(rùn)滑空壓機(jī)、鍛錘：活塞可采用四氟環(huán)，漏氣量可能稍大些；有油潤(rùn)滑：在壓力罐底部裝有放油閥，空壓機(jī)1級(jí)氣水分離器排水閥，鍛錘排氣口氣水分離器排水閥，都能排出廢油。另外，柔性氣囊下部要使用耐油材料，其底部有放油口。

（4）空壓機(jī)、增壓器三種控制模式，節(jié)能省電。電控模式采用連擊Y接法，空轉(zhuǎn)星型接法；氣控模式：壓力罐7kg/cm2表壓時(shí)由定壓閥頂開(kāi)泄荷閥，使空壓機(jī)、增壓器無(wú)負(fù)荷空轉(zhuǎn)電流很?。粴怆姷膹?fù)合模式，實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)、增壓器與鍛錘同步隨動(dòng)。

7 結(jié)論

目前，蒸空氣錘已接近完善，提高氣錘效率關(guān)鍵不在氣錘本身，而是在于使用什么介質(zhì)驅(qū)動(dòng)鍛錘。此外，在供氣方式上也不一定要走單一活塞式空壓機(jī)老路，例如新近出現(xiàn)的螺桿式空壓機(jī)+增壓器；增壓器+增壓器+增壓器+消喘振裝置等方式，都能提供節(jié)電高氣壓大風(fēng)量驅(qū)動(dòng)，充分利用空氣的各種特性，是發(fā)揮氣錘能力的重要研究課題。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì)主編.鍛壓手冊(cè)第三卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版，2000.

[2]施裕斌,主編.船舶動(dòng)力裝置.人民交通出版社出版，1989.

[3]湯學(xué)惠,主編.制氧工問(wèn)答.冶金工業(yè)出版社出版，2001.

[4]1立方水能產(chǎn)生多少水蒸汽.www.baidu.com.

[5]高中物理.題組精編第三冊(cè).浙江教育出版社，2002.

[6]中學(xué)物理大全.外文出版社出，2000.

A new design of heavy pneumatic forging hammer based on circulation drive

ZHANG Guoqing
（SINOTRUK Power Company Forging Factory，Jinan 250220，Shandong China）

A new pneumatic forging hammer driven by gas closed circulation has been introduced.The dry air in closed circulation system solves the problem that frozen and frosted lead hammer can′t drop.The turbocharger which fixes on the front of air compressor has not only reduced the load of air compressor,but also doubled air displacement.The new pneumatic forging hammer has been applied to design and produce heavy forging and free forging pneumatic hammer of 10～100t，among which the 70t hammer can produce 8MJ impact force.

New structure；Forging hammer；Driven by gas circulation

TG315.3+2

B

1672－0121(2011)06－0054－02

2011-08-16

張國(guó)慶（1953-）男，高級(jí)技工，從事鍛造工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)