淺析一種多向模鍛液壓機(jī)

文/王磊，張海杰，李巖·合鍛智能制造股份有限公司

本文介紹了多向模鍛液壓機(jī)研發(fā)的必要性，在分析現(xiàn)有生產(chǎn)工藝流程模式下零件生產(chǎn)設(shè)備不足的基礎(chǔ)上闡述了使用多向模鍛液壓機(jī)的優(yōu)勢(shì)。之后闡述了多向模鍛液壓機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)條件，包括主機(jī)參數(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)優(yōu)化等內(nèi)容，并指出該種模鍛成形液壓機(jī)的設(shè)計(jì)成功將極大提高生產(chǎn)效率、提高材料利用率，降低工藝難度，為該生產(chǎn)工藝的廣泛應(yīng)用提供可能。

多向管接頭的生產(chǎn)目前有兩種傳統(tǒng)工藝，一種是采用壓鑄成形毛坯，然后精密機(jī)加工成形；另一種是采用鍛造毛坯，然后精密機(jī)加工成形。壓鑄工藝存在材料鑄造缺陷風(fēng)險(xiǎn)大、材料許用強(qiáng)度低、鑄件利用率低、污染大、耗能高等問(wèn)題；鍛造工藝存在毛坯成本高、機(jī)加工時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低、材料利用率低等問(wèn)題。

多向模鍛技術(shù)是一種先進(jìn)精密、節(jié)能省材的鍛造技術(shù)，主要用于汽車(chē)、機(jī)械、石油化工、鍋爐制造、航空航天、船舶等行業(yè)多面體結(jié)構(gòu)件的一次成形，可顯著提高零件強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)零件輕量化。由于其技術(shù)及裝備要求較高，至今只有少數(shù)國(guó)外公司掌握，并壟斷著大型核電、航空航天、石油化工等多向模鍛件的生產(chǎn)。本文介紹的多向模鍛設(shè)備能一次鍛造完成三通閥體整體結(jié)構(gòu)，包括三向法蘭、三向內(nèi)孔，且不需要余料飛邊，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，有效提高原材料利用率20%以上，提高機(jī)械加工效率60%以上，還實(shí)現(xiàn)了金屬全纖維鍛造成形，提高了產(chǎn)品綜合機(jī)械性能和質(zhì)量。

多向模鍛生產(chǎn)工藝

多向模鍛生產(chǎn)工藝流程如下：原材料（棒料）按尺寸下料→坯料加熱→上模具合模→左、右、后壓頭帶動(dòng)左、右、后擠壓桿同步向中心擠壓（圖1）→左、右、后壓頭帶動(dòng)擠壓桿擠壓到設(shè)定位置→左、右、后壓頭退回→上壓頭帶動(dòng)上模退回→取出成品→精密機(jī)加工切除余料。

多向模鍛對(duì)設(shè)備要求如下：⑴工件小、成形力大、載荷集中；⑵左右壓頭同步精度、位置精度要求高；⑶三個(gè)方向上的水平壓頭在擠壓過(guò)程中的翹曲變形控制精確，翹曲變形直接影響零件的三個(gè)方向上孔的位置精度和形狀精度。

多向模鍛液壓機(jī)的主要方案

多向模鍛液壓機(jī)采用三梁四柱框架結(jié)構(gòu)機(jī)身，在水平方向后側(cè)安裝拉伸滑塊和壓邊滑塊，可在水平面四個(gè)方向（4軸）同時(shí)成形，其中后側(cè)方向可實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)壓制；建立了精確的工藝缺陷預(yù)測(cè)計(jì)算模型，通過(guò)優(yōu)化軸向推力的加載曲線和模鍛坯料的形狀、尺寸等工藝參數(shù)，改善成形質(zhì)量，對(duì)典型模鍛構(gòu)件仿真模擬研究及工藝參數(shù)優(yōu)化；采用圖像檢測(cè)技術(shù)構(gòu)建在線檢測(cè)系統(tǒng)，輔助形成擠壓成形工藝系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多向模鍛件柔性成形和實(shí)時(shí)修正；采用高性能PLC控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)了大型多向模鍛液壓機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多向模鍛件的送料、取料和定位裝置的控制，多向模鍛件的冷卻和潤(rùn)滑的控制，多向模鍛件的擠壓深度、擠壓力和壓邊力的控制，液壓伺服控制和多軸運(yùn)動(dòng)控制等；開(kāi)發(fā)出的專用液壓比例伺服系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)比例調(diào)壓、變壓力控制等；另外，該裝備配備多向模鍛件自動(dòng)上下料及取料裝置，有效地節(jié)省了人力成本。

如圖2所示，液壓機(jī)設(shè)備公稱壓力為145000kN，總占地面積8800mm×5800mm(左右×前后)，地面以上高度約為10000mm，裝機(jī)功率約為1400kW。

多向模鍛液壓機(jī)的主要技術(shù)特點(diǎn)

設(shè)備臺(tái)面較小，噸位大、載荷集中

多向模鍛設(shè)備總噸位普遍較大，左、右、后三向模鍛設(shè)備合模及左右擠壓力都在20000kN以上，而模具尺寸相對(duì)所需模鍛成形力較小。因此壓頭與模具接觸面的應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)大于普通設(shè)備的模具接觸面應(yīng)力，這就需要對(duì)壓頭的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，壓頭材料需要保證在壓頭和擠壓桿的接觸面上不會(huì)被壓潰，壓頭的結(jié)構(gòu)需要保證把擠壓力分散至整個(gè)活塞桿接觸面上，以免造成油缸損壞（圖3）。

左、右壓頭壓制同步精度要求高

根據(jù)多向模鍛的工藝要求，左、右壓頭壓制過(guò)程中的位移需要很高的同步，否則成形形狀不合格、內(nèi)部可能存在一定的缺陷。模具受力不平衡嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致模具損壞。因此，三向模鍛液壓機(jī)左、右壓頭的同步精度直接關(guān)系到生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和模具的壽命。因此，該設(shè)備采用高精度的位移傳感器、PLC、高頻響伺服閥組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同步精度0.05mm/s和位置精度0.05mm，滿足了該零件成形的工藝要求。

水平壓頭翹曲變形要控制精確

三個(gè)方向上的水平壓頭在擠壓過(guò)程中的翹曲變形要控制精確，翹曲變形直接影響零件的三個(gè)方向上孔的位置精度和形狀精度。

三個(gè)方向上的壓頭和工作臺(tái)面間的平行度會(huì)影響合模后的模腔形狀，如果偏差較大會(huì)導(dǎo)致成形后的零件孔的同軸度不夠，嚴(yán)重影響零件的質(zhì)量。因此，三個(gè)方向的壓制過(guò)程的機(jī)身變形的大小會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

如圖4所示，該設(shè)備豎直方向上采用無(wú)拉桿立柱，通過(guò)精加工的臺(tái)階面配合，豎直方向上油缸主要提供合模力對(duì)機(jī)身在這個(gè)方向的變形要求較低。左右和前后方向上均采用四拉桿結(jié)構(gòu)，組成封閉框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在防止翹曲變形方面非常有效，提高了成形過(guò)程中機(jī)身的精度，滿足零件的成形要求。

實(shí)踐結(jié)果

該設(shè)備（圖5）目前已經(jīng)交付用戶3年，使用效果良好，實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，零件的成形質(zhì)量高，達(dá)到了預(yù)期的效果。

多向模鍛成形技術(shù)作為一種新的先進(jìn)制造技術(shù)，能夠有力地推動(dòng)制造工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，順應(yīng)未來(lái)制造工業(yè)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。該設(shè)備的研制成功不僅具有重要的理論意義，更具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。