现代锻锤技术的发展与创新

罗马雄风

现代锻锤技术的发展与创新
5 P( e8 e; Z! X( n& T8 q) R2 f3 j来源：机械专家网     发布时间：2007-09-08
+ \) Y) U2 ^9 n4 v% O% M概述
; W6 j9 ?3 d& t通过论述运用现代化电液锤技术发展起来的不同原理和结构形式的锻锤，体现电液锤技术的创新性，展现电液锤技术在未来的发展方向。
6 y8 }- b, N8 r- H/ h2 x! l8 `传统的蒸-空两用锻锤是上世纪中前期锻造行业的主导产品。随着现代液压技术和电控技术的高速发展，电液锤逐渐发展起来，尤其在上世纪八十年代得到突飞猛进的发展。其中液气式电液锤通过不断创新，技术日趋成熟。该项技术由于既适合自由锻，又适合模锻，因此该项技术推广很快，也得到了广大用户认可，目前国内生产的电液锤的95%以上都是液气式电液锤。按照技术成熟程度的高低依次排列出不同结构原理的电液锤：
1)液气式电液锤；
# M, ]0 T6 Y0 o4 `2)全液压电液锤：
+ p! D! ?3 g; o" A9 l+ S3)程控全液压模锻锤、
4)手动全液压模锻锤。
- P) R, J; U8 W* }0 g一、液气式电液锤
1、原理
8 u' s& K, P& T5 l+ U液气式电液锤的基本原理是：工作缸上腔是封闭的高压氮气，下腔是液压油，中间靠锤杆活塞隔开，系统对下腔单独控制，下腔进油，锤头提升，高压氮气受到压缩，储存能量，下腔排油，高压氮气驱动活塞带动锤头打击，简称“气压驱动，液压蓄能”。
电液动力头，它的主体是一个箱体，作为工作时短期容油的油箱(不工作时，油箱内的油液经回油管进入置于地面的液压站的油箱内)，有八条螺栓通过缓冲垫、预压弹簧固定在原汽缸的位置，该油箱又称连缸梁，在其中间装有主缸，主缸顶部装有缓冲缸，内有缓冲活塞，活塞上部充有一定压力的氮气，其压力与蓄能器上部的气压相同。
4 c! S$ o7 c: }# V5 A主缸下部有两个孔分别与快速放液阀和保险阀连通。液压站来油通过管路进入箱体右上侧安装的主操纵阀和蓄能器中，蓄能器下部的油腔直接和主操纵阀相通，上部通过管路接气瓶组。主缸内装有锤杆活塞，活塞将下部的油液和上部的氮气分开，活塞上部充有一定压力的氮气，并与副气罐连通。锤杆下部和锤头刚性连接，靠楔铁压紧，操作部分基本不变。液压系统采用泵——蓄能器——卸荷阀组成的组合传动恒压液源，既保证了系统的稳定性和可靠性又大大降低了装机容量。电液锤的基本动作是提锤和打击两种。
提锤时，只需操纵主阀使油泵蓄能器内的高压油和主缸活塞下腔相通即可。锤杆活塞在高压油的作用下，迅速完成锤头的回程。
打击时，操纵主阀使活塞下腔和油箱相通，快放阀打开，活塞下部的油通过大孔径通道流回液压站油箱，同时活塞上部在气体压力和锤头系统重力作用下，使锤头加速向下运动，直到形成打击为止。
能量大小的获得，可用手柄控制打击行程实现，操纵部分可完成提锤、打击、回程、慢升、慢降和急停收锤、悬锤等多种动作。
2、结构和组成
( Z& p6 p$ |: K# ^0 n2 n, b; n⑴.机身部分包括：左右机身、左右导轨、底座(自由锻)等；
⑵.砧座部分包括：砧座、砧垫、下砧块(自由锻)及相关零件等；
3 ^$ d. r3 H' Y# Z. U⑶.动力头部分包括：连缸梁、锤头、锤杆、气缸、缓冲缸、连接板、上砧块(自由锻)等；
⑷.液压站部分包括：油箱、电机——油泵组、电控卸荷阀、阀座、电控温度表、换热电机泵组、换热器、滤油器等；
5 V  g* L" P+ c, \3 y⑸.专用阀、安全阀部分包括：主控操纵阀、快速放液阀、保险阀、霍尔开关等；
⑹.管路、润滑部分包括：管路支架、油气管、润滑泵等；
  m( d, X0 W0 I7 z2 M8 F3 m; z2 Q⑺.操纵部分：由操作手柄组合件组成；
⑻.气瓶组部分：氮气瓶、气瓶架和汇气筒、高压球阀等；
; @% g, W/ L4 Y9 y' |5 D- c⑼.电控部分包括：主电机、冷却电机、电控箱、按钮站等；
⑽.水冷却部分包括：冷却水塔、水池、水泵、电机、水管、阀门(以上用户自备)；
⑾.基础部分包括：地脚螺栓组件等。
3、技术创新
安阳锻压机械工业有限公司在推进实施电液锤产业化过程中，凭借自身的技术力量，紧密联系用户工艺和要求，勇于攻关，解决了一系列技术难题。对电液锤进行了多项创新设计，创造出具有“安锻特色”的电液锤产品，介绍如下：
⑴.设计了“X”形导轨结构：
国内蒸—空锻锤的梳形导轨存在力臂短、过定位、无温度补偿功能的缺点。为了不使锤头因升温膨胀使导轨间隙减小而导致卡死，只好加大导轨的冷态间隙。打击时锤杆受附加弯矩，易断裂，用于多模腔锻造时导轨磨损严重。
1 ?1 D- |# H; p- L) y$ y$ h为了克服这个弱点，我们对电液锤主机进行了创新设计，采用“X”形导轨结构。由于X型导轨有较长的力臂，锤头的热膨胀方向与导轨面方向基本一致，热膨胀时对导轨间隙影响不大，导轨间隙可以调得很小(0.2mm左右)，这样就使得锻造过程中的偏击力，全部由锤头导轨来承担，使得锤杆寿命大大提高。
⑵.延长密封寿命，避免油气互窜：
a.液气锤工作缸上腔是高压氮气，下腔是高压油，因此早期的电液锤很容易发生
b.采用耐磨、耐高温的导向环和具有较强补偿能力的Ky圈。
$ m: M' D5 M- }$ k5 Z- k& f: Rc.根据封油和封气介质的不同，选用邵氏硬度不同的Ky圈。
  B/ t5 b/ U- D; Gd.加强动力头的定位。
$ V$ N+ {- Q) s1 Y⑶.解决非正常寿命锤杆断裂问题：
a.改进锤杆和锤头联接方式，依据摩擦学原理，设计出了3套件(压件、锥套、锤杆)涨紧结构，使得锤杆由原来的“双锥结构”改为“单锥结构”，大大避免了应力集中的产生，从而达到了既联接可靠又拆卸方便。锤杆寿命成倍提高。
8 ?1 m, i, E7 r2 q' \' U, |b.锤杆表面进行了滚压处理，提高了表面硬化层，从而提高锤杆的使用寿命。
⑷.解决了阀的灵活性问题；
" |4 k0 r! N. y6 H& K! {早期的电液锤操作灵活性差及慢降动作不好一直是用户头疼的一个问题，过去曾经流传过“自由锻电液锤并不自由”，针对这一问题，我们采取以下措施：
/ ^% N6 v. Q7 E# y! \( @  c& z" j. na.改进二级阀的设计，加大节流孔的面积，从而提高慢降过程中的流量和流速。
, s. s6 V1 T4 I' G2 K. Zb.缩短主阀与二级阀的距离，实现“零距离”连接，从而缩短了二级阀的反应速度，消除了容积效应的影响。
⑸.粗锤杆理论用于动力头改造；
4 V" K6 o( ~4 I, B( X$ F电液锤柔性细锤杆理论是很著名的，它是德国Lasco公司发明的，电液锤柔性细锤杆理论，彻底改变了原蒸—空锻锤的“导轨—锤头—锤杆”系统的刚性条件，使锻造过程中的偏击力，大部分由锤头导轨来承担，这对于自由锻锤来说，由于其锻造工艺特点，偏击力不大，这时柔性细锤杆正好发挥其独特的优越性。
但对于多模腔锻造的模锻锤实施“换头”改造，“柔性细锤杆理论”显然是不适用的。由于多模腔锻造的偏击力很大，再加上终锻时冷击现象严重，所以，导致导轨早期损坏严重，甚至出现“卡锤”现象。因此，我们在进行“换头”改造时，对于多模腔锻造且偏载力大的模锻锤，仍然沿用蒸—空锻锤的“刚性粗锤杆理论”，取得满意效果。
⑹.创新设计连缸梁内部结构；
早期的电液锤动力头从主操作阀到二级阀阀座是由一根无缝管相连，两端焊接。这根管在工作过程中受交变载荷，锤头回程时该管带载，锤头打击时该管卸荷，周而复始，所以对工况比较恶劣的锤就会出现管子破裂和焊缝开裂的现象。
7 B7 m2 A+ e5 L* G0 e: s5 |& m由于这根管在连缸梁的箱体内部，一旦失效，很难修复，即使修复也很难保证质量，所以它就成为一个较大隐患，也是影响动力头寿命的主要因素。为解决这个问题，我们将二级阀阀座直接移到主阀下面，去掉了这根焊接管，而缸体采用整体优质铸钢件，从而实现连缸梁内部的无管化连接，提高了电液锤关键零件的可靠性。
% G) V% _/ q$ p. H7 s+ c⑺.开发设计了大通径阀和二级阀；
9 g# U. u: c9 T随着大吨位电液锤开发设计，主缸下腔油环形面积越来越大，必须有配套通径的快放阀和主阀，才能保证大吨位锤的打击能量和打击频率。我们在原有的50型阀的基础上开发设计了配套的70型主阀和二级阀，后又开发80型主阀和二级阀。我们在1吨、2吨自由锻和模锻电液锤采用50型阀，在3吨自由锻和3吨、5吨模锻电液锤上采用70型阀，在5吨自由锻电液锤上采用80型阀。
$ t8 j, Z! D7 F; l' N( B⑻.新型的防撞顶装置使保护更加安全可靠；
7 x/ G6 [9 L) L5 G/ h* H自由锻锤的锤头运动特点是快打、快提，锤头撞顶机率高，对缓冲缸的缓冲特性要求高。
通过对早期的电液锤缓冲缸结构缺点分析，我们改进了设计，将缓冲缸和蓄能器的气腔连同，使其压力匹配，提高了防撞顶的可靠性。
0 g3 S' A; B: T⑼.解决系统发热问题
电液锤系统发热问题，也是一个很大的技术难题，它严重影响系统的密封性能和工作性能，对此，我们采取了以下措施，有效控制了系统发热问题。一是最大限度地减少系统液阻，合理选择油管通径，把流速控制在合理范围内，二是提高主阀和二级阀耐磨损能力，减少内卸，三是采用散热系数较高的板式换热器和较大流量的冷却泵，提高冷却速度和油的循环次数。 ⑽.解决油路振动问题；
0 i7 s1 o" |; e" N/ v电液锤的油路振动问题，对系统的可靠运行也是一大危害。为此我们采用阻断震动源和缓冲振动波的方法，取得了很好效果。一是凡与主机连接的管道和与液压站连接的高压管道都采用弹性连接；二是在高压管道上增加缓冲蓄能器；三是压力表全部采用耐震压力表，表座用四根拉簧悬挂起来，连接管采用微型胶管连接。
二、全液压电液锤
( y! s# o+ B, {* ~. v1 W/ }0 K全液压电液锤是工作缸上下腔工作介质全部采用液压油，工作缸下腔始终接蓄能器通常压，液压控制系统单独对上腔控制。提锤时，控制打击阀使上腔接通油箱，即可实现。打击时，控制打击阀使上腔与下腔联通，此时上下腔油压相等但作用面积大小不一样，因而能实现差动打击。
9 p: q9 q+ m% C1 c' y从原理上可以看出，在打击过程中上下腔要同时进出油，双腔流动，因此油速受很大的限制，否则效率会很低，最好的解决方式是降低流速。一但速度下降，要保持打击能量不变的情况(E=1/2mv2)，锤头质量必须加大。而要保持较高的打击频次的话，必须降低行程。简单地说就是“大锤头、短行程”，因此全液压锤仅适用于模锻锤上，尤其适合程控的模锻锤上，而不适合对手动操作灵活性很强的自由锻上。这种理论，我们可以从国际上锻锤发展趋势得到验证。
三、程控全液压模锻锤
. o( L! e6 @8 ?0 y0 f- O  [1、原理：
8 C# P2 W( Y7 K" t1 Z" g3 I- J5 P" S程控全液压模锻锤的基本原理是：采用油泵-蓄能器传动，油缸下腔通常压，液压系统对上腔进行单腔控制。上腔进油阀(亦称打击阀)打开，来自油泵、蓄能器以及通过差动回路引来的下腔的共三部分高压油进入上腔，实现锤头的加速向下和打击行程，上腔一旦卸压，锤头立即快速回程，打击能量以控制打击阀闭合时间的长短来实现。
2、基本结构
⑴.机身采取立柱与砧座为一体的“U”形机身。这种结构形式虽然给铸造、起重和机械加工带来一定的困难，但却有如下优点：a.增加了立柱的纵向、横向和倾覆刚度，确保了锤头的精确导向，有利于提高原材料的利用率；b.U形机身使二个立柱亦成为砧座重量的一部分，有利于整机重量的降低和打击效率的提高；c.U形实心铸造机身产生的打击噪音明显小于箱形和弓形立柱的机身。
; c5 G; n% m) `+ X9 P) N, @: ^⑵.导轨：国内蒸—空锻锤的梳形导轨有力臂短，无温度补偿的缺点。为了不使锤头因升温膨胀使导轨间隙减小而导致卡死，只好加大导轨的冷态间隙，这就是在蒸—空锻锤上难以进行精密模锻的原因。我公司开发的50KJ程控全液压锤采用“X“形导轨结构。由于锤头受热时呈径向辐射状膨胀，导向面呈对角线布置，就不会因锤头受热膨胀而减小导向间隙。我公司的程控锤加大了导板的宽度，X形导轨又有较长的力臂，这就会明显地减小偏击时作用在导轨面上的比压，有利于延长导板的使用寿命。
6 l, W- n  N; t, T" e⑶.液压系统
a.液压系统采用油泵—蓄能器组合传动，主油缸下腔始终与蓄能器相通，为常压。液压系统仅控制上腔，它是通过对打击阀闭合时间的控制来实现打击能量的大小，打击阀是三级控制阀，先导阀是一个二位三通换向阀，系统对它的质量要求很高，既要有高频率而且重复精度要求较高，因此我们选用进口原装件；
b.打击阀采用锥阀结构，与传统的滑阀相比，具有无磨损的优点，密封可靠性大大提高；
8 d! Z8 I: |) n  U$ ~9 dc.油箱采用顶置式结构，内部油路封闭在主阀块上，这样的结构使得液压系统实现了集成化，与油箱采用旁置式结构相比，管道系统长度大大缩短，能量损失降低1倍以上，另外通过集成化，油路连接实现了无管化连接，增加了连接的可靠性； d.液压系统中在蓄能器与下腔之间设置了安全阀，一旦锤杆从中间断裂，马上将下腔油与蓄能器切断，从而提高了使用的安全性。
2 P' ^+ S# i6 u0 J3 C' I) I⑷.减振系统采用德国(青岛)隔而固技术，从而隔离了锻锤在打击过程中产生的振动。
. D6 q) a8 X; d4 @8 {* K, X5 z⑸.程控系统是根据锻件需求程序控制打击能量和打击次数，我公司的程控全液压锤采用OMRON中型C200HS可编程序控制器，并配以数字输入输出模块，用以在控制面板上设定打击能量。在保护系统采用四路模拟量输入。电动机采用预埋温度传感器方法，采集温度数据以供PLC分析，油温用插入式传感器采集油温变化，用以全过程PID(循环控制)调节。
3、性能特点
⑴.能实现打击能量的精确控制。
1 {4 n; t/ G# o5 N该程控锤通过精确控制打击阀的闭合时间，既保证了锻件所需的能量，又不产生额外的冲击动能，因此一些关键零部件如锤杆、锤头及上下模具的寿命大大提高。
⑵.回程速度很快。
由于主油缸下腔始终通蓄能器，上腔一旦卸压，能迅速抬锤，因此模具接触时间短，该性能与能量精确控制相结合，可以使锻模使用寿命提高1倍以上。
" n' e' ?% j. u⑶.锻造精度高：
该产品由于导轨采用“X”形结构，因此导轨间隙可以调得很小，打出的锻件精度很高。
. L! H! Q7 S  [$ j5 H⑷.材料利用率很高
由于能量可以控制，因而制坯精度很高，打出的锻件飞边较为均匀，又由于锻造精度高，上下模不会出现错模现象，因此材料利用率很高，为少无切削奠定了基础。
⑸.低噪音 由于该产品属打击能量可程控设备，因此编制程序，使锻件打成，但不多给剩余能量，因此噪音很小。传统锻锤的操作者是靠听模具打靠声音来判断锻件是否打成，有时判断不准，习惯于多打几下，实际是多余的。
⑹.无撞顶现象
% R! R4 r8 T/ s4 e& _9 D通过精确计算和设计液压系统中阻尼孔和节流孔尺寸，使得锤头到顶缓冲下来，很平稳，无一点撞顶现象的发生。
( y) {: S. b" S; y. k  r⑺.低振动
+ x$ w" c. P$ Q( M' m& m) Z/ A+ V( D由于该产品打击能量可程控，无多余能量产生，加上锤身下部装有德国技术生产的隔而固品牌隔振器，对周围机床、居民区无任何影响。
⑻.环保：
由于该产品在打击过程中，冲击噪音小，又有减振器，振动小，因而是一种环保型产品。
⑼.锻件质量较为稳定
由于通过程序控制器的控制，各种各样锻件的锻造工序可存入程序中，随时根据需要调出来使用，因此同一种锻件可以得到一致的打击能量和打击次数，避免了人工操作的多样性，因此锻件质量比较稳定。
' }2 q; [2 E: `8 F: b4 k四、手动全液压模锻锤
1、原理：
手动全液压模锻锤的基本原理是：采用油泵--蓄能器传动，通过一个手动式滑阀起先导阀作用来控制四个大通径插装阀来实现提锤、悬锤、慢降、打击等动作。
0 Z+ I1 v( n1 U5 g4 g# S# f2、与程控锤相比的优缺点：
优点：
' k1 `% j: |. i4 ^7 N6 D⑴.操作机构既可手动操作，也可脚踏操作，能量的大小靠操作者控制锤头行程来实现，操作比较灵活。
⑵.结构较简单，维修方便。
缺点：
⑴.能量不能精确控制，难以实现精密锻造；
⑵.由于油压比程控锤小，因此行程较长，打击频率较小，生产效率偏低。
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