锻锤在现代锻造工业中的复兴

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海安百协锻锤有限公司 张长龙

摘要：分析锻锤在现代锻造工业中的地位及适应性；简述传统蒸空锤优、缺点和换头改造的节能优势及局限性；简述采用现代液压、电子技术武装的程控全液压短行程模锻锤的高效、节能、高可靠性能特点及其在现代锻造工业中的应用。 关键词：锻锤 现代锻造 复兴 . n! S* b/ |$ y9 k6 `) P, }2 K1 锻锤在现代锻造工业中的地位及其适应性 8 R( D3 C3 B6 e$ k3 c 锻锤是多种锻压机器的先驱，从19世纪第一台蒸汽锤在英国问世以来，已有一百多年的历史，本世纪以来相继出现电动空气锤、液压回程单动落锤、液压回程双动液气锤、以及目前最先进的全液压双动液压锤是锤类设备驱动型式方面的重要发展。尽管各种锻造新工艺和新设备不断涌现，但锤类设备由于结构简单、操作方便、适应性强、投资少等特点，至今仍然起着非常重要的作用。据中国锻造协会统计，全国现拥有1吨以上自由锻锤1600台，模锻锤650台，1吨以下空气锤达2.5万台。锻锤在锻造设备中占有量近80%，1吨以上锻锤占相当能量锻造设备总量的50%，在60年～70年期间各工业国家在锻造设备中，锻锤的占有比例达到60%以上，日本等到国甚至达到75%。 锻锤在现代锻造工业中的地位取决于如下几个方面： a　结构简单，维护费用低； b 操作方便，灵活性强； , x9 `5 ?. G( J3 H) h0 [* `% qc 模锻锤可进行多模镗锻造，无需配备预锻设备，万能性强； 0 h& _  k( r$ ]5 }2 o' Id 成形速度快，对不同类别的锻件适应性强； : n9 e$ h/ a. @6 G8 F! f) f' T9 Ee 设备投资少（仅为热模锻压力机投资的1/4）． 蒸汽模锻锤与其它成形设备的比较如下： 3 x2 ^2 x2 ?. g6 v* j 锻锤的特出优点在于打击速度快，特别适合要求高速变形来充填模具的场合。由于锻锤速度快，模具接触时间短，有利于重量相对小、形状轻薄、冷却特别快的零件的成形，有利于模具寿命的提高。 1 ]% L3 a* I: V8 v" K锻锤用于锻制带有薄筋板、形状复杂的而且有重量公差要求的锻件，它的性能和经济优势将得到充分体现。锻锤仍是锻造工业最好的设备，特别适合多品种、小批量生产。 1 J$ R3 H) G, W7 T 参 数 名 称 蒸汽锤 螺旋压力机 曲柄压力机 百协CHK锻锤 打击速度（m/s）4～7 0.6～0.8 0.3～0.7 4～6 冷击时间(ms) 2～3 30～60 30～60 2～3 成形接触时间(ms) 5～15 30～150 80～120 5～15 打击频率 80～100 6～15 40～80 80～110 灵活性 好 差 差 好 投资比例 1 1～2 4 1 适应性 多品种小批量 单一零件大批量 单一零件大批量 多品种小批量 : ?3 ?) j& \* Q# }( a6 j4 Q' A- X结构复杂 最简单 一般 最复杂 简单 / N  r5 q! O6 j# i自动化程度 差 差 好 好 锻造原理 小能量多次锤击成形 一次冲击压力成形 静压力成形 小能量多次锤击成形 ! P* i( }$ n+ d工作精度 差 差 高 高 能源消耗比较 15 2～3 3 1 ( J8 \  r$ q. Q 2 国内锻锤技术的发展 + ^, C7 e4 [' `  U9 C 2．1传统蒸空锤的缺点 ' ^( ~( n  b' \; e3 {0 q2 D3 v 4 u* c$ X& H; q$ d6 O近年来，由于各种新工艺及新设备的出现，加之能源和环保方面的要求愈来愈高，传统蒸空锤的缺点日益突出，主要表现在： ａ　能源消耗大．据统计，其能源利用率不到２％; ｂ　蒸汽锅炉排出的烟尘严重污染环境; 1 Q, a. N) F' b+ M0 W# m% ?! fｃ　振动与噪音．工作环境恶劣; 2．2国内锻锤技术现状 + n3 H. |6 i, I针对蒸空锤的缺点，我国从70年代开始研制电液锤，经过近30年的发展，节能问题基本得到解决。主要表现在传统蒸空锻锤的换头改造。目前国内从事换头主要以北理工、西重所两家为代表，其中北理工技术应用占多数。所谓换头即采用电液传动装置取代原有锻锤的气缸及动力站，保留原有机架、砧座。 ) H- ]8 r2 K+ |" |+ c3 B 现有换头技术的局限性： a 采用手动阀控制打击能量，锻锤重复输出打击能量的精度低，对操作工人的技术要求高，锻件的厚薄尺寸精度低； & W% T6 c# _! o7 c( ub 换头可解决节能问题，但工作精度不可能得到解决； : M# d3 s3 t, Q) f$ Wc 锻锤的操作灵活性相对蒸汽锤较差，特别是连打制坯动作反应慢，动作不灵活； - R: F, w; I+ E/ pd 故障率高，维修成本大； % D, y! O$ Y. `( o0 [, y; df 难以实现自动化生产； 1 I- O% A' |4 ^+ \g 由于打击能量不能得到精确控制，富余能量打击带来的噪声污染无法得到解决； 2 Q5 |5 o! C0 X4 i$ [& B) |- uh 基础振动问题无法解决。 除换头外，电液锤整机的研制仍处于发展阶段。目前国内真正能打入市场并站稳市场尚无一家。从70年代始，吉林锻压、安阳锻压与我公司前身海安锻压均作了很大的努力，特别是我公司，经历了从对击锤到消振锤再到现在的全液压短行程模锻锤三个过程，产品结构逐步优化，趋向简单化；控制性能逐步提高，趋向自动化。 ! }! s; X! U4 i$ `0 h# v 目前，吉林锻压已放弃了电液锤研制，而安阳锻压在经历了整机研制的挫折后，开始转向技术相对成熟的北理工“换头技术”。 . Z  l1 k( [) K" u2 J& l5 _ + s6 t6 n' i0 f9 a0 l: [; \3 国外锻锤技术的发展 ) u% g$ [) Y7 ?7 p+ R7 \% O. U8 g $ B! A1 i+ u+ g  ?1 X: C6 Y, }国外电液锤的发展起步于本世纪30年代，早于我国近40年，以世界著名的锻锤制造商德国Lasco公司液压锤发展历史来看，液压锤经历了从放油打击单动落锤到放油打击双动落锤（即类似于我国目前放油打击方式液气锤）再到现在的全液压双动落锤发展过程。在锤击特性上，形成了10-160KJ有砧锤、63-400KJ无砧座对击锤两大系列。目前该公司提供的全液压锤不仅具有简单可靠的结构，而且具有极为周到的运行监测系统、故障诊断系统、能量自控系统及程序打击控制系统，已成为世界上最为著名的智能型电液锤的杰出代表，目前提供全液压锤还有德国的Beche公司。 + X  v  T$ Z$ J+ [& F# t # j7 f- P9 M, J7 W我国液压锤的发展相对国外，从驱动原理上看还仅仅处于Lasco公司第二代产品的发展的水平上，属于液气锤，全液压锤的生产研究仍处于起步阶段。 " a& ^0 ^" L. @5 h/ F* v8 Y 4 百协全液压模锻锤技术性能分析 $ s# B* R% ]9 t$ @! j4. 1节能 该锤的传动效率为65%，为蒸空锻锤的30倍以上。 + u. e% i! U0 G! \8 c  B ' @2 `" \3 r* i! }0 h4．2降噪 由于该锤的打击能量是可以按需要在最大能量范围内通过程序任意设定，给足锻件成形需要的能量，但不多给，打击噪声情况就大不一样。该锤可以按设定的程序控制打击能量及打击顺序，决不多给。多余的打击次数、打击能量没有了，噪音就大为减少。当然连接结构的简单化也降低了打击噪音。 3 y( t; ~' n) p+ _! _  k8 [, Z4 v 4. 3减振 7 Q$ a* j5 Z$ D7 _5 [' j" N减振措施主要包含两个方面： : a1 Z& U  K, x4 |/ Q# o 4. 3. 1锻锤本身的紧固连接。该锤采用整体Ｕ形砧座床身，模座连接紧固采用楔铁，动力头采用柔性联接等均考虑了振动的减少及吸除。 / z7 Y; ]/ C7 h- X( o. u% ~ : u1 Z! m* {) L$ {/ Z- x8 z# e4. 3. 2锻锤基础。弹性阻尼减振基础，可吸收８5%的振动，因而解决锻锤对周围环境影响的问题。 4. 4锤的工作精度 9 W( l5 y1 k4 B% `: @ 该锤采用放射形宽导轨结构及高刚性的Ｕ形床身结构，所以该锤的工作精度达到并超过压力机的要求，精度保持性好． / C  m% J1 c: }4 w# D! \4. 5锤锻件的一致性 ) A/ B0 |4 ?! p1 q: b# [% F , i0 k+ Z- y, J' B锻锤的打击如果是采用人工操作，不管多么熟悉的工人，也难保持100%的一致，特别是换班操作，对同一锻件更难以得到一致的打击能量和打击次数。该锤采用可编程控制，不论谁踩踏板，锻打操作是完全一致的。 对于某一特殊的零件的工艺如已经编入程序，即以数码储存起来，以后再锻打同一零件时，只须调出该零件的编码，锻锤即可以进行生产。 % R: Z9 R- ]$ r . k) d  l4 G" G7 S9 G4. 6锤的运行费用 ) V& P$ B. E( Z4 m4 R 节能不仅是指锤的传动效率高，还包括能量的准确控制带来的节能效益，多余的打击不仅多消耗能量，而且影响设备及模具由于吸收多余能量带来寿命问题。 0 e: F4 B8 Y4 K7 y + Q2 F+ y0 \! D0 M/ H  K! Z4. 7锤的工作效率 0 C4 _- }' o( I/ J 全液压动力驱动技术使得液压锤在极短的行程中获得巨大动能成为可能，因而使锻锤的高频率连续锻造成为现实，大大提高了锻锤的工作效率． : b' [* f* M9 G2 x3 ^ 5 百协全液压模锻锤的结构及控制性能分析 & z+ t1 L5 a. }6 O   A4 F8 O" s8 c) n) o1 m- r1 w; u5．1动力头结构特点   l+ c, T& }, p液压锤的快速发展，得益于其具有巨大的节能效应，全液压锤也不例外，除了传动原理上全液压锤具有液气锤所不能及的优点外，在结构上控制性能上也占有相当的优势。 * D0 b* {& ]0 ]# y2 B1 D全液压锤的高可靠性取决于其独特的传动结构，主要表现在： / ~% c* f( s9 W2 V+ k8 h# g0 B * ~& w% L! ^/ d- w采用锥阀式控制。锥阀式控制具有响应速度快、通流量大、结构简单、紧凑，油路最短，流量、压力损失最小，全液压锤正是依靠这一先进的技术，才具有高效、节能、快速的特点。 采用复合缸结构。全液压锤的打击速度基本上与蒸空锤一致。因而打击时对有杆腔的排油速度要求极高，传统放油打击方式的液气锤尽管采用了快放油阀专利技术，但排油阻力仍然相对较大，这也是打击速度不快、回程速度较慢的因素之一。全液压锤采用复合缸结构，打击时有杆腔、无杆腔瞬时接通，有杆腔压力油通过复合缸内部通道迅速进入无杆腔，实现无管、无阀、少无沿程阻力排油；回程时，压力油直通复合缸通道进入有杆腔，实现少无沿程损失进油。采用复合缸结构给液压锤的快速打击，快速回程创造了无与伦比的先决条件。 - `# Z4 [7 x' k6 W& R0 M; ~3 V 5 T4 z7 i$ ]9 W% ]采用较少的标准通用的液压先导阀。全液压锤与液气锤相比，吸收了进油打击方式的长处，采用三个标准通用的液压阀即可实现充油、排油、调整、打击等基本动作，维修、保养、更换极其方便、快捷、低廉。 采用高低压双重防外泄结构。有杆腔通恒压最难解决的是其密封问题。众所周知，压力愈高，密封要求愈高，压力愈低，密封愈易得到保证。全液压锤有杆腔与蓄势器常通，虽微量的泄漏不会影响其正常回程，但由于锤的特定的工作环境，必须杜绝液压油外漏，因而全液压锤采用了高低压双重防外泄密封结构，使高压油在不能绝对密封的情况下产生的微量泄漏通过泄油通道流回油箱，低压密封仅保证泄油通道的液压油不致于外泄。双重密封措施保证了密封安全可靠。 0 h! S  g# i( t% @/ w3 \ 2 L6 {! z  T1 u: e5．2 打击系统 6 C) ]5 N' D! K$ t. m$ U   E. D  S( C) H; P( _: y7 m1 l* O& C全液压短行程模锻锤打击系统采用整体Ｕ形铸钢机架，可方便拆换的宽导轨结构，以及便于对模的模具固定、调整结构。为锻件的高精度要求提供了保证。 4 J# i( e$ T, a9 ]* U由于打击系统结构十分简单，其故障率几乎为零，相对消振液压模锻锤、对击锤而言，无疑是一个质的飞跃。 ' Q; u' a+ v! V ; {. |8 C) c* ^; J' y* Q5．3 控制系统 0 e+ m9 g% E" k% z6 a 5．3．1 较为周到的运行监控 6 N7 Z  ^: [' u 全液压锤可靠性能否得到保证，除了要求具有尽可能简单的结构以外，还必须创造一个良好的内部运行环境。全液压锤通过传感器对液压油的清洁度、温度、压力、液位等进行监察，一旦出现不符合系统运转条件的现象即自动报警，并可实现自我保护，停锤甚至停机。与此同时，对可能涉及安全的辅助设施也同样实施尽可能周到的监察，在不符合要求的状态下，不能实现主机的启动运转。 2 [4 e) w+ S4 u# H/ P5．3．2 打击能量的控制及程控打击的实现 . O- t0 c0 a6 S3 `, i0 \8 j锻锤富余打击能量引起的振动、噪音是其两大缺点，但打击能量一旦得到控制，情况就大有改观。全液压模锻锤采用可编程自动控制系统，使每锤的打击能量及每个工件的打击次数均能按需要得到控制，使得打击系统的振动情况大为改善，打击噪音大大降低，同时降低了对操作者的技术要求，锻件的精度也相对稳定，设备运行的可靠性及模具的寿命均得到提高。 9 j5 o% I" k+ ^- Y& q 6 I' z: `* [4 e* `* v: @0 f5．3．3 便于维修的故障显示 8 r6 o6 v( ~* l6 V; `) {- a) J# B 为了便于用户能更好、更快地做好维修、保养工作，全液压锤设有常见故障显示窗口，一旦出现异常，通过故障显示窗口即很快能找到故障发生的原因，以便能迅速作出处理，缩短维修时间。 5．4 减振系统 为了克服有砧锤振动较大缺点，全液压锤采用了具有90年历史的德国GERB公司生产的液压阻尼隔振器，不仅隔离了对周围机床、建筑和居民的振动影响，更主要的降低了由于锤击带来的对设备可靠性和使用寿命的影响。 6 结束语 + O2 a* ]) b4 F( K6 W9 v, p百协程控全液压模锻锤在现代锻造工业中已成功地得到应用，锻锤的优势得到充分发挥，锻锤的缺点已通过现代化的液压驱动、电子控制及结构优化得到克服。可以说现代化的程控全液压模锻锤将使锻锤在锻造工业中的应用得到复兴。