1600t自由锻造水压机改造

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  要：通过对1600t自由锻造水压机改造，对旧压机改造及修理中普遍存在的问题提出若干有较强针对性及可操作性的措施及方法。
关键词：自由锻造水压机 改造 方法    中原特钢股份有限公司1600t自由锻造水压机为20世纪70年代产品，经过长时期的运行，其各项性能及主要零部件精度均严重超标。为满足生产需要，将其改造为1600t油压快锻机。在更新液压系统的同时，对压机本体主要零件均进行了修理与改造。
& c$ D6 t: j0 F; P* E    因允许停机时间短，所以对具体实施方案和可能遇到的困难都做了较充分的论证和准备，在改造中采取了一些操作性强的方法，在规定时间内完成了改造任务。压机经过三年的运行，状态良好，达到了预期的效果。
    1.恢复上横梁主、副工作缸孔的配合精度
$ S5 r1 m0 Y# T4 R" E# j6 J    （1）上横梁工作缸安装孔的补焊修理
上横梁的主、副工作缸安装孔（Φ830D4、Φ600D4）有较大磨损（最大超差4.5mm）。恢复孔的配合尺寸有镶套和补焊两种办法。镶套法加工的难点在于大直径薄壁镶套的加工及装配有困难。而对于补焊修理，通常认为比较可靠的方法是补焊后将上横梁做一次整体退火以充分消除热应力，但这样做需要大型加热炉，工期长成本高。而分析实际情况，上横梁的材料为ZG35，其焊接性能尚可，且补焊量不大，所以采取适当的措施是不会产生过大热应力的。结合现场条件，决定采用适应性较强的手工电弧焊进行补焊。具体工艺如下：①清理内孔表面。②预热。因零件体积大，可使用两至三把烤枪同时加热孔的表面至120～150℃。③使用结507焊条实施补焊，单边补焊厚度4mm。在补焊过程中每隔15min要用红外测温仪测量焊接区域的温度，低于120℃要及时升温。④补焊完毕后用保温棉将零件内孔塞住，在靠近焊接区的表面尽可能地多地覆盖保温棉。⑤冷却至室温。操作要点：在补焊过程中每层补焊结束后应立即用压缩空气锤锤击补焊层，使补焊层得到压延，以减少拉应力。
    （2）机械加工
* F* z& ?% |) \2 q5 b- j2 Z    主、副工作缸安装孔及各定位面（图1）需在镗床上加工。因为缸孔上的两端配合尺寸有同轴度要求，理想的情况是一次装夹加工完成，这样效率高，精度有保证。而公司现有的130镗床，能力稍显不足，但如采取合理的工艺措施还是能够满足精度要求的。过程如下：

①清理定位基准。为了便于加工，一般大型铸件上均专门设计有定位基准。上横梁也不例外。图1中的四处小方块即为定位面。定位面必须仔细清理，这项工作看似简单,但做得好可以起到事半功倍的效果。
    ②第一次装夹。根据压机的特点，提升缸孔一般是不会磨损的，因此可以用来作为找正基准，一次加工出Φ840D4、2-Φ620D4。
$ {6 q1 V! }: L- S    ③加工过渡基准。上横梁下部的加工完成后如直接掉头加工上部的Φ830D4、2-Φ600D4则不易保证其与Φ840D4、2-Φ620D4的同轴度，故应寻求一种过渡办法。可在Φ850孔的中部互成90°的两个方向上加工出平行于孔轴线的两条找正带，这样在掉头后结合Φ830D4一起就可以找正加工了。这是上横梁修理中最关键的一步。操作要点：第一，找正带的长度不应小于400mm。第二，找正带加工见光即可，然后再精加工一刀，加工余量尽量小。
    ④掉头装夹找正加工Φ830D4、2-Φ600D4。
0 E1 H' T, i+ @% M5 ~; N    实践证明上述工序是合理的。上横梁与压机主副缸一次装配成功。
    压机下横梁立柱孔的磨损情况与修理方法与上横梁相似，不再重复。

    2.修理工作缸导套
5 ?- N1 d) i/ N( q2 k/ x    对于工作缸导套，借鉴国外的经验做了一些改进。在导套的内、外圆表面上车出了螺旋槽（图2），槽深1.5mm、宽约5mm。并将流经螺旋槽的油从Φ10mm孔引回油箱。对螺旋槽的作用有两种观点：一种认为没有太大作用，另一种认为螺旋槽的作用类似于换向阀芯上的环型槽。
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压机工作时高压油会从内螺旋槽和柱塞与导套间微小的间隙流过并回到油箱。螺旋槽和间隙的作用类似于一个截面形状复杂的细长节流孔。高压油从中流过时会产生一个很大的液阻，这个液阻会在柱塞的圆周表面产生一个径向推力，而且间隙越小推力越大。当柱塞受侧向力偏离中心时，圆周上的间隙就不均匀，间隙小的一侧受到的推力大。这个不平衡力会趋向于将柱塞推回到中心位置，使间隙一致。这就减轻了柱塞、导套及密封的磨损。因此螺旋槽与环型槽的作用还是有区别的。这种形式的导套曾在一台2000t压机连续使用近10年而没有更换导向套及密封。

    3.工作缸密封的选择
  O* p: k; r4 }+ q- l* I    V型组合密封因其密封性能好，耐磨、可调，在直径大、压力高、行程长的锻造设备上仍是最理想的选择。
    锻造时产生的侧向力传递至柱塞上，对工作缸导向精度及密封的寿命都会产生不利影响。为了保证密封效果及合理工作寿命，V型组合密封截面尺寸的选择对密封的效果及可靠性很重要。截面尺寸可参考表1。较高的截面高度有利于增强密封效果、延长工作寿命。同时这样的密封显得更“硬”一些，比起较“软”的密封来容易更换，可减少更换密封时的维修工作量。1600t压机主缸选用的是MerkelV1000系列重载用密封，尺寸为Φ610mm×Φ560mm×179mm，截面高度/宽度比值7.2。多数密封的截面高度/宽度比值在4左右，其使用寿命至少要比MerkelV1000系列短一倍。

另外，因为储存和运输中受时间和环境的影响，大规格V型组合密封均以开环形式供货，其长度均留有一定的过盈量，使用时截成规定长度。这一长度仍略大于理论计算长度，以保证安装后有足够的预压力以保证其密封性能。这也正是不能简单将闭环密封切口用作开闭环密封的原因。因此，开环V型组合密封的长度应按规定截取。

    4.活动横梁改造
: L* e) x9 Z/ ?3 G    老式水压机活动横梁一般采用圆导向、线接触、间隙不可调。其接触刚度及导向精度较差，导向铜套寿命短。改造为快锻压机后，动态负荷增大，为了提高设备稳定性及精度，可采取以下措施：①改圆导向为平导向以增加导向刚度。②增加间隙调整装置以补偿导向磨损。③加长活动横梁的导向长度。
5 x* y; A4 T; _- M& z' e. J8 G    采用前两项措施的同时需改变立柱截面的形状，改造成本较高。因此在经济条件有限的情况下，加长活动横梁的导向长度是性价比较高的选择。导向加长的长度取决于柱距。根据以往的改造经验，加长后的导向长度应为大约0.7倍的柱间距。

图3为几种可行方案。方案一是在原动梁上加装延长套。曾在另一台压机上采用过这一方案，效果并不理想。加装的加长套相当于一个悬臂梁。通过一个过盈配合热装在活动横梁上，以这种方式加长的导向不足以承受锻造时的侧向力，使用一段时间后其配合精度便失效了。为了提高悬臂梁的强度，方案二将上述加长套与动梁铸为一体。老式压机的导向长度即是活动横梁的厚度，通常为柱间距的0.35～0.4倍。假如导向加长至0.7倍的柱间距几乎相当于活动横梁厚度的两倍，悬臂的长度仍显太长，另外加长部分的强度和零件的铸造工艺性都不好。方案三仍采用整体铸造方式，但将导向加长的部分分别加在活动横梁的上部和下部。加在上部的长度等于上限程套的长度，而原来的上限程套就不要了。这样，不担提高了加长部分的强度，而且铸造工艺性好，同时压机的净空距及行程也不损失。
    对于公司这台1600t压机，柱间距为2400mm，动梁厚度为900mm，改造后导向的总长度为1750mm。去掉上限程套在活动横梁上部加长400mm、下部加长450mm。这样做还有一个好处：由于下部只加长了450mm，动梁落到最低时柱塞与缸体仍可以脱开，大大方便了维修。这一点也是制定方案中应考虑的一个重要因素。因为更换工作缸导套的方法之一是拆掉下限程套并将活动横梁落至最低。如果此时工作缸柱塞仍无法与缸体脱开，那就只好拆掉上横梁了。这样一来工作量几乎就相当对压机做了一次大修。另外，为了提高活动横梁的抗弯强度，在设计新的动梁时还在其内部增加了加强肋。

    5.柱塞与活动横梁连接由刚性改为单球铰连接
6 ?' N( K4 U2 b$ \# G    柱塞与活动横梁由刚性连接改为单球铰结构是为了改善工作缸部件的受力，延长其寿命。对于单球铰结构，设计中应考虑两个问题：球铰的接触面积和球面半径的大小。
    严格地说，球铰接触面积应按比压来设计。实际上由于球铰间相对滑动速度小，持续时间短，不至于产生胶合，因此只要保证工作表面不被压溃就可以了。结合已有设备情况，球座表面受到的理论静态压应力应控制在50～80MPa。材料可选用球墨铸铁。至于球面半径的大小，目前尚无定论。按经验取值为柱塞直径的0.8～1.1倍。
    6.立柱的预紧
    水压机立柱的预紧一般用加热法和液压拉紧法。1600t立柱上有加热孔，采用加热法预紧。螺母旋转的角度可按下式计算：
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- \8 s8 H9 }; P: l# J2 x; p. a) ?    对于预紧应力σ，机修手册上的推荐值为100MPa。但在不影响强度的前提下这个值还可以再高一些。因为增大预应有利于提高压机和稳定性和精度。立柱材料一般为合金钢如35CrMo，其σb=650MPa，σs=450MPa。因此，可以将螺母拧得更紧一些。实际操作中将这个值控制在120～140MPa。
    7.总结
    （1）对压机主要零件的磨损，可采用补焊修理，只要在焊过程中的不同阶断综合运用焊前预热、锤击焊道、保温等措施便可减小和控制应力，达到满意的效果。
    （2）机械加工应合理选择定基准、找正基准、过渡基准。
! v7 e6 H  u0 E& I    （3）可在工作缸导套上加工螺旋槽以改善导向套及密封的受力情况，并延长其使用寿命。应选用截面高宽比大一些的密封，开环密封的长度应按规定。
, w& u9 Z8 w0 Z2 r! r; a' a) V6 n  b    （4）可采用加长导向长度、增大立柱预紧力等方法以提高压机的稳定性及精度。在这个前提下兼顾维修性。
: L' _. ~* ?1 f- N" H3 y  B7 o+ n# c    （5）为简化计算，可按理论静态压应力计算球铰的面积。
    8.完善方向
  I  t9 M4 `* Z7 A6 q    （1）采用预应力结构，提高压机的抗偏载能力。
    （2）使用超级螺母（Supernut）预紧立柱，减小安装及维修工作量。
    （3）采用间隙可调的平面导向结构以提高导向平稳性和导向精度。
    （4）改单球铰结构为双球铰结构进一步改善工作缸的受力情况。
    （5）采用改进型正弦传动系统，即改阀控为泵控以提高快锻机的锻造次数、精度、可靠性、平稳性。
7 G; U: _' O" A    （6）引进锻造软件以实现全自动锻造。