（材料加工工程专业论文）20mn快锻液压机设计及整体工作性能分析.pdf

摘。要 摘。要 快锻液压机作为压力加工的重要设备，已经成为锻造行业必不可少的 装备之一。快锻液压机与锻造操作机联动可以得到较好的锻件尺寸精度， 缩短锻造时间，节省钢材，减少机加工时，经济效益十分显著。 ， 论文在综合了大量的国内外快锻液压机资料，详细分析了快锻液压机 结构特点的基础上，根据用户的生产实际与工艺要求，提出了2 0m n 快锻 液压机本体结构的总体设计方案，给出了工作缸、回程缸、固定梁、机架 等重要部件的结构设计方案、技术参数以及二维三维工程图，同时，确定 了移动工作台、横向移砧装置、上砧旋转装置、导向装置、润滑系统、锻 造工具和尺寸检测装置等辅助装置的设计方案。 。| 、 论文以p r o e 三维造型软件与a n s y s 有限元分析软件为工具，合理处 理接触、摩擦和载荷等边界条件，建立了液压机本体结构的相关部件的三 维弹性接触分析模型，实现了本体结构的整体数值模拟分析。 论文通过三维弹性接触计算，分别得到了本体结构在中心载荷和偏心 载荷两种工况下的应力、位移分布状态，给出了相应的应力、变形及挠度 曲线，并对其整体工作性能进行了分析和评价。 论文的上述工作为液压机本体结构方案的确定和技术设计提供了定量 的分析依据。 。 关键词快锻液压机；结构设计；整体工作性能；实体模型；弹性接触分析 燕山大学- 亡学硕士学位论文 a b s t r a c t q u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sa sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tf o rt h ep r e s s u r e p r o c e s s i n g ，h a sa l r e a d yb e c o m eo n eo fn e c e s s a r yf a c i l i t yo ft h ef o r g ei n d u s t r y w i t hf o r g i n gm a n i p u l a t o rc o o p e r a t i o n , t h eq u i c kh y d r a u i i ep r e s sc a ng e tt h e b e t t e ra c c u r a t ef o r g i n gp i e c es i z e ，s h o r t e nt h ef o r g i n gt i m e ，s a v em a t e r i a l ， r e d u c et h ep r o c e s s i n gm a n - h o u ra n d p r o m i n e n te c o n o m i cb e n e f i t s o nt h eb a s i so fs y n t h e s i z i n gag r e a td e a lo fd a t aa n d a m p l ya n a l y z i n gt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o m e s t i ca n de x t e m a lq u i c kf o r g i n gh y d r a u l i c p r e s s ，a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o np r a c t i c eo ft h ec u s t o m e ra n dc r a f tr e q u e s t , t h et h e s i sp u tf o r w a r dt h e2 0m nq u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s se s s e n c e s t r u c t u r eo ft o t a ld e s i g np r o j e c t , g i v et h em a i np a r t ss t r u c t u r ed e s i g n ，2 da n d 3 de n g i n e e r i n gd i a g r a ma n dt e c h n i c a lp a r a m e t e ro ft h ec y l i n d e r , t h er e t u r n c y l i n d e r , t h ef i x e db e a ma n dt h ef r a m e ，a tt h es a m et i m e ，c o n f i r mt h ef l o a t i n g t a b l e ，t h eb r e a d t h w i s es h i f t i n gb i c k i r o nd e v i c e ，t h et o pr e v o l v e ro ft o pb i c k i r o n d e v i c e ，t h eo r i e n t e dd e v i c e ，t h el u b r i c a t i n gs y s t e m , t h ef o r g i n gt o o l sa n dt h e s i z ee x a m i ne t c a s s i s t a n c ed e v i c eo f d e s i g np r o j e c t t h et h r e e d i m e n s i o nd e s i g ns o f t w a r ep r o eh a sb e e na d o p t e dt ob u i l dt h e m o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sh a sb e e nu s e dt oc a l c u l a t et h e t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tt ot h ew h o l em o d e l ，t h er e a s o n a b l ep r o c e s s i n g c o n t a c t , f r i c t i o na n dl o a d i n gf o r c ee t c b o u n d a r yc o n d i t i o n ，b u i l d i n gu p a n a l y t i c a lm o d e lo ft h e3 df l e x i b l ec o n t a c to ft h er e l a t e dp a r t so ft h em a c h i n e e s s e n c es t r n e t u r e , t h et h e s i s c a r r yo u ta ne s s e n c es t r u c t u r eo ft h ew h o l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nl a w so f t h ew h o l e m o d e lu n d e rc e n t e r l o a da n do f f s e tl o a da r eo b t a i n e dt h r o u g h3 df l e x i b l ec o n t a c tc a l c u l a t i o n t h e t h e s i sg i v ec o r r e s p o n do fs t r e s s ，d i s t o r t i o na n dd e f l e c t i o nc u r v e ，a n da st ot h e a b s t r a e t w h o l ew o r kp e r f o r m a n c ec a r r yo l la n a l y s i sa n de v a l u a t e t h i sw o r k p r o v i d e sq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sb a s i sf o rh y d r a u l i cp r e s se s s e n c e s t r u c t u r ep r o j e c ta n d t h et e c h n i q u ed e s i g n k e y w o r d sq u i c kf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s ；s t r u c t u r ed e s i g n ；w h o l ew o r k p e r f o r m a n c e ；e n t i t ym o d e l ；f l e x i b l ec o n t a c ta n a l y z e i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( 2 0m n 快锻液压机设计 及整体工作性能分析，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由 本人承担。 作者签字：孑沸动 日强：棚7 年j 目，6 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 ( 2 0m n 快锻液压机设计及整体工作性能分析系本人在燕山大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) n 作者签名：弓怫酌 日期：一7 引月，细 导师签名： 日期：矿一7 年，月形日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 锻压机械包括锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机等成 形设备，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助设备：锻压机 械广泛应用于电力、船舶、汽车、航空、电子、家电等工业领域。其中， 作为衡量一个国家工业水平标志之_ 的汽车工业，被当今世界主要工业发 达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业，其发展我促进了锻压技术 及设备的发展，锻压技术的发展和进步与汽车工业的发展密切相关。激烈 的市场竞争促使汽车更新换代的速度明显加快，传统的加工单一品种的刚 性生产线显然己不适应市场形势发展的要求，其升级换代产品一具有高柔 性和高效率的自动化锻压生产线，已成为世界锻压技术及装备发展的主要 潮流【1 1 。 大型锻件的生产，是制造业的重要基础产业。由于锻造成形工艺能够 改善零件的微观组织结构，提高其机械性能，因此在许多行业中获得了广 泛的应用。近年来，国内外在电力工业、造船工业、航空工业、重型机械 制造业等各个行业中，对大型自由锻件以及大型模锻件的需求日益增多。 现代重型锻造液压机的制造能力和水平是一个国家国力的象征 2 1 。随着科 学技术的进步，对航空、航天和国防技术水平也提出了更高的要求。在这 些行业中，对大型精密锻件的需求量很大。在国内外，锻造工艺所以获得 如此广泛应用，是与其独特的优越性分不开的。如在生产率、金属材料利 用率、产品的机械性能等重要经济指标方面，均比机械加工，铸造和焊接 工艺占有优势1 3 】。一个钢产量以千万吨计的国家，各类锻件总重量则以百 万吨计如德国，自1 9 7 0 年以来，仅模锻件就达到年产量1 0 0 万吨正因 为如此，锻造虽经上千年的发展，但至今其生命力仍与日俱增。目前，计 算机科学日新月异，人工智能理论逐步完善，这些新理论和新技术直接或 间接地促进了锻造技术的发展。 燕山大学工学硕士学位论文 解放前，我国基本上没有自己的锻造工业，仅有一些古老的手工打铁 作坊。在极少数大城市里有几台小型的用于修配的液压机或小型锻锤。 解放后的第一个五年计划期间，太原重机厂安装了一台日本造1 0m n 锻造水压机和5t 蒸汽锤。1 9 5 5 年，由机械工业部第三局组织，在沈阳重 机厂对一台日造3 0m n 锻造液压机进行了改造设计。从1 9 5 6 年起，我国 技术人员开始了从学习、仿制到独立研发锻造液压机的工作，一部分大学 开设了锻压专业，许多教授对锻造工艺和设备从理论上进行了深入的研究 并发表了一系列专门著作，培养了大量的锻压专业人才。国家建立了多所 锻压工艺设备研究所，作了大量的研究开发工作。沈重、太重、北重、天 重、上重及西安重型机械研究所先后独立研制成功了一系列锻造液压机， 形成了许多锻件生产基地，这对于迅速发展我国的工农业生产，巩固国防 都具有重大的意义。 在现代技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成 锻件或零件，只是难易程度不同。今天，锻件精度愈来愈高，可以达到甚 至超过机械加工的一般精度水平如各种冷温挤压件、精锻齿轮、精锻叶 片、精锻轴类件等；锻件重量愈来愈大，随着大型水压机的出现，自由锻 件的重量超过了一百吨，模锻件的外径也达到1 米以上；锻件的复杂程度 由于多分模面的出现也得到了明显地提高，带来福线的空心管件已能在专 用锻压设备上直接成形。 锻造生产的最高目标，应是以最短的时间和最低的成本，得到最高质 量的产品。锻造实现机械化和自动化，是向世界先进水平靠拢的必然趋势。 我国的锻造行业，除了这些锻造液压机之外，更多的是使用锻锤( 大多为蒸 汽锤，有一部分已改为“电液锤”) 。预计再过1 0 年到2 0 年，大都会报废 并退出历史舞台。近十几年来，随着我国现代化建设的迅速发展，特别是 吸收了国外同行的生产经验和技术，引进国外先进生产设备，锻件的生产 技术获得了明显的发展和提高。但是由于生产工艺和设计手段落后，在很 大程度上影响了我国锻造水平。因此，为提高我国锻造生产的整体水平， 实现锻造工艺设计计算机化，采用先进的数值模拟方法分析预测成形过程， 降低设计成本，缩短设计周期，提高生产效率，已成为目前我国锻造行业 2 第1 章绪论 发展进步的当务之急。 一 随着我国进入w t o ，世界性经济发展推动了我国制造业的飞速进步。 汽车、航空航天等行业的发展，促进了锻压产业的发展，各类锻件的需求 急速增加，这一形势迫使老的锻造液压机更新改造，发达地区新锻造设备 加速上马，新一轮的研发锻造液压机的时期已经到来。随着市场经济的健 康发展，未来的锻造液压机的迸退将完全取决于市场需求【4 1 。 1 2 锻造液压机简述 1 2 1 液压机的分类 液压机是利用液压传动技术进行压力加工的设备，是制品成型生产中 应用最广的设备之一。与其他压力机相比，它具有压力和速度可在大范围 内无级调整，；可在任意位置输出全部功率和保持所需压力、结构布置灵活， 各执行机构可很方便地达到所希望的动作配合等优点。因此，液压机在塑 性加工领域得到了日益广泛的应用。 。 液压机按工艺用途分有： ， ( 1 ) 锻造液压机主要用于自由锻件的生产，也可采用垫模进行模锻， 重型机械厂中多用此种设备； 、 。 ( 2 ) 模锻液压机主要用于各种模锻件的生产；。 ( 3 ) 冲压液压机主要用于金属板材的冲裁、弯曲、翻边及拉深成形； 除上述用途外，液压机还可用于塑料压制，金属挤压，打包压饼，校正等 工作【那。 1 2 2 典型液压机结构， 液压机的本体结构形式是多种多样的。典型的液压机结构型式有下面 几种： ( 1 ) - - 梁四柱式三梁四柱式液压机是最常见的一种传统结构型式，尤 其是早期大型自由锻造液压机通常采用这种型式，如上海重机厂1 2 0m n 、 富拉尔基第一重机厂1 2 5m n 、四川德阳第二重机厂1 2 5m n 自由锻造水压 机等。上海重机厂的1 2 0m n 锻造水压机结构简图见附录1 3 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 整体框架式压机主机架为整体焊接或整体铸造，如四川长城钢厂 从日本引进的2 0m n 下拉式快锻液压机，结构简图见附录2 。 ( 3 ) - - 梁多柱组合式对于大型模锻液压机，其大吨位使得本体结构设 计制造变得复杂，受制造、安装、运输等条件的限制，本体往往采用分体 组合结构。我国白行设计制造的3 0 0m n 模锻水压机采用的是三梁多柱组 合结构，其结构简图见附录3 。 ( 4 ) 多板组合框架式对于大型多向模锻液压机，其大吨位和对压机刚 度的更高要求使得本体结构设计变得更加复杂。美国c a m e r o n 公司制造的 3 0 0m n 多向模锻液压机和第一重机厂设计的2 0 0m n 多向模锻挤压液压 机，主机架采用的是叠板组合结构；由燕山大学提出的6 5 0m n 多向模锻 液压机设计方案采用的是c 形叠板组合式框架。6 5 0m n 多向模锻液压机 结构简图见附录4 。 ( 5 ) 钢带缠绕框架式用钢带缠绕方式制成的预应力液压机机架，具有 结构简单、抗疲劳性能好及造价低廉等特点瑞典曾用于制造冷锻液压机， 前苏联则设计并制造了从1 0m n 到1 5 0m n 的系列有色金属模锻液压机。 国内已有多台钢带缠绕式液压机投入使用。附录5 为前苏联全苏冶金机械 科学院设计制造的3 0m n 有色金属模锻液压机的结构简图【6 】。 1 2 3 液压机的发展 早在1 8 9 3 年世界上就研制成功了第一台1 2 0m n 锻造水压机，应用历 史已经有1 0 0 多年。经过长期的使用和考验，锻造水压机的结构、传动和 操纵控制系统已有很大进步，其技术已曰臻成熟。1 9 3 4 年以后，各国为了 发展航空航天工业，研制了许多巨型液压机，德国在二战前就建造了3 台 1 5 0 m n 液压机和1 台3 0 0 m n 液压机，后来美国建造了2 台3 1 5 m n 和2 台4 5 0m n 液压机，原苏联建造了4 台3 0 0m n 和2 台7 5 0m n 液压机。 在2 0 世纪，世界各国对液压机的研发都很重视，技术上得到了长足的发展 【7 1 。 锻压生产在我国已有悠久的历史， 锻造已用于兵器生产。新中国成立后， 4 在3 3 0 0 多年以前的殷墟文化早期， 我国锻压生产迅速发展，1 2 5m n 第1 章绪论 以下的自由锻水压机、3 0 0m n 以下的模锻水压机、1 6 0k n 以下的模锻锤、 2 5m n 以下的摩擦压力机、1 2 5m n 以下的热模锻压力机装备了诸多锻压 厂。由于航空工业、航天工业发展的需要，我国从6 0 年代中期开始了对大 吨位模锻液压机的研制工作1 8 1 。近几年来我国已开始进入成系列发展各种 液压机和研制高效、典型、快速的新型液压机和其他锻压设备的技术全面 提高阶段。 1 3 世界大型自由锻造液压机的发展趋势， ( 1 ) 锻造液压机的公称压力越来越高近年来，随着电力、钢铁、石化、 兵器等企业的迅速发展，国际市场对相关大型装备的需求量越来越大；如 大容量的水电、火电、核电机组越来越多，1 0 0 0 m w 以上火电机组已成主 流产品，且超临界和超超临界机组渐多；宽厚板轧机的规格已达5 5 m ；石 化反应器的直径也在向6m 逼近。因此，市场对尺寸更大、力学性能更优 的电站转子及护环、大型宽厚板轧机的支撑辊及高压容器的筒节、封头等 锻件的需求迅速增长，这就要求锻造液压机提供更高的压力，具备更大的 尺寸参数。迄今为止，世界上已锻造的最大钢锭达5 7 0t ，液压机的最大压 力已达1 5 0m n ，日本等国正拟建造2 0 0m n 级的自由锻造液压机【9 l o 1 1 1 2 1 。 ( 2 ) 液压油逐渐取代乳化液油具有传动平稳、传动及控制元件标准化 程度高、泵站投资少等优势，特别是其控制技术日益成熟，可大大提高压 机的控制水平1 1 3 , 1 4 1 近年来随着液压元件及密封技术的不断进步，泵站、 管道及液压缸已可做到基本不渗漏，其工作周期也显著延长。因此用油取 代乳化液作为传动介质已成趋势。目前，除部分大型锻造液压机外，多数 液压机均为油压机1 1 5 1 6 1 。 。 ( 3 ) 下拉式油压机的保有量迅速增加下拉式本体结构已出现多年，适 合生产具有一定批量的锻件因其采用下传动，、地上部分简洁、操作空问 大，厂房投资少，加之油压传动简单而受到青睐。但地下结构复杂，维修 有一定困难；另外，机架质量大，位置控制困难，长期以来并未成为主流 机型近年来出现了一系列专利技术，压下频率和位置控制精度提高，漏 油问题已基本解决。特别是在配备了与主机联动的操作机、p l c 及计算机 5 鎏坐盔兰王堂堡圭兰垡笙塞 控制系统后，可实现柔性很强的程序锻造，对操作者技术水平的依赖减少， 生产效率和锻件精度均很高。因此，该机型已渐成3 0m n 以下中小型锻造 压机的主流机型。图1 1 为具有双操作机的双柱下拉式快锻油压机【1 1 8 , 1 9 】。 图1 2 为四柱下拉式油压机2 0 , 2 1 , 2 2 。 图1 - 1 双柱下拉式快锻油压机 f i g 1 - 1 t h e q u i c kf o r g i n go i l - p r e s so f t w op o l eb yb o t t o md r i v i n g 图1 - 2 四柱下拉式油压机 f i g 1 2 t h eb o t t o md r i v i n go i l - p r e s sw i t hf o u rc o l u m n s ( 4 ) 大型压机的机械化程度大幅提高各国早期建造的大型压机多数经 6 第1 章绪论 过改造，辅机配备更加齐全。大多数压机配备了锻造操作机和砧库，有的 还配备了大截面切割机、尺寸测量系统等先进的辅助设备。因此，辅助时 间大幅减少，生产效率和锻件尺寸精度大幅度提高【2 3 0 4 1 。 ( 5 ) 自动化控制水平显著提高电气及液压控制技术的发展几乎在大型 压机上都有所体现。油压机已全部采用比例或伺服控制技术；水压机已采 用水压比例控制；部分压机实现了“主机一操作机”联动，为全面实现程 序锻造奠定了基础。电气控制均采用了“工控机一可编程控制器口l c ) 一网 络通信”技术，装备了计算机状态显示和压下、进给及转角控制系统，自 动化水平已大大提高伫5 ，2 6 ，2 7 】。r 1 4 国内外快锻液压机的进展 ， 快锻液压机是6 0 年代发展起来的一种新型锻压设备，目前被认为是自 由锻造设备中发展的主要方向之一。近年来随着液压技术和微电子技术的 飞速发展，加速了快锻液压机的进程。目前在德国、日本等国家，快锻液 压机的设计制造技术已比较成熟我国在7 0 年代开始快锻液压机的研制工 作，目前，已生产出小吨位快锻液压机用于生产实际，技术水平不断提高。 在结构形式上，目前国外趋于中小型压机以双柱下拉式为主，重心低、 稳定性好、管道短、液压冲击小。而大型压机采用上推式，以减少活动部 分惯量，易于控制、节省能源。 在液压传动方式上，均为油泵直接传动。在液压控制方式上则分阀控 与泵控两种方式。阎控方式中，油泵为定量泵，采用开关阀或比例阀控制 系统流量和压力。泵控为采用变量泵调节系统流量和压力。系统结构简单， 但泵、阀元件贵成本高，使用条件苛刻。 1 4 1 快锻液压机的主要功能 快锻液压机主要是用于镦粗、拔长、冲孔、扭转、弯曲、剁切、芯棒 拔长等自由锻造的各种工序完全满足合金工具钢、工模具钢、合金结构 钢、不锈钢等中高合金钢的自由锻造工艺。由于它的机械化程度高，速度 快，又能控制压下量的尺寸，特别适合于锻造温度范围窄的高合金钢的钢 锭开坯。 7 燕山大学工学硕士学位论文 由于自由锻所用的工具简单，通用性强，灵活性大，因此适用单件和 小批锻件的生产。自由锻件是由坯料逐步变形而成，工具只与坯料部分接 触，故所需设备功率比模锻要小得多，所以自由锻也适于锻造大型锻件。 如万吨模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件，而万吨自由锻水压机却可 以锻造重达百吨以上大型锻件。可见，对于大型锻件的锻造，只能采取自 由锻成形。我国长期以来自由锻件比重大于模锻件，原因在于锻件品种多 而批量不大的缘故。 我国北京重型机器厂设计和制造的5m n 双柱下拉式锻造液压机可用 以拔长2t 以下的碳素钢锭，镦粗lt 以下的碳素钢锭，并适用于锻造温度 范围狭窄的高强耐热合金的锻造，能代替3t 自由锻锤。其本体型式为整 体焊接框架，将二根矩形空心立柱与上、下横梁焊成一个整体，承受锻造 时的作用力。固定梁由三块铸钢件组成，用键和螺栓联接，并与辅座一起 作为移动工作台和拖板的导向和支承。矩形立柱上下运行时由装于侧座内 的导向装置导向，导轨面之间的间隙可以用调整片调整 由西安重型机械研究所设计并由北京重型机器厂制造的8m n 快锻液 压机右以拔长的最大钢锭约5t ，镦粗最大钢锭约2 5t ，可锻最大环件尺 寸约为m 1 5 5 0 1 2 0 0t o n i ，饼件最大直径c d l l 0 0m _ r n ，最小厚度8 0n k r r l 。 锻造尺寸公差可达1n l n l ，此压机结构型式为单缸、双柱下拉式预应力结 构【2 8 1 。 1 4 2 快锻液压机的快速性能 在某些高合金钢锻造中，突出的特点是锻造温度范围窄，塑性低，容 易脆裂，尤其是一些特殊耐热钢，如g h 3 6 ( 4 c r l 2 n i 8 m n 8 m o v n b ) ，其始 锻温度为1 0 5 0 c ，而终锻温度为9 0 0 c ，锻造温度范围仅有1 5 0 c 。有些 高温合金，一方面希望锻造过程比较快，尽量减少火次，另一方面又由于 再结晶速度比较慢，变形速度又不能太快，否则再结晶过程来不及进行， 或进行得不充分，均会使塑性下降，因此，用液压机锻造比用锻锤为好， 但由于一般液压机锻造速度慢，不能满足锻造工艺要求，所以近年来提高 锻造压机的速度性能得到普遍关注。 8 第1 章绪论 目前中小型锻造液压机每分钟工作次数可达1 2 0 次，一般在8 0 1 0 0 次，分左右，缩短了热锻件与砧子接触的时间，锻件降温慢，给高合金钢锻 造带来很大方便。 ； 另外快锻液压机与锻锤相比还具有震动小，容易实现自动化和容易控 制锻件尺寸精度等优点，特别是在配上锻件尺寸自动显示和自动控制装置 以及与锻造操作机联动装置后，可以比较好地提高锻件尺寸精度，一般能 将锻件厚度方向尺寸控制在2r a i n 以内，最高的达到ln u l l ，这对于改 变大锻件的肥头大耳的落后状况十分重要，可以节省钢材，减少重型机床 的机加工工时，尤其是对于昂贵的高合金钢，节材效果十分显著，同时， 工人的劳动条件也得到极大地改善。因此快锻液压机已逐渐成为中小型锻 造液压机的主要发展方向。 锻造液压机的快速性能可用每分钟工作循环次数来衡量，其主要影响 因素有如下几点： ( 1 ) 工作行程速度在过去直接传动的液压机工作行程速度比较低，在 5 0m m s 左右，现在随着元件性参的提高及控制技术的进步，己可达6 0 1 2 0m m s 。提高工作行程速度虽然能减少工作循环时间，并减少上砧与热 锻件接触的时间，但这样会使液压机传动功率按比例地增加，很不经济 在一个工作循环中，工作行程所占时间的百分比并不大，如某台液压机的 一个工作循环时间为2s ，而工作行程仅占o 3 2s ，因此，不宜过度地提高 工作行程速度。 。 ( 2 ) 空程下降速度一般取为3 0 0 3 5 0m m s ，如速度过大，在运动部 分突然停止时，会引起水击，管道振动很大。此外由于运动部分质量较大， 尤其是在下拉式框架结构中j 突然停止，还会导致压机振动。 ( 3 ) 回程速度直接传动液压机的回程缸一般设计得比较大，其回程力 约为公称压力的2 0 左右，这样可以简化控制系统：回程速度一般取为3 5 0 m m s ，也不宜过高，因为在精整快锻时行程很小，如速度变化太大，由于 惯性引起的冲击也较大。 ， ( 4 ) 增压所需时间由于工作液体、管道、工作缸及立柱等都是弹性体， 当液体压力增加时，它们都会产生相应的弹性变形，必须补充一定量的工 9 燕山大学工学硕士学位论文 作液体，因此，增压需要占用一定的时间。 ( 5 ) 卸压所需时间主工作缸卸压时间较短，一般在o 0 4 s 左右，但如 果卸压阀口直径过小，或开启过慢，也可能使卸压时间加长。由于主缸卸 压时间一般与回程缸建压时间重合，也可包括在回程时间里。 ( 6 ) 上、下换向点的滞后时间上、下换向点的滞后时间主要是指运动 部分反向运动时阀门开闭所需的时间。对普通的随动控制系统，由于随动 系统换向时，操纵手柄和接力器的动作都有时间滞后，加上主分配器的阀 门启闭也需要时间，因此，滞后时间较长，影响了快速性能，现已逐步改 用电磁阀，电液伺服阀或插装阀。 从保证液压机的快速性来看，减少阀门动作所需时间，使各阀启闭时 间充分协调，以及减少高压系统的初始容积等，都是减少系统增压时间的 主要措施，此外，还应注意尽量减少回程高度，而不应过分地提高工作行 程速度以及空程和回程的速度。 对于整个锻造液压机组而言，辅助时间( 操作机动作、工作台移动、 工具的操纵及更换等) 在各个工序中占有较大的比重因此，为了提高生 产率，应注意提高辅助工作的机械化和自动化程度，而不宜过分追求提高 快锻次数。根据国内外经验，每分钟8 0 1 0 0 次的快锻次数，已能满足对 中小型锻造液压机的生产要求 1 4 3 ，现代快锻液压机的特点， ( 1 ) 液压系统普遍采用了逻辑阀。该阀的主要特点是：阀芯是一种锥 阀结构，密封性好，过流面积大，开启行程小。用具有快速反应的电磁阀 作先导阀，其切换频率高达2 5 0 次，分。该阀动态响应快、动作灵敏、启闭 迅速，能满足压机快速性的要求；该阀将很多功能阀集成到一块阀体上， 省掉了阀与阀之间的连接管路，利于减少液压冲击；另外，由于阀芯只有 开启和关闭两个动作，且用电磁阀作先导阀进行控制，故非常适合计算机 控制。工作缸进、排液设计成两个不同的管路，使液体在系统内沿单行道 走环形回路；充液阀的卸压和排液设另外通路，使充液阀成了只有充液功 能的单向阀，从而大大减少了液压冲击。在工作行程时，主缸的供液量按 l o 第l 章绪论 照正弦曲线进行。除德国潘克( p a h n k e ) 公司采用双向正弦泵做为供液量 控制外，其余公司均采用由口径不等的多个阀组成多级式主阀并通过微机 控制其组合，按照正弦曲线开启和关闭来分配供液量。采用多级卸压和排 液阀组，使压机回程时工作缸平稳泄压。 ( 2 ) 主机结构立柱多采用方形预应力结构型式，从而提高了机架刚度 及抗偏载能力；在下拉式结构压机中设置了上砧旋转及快速换砧的液压换 卡装置；配套了运锭小车及直线轨道式全液压驱动操作机。在立柱导向装 置中，采用了可随时调整间隙并能方便拆换的导向内衬。 ( 3 ) 电控系统液压机采用微机控制，功能齐全压下精度可准确控制 在士lm n l 范围内；对全液压操作机和运锭小车同时进行自动控制，压机 与操作机之间的联动非常自如，当锻件的锻造工艺确定后，即可通过计算 机控制实现程序化锻造；通过工控机对每个锻件的资料进行记录和储存并 不断优化程序，用最合适的程序对同类锻件进行锻造；还可以对整个电气、 液压系统进行随时监控，一且出现故障就能及时准确地判断出故障所在 此外，还具备自学习功能，帮助操作人员学习、掌握控制系统。 据资料介绍，国外生产该类快锻液压机的厂家主要有德国的曼内斯曼 一德马克公司，潘克公司，日本的三菱长崎机工株式会社，捷克的z d a z 公司等。另外，乌克兰、法国等也有该类压机的生产厂商【2 们。 国内从8 0 年代开始对快锻液压机的研制工作，由西安重型机械研究所 和北京重机厂研制的国产第一台8m n 快锻液压机组在兰州石化总厂投入 运营。此后，随着快锻液压机的快速发展，其技术日趋成熟。到目前为止， 压机的主要性能指标己基本接近国外同类设备水平，但其液压系统的主要 部件如泵、先导阀等仍靠国外配套。目前，国内快锻液压机的主要生产厂 家有沈阳重型机器集团公司、西安重型机械研究所和兰州石化总厂等。 1 5 课题研究的内容和研究的意义 1 5 1 课题来源 本课题来源于广东佛山金型重工有限公司。该公司为了开拓锻件产品 市场，于2 0 0 6 年6 月向沈阳重型机器集团有限责任公司订购2 0m n 快锻 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 液压机。 1 5 2 研究的内容和意义 2 0m n 快锻液压机设计要求整体结构合理，外观平整美观，精度高， 刚性好，操作灵活，动作平稳，运行可靠。本课题的研究意义在于为用户 提供全新的最佳的快锻机组设计。 本课题研究的主要内容是2 0m n 快锻液压机结构方案设计及整体工 作性能分析： ( 1 ) 提出2 0m n 快锻液压机本体结构设计方案。 ( 2 ) 给出主要零部件的结构方案设计。 ( 3 ) 建立整体机架的接触分析模型，进行三维接触计算。 ( 4 ) 根据设计及分析结果，确定技术设计方案。 1 2 第2 章2 0 m n 快锻液压机本体设计 第2 章2 0m n 快锻液压机本体设计 由燕山大学设计，沈阳重型机器集团有限责任公司制造的2 0 m n 快锻 液压机组包括快锻液压机、锻造操作机和一整套液压驱动系统、电气及计 算机控制系统，以及通风、照明、冷却( 加热) 、排污，报警、起重、通讯、 电视临控等公用设施。该机组主机为双柱下拉结构、液压直接驱动、微型 计算机三级分布式控制，其锻造次数可达8 0 次，分，控制精度4 - l m m 。由 于该机组要求运行速度快、控制精度好、机械化程度高、节能、节材，是 目前锻压机械中机、电、液一体化的领先产品，性能要求达到了同类产品 国际先进水平。 。 f 2 1 设计思想与本体结构型式。 瞄准国际水平，力求先进完善，安全可靠，满足工艺需求，便于维护。 是机组设计的基本出发点。由于该机组属机电一体化产品，系统复杂，技 术难度大，机组设计应满足下述要求：， ( 1 ) 机组主机要与辅机及辅助装置配套协调； ( 2 ) 液压系统在高压大流量的情况下要工作平稳，无较大的冲击振动； ( 3 ) 锻造时压下量控制精度在l m m ，操作机旋转精度控制在1 。； 大车行走精度控制在4 - 1 0 m m 之内； ( 4 ) 系统要实现手动、半自动、自动，主机和操作机联动，还要实现各 种动作的联锁控制和压力、温度、液位等的自动检测、控制和显示等： ( 5 ) 要实现主机和操作机整个液压系统的模拟显示和自诊断； ( 6 ) 机组应设有相应的公用设施。 液压机结构设计应考虑的主要因素： ( 1 ) 满足各种锻造工艺要求。 ( 2 ) 具有良好的刚度、强度和整体工作性能。 ( 3 ) 结构设计合理，具有良好的制造、安装工艺性 ( 4 ) 使用可靠，便于操作和维修。 13 燕山大学工学硕士学位论文 经综合分析，确定2 0m n 快锻液压杌本体为整体框架单缸下拉式结 构。整体框架与移动工作台中心线呈3 5 。布置。 下拉式结构具有如下优点： ( 1 ) 压机重心低，几乎与地面处于同一水平，因此稳定性好。在偏心载 荷作用下，当下拉式结构机架变形很大时，重心仍在原位，而在上传动结 构中，在偏载作用下，重心偏移很多，从而引起机架的严重晃动。 ( 2 ) i 作缸在地面以下，地面上几乎没有什么管道，当用油为工作介质 时，不易着火，比较安全。管道连接处不受压机晃动或机架变形的影响， 不易损坏 ( 3 ) 上横梁宽度不决定于工作缸外径，因此上横梁可设计得较窄，便于 操作。 ( 4 ) 立柱按对角线布置，在纵横两个方向上可布置移动工作台及横向移 砧装置，操作工人有较宽广的工作视野，压机辅助工具也有较大的工作空 间 ， + ( 5 ) 压机地面上高度小，可安装在高度较低的车间里。 下拉式结构运动部分质量较大，惯性大，因此在机架设计中要尽可能 降低其重量。 2 2 2 0 m n 快锻液压机主要技术参数 根据用户工艺要求提出了如下主要技术参数： 压机公称压力2 0 m n 结构型式整体框架双柱下拉式 工作介质压强 3 2m p a 最大行程1 6 0 0m n l 最大净空高 3 1 7 0i n i n 柱间净空距1 3 0 0 2 2 1 0n l r n 移动工作台尺寸1 6 0 0 x 5 0 0 0m m 移动工作台行程2 x1 5 0 0 ( 左右) m m 横向移砧工作台宽6 5 0m _ i n 1 4 第2 章2 0 m n 快锻液压机本体设计 横向移砧工作台行程 回程力 移动工作台缸作用力 横向移砧工作台缸作用力 允许锻造偏心距。 砧高( 9 5 0 4 0 0 )上砧 锻造次数 锻造行程 下砧 快锻 常锻 快锻 常锻 3 2 0 0 m m 4 m n 0 4 m n 0 3 m n 1 6 0 n l l n ， 6 2 0 n l l n 9 5 0 n l n l 8 0 8 5 次分 2 0 4 5 次份 1 0 n l n l l o om i l l 锻造控制精度 1m i l l 工作缸柱塞直径 中9 0 0n l n l 传动型式油泵直驱传动 控制形式手动、半自动、自动、联动 工作介质l h m 液压油6 8 最大空程下降速度 3 5 0i n l r l f $ 最大回程速度3 5 0m m s 拔长钢锭3 2 t 镦粗钢锭 ，+ 1 4 t 2 3 工作缸设计 2 3 1 工作缸结构设计 本台液压机的工作缸采用缸底支承和法兰螺栓连接，柱塞式液压缸结 构。工作缸安装在地面以下固定梁中心下部，缸底顶在固定梁上。在固定 梁和缸法兰之间保留间隙，采用张力螺栓固定。 工作缸缸体采用锻件合金结构钢，缸体材料为2 0 m n m o ，调质后机械 性能o b = 5 3 0m p a ，a , = 3 7 2m p a 。而其结构尺寸较大，难以整体锻造， 所以工作缸均采用分段锻造后焊接制成工作缸法兰侧面有两个圆附接法 l s 茎些盔兰土堂堡主兰垡笙奎 兰，分别与充液罐和主分配器相通，另一椭圆附接法兰作辅助快速放油之 用，缸的顶部接放气阀。焊接前进行超声波检验，焊后进行x 射线检型3 0 1 。 柱塞的表面质量，对工作缸密封装置和导向铜套的磨损及寿命有极大 的影响，因此柱塞表面必须具有足够的硬度和良好的粗糙度。为了达到这 一要求，制造柱塞的材料一般选用含碳量较高的碳素锻钢1 3 l 】，锻造毛坯， 机加工后表面进行特殊处理。液压缸柱塞材料选用4 5 钢。许用应力i 盯i 取 1 0 0 1 5 0m p a 。 导套为抗压耐磨的z q s n 6 6 3 青铜铸造，导套长度为h = 0 7 x9 0 0 = 6 3 0 n l l n 。密封采用德国洪格尔v 形密封。该密封可在3 0 n + 1 0 0 1 2 及4 0 0b a r 以下使用。 2 3 2 结构图及技术参数 工作缸整体平面图及三维实体图如图2 1 所示。缸体内部长度由工作 1 缸体 2 柱塞3 进油孔法兰4 上球座5 中闯杆6 下球座 图2 一l 工作缸结构 f i g 2 一l s t r u c t u r a lo f c y l i n d e r 1 6 第2 章2 0 m n 快锻液压机本体设计 行程及导向密封的长度来确定： 工作缸主要技术参数见表2 - 1 。 表2 - 1 工作缸技术参数 t a b l e2 - 1t e c h n i c a lp a r a m e t e ro f c y l i n d e r 柱塞直径 中9 0 0 m m 液体压力3 2 m p a 柱塞行程 ，1 6 0 0 m m 上，下球座半径 m 7 0 0 m m 工作缸外径、 ， 中1 3 6 5 m m重量 3 3 4 6 5 k g 2 3 3 工作缸柱塞与机架的连接型式设计 、 工作缸柱塞与活动框架的连接型式一般有三种，即刚性连接：单球面 支承连接和双球面中问杆连接。 ( 1 ) 刚性连接柱塞外端插入横梁内固定连接。单缸液压机或三缸液压 机的中间工作缸多采取此种结构。此种结构的缺点是在偏心载荷时，柱塞 跟随横梁一起倾斜，将横梁所受偏心力矩的一部分传给工作缸导向套，使 导向套承受侧向水平推力或一对力偶，从而加剧导向套及密封的磨损。 ( 2 ) 单球面支承连接柱塞外端支承于横梁球面座上。球面座在水平方 向有移动间隙。当偏心锻造横梁在偏心力矩作用下倾斜时，如果球面处润 滑良好，球面副可相对滑动，则柱塞只传递轴向压力及摩擦力矩，柱塞仍 然保持垂直，因此侧推力将大大减少，改善了柱塞导套及密封的磨损情况。 此种结构的不足之处是由于球面副之间单位压力过大，润滑条件又差，甚 至生锈粘住，往往起不到球铰作用。 此种结构一般用于三缸式水压机的两侧柱塞。 ( 3 ) 双球面中间摇杆连接中间摇杆与柱塞之间有侧向间隙，当液压机 承受偏心载荷时，。中间摇杆能在是球面座中摆动，使柱塞保持垂直，因而 作用在密封上的侧推力最小，密封寿命长，但结构比较复杂，造价高，柱 塞直径过小时不宜采用【3 2 】。 本台压机工作缸的柱塞与机架的连接采用双球面短中间摇杆连接方 1 7 燕山大学t 学硕士学位论文 式，如图2 - i 所示。经结构分析表明，这种连接方式在液压机承受偏心载 荷时，中间短杆在双球面座中摆动灵活，使柱塞保持垂直，因而作用在密 封上的侧推力最小，改善了柱塞导套及密封的磨损情况，使密封寿命延长， 同时又方便润滑。 2 4 回程缸设计 回程缸采用活塞式结构，用来提升机架完成回程动作。其缸体与固定 梁、活塞杆与机架之间采用双球面铰接结构，拆卸与安装方便。将回程缸 布置在固定梁的两侧，与整体框架成4 8 0 对称布置。回程缸内置磁性感应 位移传感器装置用于尺寸精度检测。 为了提高液压机的快速性，