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径向锻造 成功的锻造工艺 中英文版 论文 i n g r u p e r t w i e s e rd i r o b e r t k o p p e n s t e i n e r g f m g m b h 奥地利 摘要 利用径向锻造系统将钢锭转换成棒材以及生产阶梯轮轴和空心轴是一个重要而又成功的锻造方法 数十年来适用于各类钢种 合金 钛 耐火材料 这种金属热加工工艺一直被用来确保各类产品的强度 韧性 可靠性和高品质 如今 这些特性在操作温度 载荷 应力增加方面显得更为重要 在可靠性和韧性 方面也变得更为关键 大型锻造设备的发展对于制造商和用户一直是一个挑战 径向锻造设备数十年的研究经验 使得新 的r f 设备得以实现 锻造工艺的知识 机械 电气 液压元件的组合是成功开发径向锻造设备的基础 环境和经济情况也影响锻造工厂的利润 由于各类机械传动系统的技术差异和不同的应用领域 我们会介绍它们的工作原理 机 需要注意的是实际上模具按压工件 具有很高的锻造频次 模具实际上也就相当于锤头 径向锻造 过程的变形率在压机操作过程中很典型 径向锻造工艺锻造频次高 由于锤头非常接近工件 完成下一行 程只需要很短时间 锻造锤杆的行程始于偏心轴 偏心轴安装在箱体中 对四个锻造锤杆的行程位置进行调整 一个或两 个电机通过驱动齿轮来驱动偏心轴 同时控制四个偏心轴的同步运动 行程位置中改变锻造锤头 可以四 锤头同步或者两个锤头同步 因此可以锻造圆的 方的或矩形截面 继s x 系列之后 1 9 9 5 年设计出一种新型的中低 型号的s k k 模型 一个齿轮使四个偏心轴同步 这些偏心轴引起锤 头的运动行程为正弦函数 更高的锻造频次 大于3 0 0 分钟 这是避免可压缩流体唯一合理的设计理念 采 用变频驱动 锻造频次发生变化 s k k 系列可以锻造直径1 0 2 5 0 毫米 锻造力 达到6 0 0 吨 在锻造操作中精度 灵活性和硬度很重 要 由于空隙较小 锻造力传输保证了精度 对螺杆 轴锤头调节 保证灵活性而且锻造模具在较大范围内 精确定位 关闭的密封锻造箱集中润滑 运动的工件配 备滑动板和衬套 即便锻造力很大能延长使用寿命 s k k 系列适用于高合金和耐热材料的锻造 高成 形温度 材料的韧性和技术相结合生产出高性能的产品 g f ms k k 型号 型号 s k k0 6s k k1 0s k k1 4s k k1 7s k k l 9s k k 2 1 最大初始尺寸 m m 6 01 0 01 4 01 7 01 9 02 1 0 公称锻造力 k n 8 0 0 1 2 5 0 2 0 0 02 8 0 0 4 0 0 06 0 0 0 最大锻造频次 m i n 1 1 6 0 01 2 0 08 0 05 0 05 0 06 0 0 根据应用领域 直径调节范围 毫米 6 06 01 0 01 3 07 09 0 最大驱动功率 k w 7 5 1 3 22 0 03 1 53 1 55 0 0 2 2 液压驱动 g f m 在二十世纪七十年代对四锤头径向锻造系统申请了专 利 由于大量的风险 高压同步的应用等其它原因而没有制造 但液压缸系统原理从那时起一直没有改变 主要在电子和伺服 阀技术上得到更大的发展 各种自由锻压力机制造商已经开发 出径向锻造压机 一些制造商同时也推出市场 起初 液压机械很具吸引力而且是最合理方法 通常用液 压机进行开坯 不过这会存在严重的缺点 需要详细解释 主 要缺点是庞大的液压系统 导致接触时间长和功率消耗高 造 成能量损失 因为产生了热量以及冷却费用 由于强有力的相 互依存的锻造频次和负荷 可以阻止有益的平均高度减少 大 于1 2 0 分钟 和更高的锻造频次 液压驱动系统锻造频次取决于以下几个方面 液压缸的尺寸 d 一由最大锻造力 f 和压力 p 决定 活塞的运动高度 h 锤头速度降低v 由泵打出的油量决定 q 锤头速度恢复 阀门作用力 压力作用下的封闭油量 油的压缩系数 10 0b a r 空转锻造频次和油量计算 无锻造力 四锤头液压直驱系统 t 周期时间 t 锤头下降时间 t 阀动时间 t 锤头回程 时间 i 阀动时间 t 下降 h v 下降 t 回程 h v 回程 锤头速度可以通过液压泵系统 的液压油流量得到 v 下降 q d 2 t r 4 v e 厂 t d 口 n tr e t v a l v e t i r n e 7 1 d o w n i 1 t i m r e t u m 此外 达到一定油量所需要的功率 对于安 h l 瞰 d 眦触mi n o l o a d 装电源是一个更重要的计算值 液压直驱四锤头系统 通过下面的例子来进行计算 举例 公称锻造压力2 0 0 0 吨 空转 缸体直径8 7 0 m m 锤头行程h 4 0m m 锤头下降速度1 4 5m m st 周期时间 t 下降 4 0 1 4 5 0 2 7s 锤头回程速度2 0 0m m st 回程 4 0 2 0 0 0 2s t 周期时间 忽略阀门时间 0 2 7s 0 2s 0 4 7s 计算得到12 8s t r o k e s m i n 油流量计算 单锤头q 5 9 4 5d m 2 1 4 5d m s 6 0 51 7 0d m 3 m i n 2 0 6 8 0i m i n4 锤头 额定负荷下锻造频次和功率的计算 空转状态下 作用于锤头轨迹反方向的锻造力 将会很大程度上影响周期时间和锻造频次 在锻造 行程中上升锻造力增加 导致气缸中的油压增加 为了得到合理的锤头速度 尤其是在接近阶段 没有 产生锻造力或者产生更低的锻造力 液压泵系统通常设计能够得到两种压力等级 封闭油的体积由压力 状态下的气缸 管路 液压阀组和泵系统的体积组成 将经历一个轻微的体积变化 这被称为压缩系数 文献中压缩系数计算为每1 0 0b a r 是0 7 0 8 5 通常液压机械所有的泵是恒定的 每转具有固定传送量并设计成两个压力等级 任意一个压力等级只 有一定数量的泵运行并不增加总的装机功率达到不合理的值 低于压力等级所有的泵都在运行 高于这 个等级 通常情况5 0 的额定载荷 只有一半的泵运行 而且不向设备供油 以上是无负荷情况下的计 算 下面的数据是在额定负荷情况下计算方式 公称锻造压力2 0 0 0 t 一级 到1 6 0b a r 二级 到3 2 0b a r 预计封闭油体积 单缸1 7 8 升 管路等15 7 升 3 3 5 升 油压缩系数为0 7 5 时 油体积3 3 5 公升经历体积变化变成负8 6 公升 导致行程高度同空转运行相 比减少1 4 4 毫米 请看图中虚线部分 在现实锻造生产中 单个锤头高度为 4 0 毫米的运动分成几个阶段 接近阶段 锤头没有接触工件 锻透性的第一阶段达到压力等级一 最大锻造力小于 5 0 锻透性的第二阶段达到压力等级二 最大锻造力 油降压 阀门反应周期 设想空转情况在额定负荷下行程从 1 2 8 降到7 6 可以看到 可以肯定的是锻造 频次取决于实际的负荷和行程 如果负荷和行程小 那么锻造频次很 1 4 7 c v a 翻 g 从mw d r u d 可能更高 当行程变小 负荷最大是5 0 的实际锻造力 锻造频次高达每分钟2 0 0 接触时间大约为一个周期的7 0 也是主要导致锤头热平衡以及工件和旋转增量的有效时间 功率损耗 油量的压力减小是最直接的功率损耗 在 行程的最终阶段 压力状态下的油需要快速解 压 中小量降低 液压径向锻造机通过对油解 压加热带来的功率比工件变形产生的功率更大 需要大型冷却设备和地下通风设备 锻造频次依赖行程 液压系统载荷为2 0 0 0 t 例如 锤头运动 仅有油流动 需要功率 锻造力为2 0 0 0 吨 泵系统功率需求 p 压力一级 油的流量 为2 0 6 8 0 升 分钟 压力二级油流量降低到 5 0 p q p 6 0 0 n k w r 1 假设水力效率因子约为0 8 5 0 9 包括压强 损失 功率计算 p 2 0 6 8 0 16 0 6 0 0 0 9 6 12 7k w 增压器和过滤系统需要额外的功率 巨大的整体液压系统和高功率消耗四锤头及合理的锻造频次需要油的高速流量 接触时间长压缩和解压时间长导致接触时间长 高流速和 接触时间不一致 如果锻造频次提高 油的流 速和封闭油的体积变大 导致压缩和解压得时 间增长 由于油解压升温功率消耗液压油升温 需要通过换热器以及地下室通风 设备冷却 中型减少适用于高速钢或者高温合 金 液压径向锻造机通过对油解压升温带来的 功率比工件变形产生的功率更大 锻造频次减少和负荷的依赖关系锻工不能自由选择锻造频次 受到油流量 行 程长度和压缩油的影响 有四偏心轴箱的简单锻造箱 随即被认为是这 款模型的独到之处 通过简单的同步齿轮 这款设备的动力学 显著提升 相比早期s x 系列设备 驱动力增 强产量大幅上升 新概念设备的核心元素是锤 头调节系统 而s x 系列设备锤头的轴线使用 调节箱进行定位 采用的方法如下 锤头低端通过液压垫和锻造模具相连接 而不是机械连接偏心轴 液压垫起到很多重要 作用 锻造尺寸可通过液压垫的高度来进行调 节 比以前范围更大 同样作为一个保护系统 抵挡冲击负荷 锻造力测量更为精确 提供了 更可靠的过载保护 较之先前的s x 系列设备进 一步提高尺寸精度 通过使用独立式编码器精 确测量锤头的定位 另外r f 系列具有更大的优 点在于它的小巧 紧凑设计 这种设备使用的 部件是先前设备的一半 从设备的经济效应来 说 降低了投资成本 减少维护费用 提高j 锻造 的实用性 偏心轴系统 滑阀总成原理 使用飞轮组合 g f m 设计 它的优点结合机械和液压系统 同时还保留了锤头精确的正弦i 司步运动的优势 允许存在变量锻造 频次 油压减少保证接触时间短 最先进的锻造机推荐锻造力大于五百吨 磐 一虿 w o r k l n g s t r o k e 显 t r fr a ms y s t e m t d c 这款设备根据滑阀总成原理来工作 特点是系统由 个偏心轴移动滑块住一个 圆半径e 的范同内运动 这半径e 是轴的离 心率 滑块的 个板是同定的 锤头只在 一垂直方向运动 当偏心轴运行在一个接近恒定的速度 锤头的运动是正弦曲线 一开始模具和工 件接触 取决于每个压力周期的高度降低 这个高度降低取决于模具的几何形状 操 作机的推进速度和旋转增量 在锻造行程中变形速度不断降低直到 存卜 止点时趋于零 受压区域或者接触区 域开始于模具接触工件 然后彳i 断增加直 到行程结束 主要由于锻造力的反应 取 决于材料的流动应力 r f 系统提供了主要 成形参数的理想组合 如轨迹减少 应力和 张力情7 兑 锻透力和很短的接触时间 c y c l ed i a g r a mu n d e rl o a d s t r o k e d e l a i l s t a r t 0 f r e d u c t i o ns t r o k e d e t a l le n d 0 fr e d u c t l 0 n 可变的锻造频次 为厂提高核心密度和产量 需要实现呵变锻造频次特性 锻造模具的锻造频次可以在较大范围内变化 高行程数用于压平棒材 而且甚至在很高的锻造力下轨迹减小 高行程数是g f m 设备重要的力量 低锻 造频次更适用于增加材料体积位移 每次行程可能对锻造工艺和材料性能有益 1 4 9 当锻造材料对于温度特性非常敏感时 模具和工件的接触时间短是很好的状态 气缸调节同样需要 跳过运动行程 跳过运动行程也就是说 虽然偏心轴产生一个行程 该行程并没有转移到工件上 但液压缸中的油打到蓄 电池中 然后再被推回到锤头准备下一运动行程 跳过行程 额外的锻造频次产生了 唯一的优点是 通过 这种模式 角度指数增加了一倍 这样机械手在行程之间有更多的时间将工件旋转一个角度 事实上 锻工可以选择锻造频次和行程特性 有两种选择 改变偏心轴每分钟的r p m 值 或者跳过运动行程 封限o k er t e p u i n 临h l n a 瑚 m i n 八黧八嚣八囊八糕八獭 影影影影影 f 八鏊憩a l 懑 麟 镳 蒺 夕 l 鬻 1 懑 j j 瀚卜 f 拗l黔 滋 j潍 f 妇r 豢 j r f i 0 0 a r i a b l e s r r o k e r a t e s t h bs t r o k er a t ei sb a s e do n t h eh i g h e r r p mi 2 0 0 0 f t h ee c c e n t r i cs h a f a n d u s e df o rp l a n 皓h i n gp a s s e s b a s i s w j m1 6 0 r p mo f t h ee c c e n t r i cs h a f tf o r c o 鹊i n gr e d u c d o np a s s e s s k i p p i n go fo n e 豉r o i 键 b a s e d o n1 6 0 r p m0 f 椭e e c c e n t r ks h a f t f b rc o 昏g i n g r e d 删o np a s s e s s k pp n go ft w os t r o k 笃 b 鹬e d o n1 6 0 r p mo f t 糟 e c c e n t r i cs h a f t f o r c o g g i n g r e d u c t i o nd a s s e sa n d p o s s i b l e h i g hr a t a t i o n a l i n d e x i n ga n g l eu pt o4 s g f m 径向锻造机通过动力学计算进行设计 根据飞轮的惯性来防止急剧下降的偏心轴转速 r f 系列 设备通过行星齿轮系统或者一两个a c 驱动或者4 个液压马达来驱动 通过力值测量仪来保护设备 动态 测量整个偏心轴 设备可以在任何时候承受锻造力 对偏心轴定位 而且在整个偏心轴圈上 新型的驱动系统 2 0 0 5 年g f m 进一步改善r f 锻造机的驱动概念 在r f 系列的原始设计中 齿轮组通过一两个a c 发动 机驱动 新概念的基本理念是 直接在偏心轴上提供动力 在最新的r f 系列锻造机 液压马达直接安装在偏 心轴上提供必要的动力 这个新系统的另一个优点是 锤头之间的齿轮不再是传统的动力齿轮 除此之外 矩形锻造案例 不用再两个锤头单元之间进行动力传送 因此 这些齿轮箱同步 不再需要提供完全的锻造力 另一个优点是机架可以设计小一些 因为不再需要大型电机 g f mr f 系列 型号 r f3 0r f3 5r f4 0r f4 5r f6 0r f7 0r f1 0 0 最大初始尺寸 m m 3 0 03 5 04 0 05 0 06 5 07 8 01 0 0 0 工件最大重量 t 12 3 5 881 01 0 公称力 t 5 0 07 5 09 0 01 2 0 01 3 5 01 8 0 02 2 0 0 最大锻造频次 m i n 1 3 4 02 9 02 5 02 0 01 8 0 1 8 01 6 0 精整频次 m i n 1 3 4 03 4 02 9 02 6 02 4 02 4 02 0 0 直径调节范围 m m 1 8 02 5 02 8 03 0 03 5 04 0 04 6 0 最大驱动功率 a 6 0 09 5 011 0 01 7 0 02 0 0 02 5 0 02 7 0 0 3 锻件 高性能灵活的现代锻造生产验证了产品的样品最高的技术要求 特殊合适的锻造设备工程 在上下游 生产 以及可靠的工艺技术确保高质量水平 不断满足锻造产品需求的增长 坯料 咐娜 啪 o 麓翟黥怨t h o l l o w b l o o 雠 i 抖6 0 t 一 用于锻造的毛坯有多种不同的形状和横截面 取决于不同的方法铸造或重熔 以及材料的成份 对 于高合金钢和高速钢 制造钢锭的铸锭方法是最常见的 8 吨重的钢水注入模具生成不同截面形状像多边 形或者方形 如果需要更重的或更大的钢锭 就需要在自由锻压机上进行开坯 对于特殊要求 像超洁 净材料钢种 高温合金 钛合金 就需要运用特殊的熔炼和重熔技术 连续铸造 连铸坯 是最经济的材料加工方法 目前甚至应用于中型合金钢 锻造管件需要空心工艺 可以通过不同的方式制造 像压 挤以及横轧冲孔 离心浇铸或空心重熔 e s r 是额外的生产方法 锻造前毛坯的表面情况很重要 因为锻件要避免缺陷 减少机械加工余量 易于产生裂纹的材料和 典型的高合金钢种 在钢锭浇铸或者重熔过程表面残留的裂纹要消除 压机预锻时由于高局部应力和拉 伸应力通常会产生裂纹 典型的锻造产品 圆形 方形 矩形或者特殊截面棒料 一次加热截面减小率高达1 5 1 通过辊轧和模锻需深加工的半成品 通过粉末冶金生产的材料 用于火车 火车 轿车 汽轮机 轮船和飞机的阶梯轴和锥形轴 抽油杆 尤其是通过冷锻或温锻生产的强力提高的无磁性的 不锈钢钻孔圈 用于皮尔格周期轧管机和管件轧机的芯棒 中空锻件 当然 这种锻造工艺不能跟制管机的高生产率相比 但它也有很多优点 市场定位在发电厂和石油勘 探领域 管件锻造优点在于管道厚壁的范围或者高合金材料 普通的管件成形方法有它的缺点 4 总结 g f m 径向锻造技术具有四十多年的影响力 这种锻造系统取代了锻锤和压机 对于特殊管件的加工 g f m 径向锻造进入了一个新的市场领域 锻造设备设计方面的技术改进和更高的可靠性 使得该设备在 高合金材料和高温合金锻造工艺中一直处于领先地位 灵活性和锻造生产线的可靠性是至关重要的 从能源效率角度来看 液压机械系统在径向锻造中将提供最好的状态 锻造力的应用范围是5 2 2 m n 在低锻造力范围 精确的高锻造频次是最基本的 是机械驱动设备无法超越的 纯液压系统最好建 立在锻造行业更大的领域中 液压系统的能量密度使设备保持合理的尺寸范围 r e f e r e n c e s 1 ar e v i e wo fr a d i a if o r g i n gt e c h n o i o g yi n c i u d i n gp 几e f o r r t ld e s i g nf o rp r o c e s so p t j m i z a t i o n j p d 0 m b l e s k y r s h i v p ur i t a i t a n c o n t r a c t o rr e p o r ta r c c b c r 9 4 0 0 4 1 9 9 4 1 5 2 r a d i a l f o r g i n g a s u c c e s s f u l p r o c e s s c h i n e s e e n g l i s h v e r s i o n p a p e r i n g r u p e r t w i e s e rd i r o b e r t k o p p e n s t e i n e r g f m g m b h a u s t r i a a b s t r a c t t h e u s e o f t h e r a d i a l f o r g i n g s y s t e m i n c o n v e r t i n g i n g o t s t o b a r m a t e r i a l a s w e l l a s t h e p r o d u c t i o n o f s t e p p e d s h a f t s a n d a x l e s a n d h o l l o w s i s a n i m p o r t a n t a n d s u c c e s s f u l f o r g i n g m e t h o d i t i s a p p l i e d f o r a l l k i n d o f s t e e l g r a d e s s u p e r a l l o y s t i t a n i u m a n d r e f r a c t o r y m a t e r i a l s s i n c e d e c a d e s t h i s p r o c e s s o f h o t w o r k i n g m e t a l s h a s l o n g b e e n u s e d t o e n s u r e s t r e n g t h t o u g h n e s s r e l i a b i l i t y a n d t h e h i g h e s t q u a l i t y i n a w i d e v a r i e t y o f p r o d u c t s t o d a y t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s a s s u m e e v e n g r e a t e r i m p o r t a n c e a s o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e s l o a d s a n d s t r e s s e s i n c r e a s e a n d a s r e l i a b i l i t y a n d t o u g h n e s s b e c o m e m o r e c r i t i c a l s e r i o u s d e v e l o p m e n t s i n l a r g e f o r g i n g e q u i p m e n t s a r e a l w a y s a c h a l l e n g e f o r d e s i g n e r a n d u s e r o n l y d u e t o e x p e r i e n c e s o f d e c a d e s i n t h e k n o w l e d g e a n d u n d e r s t a n d i n g o f t h e r a d i a l f o r g i n g m a c h i n e s t h e e x p e c t a t i o n s i n t h e n e w r f t y p e c a n b e f u l f i l l e d t h e k n o w l e d g e i n f o r g i n g t e c h n o l o g y u n d e r s t a n d i n g a n d c o m b i n a t i o n o f m e c h a n i c e l e c t r i c a n d h y d r a u l i c c o m p o n e n t s i s t h e b a s i s o f a s u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o f r a d i a l f o r g i n g m a c h i n e e n v i r o n m e n t a l a n d e c o n o m i c c o n d i t i o n s a r e p l a y i n g a l s o a m a j o r r o l e i n o p e r a t i n g p r o f i t a b l e f o r g e s h o p s i n c e t h e r e a r e t e c h n i c a l d i f f e r e n c e s a n d a p p l i c a t i o n o f v a r i o u s t y p e s o f m a c h i n e d r i v e s y s t e m s a i n t r o d u c t i o n o f t h e w o r k i n g p r i n c i p l e w i l l b e g i v e n c o n t r o l st h es y n c h r o n i z a t i o n0 ft h ef 0 u re c c e n t n cs h a f b t h e 蕾d r g j n gr a mc a nb ec h a n g e di nt h e i rs t r o k e p o s j t i o ne j t h e ri nu n i s o n0 ri np a i r ss 0t h a tn o u n d s q u a r e o rr e c t a n g u i a rc r o s ss e c t i o n sc a nb ef o r g e d an e wc o m p a c tm o d e it y p es k k a sd e s i g n e dj n y e a r l9 9 5f o 0 w i n gt h es xt y p ei nt h ei o w e ra n d m e d i u ms i z e 陷n g e ag e a rs y n c h n d n j z e st h ef o u re c c e n t r i cs h a f t s t h e s ee c c e n t r i cs h a f t sc a u s eas i n u s o i d a i m o v e m e n t0 ft h et i s f o rh i g h e rs t r o k e 阳t e s 1 a r g e rt h a n3 0 0 m i n t h i si st h eo n i yr e a s o n a b 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