塑性成形及工艺设备-s4

第四章锻 锤,第一节 锻锤概述,锻锤是一种利用落下部分在工作行程中积蓄的动能完成锻件变形的设备，它的打击过程是一种冲击成形过程，在机械制造领域应用非常广泛，在锻压生产中一直发挥着重要作用。,1 锻锤的分类,若按驱动动力分类，可分为单作用锤和双作用锤；若按工艺用途分类，可分为自由锻锤和模锻锤；若按打击特性分类，又可分为有砧座锤和对击式锤。,按驱动原理、结构特点和工艺用途不同，将锻锤分为七大类：,(1)机械锤 由电动机驱动，靠机械传动提升锤头的锻锤。,(2)空气锤,由电动机驱动，通过减速机构和曲轴带动压缩活塞做上下往复运动，在压缩缸内产生压缩空气，压缩空气通过配气旋阀进入工作缸，驱动工作活塞和锤头做上下往复运动。,(3)蒸汽空气锤,以来自动力站的蒸汽或压缩空气作为工作介质，通过滑阀配气机构和气缸驱动落下部分做上下往复运动的锻锤。,(4)蒸汽空气对击锤,与蒸汽空气锤一样，以蒸汽或压缩空气作为工作介质， 只是取消了固定的砧座，采用了对击式结构的锻锤。,高速锤工作原理是气缸中一次性充入高压氮气，回程时靠来自于液压系统的高压液体驱动锤头回程，使气缸中的气体得到进一步压缩；打击时，液体快速排出，气体膨胀作功，驱动锤头快速下落，与此同时，气缸中气体反作用力驱动锤身向上运动，与锤头实现对击。,(5) 高速锤,(6) 液压模锻锤 采用液气驱动，工作前气缸一次性充入压缩空气或氮气，来自于液压系统的压力液体推动上锤头回程，工作过程中靠气体的反复压缩和膨胀，将液体的压力能转换成锻锤打击能量，从而实现锻件变形。,(7) 螺旋压力机 螺旋压力机是一种利用驱动装置使飞轮旋转储能，以螺杆滑块机构作为执行机构，依靠滑块动能完成锻件变形的锻压设备。,（a）纯液压式,（b）液气式,2 锻锤的特点,(1)打击速度高，金属流动性好，成形工艺性好(2)行程次数高，有较高的生产率。(3)操作灵活，一般不需要配备制坯设备。(4)属定能量设备，锤头没有固定的下死点，其锻造能力不严格受吨位限制。(5)设备结构简单，制造容易，安装方便，价格便宜。,与机械压力机类、液压机类和其他类锻压设备相比，锻锤在结构上和工艺方面的：,优点：,(1) 当砧座锤工作时，其振动、噪声大，这不仅使锻造车间的工作环境恶化，而且还影响到厂内外的机加工设备、精密仪器的工作和附近居民的生活。(2) 蒸汽空气锤需要配套蒸汽动力设备或大型空压站，这不仅增加了投资，而且增加了运行成本。(3) 蒸汽空气锤最大的缺点是能量有效利用率低。在锅炉房蒸汽发生过程、管道输送蒸汽过程和锻锤工作过程中，每个环节都存在能量损失，再加上锻锤每次行程排除废气等损失，致使蒸汽空气锤的热效率不足3，即使使用压缩空气，其热效率也不超过5。,缺点：,3 锻锤的发展概况,(1) 对现有的蒸汽空气锤进行革新和技术改造，以提高能量利用率。(2) 在有砧座的锻锤的下砧座与基础之间安装隔振装置，以消除振动，改善锻压车间及周围工作环境和生活环境。 (3) 20世纪30年代德国推出了蒸汽空气对击锤(也称无砧座锤)。(4) 液气驱动原理的应用，是锻锤发展史上又一个新的里程碑，是锤类设备的主要发展方向。,第二节 蒸汽空气锤结构和工作原理,根据用途和打击原理不同，蒸汽空气锤主要分为蒸汽空气自由锻锤、蒸汽空气模锻锤和蒸汽空气对击锤。,1 蒸汽空气自由锻锤,主要应用于自由锻造工艺，也可用于胎模锻。我国目前沿用落下部分质量来表示蒸汽空气自由锻锤规格。其主要技术参数如表41。,动力传动部分蒸汽锅炉或空压站和输气管路； 和主机两部分工作机构（气缸、锤杆和锤头）、 机架、底座和配汽操作系统。,组成:,蒸汽一空气自由锻锤主要结构和操作系统特点 ：,(1) 自由锻锤所加工的锻件尺寸和质量较大，最大可加工1500kg的光轴类锻件，一般应设置司锤工。所以自由锻锤的主要操作方式为手柄操作。(2) 自由锻锤的砧座系统独立于本体，通过枕木安装在基础上，长期锻打后会出现下沉现象。(3) 自由锻锤，尤其是1t以上的自由锻锤只要能实现单打就可满足锻造工艺要求，所以蒸汽空气自由锻锤的操作配汽机构一般设置单打的工作方式。,1.1 蒸汽空气自由锻锤的主要结构,有单柱式、双柱拱式和双柱桥式3类,图41 单柱式蒸汽一空气自由锻锤,1砧座；2下砧块；3上砧块；4锤头；5锤杆；6气缸；7节气阀手柄；8操作手柄；9锤身,结构简单，操作方便（可从三面接近下砧），但刚性差。其吨位 一般在0.5-1t之间，最大吨位3t。,（1） 按结构形式分类,图42 双柱拱式蒸汽一空气自由锻锤,1气缸；2锤杆；3立柱；4导轨；5锤头；6上砧块；7砧垫；8砧座；9底板；10下砧块；11旋阀手柄；12滑阀手柄；13排气口；14进气口,两立柱组成拱形形状，刚性好，前后两个方向进行锻造操作，在锻造中应用极为普遍，其吨位1-5t。,两个立柱和横梁（钢板焊接件或铆接件）连接成一桥架形状，操作空间大。但占地面积大，锤身的锤头导向部分刚性差。连接螺钉易折断。目前这种锤很少，吨位在3-5t之间。,图43 双柱桥式蒸汽一空气自由锻锤l立柱；2横梁；3锤头；4工作缸；5滑阀；6操纵手柄,（2）蒸汽空气自由锻锤在结构,1) 落下部分锤的工作部分 锤杆和活塞之间采用锥体刚性连接，装配时可采用热装。锤杆和锤头之间也采用锥体刚性连接，中间加装一个黄铜衬套。锤头与上砧块常采用楔块、楔铁连接。,上砧块,2）气缸部分,气缸内一般镶有铸铁缸套，磨损后修理或更换。气缸顶部装有保险缸，缓冲作用，避免锤杆折断或操纵机构损坏或操纵不当时，活塞猛烈向上撞击缸盖而造成严重的设备事故和人身事故。它的工作原理是：当工作活塞撞击保险活塞时，保险活塞把保险缸的进气口封闭（进气口紧靠保险活塞上方），形成气垫，吸收落下部分向上运动的动能，使缸盖不致损坏。气缸下端锤杆的密封装置，防止漏气。,3）机架部分,空气自由锻锤的承载机构，要求具有一定的刚度、强度。 对于小吨位自由锻锤，为了锻造操作方便，一般采用悬臂（单柱式）结构；对于较大吨位的锻锤采用双柱拱式结构，对于需求较大操作空间和锻件尺寸较大时，采用双柱桥式结构。,4）砧座部分,下砧块与砧垫之间，砧垫与砧座之间采用键和楔块连接。砧座通过枕木安装在基础上，锻锤是一种冲击成形设备，打击时会产生强烈的振动。为了减少打击时砧座的退让和减少振动的影响，基础部分一般较大。近年来，由于环境保护的要求，已有一些锻锤采用了隔振基础。,1.2 蒸汽空气自由锻锤的工作循环,为了满足工艺要求，蒸汽空气自由锻锤应能实现提锤、悬锤、打击、压紧等工作循环。打击又可分为单次打击和连续打击。若想在工作时调节锤的打击轻重，可采用两种方法：一种是控制提锤高度，提锤高度越小锤的打击能量越小；一种是控制手柄的压下行程，若手柄向下搬动较小行程时，滑阀上升的距离就变小，随着锤头下降和刀形杆作用，滑阀下降，使上腔进气和下腔排气产生节流，因而锤的打击能量就变小。,用于模锻件生产的蒸汽空气锤。蒸汽空气模锻锤有1、2、3、5、10、16等规格，其技术参数见表42。,图44 蒸汽一空气模锻锤 1砧座；2模座；3下模；4立柱；5导轨；6锤杆；7活塞；8气缸；9保险缸；10滑阀；11节流阀；12气缸垫板；13刀形杆；14杠杆；15锤头；16踏板,2 蒸汽空气模锻锤,1) 立柱直接安装在砧座上，用8根带弹簧的强力拉紧螺栓连接在一起，并与气缸垫板组成一个刚性较大的闭式框架，保证了砧座万一发生位移或倾斜时，上、下模具仍能对中，并提高了打击刚性。 2) 立柱与砧座之间采用凸台与楔铁定位。8个带弹簧的螺栓分别向左右倾斜1020，工作时产生侧向拉力，以保证锤头与导轨之间的间隙不变。,(1) 结构上的特点,由于模锻工艺的要求，使其具有以下特点：,2.1 蒸汽空气模锻锤的特点,3) 为了保证打击刚性，提高打击效率，模锻锤砧座质量比自由锻锤大，一般为落下部分质量的20倍30倍。4) 模锻锤立柱采用较长而坚固的导轨，以提高锤头运动的导向精度，且导轨与锤头之间的间隙可通过调节楔来调节。,1）用脚踏板进行操作，为操作协调，由模锻工一个人操作。2) 脚踏板同时带动滑阀和节气阀，即可同时实现进气压力和进气量的调节，以保证不同模锻工艺所需要的不同打击能量。3) 在工作循环中以摆动循环代替悬锤。当松开脚踏板时锤头就在行程的上方往复摆动。当锤头摆动到不同高度时踩下脚踏板，可获得不同的打击能量，并可保证打击的快速性。,(2) 操作上的特点,图45 模锻锤配气操纵机构1一拉杆；2一刀形杆；3一锤头；4一调节手柄；5一脚踏板,2.2 蒸汽空气模锻锤的工作循环,模锻锤应能够进行提锤、打击、轻打、重打、单次打击和连续打击操作。,3 蒸汽空气对击锤（无砧座模锻锤）,用活动的下锤头代替了有砧座锤固定的砧座。,对击锤的吨位不是用落下部分质量来表示，而是用打击能量（J或kJ）来表示。,图46蒸汽一空气对击锤的工作原理 1一上锤头；2一下锤头,蒸汽空气对击锤结构设计和使用上的特点：,(1) 设计时，一般应使下锤头的动量略大于上锤头的动量。(2) 对击锤由于采用了对击的打击形式，用活动的下锤头代替了庞大的砧座，因而大幅度地减小了机器质量，一般是相同吨位有砧座锤质量的1/21/3。(3) 对击锤是悬空对击，可大大减轻了对地基的冲击和振动，并大大减少了基础的造价，同时对击锤的下锤头不会出现有砧座锤的砧座在打击时会产生退让的现象，因此打击效率比有砧座锤高510，对锻件成形更为有利。(4) 对击锤上、下锤头打击行程相等，下锤头上跳量较大，会给操作带来不便，因此蒸汽空气对击锤更适于发展大吨位，以适应大型模锻件的锻造。,钢带联动式蒸空对击锤,第三节 空气锤的结构和工作原理,空气锤使用空气作为工作介质，但它不是用压缩空气站供应的压缩空气，而是由电机直接驱动空气锤本身的压缩活塞做上、下运动，在压缩缸内制造压缩空气，再推动工作活塞上、下运动，驱动锤头进行打击。,空气锤主要用于自由锻造，也可用于胎模锻造，是目前中、小型锻工车间数量最多和使用最广的锻造设备之一。常用规格40kg、75kg、150kg、250kg、400kg、560kg、750kg、1000kg等规格。（表4-3）,1 空气锤的规格和参数,2 空气锤结构形式和原理,图47 空气锤结构图1电动机；2皮带轮；3大齿轮；4小齿轮；5曲柄轴；6连杆；7压缩缸；8压缩活塞；9上旋阀； 10顶盖；11中间旋阀；12工作缸；13下旋阀；14导套；15锤杆；16锤头；17下砧；18砧垫；19砧座,(1) 工作部分：包括落下部分(工作活塞、锤杆、上砧块)和砧座部分(下砧块、砧垫、砧座)。(2) 动力传动部分：由电动机、皮带轮、减速机构、曲柄连杆机构和压缩活塞等组成。(3) 配气操纵部分：由空气分配阀(上、下旋阀和中间旋阀)、操纵手柄和杠杆系统组成。(4) 机身部分：由立柱(工作缸、压缩缸与机身立柱铸成一体)和底座组成。,3 模锻空气锤,动作原理和工作循环与空气自由锻锤相同,3.空气模锻锤的工作循环,为了完成各种锻造工序，空气锤应当具有空行程、悬锤、压紧和打击等4种工作循环，其中打击又包括单次打击和连续打击，单次打击又分轻打和重打。,第四节 液压模锻锤结构和工作原理,采用纯液压驱动，或者采用液气驱动的锻锤，一般称为液压锤。由于它主要用于热模锻工作，所以又称为液压模锻锤，也叫做液气锤。现在所说的液压模锻锤通常指砧座微动型，即打击时锤身（或下锤头）微动上跳结构形式的锤。把具有固定的锤身或砧座，采用液压动力头驱动的锤，称为电液锤。,1 液压模锻锤特点和发展概况,1 ）液压模锻锤主要特点,(1) 液压模锻锤能量利用率高，可以节约能源。(2) 液压模锻锤简化了动力源装置，可以节约投资。(3) 采用对击式结构的液压锤，可以减少振动。,与蒸汽空气模锻锤、对击锤和高速锤相比，液压模锻锤具有如下优点:,2） 国外液压模锻锤发展概况,典型的结构是德国Lasco公司生产的KH、KGK系列液压锤 。可以采用纯液压驱动，也可以采用液气驱动，其效率比蒸汽或压缩空气驱动的有砧座锤可提高几倍到十几倍 。技术参数给出了打击能量，又给出锤头质量，尤其适用于对现有蒸汽空气模锻锤进行革新和改造。,（1）采用液压动力头驱动的有砧座式液压锤,（2）由液压或液气驱动的对击式液压锤,特点：采用液压或液气联合驱动；打击行程中，在上锤头下落的同时，下锤头(或锤身)上跳与上锤头实现悬空对击。 Lasco公司的GH型电液无砧座锤及捷克和斯洛伐克SMERAL工厂的KJH系列、KHZ系列锤身微升式液压模锻锤，具有一定的先进性和代表性。,GH型电液无砧座锤,主要特点：下锤头“U”形，上锤头在下锤头内导向，实现对击，导向精度高，有利于锻件精度的提高。,KJH和KHZ系列液压模锻锤,利用高速锤的封闭气缸中气体膨胀作功的优点，甩掉动力站，结构上采用锤身向上微动与锤头实现对击。打击速度与普通蒸汽空气模锻锤一致，可以说集中了各种锤的优点。推出之后大受欢迎，很快形成系列产品，打入了国际市场。,KJH系列锤身微升式液压模锻锤,克服了有砧座锤的固有缺点，具有振动小，对环境影响小，对地基无特殊要求的特点。该系列锻锤的质量仅为同等工作能力蒸汽空气模锻锤质量的4050，锤头导向好，可用于偏心锻造，不仅可用于普通锻造和校正，而且可用于精密模锻。既可作为单机使用，又特别适合在模锻生产线上作为主机使用。,与KJH系列液压锤相比，改进的KHZ系列液压锤有如下特点 ：,(1) 提高锻造精度。 (2) 锤身下方安装气垫。 (3) 采用开式液压回路。 (4) 采用一体控制结构。 (5) 降低了打击速度。 (6) 锤身立柱内有锤头锁紧装置。（7）特殊的顶料装置。（8）具有可靠的程控能量预选装置。,3）我国液压模锻锤发展概况,液压模锻锤研制始于20世纪70年代 ,先后制成不同规格，不同型式的液压模锻锤。借鉴吸收国外先进技术，一些单位为我国液压模锻锤研究和发展做了很多开拓性的工作。 开发的液压模锻锤，采用了液气驱动，液压联动，下锤头(或锤身)微动上跳与上锤头对击的结构形式。,2 液压模锻锤工作原理和结构形式,共同特点：就是利用液压回程蓄能，气体膨胀作功，在上锤头向下打击的同时，通过联通油路驱动下锤头或锤身向上运动与其上锤头实现对击。,锤身微动型液压模锻锤、下锤头微动型液压模锻锤。,1)锤身微动型液压模锻锤,一缸多用；空心锤杆；锤身采用铸钢结构； 打击时锤头与锤身系统形成封闭力系； 采用气垫结构。,图4-10 锤身微动型液压锤结构原理图1工作气缸；2回程油缸；3联动油缸,(1) 结构和原理,(2) 特点,2）下锤头微动型液压模锻锤,(1) 驱动原理采用气液联合驱动 (2) 打击原理采用上、下两锤头系统对击。 (3) 上下锤头系统的同步运动采用液压联动。 (4) 机器几何形状力求简单。,对于下锤头微动型液压模锻锤来讲，总的要求是，既要在经济上考虑节能，又要在技术措施上力求减振，以发挥砧座微动型液压模锻锤的基本特点，根据上述要求所采用的具体实施方案如下：,上、下锤头对击式结构的特点 ：,(1) 液压锤的下锤头质量与上锤头质量比较小，因此相对减小了下锤头的质量，给加工、安装运输带来了方便。(2) 回程油缸和联通油缸均固定在不动的机架上，工作期间无须运动，因此无须在联通油路上设置活动的连接装置或高压软管，既减少了漏油的可能性，又节省了加工维修的工作量。(3) 锻锤工作时，上锤头在U形的下锤头中导向，下锤头在机架内导向，因此可以保证与锤头、锤身对击式液压锤具有相同的导向精度和锻造精度。,图412 上、下锤头对击式液压锤结构示意图1工作缸 2上锤头3下锤头 4联通缸,第五节 螺旋压力机,螺旋压力机：螺旋压力机是指将传动机构的能量通过螺旋工作机构转变为成形能的锻压设备。,螺旋压力机分类（根据其传动方式）：摩擦螺旋压力机、电动螺旋压力机、离合器式高能螺旋压力机、气液动螺旋压力机。,1 工作原理,图413 螺旋压力机的结构简图 1飞轮；2螺杆；3螺母； 4滑块；5机身；6导轨,2 螺旋压力机的工作特性与特点,工作特性:(1)它是依靠预先积蓄于飞轮的能量进行工作的，因此它具有锻锤的工作特性，是一种锤类设备。(2) 飞轮的动能在转变为锻件的塑性变形功的过程中，对锻件的打击力始终等于作用于闭式机身上的垂直作用力，即闭式机架将两个作用力形成一个封闭力系。(3) 螺旋压力机没有固定的下死点。(4) 螺旋压力机的打击力不固定。,螺旋压力机的特点:,(1) 应用范围广。(2) 工艺适应性强。(3) 锻件精度高。(4) 在锻件精度提高的同时，材料的利用率得到提高，从而降低了生产成本。(5) 设备制造成本低。(6) 设备有效打击能量大。(7) 劳动条件好。(8) 生产效率低。,3 螺旋压力机的主要技术参数,（1） 公称压力Fg（2） 最大打击能量E（3） 滑块最大行程S（4） 滑块行程次数n（5） 封闭高度H（6） 工作台尺寸 螺旋压力机的技术参数还包括导轨间距、主电机功率、压力机的外形尺寸及总质量等。,国产摩擦压力机的技术参数见表43液压螺旋压力机的主要技术参数见表44国产J58系列电动螺旋压力机的技术参数见表45,4 摩擦螺旋压力机（J53）,以摩擦传动机构带动螺杆滑块机构，依靠动能进行工件塑形成形的设备。它兼有锻锤和压力机的双重工作特性，简称摩擦压力机。,4 摩擦螺旋压力机（J53）,特点：（1）工艺万能性强；（2）结构简单、操作方便、制造使用成本低；（3）模具结构简单、安装调整方便；（4）传动效率低；（5）行程速度低、生产率不高。改进：短行程、行程次数高、双螺杆、液压传动,按摩擦传动机构可分为：压力机有单盘式、双盘式、三盘式、无盘式和双锥盘等多种结构形式。,1)双盘式摩擦压力机的结构,(1) 传动部分(2) 工作部分(3) 机架部分(4) 附属装置 (5) 操纵系统,1带轮；2左摩擦盘；3飞轮；4右摩擦盘；5传动轴；6拨叉；7螺杆；8螺母；9碰块；10制动轮；11控制杆；12限程块；13卡板；14油箱；15顶件器；16机身；17滑块；18制动斜板；19缓冲垫；20电动机,1摩擦盘；2传动轴；3皮带；4飞轮；5左支臂；6螺母；7螺杆；8滑块；9机身；10手柄；11活塞；12、14液压缸；13分配阀；15油箱；16电动机；17液压泵；18溢流阀；19弹簧；20下碰块；21下限程块；22上限程块；23上碰块；24拉杆；25控制杆；26上横梁；27右支臂；28拨叉,2)双盘式摩擦压力机的工作原理,5 液压螺旋压力机,特点: （1）工作速度较高，生产率较高； （2）便于采用能量预选和工作过程的数控，操作方便，容易实现压力机以最佳的能耗工作； （3）成本较高，一般液压螺旋压力机都为较大型设备。,液压缸传动式压力机,液压马达传动式压力机,分类：,螺旋运动液压缸式压力机,直线运动液压缸式压力机,5 液压螺旋压力机,工作原理：由液压泵中产生的高压液体通过液压操作系统，借助于作直线运动（液压缸）、螺旋运动或旋转运动（液压马达）的液压动力装置驱动压力机的工作部分（飞轮、螺杆、滑块）产生上下运动，在空程下降过程中积蓄的动能，其中大部分用于锻件成形所需的变形能。由于采用液压传动，相对于摩擦和电动螺旋压力机，液压螺旋压力机具有高效节能的特点，又因液压部件是由很多标准的液压元件构成，易于设备工作能力的大型化。随着航空和电力工业的发展，大型叶片等零件的精锻要求发展大规格的螺旋压力机，因而使液压螺旋压力机成为公称压力在40-140MN的范围内得到了广泛的发展。,图416 单螺杆液压缸推动式液压 螺旋压力机 1飞轮；2螺杆；3螺母；4活塞；5液压缸；6管道；7活塞杆；8机身；9滑块。,1)直线运动液压缸式压力机,（1）液压缸传动式压力机,图416 副螺杆式液压螺旋压力机传 动部件结构图 1活塞；2副螺杆；3液压缸；4副螺母；5支座；6尼龙十字形联轴节；7飞轮；8主螺杆,2)螺旋运动液压缸式压力机,（1）液压缸传动式压力机,2) 液压马达式液压螺旋压力机,图417 液压马达式液压螺旋压力机 1飞轮；2小齿轮；3轴向柱塞液压马达；4螺母；5螺杆；6滑块；7机身,6 电动螺旋压力机,电动螺旋压力机是直接依靠电动机驱动的螺旋压力机。它是利用可逆式电动机做正、反方向换向转动来带动飞轮和螺杆旋转的，使滑块上下移动，并完成电能转化为动能再转化为锻件塑性变形能的工作。,（1）电动机直接传动式 这种电动螺旋压力机无单独的电动机，定子固定在压力机机架的顶部，电动机的转子就是压力机的飞轮或飞轮的一部分，利用定子的旋转磁场，在转子（飞轮）外缘表面产生感应电动势和电流，由此产生电磁力矩。驱动飞轮、螺杆转动。定子与飞轮间有空气间隙，主要传动部件之间是无接触传递能量，所以称为无接触式传动。,按其运动特征分类：电动机直接传动式;电动机机械传动式,（2）电动机机械传动式 特殊电动机的功率大于 500kw时，结构庞大，造价高，当电动螺旋压力机公称压力大于40MN后，采用电机齿轮传动，由一台或几台异步电动机通过小齿轮7带动有大齿圈的飞轮旋转，飞轮只起传动和蓄能作用，飞轮和螺杆只作旋转运动，通过装在滑块