新型程控液压模锻锤1

高效、节能、环保和机电一体化新产品,新型程控液压模锻锤,1、锻锤的特点和发展趋势,2、液压模锻锤特点和发展概况,3、新型程控液压模锻锤结构和工作原理,4、新型程控液压锤液压系统,5、新型液压锤的程序控制系统,6、未来的发展,主要内容,1、锻锤的特点和发展趋势,1.1锻压机械分类,锻压机械是机床行业中的一个重要门类，在机械制造业中一直起着重要作用。按照工作原理与结构特点的不同，锻压机械可大致分为三大类：,1.机械压力机类：它采用机械传动，是一种定行程设备，其工作行程主要取决于机械传动部分结构；,2.液压机类：利用帕斯卡原理，采用液压传动，是一种定力设备，其输出力的大小主要取决于液体工作压力和工作缸面积；,3.锻锤类：采用蒸汽空气驱动，液气驱动或机械驱动，利用锤头在下落过程中积蓄的能量完成锻件变形。是一种定能量设备，其输出能量主要来自于气缸中气体膨胀作功和锤头的重力位能。,1.1.锻锤类设备的发展史,1.早期的锻锤，滑块靠皮带或一个带有摩擦辊的夹板来提升，其安全性主要取决于操作者的经验。每次打击前，操作者都要定出滑块提升的高度及打击能量。,2.上世纪初，这种锤发展成为空气驱动方式，在锤的上端加压，锤头（滑块）以这种上端加压方式提升和加速，在空气或蒸汽的压力下，向下运动，操作者要控制排放阀，就可控制上端压力，从而控制打击能量。,锻锤具有结构简单，价格便宜，工艺万能性强，成形速度快，频率高和可以多击成形等特点。,(1)优点：,蒸空锻锤能耗大，热效率极低，以蒸汽为动力时，其能量有效利用率有足2%；,有砧座锤振动大，噪音大，影响了附近居民生活和精密仪器的工作；,(2)缺点:,动力设备复杂，运行和维护费用高；,蒸汽锅炉排放的烟尘严重污染环境；,浪费水资源，煤及煤渣运输量大。,(3)对蒸空锻锤进行改进和更新换代，其中主要有：,1.对击锤；蒸空对击锤的研制和应用消除了有砧座锤剧烈的振动，但蒸汽驱动方式没变，且下锤头行程大，操作不方便；,2.高速锤；采用液气驱动，提高了效率，振动小，但速度过高，力重比高，机身负荷大，易损坏，打击频率低，闷模时间长；,3.电液锤；采用液压驱动，用于传统的蒸空锤进行节能技术改造（俗称“换头”），目前太原科技大学、北京理工大学，西重所，济南铸锤所都在进行这方面的研究、开发工作。,4.液压模锻锤,它采用液压驱动原理和下锤头上跳与上锤头对击的结构型式是一种高效、节能和环保型机电液一体化新产品，用于传统蒸空锻锤的更新换代，是锤类设备的研究和发展方向。,2.液压模锻锤特点和发展概况,液压模锻锤是充分利用锤类设备的特点，结合对击锤、高速锤等设备的优点而发展起来的一种新型模锻设备。它采用液压驱动原理和下锤头上跳与上锤头对击的结构型式是一种高效、节能和环保型机电液一体化新产品，用于传统蒸空锻锤的更新换代，是锤类设备的研究和发展方向。,2.1液压模锻锤的特点,液压模锻锤能量利用率高、节能效果显著，与蒸汽驱动锻锤相比，节能达90%以上；,液压模锻锤采用下锤头微动型（或锤身微动）上跳的对击式结构，在不影响锻造操作的情况下，消除了强烈的振动；,液压锤采用电液驱动，简化了动力源，节约投资，并省去了动力站运行和维护费用；,消除了蒸汽锤锅炉房严重的环境污染；,消除了大量的水资源；,实现了锻造程序控制和机电液一体化。,2.2液压模锻锤发展概况,国外有代表性的产品有：,德国Lasco公司在上世纪四十年代，生产了第一台带有液压装置提升滑块的模锻锤出现了，它用于飞机制造业。五十年代初这种液压模锻锤进入市场并得到进一步的发展。对于提供同等的能量而言，滑块质量的增加，意味着落下速度及落下的高度的降低，也就是说设备可以设计得更加紧凑。,Lasco公司开发的GH等系列电液无砧座锤，该产品采用上、下锤头对击的结构型式和全液压传动与控制，下锤头靠下方气垫驱动，可实现能量预选和程序控制。驱动的改进使机身更加紧凑，采用单U形机架，由于这些改进，打击次数从30次/分提高到约120次/分。这些都使锻锤的性能得到极大改善。我国有引进产品。,上端液压驱动和单体U形机架的锻锤其独特之处是打击节拍快，成形能量稳定，系统能量充足。,液压驱动系统设计紧凑并安装在设备上端的一个顶端组件中，以适应车间的简陋环境，顶端组件还包括一个储油箱，并由抗震基础支撑。成形能量是由移动块的速度决定的，移动块包括锤头、上模，以及装有活塞及各种固定模具部件的活塞杆。,驱动系统,形机架和导向系统,U形机架的特点是质量分布合理，它采用有限元方法设计，对结构进行了专门测试并考虑了对加热工操作引起的变形给予补偿。对锻件质量有直接影响的导向系统为X形，其目的是中和由于温度升高引起的滑块的变形。,控制系统,LASCO液压模锻锤都装有记忆程序控制系统。在控制柱上，装有生产过程的操作，调节，监控和带屏幕的键盘操作终端。锻造操作者即可程序化也可人工控制。在程序控制时，锻造步骤和每次的打击能量及节拍都可预选并通过脚踏板操作。有关的锻造参数可由操作者输入。数据管理系统中贮存了产品的有关参数。当再生产这些产品时就不必重复设置，这就减少了停机时间。纪录系统建立了生产和停产的时间诊断系统还以文本或图像的方式指出错误,智能检测监控系统,能对成形能量测试中的一些重要环节进行监控，因而能给用户提供更好的服务，使产品的质量和产量都得到很大提高，这些也是我们的宗旨。另外，系统安装一个指示器，使设备得到定期的养护。考虑到系统的磨损，可调整锻锤自动排放阀的作用时间，这样可使成形能量的偏差在可接受的范围内，每次锻打的实际成形能量数值都输入到排放阀作为更正的参数，当达到一定值时，将在屏幕上出现维护提示，液压系统也采取类似的控制方式，液压蓄能器到一定的时间开始蓄能，计时器则开始计时，如果下一次蓄能的时间间隔低于定值，则表明需要维护。通过对蓄能器蓄能时压力上升的速度的测试，就能确定液压泵的磨损情况，这一系列的程序是重复执行的。,捷克SMERAL工厂研制开发了KJH、KHZ系列液压模锻锤，该产品采用液气驱动和锤头与锤身对击的结构型式，锤身上跳靠杠杆拉杆机构驱动。可实现能量预选和程序控制。我国常州锻造厂、成都锻造厂等曾引进该设备。,国内液压锤研究与开发情况,二十世纪七十年代末，太原科技大学与海安锻压机床厂合作开发了6.3T-M液压模锻锤，该锤采用液气驱动原理和锤头与锤身对击式结构型式；,吉林工大与吉林锻压设备厂合作开发了2.5T-M、5T-M等规模的液压模锻锤，该锤结构和原理与捷克KJH相近；,济南铸锻所研制了10T-M液压模锻锤，其结构类似于普通对击锤，之后又研制开发了液压对击，气压回程的消振液压锤系列产品；,江苏海安百协开发了CHK系列程控全液压短行程模锻锤,在吸收和借鉴国内外液压模锻锤现有技术基础上，太原科技大学与长冶锻压机床厂、安阳锻压机械股份公司合作开发了新一代程控液压模锻锤系列产品。,动力头采用了锥阀式控制、全液压驱动、程序控制、在线传感、数字显示等高新技术。采用整体铸钢砧座、床身，可方便拆换放射形宽导轨结构。不仅具有简单可靠的结构，而且具有极为周到的运行监控系统、故障自动诊断系统、能量自控、程序打击系统。锤架和砧座连成U形整体，,3新型程控液压模锻锤结构和工作原理,太原科技大学研究开发的新型程控液压模锻锤采用液气驱动，液压回程，气体膨胀打击的原理，借助于联通油路，使气缸中气体膨胀作功转变为上、下锤头（或锤身）系统的打击动能从而实现锻件变形。这种驱动方式充分发挥了气体、液体两种工作介质各自的特点，如气体的流动性和膨胀性好，可以实现锻锤快速打击；液体的压缩性极小，可以控制下锤头（或锤身）的上跳速度和上跳量。在结构型式上，又分为下锤头微动型和锤身微动型两种。,3.1下锤头微动型液压锤原理和结构特点,图1是6.3KJ程控液压锤；图2是6.3KJ程控液压锤主机；图3是25KJ下锤头微动型程控液压锤；图4是下锤头微动型液压锤主机结构简图；图5是下锤头微动型液压锤工作简图；,6.3KJ程控液压模锻锤,6.3KJ程控液压锤主机部分,25KJ下锤头微动型液压模锻锤,下锤头微动型液压锤主机结构简图,下锤头微动型液压锤工作原理简图,如图4、图5所示，将液压锤工作缸上腔一次性充入压强空气或氮气，进而封闭。回程时工作缸下腔进入高压液体，推动上锤头上升并使气室中气体进一步压缩蓄能。阀1打开，阀2关闭时，回程缸中液体经阀1进入联通缸，上锤头在上腔气体膨胀作用下加速下行，并通过联通油路推动下锤头微动上跳，实现对击。打击后，阀1关闭，阀2打开，高压液体使上锤头再一次提升，下锤头下方安装两个气垫8，不仅起减振和缓冲作用，而且可为下锤头上跳提供80%左右的动力。,下锤头微动型液压锤结构特点,下锤头微动型液压锤的质量比（m2/m1)较小(一般为=46)，因此运动部分重量和锤头总量轻，节约材料；,上、下两油缸均安装在外框架上，联通油路上无需设置活动接头，减少了漏油的可能，节省了加工维修量；,工作时，上锤头在U型下锤头中导向，下锤头在外框架中导向，可保证导向精度和锻造精度；,该型式液压锤需要一个刚度较好的外框架。,由于下锤头质量小而且结构简单，加工工艺性好，加工成本低，安装方便；,3.2锤身微动型液压锤工作原理和结构,25KJ锤身微动型程控液压锤,25KJ锤身微动型程控液压锤主要技术参数：公称打击能量E25KJ全行程打击次数n260min-1工作行程S450mm最大装模高度H0340mm最小装模高度h250mm打击速度v7m/s充气压力P10.8MPa上锤头前后长度L450mm导轨间距B520mm锤身上跳量S264mm液压工作压力15MPa,锤身微动型液压锤工作原理图,如图7所示，气缸10中一次性充入压缩空气或氮气，进而封闭。当液压系统中的高压气体进入工作缸下腔时，液体压力推动活塞，锤杆或上锤头11上升，并使上腔气体压缩蓄能，当阀1打开，阀2关闭时，工作缸下腔液体经阀1进入联通缸13，上锤头11在上腔气体膨胀作用下，加速下行，与此同时，联通缸13中液体压力、气缸10中气体反作用力和气垫14中气体压力共同驱动锤身12上跳，与上锤头实现对击。打击后，阀1关闭，阀2打开，上锤头再次回程，锤身下落在气垫缓冲器14上，阀7的作用是寸动调整模具。,25KJ锤身微动型液压锤结构特点和性能特点：,该机锤身采用整体式铸铜结构，机身刚性好，可保证锻造精度；,该机结构紧凑，外形美观，并且对外框架的刚度无特殊要求；,这种结构锤身与锤头质量比稍大，锤身上跳行程小，固而锻造操作方便；,内外导轨调整时互不干涉，因而导轨调节方便；,增设了锻件顶出装置，扩大了锻锤使用范围，并有利于实现锻造生产自动化；,使用下气垫，在保证锤身行程和打击效率的同时，可提供部分打击能量，节约动力消耗10%以上。,4新型程控液压锤液压系统,液压锤的液压系统不仅要为液压锤提供动力源，而且还控制着锻锤各种动作循环，因此设计研究液压锤液压系统具有重要意义。,我国开发的第一代液压锤，大多采用闭式液压系统，不利于油液的循环和散热，元件之间多采用管式连接，再加上元件性能差，因此制约了液压锤性能，影响了液压锤的推广和使用。,新开发的程控液压锤采用泵直接传动的插装阀集成开式液压系统，大大提高了效率，提高了液压锤的性能和工作可靠性。,4.1液压锤液压系统设计要求,设计液压锤液压系统时应考虑以下几方面要求：,应当满足液压锤的动作循环和静态性能的要求；,结构紧凑，维修方便，主阀通油流量大，传动效率高；,应具有良好的动态性能和工作可靠性；,可以完成辅助工作，如锻件顶出等；,满足液压锤操作和自动的程序控制要求；,液压系统中使用标准液压元件，互换性好。,4.2液压锤液压系统工作原理,图8新型程控液压锤液压系统原理图,如图8所示，插装阀1和插装阀2是控制上、下锤头运动的主要元件。启动电机的油泵，泵出的油经电磁溢流阀8卸荷，此时泵空运转。当给阀5和阀8通电时，卸荷回路关闭。泵出的油一部分进入控制回路的蓄能器中并关闭阀1，一部分油顶开阀4进入回程油缸，提升上锤头并压缩上腔气体。打击时，阀3通电，阀5断电，回程缸中的油液顶开阀1进入联通缸，上、下锤头在工作缸上腔气体膨胀作用下实现对击。与此同时，泵出的油仍处于高压状态，并为控制回路的蓄能器补液。打击时，阀5通电，阀3断电，主油路的高压油迅速进入回程缸，再次提升上锤头，下锤靠自重复位，并将联通缸中的油液排出回油箱。,当上锤头提升至接近开关或需要在任意位置悬锤时，阀3、阀5和阀8均断电，油泵卸荷。电磁阀7的作用是实现寸动对模。该液压系统可以使液压锤实现单次打击、连续打击、轻打、重打、寸动对模以及任意位置悬锤等动作，并通过PLC程控操作。,4.3新型程控液压锤液压系统特点,该液压系统具有以下特点：,系统采用泵直接传动，可以保证液压锤长时间连续打击；,采用开式液压系统，有利于系统中油液的循环和散热；,采用封闭的液压联通油路，可保证下锤头上跳速度，上跳量和打击效率；,主要控制阀采用插装阀，通油量大，切换灵活，且易于集成，提高了传动效率；,系统中采用了一个小型蓄能器为主的控制油路，即保证了控制油压的稳定，又简化了系统，节省投资；,通过数字仿真与实验研究，证明开式液压系统比闭式液压系统锤头回程迅速，焖模时间短。,4.4液压系统动态建模与分析,利用“灰箱”建模方法和自动建模与仿真软件包PMDSHS对液压锤液压系统的各个工作过程和动作循环的动态特性进行了建模与仿真。结果表明：所研究开发的液压锤液压系统具有良好的动态特性。,5新型液压锤的程序控制系统,提起锻锤，人们自然会想到手动的操作方式，振动和噪音大，工作环境差，实际上就传统的蒸空锤而言，若要实现电气控或程序控制确实难以做到。,液压模锻锤的发展与应用，使锻锤实现电气控制乃至程序控制成为可能。由于采用电液驱动和控制系统，因此不仅便于控制，而且改善了工作环境。,通过研究和实验，在开发新一代程控液压模锻锤时，成功地设计和应用了PLC程序控制系统，实现了液压锤打击能量和打击次数的自动程序控制。,5.1程控系统的设计要求,液压锤是一种冲击成形设备，打击速度高（一般7m/s），打击频率快（n=60120min-1)，锻锤上锻造工艺复杂，工作中会产生振动。因此在设计液压锤程控系统时，应考虑以下要求：,程控系统应满足各种锻件和各种锻造工艺的操作和控制要求，即有较好的工艺适应性和扩展性；,控制系统应当适应锻压车间振动、高温和粉尘等工作环境，具有较好的抗干扰能力和工作稳定性；,控制系统应当具有不同的控制方式，以满足锻造生产和工人操作要求；,5.2控制系统的组成和结构,新型液压锤PLC程控系统结构图,所研制的液压锤PLC程控系统由CPU单元、存储器、编程器、输入模块和输出模块等组成，其控制柜结构如图所示。,5.3控制系统软件结构,程序开始,Y电机启动,监测与保护,手动控制块,脚踏控制块,自动控制块,液压锤PLC控制系统程序结构图,液压锤PLC程控系统的控制软件包括5部分，它们是：（1）