60MN等温锻造液压机结构设计概述

60MN等温锻造液压机结构设计概述

郭致富

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摘要：等温锻造液压机是主要面对航空、航天等领域的高端锻件成形，以及针对小批量、定制化产品而专门设计的锻造液压机。文中从设备主体结构上阐述了60MN等温锻造液压机的主要结构和设计思路，可以为设计者提供一些设计思路、注意要点和借鉴性意见。

关键词：60MN；等温锻造；液压机；主体结构

引言

由于金属钛具有一系列优质特性，钛合金、高温合金等难变形材料已成为“大型飞机”“载人航天和探月工程”等国家科技专项重要的航空材料。难变形材料成形装备是航空高性能零件制造的基础装备。普通模锻成形的锻件存在精度差、材料利用率低、锻件性能不稳定等问题。超塑性成形的总压力仅相当于普通模锻的几分之一到十几分之一，可一次性成形出高精度的薄壁、薄腹板、高筋和其他形状复杂的锻件，且超塑成形后锻件的晶粒细小均匀，有高而且均匀的整体力学性能。采用较小吨位的成形机即可成形出较大和结构复杂的零件，使用过程中节能效果十分明显。

1、60MN等温锻造特点

60MN等温锻造是一种先进的热加工锻造工艺，即在相对恒温条件下，以一种较低的变形速度和速率，实现较少的锻造火次，达到对特种锻件精密成型。其特点有：（1）大幅度减小锻造材料的抗应变能力；（2）锻件内外密度分布均匀、变形均匀、组织性均匀；（3）可以准确控制，提升产品质量和性能；（4）避免模具激冷，提高了模具寿命和锻造材料流动性及填充模腔的能力；（5）节约原材料，减少机械加工；（6）可实现一致性批量生产。随着航空、航天、造船行业的发展，对等温锻造工艺的要求也越来越高，为了获得高精度、高性能的等温锻造工件，对等温锻造设备的工作速度和四角偏差精度的要求及稳定性提出了更高的指标。

2、60MN等温锻造液压机结构设计

2.1移动工作台设计方案

等温锻造液压机由于模具、工装复杂，重力比较大，所以一般此类液压机均设置有移动工作台，方便工装工具和模具加热炉的整体移出。有些企业更会根据自身工件的批量需求设置双移动工作台（T形），这样会缩短模具加热和工装工具的安装等待时间，效率提高近1倍。

移动工作台部件由移动工作台台体、起落装置、夹紧装置、定位装置和驱动装置等组成。移动工作台台体可以全部移出机身投影范围之外，便于模具的更换与维修。由于等温锻造的工艺特性和工件锻造周期的整体要求，特别是热影响区的问题，移动台的驱动方式一般为电机驱动，其动作平稳可靠，且没有油液的污染，起到安全防护作用。工作台的承载及驱动电机的选择是根据自身质量和模具自身质量之和选取的，需要确保运动的平稳性，根据重力的总和可以计算出该部件的启动扭矩，从而选取合适的电机型号。为了保证工作台在下横梁上的精确定位，在下横梁与移动工作台上设置有4组尺寸相同的定位销孔，为了减小定位误差，下横梁与工作台特别是销孔均在同一机床上进行加工，保证其尺寸的相对一致性，允差范围可以控制在0.05mm以内。

2.2框架和横梁

机身采用拉杆预紧框架式结构。由上横梁（组合结构）、左支柱、右支柱和下横梁（组合结构），通过拉杆预紧形成封闭的受力框架，承受压机的全部工作载荷。在万吨压机的设计和制造中，3个横梁的设计至关重要。目前，国外万吨压机的横梁多数采用分块式结构，这样的设计可以保证加工、制造、安装、运输的方便，同时降低加工制造成本。文中设计参考了国内外万吨压机的设计经验，上下横梁均采用三拼结构。其中上横梁的中间横梁承受2个6000t主缸共计12000t压力，两侧梁分别承受2个侧缸2000t共8000t压力，压机总吨位20000t。上下横梁的中间梁与侧梁采用凸键连接，保证中间梁与侧梁在加载下的刚度协调，承受由于变形不一致引起的剪切内力，中间梁与侧梁依靠预紧拉杆进行预紧，保证各梁之间的紧密贴合，从而保证上梁刚度。从图1可以看出，组合预紧框架式结构液压机的变形区间远远小于普通结构的液压机，可以最大限度地保证设备的运行精度。

图1液压机结构变形对比

2.3备件管理及存储

在设备管理及储存方面，企业很难同时兼顾降低备件占用资金比重和备齐全部备件两者之间的关系。在应对设备突发故障过程中，常会因备件不足而增加维修时间、延误生产。本文通过不间断更新记录主要设备备件储备情况、备件使用周期和频次，数据统计分析建立台账，以可视化图表形式展现备件数据信息的趋势特性，研究备件消耗规律，为设备管理人员降低积压库存提供决策依据。结合常见故障点维护要求，60MN等温锻油压机周期性耗材统计情况见1表，报备周期均为每年一次。根据常用周期性耗材统计，将耗材备件分为润滑油/液压油、液压密封和滤芯、电气原件（接近开关、断路器）、机械螺栓螺母以及工作台起落缸垫板加工件等类型。以机械、液压和电气3个大类别整理统计设备年度常规保养耗材及库存情况，形成报表后统一报送采购。集中采购整套报备滤芯和密封圈等常规备件，降低报备频次，减少采购人员重复性采购过程。在备件抵达生产现场后对备件进行标准化分类并贴牌标注，建立备件存取登记制度，便于备件查找。库存备件根据电气、机械、液压3个类别设置存储区，并根据备件特点配备收纳装置。例如，密封类备件统一存储于塑料透明密封包装袋内，包装袋标注型号规格，按大小依次存放；润滑脂、润滑油、液压油等危化物集中单独存放于通风处，并张贴警示标志；螺栓螺母等易损耗件，则根据型号大小分类存放在方格盒中，便于及时查找选取。备件存储的总体原则是分类存放和易于查找，应根据备件自身属性妥善选择存储方法和地点。

表1   等温锻油压机常用周期性耗材统计

2.4显示操作程序设计

电气操作系统由可视人性化操作程序、逻辑控制程序和过程控制程序等部分组成。采用西门子WinCC组态软件，结合压机实际结构和工艺动作，在工控机上通过软件编制开关了显示控制程序，完成开关量、数字量及字符串等显示，通过人机互动完成对压机工艺动作的指令输入，并通过图表进行可视化反馈，同时形成报表等数据记录。过程控制程序使用伺服控制器编写，逻辑控制程序采用西门子PLC软件编写，实现对压制过程的直接控制和数据采集。PLC将实时控制中的数字量传送给上位机，工控机用于显示、存储、趋势分析、打印；同时通过显示操作站，工作人员可以向PLC和控制器输入指令进行压机控制。

结语

通过对设备各个关键部件的详细描述，提供了60MN等温锻造压机的主体结构设计思路与办法，使设计能够满足用户工艺的整体需求。相应结构也会随着用户的需求变化而发生变化。在设计时应注意以下关键事项：（1）该设计结构是根据目前现有的设备提供了一个整体的设计思路。因为等温锻造工艺并没有普及与推广，大部分用户生产的制件均不相同，所以具体的设计细节，还需要根据用户的工件详细参数进行特殊设计，不同公称力的锻压机设计结构与方式也会有所不同。（2）经过文中叙述，为该类型的等温锻造压机的机身结构设计提供了有效的数据支撑和经验，可以更快速地提供总体方案的设计。（3）基于设备整体结构的设计思路，所得到的结果可以为后续设计提供参考，提供更有利的设计依据。

参考文献

［1］俞新陆.液压机现代设计理论［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［2］天津锻压机床厂.中小型液压机设计计算［M］.天津：天津人民出版社，1977：83-86.