国内常用模锻设备应用现状及发展趋势

fandongkun · 发表于 2022-6-2 14:33:45

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国内常用模锻设备概述
目前，我国模锻设备品种较多，模锻成形设备主要包括以螺旋副传力机构为特征的(摩擦式、离合器式和电动式)螺旋压力机、以曲柄连杆传力机构为特征的(温)热模锻压力机、以锤头传力机构为特征的模锻锤、以油缸传力机构为特征的液压机和以旋压成形为特征的辊锻机、辗环机等。
其中螺旋压力机份额最大，约占市场40%左右，螺旋压力机制造行业已发展成为我国模锻装备制造中一个举足轻重的行业。而随着社会化大生产的逐步形成，热模锻压力机适合自动化、批量化生产的特点必将成为今后产品升级转型改造的重要装备之一。
模锻锤是一种限能量的模锻设备，打击速度快，冲击力大，有利于垂直变形件的充满，但由于振动和噪声等缺点，限制了锻锤的发展。尤其是生产线机器人的应用受到制约。
辗环机是一种环类件快速批量成形的专用设备，零件成形纤维质量好、效率高。
常用模锻设备的应用现状及发展趋势
重型摩擦压力机的现状与发展
在螺旋压力机中，一次性投资较少的摩擦压力机仍然占据较大份额，市场拥有量超过15000 台，然而在其他锻造业比较发达的国家，摩擦压力机已很少生产。在国内，中小型摩擦压力机已逐渐被电动螺旋压力机取代。而大中型的摩擦压力机因性价比高，仍然在模锻行业起着重要的作用，尤其是重型摩擦压力机，投资少见效快，已成为大型模锻设备的重要选项之一。
目前由青岛宏达锻压机械有限公司研制的J53-12500 型万吨级重型摩擦压力机(图1)已批量生产，J53-16000 型16000 吨重型摩擦压力机已投入生产。

图1 J53-12500 型万吨级重型摩擦压力机

离合器式螺旋压力机的现状与发展
自1993 年国产离合器式螺旋压力机进入市场以来，保有量已达到100 台左右。离合器式螺旋压力机的飞轮始终保持单向旋转，离合器带动的螺杆惯性小，所以加速行程短、提速快。压力机可以同时输出最大打击力和额定能量，滑块空程短，有效次数快，是一种比较先进的节能型设备。
但因其结构复杂，离合系统、液压系统和电器系统在使用过程中对使用者的操作维护水平要求较高，出现问题时难以快速排除或解决，一般用户不愿使用，所以近几年国产离合器式螺旋压力机已很少生产，大型离合器式螺旋压力机主要依靠进口。
数控电动螺旋压力机的现状与发展
电动螺旋压力机能严格控制飞轮的转速，从而精确控制打击能量，电动螺旋压力机结构比摩擦压力机还要简单，维修成本低，节能节材，精度高，易于实现自动化，受到很多用户的欢迎。
数控电动螺旋压力机主要有电机直接传动式和电机—机械传动式两种类型。
⑴电机直接传动式—直驱电动螺旋压力机。
直驱电动螺旋压力机属于电机直接传动，传动链短，其工作原理为：电机的转子与螺杆轴和飞轮连为一体。采用特制专用低速大扭矩电机，直接安装在主机顶部，定子壳体安装在制动支架上，驱动电机正反转直接带动飞轮正反向旋转，通过螺旋副实现滑块上下运动，以实现工件成形。电机的转子与螺杆轴连为一体，传动环节少，没有摩擦传动，具有最短的传动链和较高的效率。但要设计低速、大扭矩专用电机，成本较高，螺杆导套磨损后要及时更换，否则可能会导致电机的气隙不均匀，影响电机特性。
直驱电动螺旋压力机传动链短，近零传动，结构简单，可靠性高，是4000 吨以下电动螺旋压力机的发展方向。
⑵电机—机械传动式—齿轮(皮带)式电动螺旋压力机。
4000 吨以上的电动螺旋压力机多采用多电机驱动大齿轮的形式。大齿轮与螺杆连接，螺母安装在滑块内。电机作正反方向旋转，从而使滑块上下运动。滑块上装有位移检测装置，可以实时精确测量滑块位移，用于能量的精确控制。滑块对锻件毛坯加压成形后，电机反转带动滑块回程。回程到某一距离后，电机断电，由飞轮储存的能量通过发电机转变为电能，电机产生电磁制动，使飞轮减速。滑块回程到上死点后，机械刹车制动飞轮，使滑块停止。
该种压力机的电机高效节能，制造成本低，更换方便，维护简单，制动灵敏可靠。随着国内锻件尺寸的不断增大，对设备的要求必然越来越高，而进口产品不仅价格高，而且受制于人，维修十分不便，尤其是军工产品，还影响国家安全。因此开发大重型电动螺旋压力机是必然趋势。
目前，青岛宏达锻压机械有限公司生产的电动螺旋压力机已基本系列化，国产最大的10000 吨电动螺旋压力机已批量生产，12500 吨电动螺旋压力机已开始研制。
⑶驱动系统方案设计。
驱动系统是电动螺旋压力机的关键部分，是决定设备能否长期、稳定、正常运行的关键因素，其中评价驱动电机性能的两个核心技术指标是电机在一个工作循环内转矩特性和电机连续工作时的温升情况。
①开关磁阻电机驱动方案。
开关磁阻电机保留了交流异步电机结构简单、坚固可靠和直流电机良好的控制性能的优点。具有效率高、适应能力强、控制灵活等突出优点。
开关磁阻电机转子由硅钢片叠压而成，能够承受螺旋压力机在打击瞬间的冲击和振动，转子内无绕阻及电气损耗，故不发热，减轻了电机的热负荷。损耗主要是定子产生的热量，通过定子外壳辐射和转子齿形槽透气直接散热，电机易于冷却，延长了电机使用寿命。
在电动机起动转矩方面，可达到额定转矩3 倍以上，而起动电流仅为额定电流的30%～50%，非常适合电动螺旋压力机频繁起停的工作状况要求，这些特点使得开关磁阻电机很适合作为电动压力机的驱动电机，是目前在国内市场中应用最多的驱动方式。
②变频异步电机驱动方案。
变频异步电机是由普通鼠笼式异步电机通过变频控制实现正反转驱动。制造相对简单、易维护、可靠性较高、电机功率可以做得较大，也是国外应用比较早的驱动方式。但用变频控制的异步电机驱动方案目前仍存在以下问题：
电动螺旋压力机工作方式是间歇性的，电机在频繁起动时需要产生较高的起动扭矩，导致了电机温度升高；温度的升高主要是损耗引起，包括铜耗和铁耗；电机转子内产生感应电流，产生了铜耗，损耗最终转化为热能，增加了电机的热负荷，引起了电机温度上升，必须额外增加强制机外冷却系统才能保障电机正常运行，使整机结构复杂，外形庞大。
③永磁伺服电机驱动方案。
由于伺服电机的转速可精确控制，能严格控制飞轮的角速度，从而精确控制打击能量，设备的打击力精准。永磁电机转子励磁采用永久磁铁，由于无励磁电流，也就无励磁损耗，避免了转子发热。永磁材料提供稳定、持久的磁通量，不需要消耗电能，故电动机效率高、节约电能。
根据永磁体安装方式不同，可分为表面式和内置式结构，根据压力机所需驱动力矩，拼接永磁体组数，做成大功率驱动电机，突破了制约大吨位直驱压力机发展的“瓶颈”问题。
永磁电机永磁体的寿命与温度有关，过高的温升和振动会导致永磁体消磁，导致电磁电矩降低，不能发挥螺旋压力机正常的工作能力和性能参数要求。永磁材料在沿充磁方向的高度受到限制，达到一定厚度，磁性强度增加将不再明显，处于平缓状态。同时安装维护也需专业工装和人员，国内研究才刚刚起步。
⑷导轨导向结构的方案设计。
电动螺旋压力机的滑块导向结构，主要分为两种形式：一种是O—X 型滑块圆导轨结构(图2)；另一种是X—X 型长滑块导轨结构(图3)。

图2 O—X 型滑块

图3 X—X 型滑块

O—X 型结构全程导向，导向长度最长，抗偏载能力强，但对圆导轨部分的加工精度和形位公差要求较高，以保证不漏油。另外这种结构可实现螺旋副浸在润滑油里，润滑充分，螺旋副使用寿命增长。青岛宏达锻压机械有限公司生产的EP 系列电动螺旋压力机和国内外的离合器式螺旋压力机都采用这种结构。
X—X 型长滑块导轨结构，导轨长度与滑块的宽度比应达到1.5 倍以上，导向长度长，导向精度高，能精确的引导滑块上下运动，抗偏载能力强。四个导轨均可单独调节，可以满足间隙调整的需要。X 型导轨热敏感度低，受温度影响较小，导轨间隙可以调整得很小，以保证锻件的尺寸精度。受力导轨一般为方导轨，稳定性好，导向精度高。
X—X 型长滑块导轨易于加工制造，制造精度高，上下导轨面的平行度易于保证，受力均匀，面压小。导轨上镶嵌铜导板，耐磨性好，寿命长。导轨的可维修性能好，维护简单、方便，青岛宏达锻压机械有限公司等国内厂家生产的EPC 系列和国外生产厂家万家顿和拉斯科都采用这种X-X 型导轨结构。滑块内装有铜螺母，铜螺母的设计和制造与螺杆同等重要。使用时，螺杆与螺母的螺纹结合面精度要高，且必须在得到充分、可靠润滑的情况下才能达到预期的工作寿命。
螺旋副的润滑一般采用集中式自动循环稀油润滑，循环稀油系统都是在循环过滤、流量监控和温度控制的情况下进行的。自动循环稀油润滑的主要作用是润滑螺旋副、并带走磨损杂质和热量。
热模锻压力机的现状与发展
热模锻压力机的发展与汽车工业的发展密切相关，但随着我国汽车工业的发展，热模锻压力机并未得到相应的发展，市场中每年的热模锻压力机增长量只有几十台。主要是国产热模锻压力机故障率和工艺批量小制约了热模锻压力机的发展。
随着国民经济的发展和科学技术水平的日益提高，我国锻造业的社会化、批量化大生产必将到来，而热模锻压力机适合自动化、批量化生产的特点必将成为符合这一发展趋势的优选设备之一。
热模锻压力机行程次数高、振动轻、抗偏载能力强。青岛宏达锻压机械有限公司目前已系列化、批量化生产630 ～6300 吨的热模锻压力机，经过近十年的试验、改进和验证，取得了很好的效益，尤其是可靠性方面得到了进一步验证。改进后的产品具有以下特点：曲轴转角采用数字显示，方便、直观、可控；机架采用了高强度整体或组合机身，整体实心铸造，刚性好、精度高、外形美观；滑块采用了“X”型对角线导轨，导向精度高；新型制动器制动力大、制动灵敏可靠；新型离合器具有过载保护和增压补偿式预防闷车功能；液压上顶料在下死点顶出，顶出平稳、安全、可靠；液压下顶料具有顶料力大、顶出行程可调、顶料高度和保持时间均可以设定等功能；封闭高度调整直接数字显示，精确度高，直观性强；采用双点支撑式连杆，支撑面宽、抗偏载能力强，便于实现多工位锻造；并设有飞轮制动器、可使飞轮快速停止下来，提高了工作效率。
模锻设备的发展趋势
制造业在我国占有十分重要的地位, 我国是制造大国, 但不是制造强国, 其中最为突出的问题是要解决装备制造业这一薄弱环节。我国装备制造业的产品无论是精度还是可靠性都满足不了日益增长的要求,发展装备制造业已成为国家主管部门的共识。进入21 世纪以来, 随着汽车工业，特别是轿车工业的飞速发展，汽车零部件制造商面临大量外资从我国采购，对产品质量要求越来越高的情况，只有采用先进的设备和工艺才能满足这一要求。今后, 精密模锻生产中的主要设备——螺旋压力机和热模锻压力机，在提高性能及可靠性的同时，将向重型化、智能化、数字伺服化方向发展。
⑴重型化。
随着我国高速铁路、船舶、电力和工程机械等行业的发展，对大型模锻设备的需求更为迫切。航空大型整体模锻件的生产能力和技术水平是彰显国家综合实力的重要标志之一。国产有大国重器之称的8 万吨(800MN)模锻液压机高约42 米，总重约2.2 万吨，最大模锻压制力可达10 万吨，是目前世界上最大的模锻压力机。
除了我国已建造世界顶级吨位的800MN 模锻液压机外，对于研发和生产大型、整体、优质、精密的航空模锻件，万吨级螺旋压力机具有较大的市场需求。青岛宏达锻压机械有限公司为此制造了我国首台公称力为100MN 的EP-10000 型数控电动螺旋压力机(图4)，现已批量生产。公称力为125MN 的EP-12500 型数控电动螺旋压力机已在研制之中。

图4 EP-10000 型数控电动螺旋压力机

同时为满足用户对火车钩尾框等大型关键零件锻造成形的要求，青岛宏达锻压机械有限公司还制造了国内外首台公称力为125MN 的J53-12500 型摩擦压力机，现已批量生产。公称力为160MN 的J53-16000 型摩擦压力机已投入生产。
我国核电、风力发电等的装机容量不断提高，对大型叶片等锻件的需求也给重型螺旋压力机的发展提供了空间。2008 年，无锡透平叶片厂从德国进口了当今世界上打击力最大的螺旋压力机，就是瞄准核电特大叶片的生产需要。该机是SMS-Meer 公司生产的SPKA22400 压力机，是世界上最大规格的螺旋压力机，可产生3.55 万吨的最大打击力。可将滑块成形速度调整到0.25 ～0.5m/s，有利于成形特种钢、钛、镍基金属。这台压力机总重2900 吨, 其飞轮离合器重达290 吨，设备总高22m。该设备是目前世界上螺旋压力机技术的集大成者，是先进性能的代表。
重型螺旋压力机的研制和生产，对技术设计、大型铸件浇注、大件加工提出了更高的要求。
⑵智能化。
现代先进的锻压设备都由计算机控制。离合器式螺旋压力机和电动螺旋压力机采用计算机控制，将能量控制、打击力显示，润滑装置、顶料装置、上下料机构的控制和故障报警集成在一起。今后还要进一步发展智能控制系统，使设备具有自动监控运行状态、自动判断故障、自动调整工艺参数及实时锻件测量等功能，降低故障率和故障分析难度。这对于提高锻件质量、降低废品率、减少人工成本、降低劳动强度具有非常重大的实际意义。
⑶数字伺服化。
20 世纪90 年代以来，国外装备在传动技术上的一个突出趋势是，发展大功率电动机驱动的新型重载数字伺服传动技术，代替目前广泛应用的液压伺服传动和传统机械传动。机械装备采用新型重载数字伺服传动技术后，提升了装备的技术性能和可靠性，大大降低了安装、调试和维修的技术要求及工作量，进一步适应和满足了生产工艺的需要，受到用户的普遍欢迎。新型重载数字伺服传动技术被认为是传动技术在21 世纪的重要发展方向。电动螺旋压力机的发展符合了这一主流趋势。电动螺旋压力机取代摩擦压力机是必然趋势。而随着市场的不断整合，锻件批量越来越大，适合自动化大批量生产的热模锻压力机也必将成为模锻设备发展的新趋势。

结束语
总之，目前国产模锻设备种类繁多，并已基本系列化，技术水平也有较大提高，但质量可靠性与进口产品相比还有较大差距，始终坚持高质量发展理念和提高产品质量的可靠性是企业持续发展的必由之路。

——文章选自：《锻造与冲压》2022年第7期

zxq888 · 发表于 2022-8-19 08:17:33

内容很好

zxq888 · 发表于 2022-8-19 08:18:32

如果能介绍几个具体的实列会更好

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