文／曹喻鑌，王興云，陳太清，張鋒，張為軍，陸仲奇·中機鍛壓江蘇股份有限公司

近年來，國內鍛造企業產量在逐年上升，鍛件總產量已經超過1000 萬噸，位居世界第一。其中，模鍛件總量占比達到了60%，憑借鍛件生產數量中國在國際上贏得了“鍛造大國”的稱號。我國鍛造行業已經有了一定的發展基礎，但并未完全掌握鍛造行業中的高端核心技術，高檔次模鍛件產品的研制生產仍相當落后，特別是大鍛件，中、高端鍛件產品，仍然長期被國外大鍛件企業占據。航空航天的核心鍛件主要依賴進口，汽車鍛件的高檔產品有70%～80%是進口。

鍛造行業是重資產行業，模鍛主力設備包括傳統的鍛錘、螺旋壓力機、熱模鍛壓力機、模鍛液壓機等等，但是，適合于我國國情的鍛造設備供應滯后，鍛造裝備技術、材料技術、鍛造技術的落后，使得我國仍然不是“鍛造強國”。

新能源汽車的出現，黑色金屬模鍛件需求將受到沖擊，小型模鍛件產能將會過剩，而大型模鍛件需求將有所增長，有色金屬模鍛件需求將呈現大幅度增長。傳統小型鍛造設備將面臨淘汰更新，大型鍛造設備將面臨適應自動化需求的升級與再制造。本文主要針對我國傳統主力鍛造設備大型鍛錘與高能螺旋壓力機的改造與升級方案分析，闡明了大型鍛錘與高能螺旋壓力機技術升級與再制造發展方向。

大噸位鍛錘的升級與改造

鍛錘的優點

鍛錘打擊速度快，力能比大，打擊頻率高，是真正做到趁熱打鐵的設備，工藝適應性強。鍛錘在高合金特殊鋼及高溫合金材料的鍛造、復雜異形零件的鍛造、薄筋板零件的鍛造、有重量公差要求及高表面質量要求的鍛造等方面顯示出了特殊的優勢。鍛錘是一種萬能性的、最為傳統的鍛造設備。

鍛錘的缺點

⑴鍛錘是沖擊成形設備，沖擊力與速度引起的振動和噪聲，會傳向基礎和周圍環境。

⑵鍛錘本身的振動給鍛錘的自動化帶來困難，而且仍然需要熟練的操作工。

⑶較高的鍛打速度增加了金屬變形抗力，容易造成鍛件水平方向金屬急劇流動，對于模鍛件會影響模具使用壽命，對于大的自由鍛件會導致表層與心部組織不一致，心部不易鍛透。

⑷速度越高，打擊噪聲越大，噪聲給操作者帶來傷害。

⑸大噸位鍛錘的振動和噪聲難以控制。

鍛錘未來趨勢

由于振動、噪聲及難以實現自動化等缺點，一般大批量中小零件的鍛造已逐漸被其他設備及工藝所取代，如楔橫軋、輥鍛、旋壓設備、打擊力內部平衡的熱模鍛壓力機與螺旋壓力機、成形速度可控制的液壓機。除非工藝需要，否則傳統意義上鍛錘的生產與應用已經不符合當代工業化大生產趨勢與要求。

但對于高合金特殊鋼及高溫合金材料的鍛造、復雜異形零件的鍛造、薄筋板零件的鍛造、有重量公差要求及高表面質量要求的鍛造，鍛錘由于其極強的工藝適應性仍然有較強的生命力。特別是當今U 形機架程控鍛錘的出現，鍛錘的幾何精度與能量控制精度得到了很好地改善，全液壓驅動技術、數字化程序控制、整體U 形機體結構、彈簧加阻尼隔振基礎等相關技術的綜合應用，為生產高精度鍛件提供了保證，鍛錘已成為符合高效、節能、環保要求并具有高精度、高可靠特點的現代化的精密鍛造成形設備，程控錘技術使得鍛錘再次得到了復興(圖1)。大噸位鍛錘、自由鍛錘由于其工藝適應性強，具有較高的力能比，對于中小批量的大鍛件生產仍然有不可替代的作用。

圖1 450kJ 程控全液壓模鍛錘

鍛錘升級再制造主流技術

⑴驅動技術。

我國鍛錘經歷了從蒸空鍛錘到液氣錘再到全液壓錘發展歷程，全液壓雙作用驅動技術為當代鍛錘驅動主流技術，全液壓雙作用驅動的基本原理是：液壓缸下腔通常壓，上腔進油，錘頭快速下降并進行鍛擊，上腔排油，錘頭提升。

全液壓驅動技術(圖2)的應用大大提高了鍛錘的傳動效率與能源利用率及可控性，基本實現了零排放，可實現鍛錘的數字化控制。

圖2 全液壓自由鍛錘動力頭

⑵液壓集成技術。

鍛錘是工況最為惡劣、沖擊振動最大的鍛造設備，加之熱鍛的高溫工作環境，無管化的液壓集成技術是全液壓驅動技術得到可靠應用的保證。鍛錘液壓動力系統采用無管化的集成設計，即油箱、控制閥塊、液壓缸、電機油泵高度集成并頂置安裝，通過集成塊將液壓先導閥、大通徑無泄漏錐閥、防錘桿斷裂安全閥、工作缸、蓄能器高度集成。

中機特有的缸閥一體高度集成技術(圖3)具有響應速度快、通流量大、結構簡單、緊湊、油路短、流量和壓力損失最小的特點，高效安全可靠。

圖3 中機特有的缸閥一體液壓動力頭

應用缸閥一體技術改造的程控鍛錘，其動力系統、驅動系統高度集成，地面沒有動力站，有利于車間裝備布局，采用此技術與隨動控制液壓錘技術優勢如表1 所示。

表1 缸閥一體技術與隨動控制技術相比的優勢

⑶控制技術。

采用可編程控制系統及人機界面，方便操作者依據鍛件成形需要設定并精確控制打擊能量及打擊步序，重復打擊精度可達到±1.5%；避免了富余能量的打擊，鍛錘的振動情況大為改善，打擊噪聲有所降低，同時也降低了對操作者的技術要求，鍛件的精度也相對穩定，設備運行的可靠性及模具的壽命均得到提高。由于鍛錘的在線測量技術仍然沒有取得突破，鍛錘控制依然采用數字化輸入，沒有實現閉環控制，更確切的說鍛錘控制是數字化的程序控制。

程控技術的應用徹底擺脫了鍛錘對熟練操作技藝的依賴，為鍛錘的自動化連線創造了先決條件，程控鍛錘可通過總線控制，實現與機器人及周邊設備的聯動。

⑷錘體結構。

設備是為了滿足工藝需求，單臂自由鍛錘(圖4)三面開放，操作空間大，但是結構剛性差，適合中等尺寸的法蘭盤類鍛件、空心球類鍛件的生產。

圖4 單臂自由鍛錘

雙臂自由鍛錘(圖5)結構穩定性較好，工作開間較大，適合各種大中規格自由鍛件的生產，尤其是胎模鍛生產。

圖5 雙臂自由鍛錘

程控錘采用整體U 形錘架、放射形寬導軌結構，具有導向精度高，精度保持性好，適合精密模鍛件的生產，目前中機鍛壓最大U 形錘架程控鍛錘達到190kJ(圖6)。

圖6 中機U 形機架16-190kJ 程控全液壓模鍛錘

大噸位有砧錘(圖7)由于制造、運輸、安裝條件的限制，仍然采用原有的分體機架結構。

圖7 大噸位有砧錘

上下錘頭相對運動，懸空打擊的對擊 錘(圖8)，一般適用于規格較大的模鍛錘，對擊 錘與相同當量的有砧座錘相比，設備力重比大，重量輕，對設備基礎及周邊環境的振動沖擊小，可大大降低設備的總投資和車間的造價。

圖8 懸空打擊對擊 錘

⑸減振技術。

鍛錘的基礎分為直接隔振與間接隔振：直接隔振包括枕木隔振基礎、彈簧加阻尼隔振基礎、橡膠彈性隔振基礎；間接隔振即在錘座與隔振器之間設置一具有一定質量的混凝土塊或配重，以減少振幅，間接隔振一般適用于對隔振要求較高的場合。

彈性隔振基礎有效地減少了鍛錘振動對周圍環境的影響，降低了車間的建造成本，降低了設備本身振動沖擊加速度的等級，減少了設備故障，提高了設備的精度保持性及可靠性。

大噸位模鍛錘一般采用對擊 錘結構，從根本上解決了打擊對基礎的振動問題，但結構較為復雜。大噸位液壓自由鍛錘是我國實現工業化大生產過渡時期的產物，由于安全、環境因素應加以限制，不應成為鍛錘的發展方向，液壓自由鍛錘的發展應注重靈活性、可靠性、安全性。

高能螺旋壓力機升級與改造

慣性螺旋壓力機滑塊行程速度較慢，略帶沖擊性，可以在一個型槽內進行多次打擊，可以為大變形工序(鐓粗、擠壓)提供大的變形能量，也可以為小變形的工序(精壓、壓印)提供較大的變形力。慣性螺旋壓力機承受偏心載荷的能力較差，通常用于單型槽模鍛，制坯一般在其他輔助設備上進行，也可在偏心力不大的情況下布置兩個型槽，如壓彎→終鍛或鐓粗→終鍛，一般用于中小型鍛件的中小批量生產。

螺旋壓力機靠打擊能量進行工作，其工作特性與模鍛錘相似，鍛件成形的變形抗力是由床身封閉系統的彈性變形來平衡的，結構特點與熱模鍛壓力機相似。所以，螺旋壓力機是介于鍛錘和熱模鍛壓力機之間的一種模鍛設備，有一定的超載能力。

高能螺旋壓力機是利用飛輪離合器傳遞能量的成形設備，相對慣性螺旋壓力機(電動、摩擦壓力機)其優點如表2 所示。

表2 高能螺旋壓力機和慣性螺旋壓力機優勢對比

高能螺旋壓力機優點

高能螺旋壓力機是模鍛主力設備中性能最為優越的精密成形設備，打擊能力大，打擊頻次高，裝機功率低，導向精度高，滑塊、工作臺均可設置頂料機構，具有很強的工藝適應性，適合多工位輕重打擊。高能螺旋壓力機采用計算機控制，可以預選打擊力、打擊行程、編程多工位鍛打，自動顯示故障；離合器式螺旋壓力機適合配置在中、大批量連續生產線，實現高精度、高效率、節能、節材生產。

高能螺旋壓力機缺點

高能螺旋壓力機采用液壓回程、液壓離合器、液壓頂料，所有液壓驅動與控制均集中在地面旁置的液壓站上，并通過大量的管道與回程缸、液壓離合器、液壓頂料等執行機構連接，片面地強調了液壓系統的高度集成，系統復雜，管道繁多，漏油傾向嚴重。

高能螺旋壓力機未來發展

小規格高能螺旋壓力機可采用氣動離合器實現飛輪能量傳遞，利用磁阻電機或伺服電機拖動小慣量慣性盤驅動滑塊往復運動；結構簡單可靠，有效克服了傳統液壓高能螺旋壓力機的漏油缺點。但由于氣動離合器的一些缺點，難以適應大規格高能螺旋壓力機的能量傳遞需求。

2500 噸以上大噸位高能螺旋壓力機則采用液壓離合器實現能量傳遞，采用液壓缸回程。

傳統液壓離合器式高能螺旋壓力機改造升級途徑：盡可能取消液壓管道，不是片面將液壓系統集中，而是將液壓系統設計盡可能融入到主機執行系統設計中去。

傳統液壓離合器式高能螺旋壓力機再制造升級(圖9)措施：

圖9 中機改造升級的液壓高能螺旋壓力機

⑴將蓄能器與回程缸融合設計，取消了四個大直徑管道；

⑵將離合器液壓動力系統與回程缸動力系統融合設計，取消原有離合器驅動油泵系統，利用液壓離合器的動作實現回程缸的換油；

⑶將螺桿副潤滑與球面軸承多點潤滑集中制冷；

⑷取消原有大規模地面液壓動力站，在機身兩側窗口上端設置兩個液壓站平臺，一個用于安裝潤滑油的循壞系統，一個用于上下頂料系統，可大幅減少油管數量與管道長度。

——文章選自《鍛造與沖壓》2022年第9期

文章來源：鍛造與沖壓

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