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数控电动螺旋压力机与锻造自动化生产技术的发展历程

副螺杆液压螺旋压力机

副螺杆液压螺旋压力机其传动原理为德国哈森公司发明,该公司曾研制成功锻击力为125MN 的HSPRZ 型液压螺旋压力机。由于副螺杆与铜制副螺母间有一定的摩擦损失影响整机传动效率,该公司就转而发展HSPRZ 系列液压马达式螺旋压力机。


由于我国液压马达式螺旋压力机性能较差,而油缸和副螺旋副制造容易,1974~1978 年,华中理工大学黄树槐教授及其研究团队结合我国国情,用减摩工程塑料作副螺母,使这种传动方案获得了可行性。


该项成果于1978 年获全国科技大会奖,其中,布质酚醛树脂层压材料制造的副螺母与国内首次研发的集成阀构成的副螺杆液压驱动系统,于1983 年获国家技术发明三等奖。经数家叶片与齿轮精锻企业的应用,能较好地精锻生产,但也显露出滑块回程速度缓慢,行程次数不易提高,因而生产效率也难以提高。其原因是活塞下面的环形面积小,导致回程力小所致,而且较难解决。


中小型齿轮传动式电动螺旋压力机及手动生产线

1980~2006 年,黄树槐教授及其研究团队进行齿轮传动式电动螺旋压力机的研发及不断完善,成功开发出J58K型160~1600t 系列产品。J58K 型齿轮传动式电动螺旋压力机的结构原理如图1 所示。其传动过程及工作原理是,电机通过小齿轮带动飞轮及与飞轮固定在一起的螺杆作正反旋传,螺杆带动滑块上下往复运动,向下运动时完成锻造功能,向上运动时使滑块回到初始位置。

这种电动螺旋压力机同传统摩擦压力机比较,其性能有如下特点:


⑴小型齿轮采用布质酚醛树脂制造,与钢质大齿轮(飞轮)间的接触摩擦系数仅为两种钢质齿轮的1/6,又因小齿轮材质轻转动惯量小,加上传动链短,传动效率大为提高,还因工作时才运转,综合节省电能30%以上,且随着压力机吨位的增大而增加。


⑵齿轮传动为刚性传动系统,传动速比稳定,因此,滑块行程与锻击力能可精确控制,有利于提高模具使用寿命。


⑶其力能特性介乎于热模锻压力机的静载和模锻锤的动载之间,而又接近于动载特性,加上采用长滑块与导轨装置,抗偏载能力强,工艺适用范围宽,尤其适合于温、热精锻工艺。


⑷可与加热、制坯及切边冲孔等辅助设备通过机器人或专用机械手建立半自动化或自动化生产线,可有效提高工艺的稳定性和锻件质量的一致性。


⑸结构简单、使用、维护简单方便。其手动生产线就是坯料由中频感应加热→制坯→预锻→终锻→切边、冲孔→校正,全流程均手工操作。


⑹J58K 型齿轮传动式电动螺旋压力机及手工操作生产线在湖北、浙江、江苏、上海、广东、山东、重庆、四川、河南及吉林等省市的汽车、拖拉机、工程机械、矿山机械及电力金具等的零部件制造企业推广应用,所生产的锻件品种超过100余种。粗略统计,全国锻造行业应用的各种螺旋压力机约为1500台,该型压力机约占50%,为企业创造了良好的经济与社会效益。


大中齿轮传动式电动螺旋压力机与自动化生产线

2007~2016 年,我公司研发团队在继承黄树槐教授开创的,齿轮传动式电动螺旋压力机研发及推广应用的基础上,研发2500t 和4000t大型齿轮传动式电动螺旋压力机,这期间共研制J58K-2500型20余台,J58K-4000 型5 台。湖北三环锻造有限公司采用首台J58K-2500 型电动螺旋压力机(图2),通过“压扁、预锻、终锻”小飞边精锻工艺生产轨链节精密锻件(图3),锻件材料利用率提高到90%以上,节能显著。徐州徐工铁路装备有限公司等单位采用J58K-1600和J58K-2500型电动螺旋压力机连线生产了支重轮、大型圆柱体、轴承套圈、挖机支承座等大中型锻件,其中大型圆柱体环形齿轮坯,节材节能效果好。湖北三环锻造有限公司采用首台J58K-4000 型电动螺旋压力机(图4)通过立式小飞边精锻工艺生产盘式转向节精密锻件(图5),同热模锻压力机上采用水平开式模锻比较,材料利用率由72%~73%提高到86%~88%。

同时,根据国外自动化锻造技术迅速发展的态势及国内的市场需求,及时开发了自动化锻造生产技术。首先,根据用户计划生产的锻件结构特点制定出精锻工艺方案,以此为基础着重研究了所需主机吨位及加热、制坯、切边冲孔、校正设备与机器人的合理配置;基于精锻工艺流程的设备与机器人的优化布局;基于生产节拍要求的生产线上所有设备与机器人动作的时序规划制订;自动化生产控制系统软件开发等。


近10 年来,以这些关键技术为基础、公司为汽车零配件等制造行业建立了以齿轮传动式电动螺旋压力机为主机,采用机器人操作的自动化精锻生产线70 余条。其中,为马勒三环气门驱动(湖北)有限公司建立气门精锻生产线27 条,该公司为国际知名的德国马勒气门驱动公司控股的合资公司,合资之初,马勒公司原打算采用德国Lasco 公司生产的数控电动螺旋压力机、德国的机器人和气门精锻工艺及模具,经过近一年的考察,发现J58K 型电动螺旋压力机与Lasco 电动螺旋压力机性能相当,而价格仅为Lasco 的1/3,华中科技大学研发的气门闭式精锻工艺及钢结硬质合金模芯与阶梯式预应力组合凹模技术先进,因此,这些设备和技术均采用中方的设备和技术。目前,年产高端气门8000 万支以上,成为亚洲第一大气门企业,同传统设备和工艺比较:材料利用率提高12%以上,锻件合格率由约95%提高到接近100%,模具寿命提高到18 万件,为了严格控制气门锻件精度一般控制使用到15 万件为止,技术经济效率显著。为青岛三星精锻齿轮股份有限公司建立汽车直锥齿轮温锻自动化生产线3 条,所生产的差速器直锥齿轮齿形精度8 ~9 级,达到直接装车使用要求。


直驱式电动螺旋压力机的研究及应用

2016 我公司研发了直驱式电动螺旋压力机,由于直驱式电动螺旋压力机性能更优越,所以第一台样机J58ZK-500 型(图6)调试好后,立即被浙江跃进有色金属有限公司采用,到目前已有J58 ZK-215/315/400/500/630/1000/1600 型在客户处使用,客户反映良好。目前正在研发吨位更大直驱式电动螺旋压力机以满足更多用户要求。

结束语

根据《中国制造2025》所提出的制造业沿着数字化、信息化、网络化、智能化方向发展,开发以数控电动螺旋压力机为主机的智能自动化锻造生产线,乃至智能自动化专业锻造厂。其特点是在生产运行过程中,围绕锻件结构特点、尺寸精度及质量要求、锻件材料的物理性能(力学、导电、导磁)及尺寸规格,压力机滑块模锻成形速度、位移、锻模工况、润滑条件及锻造温度等因素的变化或波动,以自动化精锻生产线为载体的整个智能化精锻系统,具有自学习、自适应、自调整的功能,确保获得高合格的精密锻件,达到提质增效的目的。



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