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我国热模锻压力机现状及发展趋势

来源:  作者:   发布日期:2018/8/24 阅读次数:次 【字体:

我国热模锻压力机现状及发展趋势

一、 引言

中国加入WTO,市场国际化、采购全球化必将给中国的制造业带来巨大的商机,特别是汽车、航天制造业、国家计委、科技部共同发布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》已确定了汽车领域优先发展的重点产业主要集中在汽车零部件制造业。汽车工业的“小型化、轻量化和高速化”发展方向,为中国的锻造行业提供了极大的发展机遇,汽车上的零件60%是用锻压方法生产的。有关专家分析指出:美国、日本、德国的汽车工业如此发达,得益于其锻压技术及设备的领先地位。我国的锻造工业要适应入世后国际竞争的需要,必须用高新技术武装自己,提升自己,坚定不移地走“精密化、专业化、现代化”的强身之路。同时,热模锻装备直接决定一个国家的交通运输及国防装备实力,模锻件在航空航天、高速机车、汽车及其它装备中所占比例直接决定一个国家的综合装备性能水平,热模锻压力机作为锻造主要成形设备必将迎来巨大的发展机遇。

二、 热模锻压力机的发展简史

热模锻压力机的发展开始于20世纪30年代。1931年美国国民机器公司(Natongal Machinery Company)设计制造的热模锻压力机,在刚度和部件的基本组成类似于已出现100多年的平锻机,即采用了具有象鼻导向的滑块,支承的采用刚性连接,离合器安置在传动轴上等结构。同时,热模锻压力机在速度提高的同时,从根本上减少了加热锻件或毛坯与模具的接触时间和锻件表面层的冷却时间,为保证更精准地模锻复杂性状的锻件建立了先决条件。由于最初的热模锻压力机的行程次数提高,产生了一系列新的问题:离合器不能满意的工作,在工作行程时因为被动大齿轮的不断过载引起主动小齿轮的磨损和折断等等。因此,在40年代把离合器移到偏心轴上,在飞轮上设置保险摩擦离合器。此后,传动结构的热模锻压力机的完善主要围绕提高各个部件的工作特性进行的,与此同时,辅助机构得到了广泛的推广使用。

60年代起,为了提高锻件的精度、生产率和压力机工作的可靠性,克服传统热模锻压力机的缺点,开始从结构着手寻求新的解决途径,从而使热模锻压力机进入了多样化的发展阶段。从70年代以来,热模锻压力机发展的基本特征是大型化和自动化。80年代,日本住友和德国Hasenclever分别制造了160MN热模锻压力,目前,需求160 MN热模锻压力的企业也越来越多。中国二重在2014年成功制造出168MN楔式热模锻压力机,是目前世界最大热模锻。随着模锻生产对自动化的要求,以热模锻压力机为主体的热模锻自动线和多工位自动热模锻压力机得到迅速发展。与此同时,微型计算机开始得到广泛采用,微型计算机在热模锻压力机控制的应用,是今后热模锻压力机及其自动化发展的重要方向。

全球能够制造大型热模锻压力机的国家主要集中在:英国、德国、俄罗斯、捷克、日本、法国、意大利、中国二重和一重。其中主要厂家及能力如下:
    英国  主要厂家有MASSEY公司、Mitchell公司、Lambeition公司,  生产能力600t ~12000t ;
    德国  主要厂家有SMS公司(并入EUMUCO和Hasenclever公司) 、舒勒。生产能力315 ~12500t ;
    俄罗斯  主要厂家有伏龙涅什重型机械厂, 生产能力 630~14000t;
    捷克  主要厂家有拉码托尔斯克机器厂,生产能力 4000  8000T;
    日本  主要厂家有小松制钢所、栗本铁工所、住友金属公司,  生产能力630~ 16000t;

美国   主要厂家有  Nationnal Machinery公司,  生产能力300~8000t;

中国  中国二重集团公司、中国一重集团公司、沈阳重型机器厂、扬锻、青锻、荣锻等,生产能力 630~16800t。

在我国,热模锻的设计制造开始于60年代,在80年以前,主要制造厂为中国一重集团公司和沈阳重型机器厂。中国二重集团公司在1978年由德国EUMUCO公司引进技术后开始设计制造热模锻压力机,在自主设计与创新的基础上形成了1000-16800t规格的热模锻系列产品,同时能够生产热模锻生产线上的辊锻机、切边机、扭拧机、液压校正机等辅助设备和锻造线自动化,现在已成为我国热模锻主要生产基地。

三、 我国热模锻技术发展的基本状况及差距

热模锻设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域,其中,作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业,被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业,其发展主导了锻压技术及装备的发展,锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。

热模锻压力机系曲柄压力机,其工作原理和通用曲柄压力机一样,是通过不同形式的曲柄滑块机构把主传动的旋转运动转变滑块的往复运动,并借助于固定在机身工作台和滑块上的上、下模具实现加热金属的成形。在模锻过程中所需的模锻力是主要通过压力机飞轮转速降低所释放的能量产生的。在热模锻压力机上,可以完成开式模锻、闭式模锻和挤压等金属型材的各种热模锻工艺过程,通过人工操作或自动传送装置,可以进行多模腔的热模锻。热模锻压力机的使用选择除考虑压力机的工作台面上平面和滑块底面尺寸、行程、封闭高度及其调整量外,最重要的是确定压力机的工称压力,与此同时,还必须使模锻时消耗的能量小于或等于压力机所能释放的最大能量。

现代热模锻压力机是由主要执行机构、主传动、离合器、制动器、机身、气动和电控系统、润滑系统、辅助机构等组成。辅助机构是指扩大热模锻压力机工艺用途、减少压力机和模具调整时间、提高压力机工作可靠性的装置,主要包括上、下顶料装置、模具快换装置、封闭高度调整装置、平衡器、飞轮制动器、过载保护装置、压力监控指示器、温度监控等。

目前在全球锻造行业,主要有生产设备类型有:蒸空气锤、摩擦压力机、锻压机、螺旋压力机、水压机等。从最近几年锻压设备的发展情况来看,应该说一些落后的锻压设备由于不能适应现代生产工艺的需要将逐渐被淘汰,比如蒸空汽锤等,摩擦压力机由于其固有的局限性,虽然目前数量很多,但是终究不可能占有主导地位。随着锻造正在越来越多的向着温锻、冷锻或温、冷结合的的精锻方向发展的过程中,以锻压机、高能螺旋压力机、自动墩锻机、冷挤压机等一些先进设备正越来越多的应用于锻造企业。随着以福特、通用、克莱斯勒 、日韩等为代表的一些大型汽车集团,挥舞者上亿美元的订单开始转向中国市场进行零部件的采购,从而加快了新技术、新工艺、先进设备等在锻造企业的引进、应用。

热模锻压力机按主要执行机构可以分为曲柄滑块机构和曲柄连杆—楔块机构两种形式。按工艺用途,热模锻压力可分为通用和专用压力机。专用热模锻压力机包括多工位热模锻压力机、双动热模锻压力机、挤压热模锻压力机等。通用热模锻压力在设置自动化传送装置后,可以实现自动化或构成多工位热模锻压力。

国内最早的压力机结构为传统结构的热模锻压力机,沈阳重机厂和中国一重集团公司制造较多,它的结构特点:滑块具有象鼻形的附加导轨,封闭高度采用楔形工作台,下顶料装置通过凸轮-杠杆机构实现锻件由模具顶出的动作。为了适应模锻压力机工作特点和可靠性,多年来在结构上的改进主要有:

1) 为避免锻造氧化皮对楔形工作台的侵蚀,提高其调整的灵活性,采用封闭式液压楔形工作台。

2) 采用液压预紧螺母,以解除模锻时的闷车现象。

3) 采用双连杆、双点支承连杆和宽连杆结构,以提高热模锻压力机的刚度和承受偏载的能力。

4) 设置飞轮制动器、微动调整机构、模具快速更换装置、降低压力机噪声的消音器等。

5) 对离合器和制动器,顶料机构、传动、润滑系统等进行改进。

随后,中国二重集团公司1978年由德国EUMUCO公司引进技术后开始设计制造MP型热模锻压力机,它是在传统结构的热模锻压力机的基础上设计的,在结构上具有以下主要特点:

1) 机身  公称压力机在40MN下的压力机机身为整体实心结构,立柱和上横梁、底座之间连接处的过渡圆角大,并经过仔细打磨,以提高其疲劳强度。公称压力大于40MN的压力机机身采用组合结构,用四根螺柱预紧构成一封闭框架。

2) 滑块及其导轨  滑块取消了象鼻形附加导轨,采用X型长导轨结构。 由于X型导轨的间隙不受温度变化的影响,因而可以把导轨间隙调得较小。在调定后可保持稳定,无须经常调整。

3)     封闭高度调整  采用偏心压力销调节封闭高度。封闭高度调整装置设置在滑块内,可以避免模锻时产生的氧化皮侵入,且可防止封闭高度调整时模具的水平移动。

4) 离合器和制动器采用小惯量的单盘浮动镶块式结构(大型压力机离合器为多片式结构),具有发热轻,摩擦块寿命长、灵敏,摩擦块磨损后易于更换等优点。

5) 飞轮和制动器盘等于轴的连接采用无键账套联接,具有装卸方便和不削弱轴的强度等优点。

6) 采用PLC控制。由于设有转速监控装置,因而可以测出压力机不同工作载荷下的转速降,并给出相应的制动信号,使滑块比较准确地停止在上死点。当飞轮速降超过允许值时,能够发出相应的信号。

7) 压力机设有压力显示报警,设有轴承温度监控、润滑监控以及各种工艺连锁及各种故障显示,运用PLC自动控制,大大提高了工作的可靠性。

目前MP型热模锻压力机已成为国内中小型热模锻压力机的主要结构,已经成为热模锻的标准,国内的MP热模锻基本也都是仿照二重的模型结构制造。中国二重集团公司先后制造了40余台1000-6300t热模锻压力机交付国内锻造厂,大力提升了中国的锻造水平,在国内中小压机市场占有较高的市场份额。最近几年山东等民营企业也开始生产热模锻压力机,但是局限在2500吨及以下规格,由于技术储备不足或能力不够,质量问题也不少。MP热模锻压力机主要关键技术:

1) 压力机铜瓦的制造技术

压力机大量轴瓦属于低速重载,铜瓦制造技术尤为关键,特别是高速轴轴瓦。轴瓦需要离心浇筑,轴瓦和中间轴的设计间隙也是体现各家的关键技术能力。

2)压力机润滑系统

压力机能够连续干活,润滑系统必须可靠工作,润滑系统能够定点定量的基础上实现可靠供油。

3)离合器和制动器的设计技术

压力机实现连续的断续工作全靠离合器和制动器的有序工作,离合器和制动器的设计能够压力机准确完成锻打后停止上死点,离合器和制动器不能发生相位干涩。

4)信号的连锁和监控

压力机的信号的连锁和监控是体现设计水平的重要指标,能够保证人生安全和设备安全,人性化的信号监控和报警是必要因素。

5)大件的制造水平

3150T属于中型热模锻压力机,机架、偏心轴、连杆、滑块、压力机销、中间轴是设备主要大件,制造水平是衡量压机的基础,完善的制造工艺和探伤检测技术是保证压力机制造的必备条件。

经过30多年的发展,我国已形成了自行设计制造现代热模锻压力机的能力,具备了热模锻压力自动化和自动线的配置能力。中国一重能够制造6300吨以下的热模锻压力,中国二重能够制造1000-16800吨的热模锻压力,而沈重早已退出热模锻压机市场,而山东大量的民营企业能够生产中小型热模锻压力机。我国锻件生产厂家众多,设备数量庞大,热模锻压力机设备制造能力和控制水平已经基本接近或达到发达国家的水平,但国内热模锻生产线自动化程度普遍不高,总体技术不高,只有一汽、二汽、蒂森克虏伯、上海爱知、法士特等少数大公司采用热模锻压力机自动线,绝大部分企业仍采用手工操作,自动化程度低;中小件的模锻,仍然是模锻锤(电夜锤)占多数。而且普遍采用手工上下料和人工传送工件,易造成工件划伤等缺陷,锻件表面质量差;整条生产线长,操作工人多,占地面积大,人工成本高。为了提高表面质量,上海爱知锻造公司在6300吨热锻冲压线上精整机前后配置2台机器人通过分别夹曲轴两端轴径做平行四边形运动来移送锻件,最大化的保护锻件表面质量。目前,越来越多的企业在关注质量的同时也开始注重生产效率,上海爱知锻造公司在2006年投产的6300吨热模锻线大量采用了机器人代替人工操作,实现了最快生产节拍18秒/件。

在发达国家大型汽车零件模锻件大部分采用以多工位热模锻压机为主休的综合自动线,美国、德国、日本基本采用热模锻压力机取代原有的模锻锤,中小型模锻件采用多工位高速自动热镦机,最高速度达到4000-12000件/小时,而我国在多工位锻造、精密锻造等方面基本没有。企业劳动生产率较低,日本锻压行业全员劳动生产率为175吨/人.年,我国最具代表性的汽车锻造公司全员劳动生产率为50吨/人.年。我国锻造模具寿命方面普遍偏低,受材料、工艺设计、锻造设备、加热、润滑等因素的影响,我国热锻模具寿命一般在4000至6000件,而国外模具寿命在10000至15000件。模具寿命是影响锻压件成本的主要因素,提高锻模的寿命是我国锻造企业的共同使命。总体来看,我国的制造技术水平与发达国家的差距还很大。

四、 热模锻行业未来的发展趋势

21世纪的制造业,正从以机器为特征的传统技术时代,向着以信息为特征的技术时代迈进,即用信息技术改造和提升传统产业。经济全球化和世界市场一体化加速发展,不断加剧了制造商之间的竞争,提出了快速反应市场的要求,与之相适应,制造业对自动化技术及装备的要求更加迫切而强烈。同时,微电子技术和信息通信技术的快速发展,为自动化提供了重要的技术支撑,工业装备的数控化、自动化、柔性化呈现蓬勃发展的态势。当前的世界热模锻行业技术及装备发展主要体现在一下几个方面:

1、 注重产品的精细化设计,完善热模锻产品系列。目前大型热模锻压力机中国已经饱和,而中小吨位的设备需量大,市场信息很多,加快热模锻压力机的精细化设计,使产品如何更具柔性,以适应“及时生产”的要求是目前一个重要目标。压力机用户要求设备的所有控制功能集成化,从而实现全套工艺的菜单化管理,主要包括滑块行程调整、平衡器气压的调整、气垫行程调整,以及自动化控制系统等各个环节的参数设定,从而加强产品的竞争力。

2、 跟踪世界先进锻压技术,完善产品功能,实现产品创新。目前国内热模锻设备离合器和制动器均采用干式气动离合器,而德国已开始运用湿式液压离合器,并且在法士特50MN热模锻压力机、辽源160MN热模锻压力机已采用,模具的自动化夹紧已在设备上大量运用,这些是下一步急需完善的设计技术。

3、 适应配置步进梁生产的宽台面压力机。由于现代锻造生产节拍大大提高,步进梁在中小压力机上大量使用,现代化的热模锻压力机能够和步进梁实现完美匹配,同时满足实现锻造所需的所有步骤(压扁、预锻、终锻、切边、冲孔)。

4、 满足自动化生产线需要,研制生产线上的各种辅助设施。如对步进梁机械手进行研制,加大热模锻设备的覆盖面。对辊锻机机械手的优化设计,提高生产线节拍。

5、 热模锻压力机控制的集成化,可通过单一操作接口实现所有压机和模具的各项控制功能。包括故障诊断,故障分析及报警,并使设备的维修保养更加方便,而且明显增加压力机的有效工作时间。通过通讯实现异地压机运行监控,具有现场通讯网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式互联网络的现场总线技术,是热模锻控制技术的发展方向,对实现自动化具有明显的推动作用。

五、 结束语

我国热模锻压力机的快速发展必将推动我国装备走向世界,将对我国锻压事业的发展将产生重大的现实意义和深远的历史意义,同时将会带来巨大的经济效益。热模锻企业应缩小与先进国家的差距,为成为锻压强国而努力奋斗。