文/夏巨諶·華中科技大學(xué)

螺旋壓力機(jī)的噸位選擇與多模膛設(shè)計(jì)

文/夏巨諶·華中科技大學(xué)

本文在闡述螺旋壓力機(jī)的力能關(guān)系及其噸位計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了噸位選擇的兩條基本原則；在對(duì)螺旋壓力機(jī)抗偏載能力進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了螺旋壓力機(jī)進(jìn)行多工序模鍛時(shí)，其多模膛設(shè)計(jì)（即位置的合理布置）的兩種方式。

螺旋壓力機(jī)的力能關(guān)系

由各種螺旋壓力機(jī)的工作原理可知，螺旋壓力機(jī)工作負(fù)荷的特點(diǎn)與錘類(lèi)設(shè)備工作負(fù)荷的特點(diǎn)相同或相似，屬于動(dòng)載特性。螺旋壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)部分（飛輪、螺桿和滑塊或飛輪和螺桿）在傳動(dòng)系統(tǒng)作用下，經(jīng)過(guò)規(guī)定的向下驅(qū)動(dòng)行程所蓄存的能量為ET。

在鍛擊終了時(shí)，滑塊速度等于零，運(yùn)動(dòng)部分的能量ET轉(zhuǎn)化為工件加壓成形所需的變形能EP；螺旋壓力機(jī)受力零件的彈性變形能量Ed；克服運(yùn)動(dòng)部分的機(jī)械摩擦所消耗的能量Ef。

帶有摩擦式過(guò)載保護(hù)裝置的螺旋壓力機(jī)的力—能關(guān)系曲線及能量分配情況，如圖1所示。曲線1為沒(méi)有過(guò)載保護(hù)裝置的力—能關(guān)系曲線，曲線2為有過(guò)載保護(hù)裝置的力—能關(guān)系曲線。圖1中a點(diǎn)相應(yīng)于飛輪與摩擦盤(pán)開(kāi)始打滑，打擊力達(dá)到公稱打擊力PN或PM（PN=b）的點(diǎn)；c表示許可打擊力，一般可控制在公稱打擊力的0.9～1.6倍；Pmax表示冷擊力，一般控制在公稱打擊力的2倍；Ef為壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)部分所消耗的摩擦能，Ecd為機(jī)身和受力零件彈性變形所消耗的能量；EP為鍛件塑性變形所吸收的能量；Ec為摩擦盤(pán)與飛輪打滑時(shí)所消耗的摩擦能量。由圖1可知，當(dāng)螺旋壓力機(jī)的打擊能量ET一定時(shí)，EP也一定，所以打擊時(shí)的作用力PX與鍛件的變形量s成反比，與機(jī)身、螺桿的剛度成正比。

螺旋壓力機(jī)的噸位選擇

由圖1分析可知：鍛件的變形量s越小，打擊時(shí)的作用力PX越大，而打擊時(shí)所需的變形力越大，鍛件所吸收的能量EP反而越小，這時(shí)大部分能量消耗于模具和機(jī)身的彈性變形，增加了模具和設(shè)備的磨損，并產(chǎn)生大的噪聲；當(dāng)s=0時(shí)，其打擊能全部被機(jī)身和零件的彈性變形所吸收，此時(shí)PX達(dá)到最大值，稱為冷擊力。所以，螺旋壓力機(jī)兼有錘與機(jī)械壓力機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于變形量較大的鐓粗、擠壓等工序可提供大的變形能量；對(duì)于變形量小的精壓等工序則可提供大的工作壓力。

螺旋壓力機(jī)上模鍛時(shí)的作用力—行程曲線如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)打擊力Pmax大于鍛件需要的變形力PP（圖2a）時(shí)，鍛件成形后還有大量的剩余能量被設(shè)備和鍛模所承受，這會(huì)引起設(shè)備和模具加速磨損甚至損壞等不良后果。當(dāng)工作行程sp正好等于鍛件的變形量s（s1為滑塊行程，s2為鍛件、機(jī)身及模具的彈性變形行程），或者鍛件的成形力正好等于打擊力時(shí)，則鍛件成形后設(shè)備沒(méi)有剩余能量，如圖2b所示，這是最理想的情況。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要的變形力選用螺旋壓力機(jī)噸位，或根據(jù)需要合理調(diào)節(jié)螺旋壓力機(jī)的能量。

基于以上分析，可以得出螺旋壓力機(jī)噸位選擇的兩條基本原則：

⑴對(duì)于水平投影面積較大而高度尺寸小乃至很薄的鍛件的開(kāi)式模鍛，應(yīng)以成形力為主來(lái)選擇壓力機(jī)的噸位。

⑵對(duì)于以鐓粗、擠壓為主要變形方式的閉式模鍛，因變形量較大，應(yīng)在計(jì)算其成形力的基礎(chǔ)上，計(jì)算所需的成形能，根據(jù)成形力和能都能滿足的條件選擇壓力機(jī)的噸位。

圖1 摩擦壓力機(jī)力—能關(guān)系曲線及能量分配圖

抗偏載能力分析

為了正確使用各種類(lèi)型的螺旋壓力機(jī)，有必要對(duì)其承受偏載的能力進(jìn)行分析。根據(jù)各種螺旋壓力機(jī)的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際使用情況來(lái)看，承受偏載能力的主要影響因素是滑塊的高度L與寬度B之比K=L/B的大小和導(dǎo)向精度即滑塊與導(dǎo)軌的間隙δ的大小。

對(duì)國(guó)產(chǎn)螺旋壓力機(jī)的K值統(tǒng)計(jì)：摩擦壓力機(jī)系列（1MN～25MN）K1=0.95～1.05；電動(dòng)螺旋壓力 機(jī) 系 列（1.6MN～25MN）K2=1.22～1.38；滑塊采用導(dǎo)軌和圓筒組合導(dǎo)向的電動(dòng)和離合器式螺旋壓力機(jī)K=1.51～1.73。

這三種螺旋壓力機(jī)的滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了比較三種螺旋壓力機(jī)承受偏載的能力，假設(shè)在它們的公稱壓力、滑塊寬度、機(jī)身剛度及滑塊導(dǎo)向面與機(jī)身導(dǎo)軌之間的間隙均相同的條件下，當(dāng)承受同樣的偏心載荷時(shí)，滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌傾斜的角度r則可表示承受偏載的能力，即r角越大，承受偏載的能力越差。

圖2 螺旋壓力機(jī)力一行程曲線

圖3 三種螺旋壓力機(jī)的滑塊導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

圖3很直觀地表明：對(duì)于摩擦壓力機(jī)而言，因K值小，滑塊高度L小，滑塊導(dǎo)向面同機(jī)身導(dǎo)軌接觸長(zhǎng)度小，因此，當(dāng)滑塊承受偏心載荷P時(shí)，其中心線相對(duì)于垂直線即相對(duì)于導(dǎo)軌的傾斜角度就大，表明承受偏載的能力?。▓D3a）。

對(duì)于電動(dòng)螺旋壓力機(jī)而言，因K值越大，滑塊高度L大，滑塊導(dǎo)向面同機(jī)身導(dǎo)軌接觸長(zhǎng)度長(zhǎng)，因此，當(dāng)滑塊承受偏心載荷P時(shí)，其中心線相對(duì)垂直線即相對(duì)于導(dǎo)軌的傾斜角度就小，表明承受偏載的能力強(qiáng)（圖3b）。

對(duì)于具有導(dǎo)軌和圓筒雙重導(dǎo)向的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)而言，因K值更大，滑塊高度L更大，滑塊導(dǎo)向面的接觸長(zhǎng)度更長(zhǎng)，因此，承受偏載的能力更強(qiáng)（圖3c）。不難看出，在上述假設(shè)條件下，螺旋壓力機(jī)承受偏載的能力的規(guī)律是，隨著K值的增加，承受偏載的能力不斷增強(qiáng)。

但隨著K值的增大，滑塊導(dǎo)向面同導(dǎo)軌的接觸長(zhǎng)度隨之增長(zhǎng)，則其相對(duì)間隙值大為減小，這必然使制造和安裝調(diào)試成本增加。因此，在選用螺旋壓力機(jī)時(shí)，除了遵循上述規(guī)律外，還應(yīng)在保證鍛模設(shè)計(jì)時(shí)模膛的布置與壓力機(jī)承受偏載的能力要相符。

多模膛位置設(shè)計(jì)

多模膛位置設(shè)計(jì)主要是指模膛位置的合理布置。

⑴摩擦壓力機(jī)上多模膛布置。

由于摩擦壓力機(jī)承受偏載的能力差，故一般只采用單模膛模鍛，當(dāng)需要采用預(yù)鍛和終鍛兩個(gè)模膛模鍛時(shí)，其經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是：兩個(gè)模膛分布在螺桿中心線的兩邊，兩個(gè)模膛中心線間的距離為a/b≤1/2，且a+b≤D/2，如圖4所示。

⑵電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)上多模膛布置。

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)和離合器式螺旋壓力機(jī)承受偏載能力大為提高，但必須注意只有中心打擊時(shí)才能采用公稱壓力的1.6倍，即1.6Pg，而在偏離螺桿中心線時(shí)，其打擊力應(yīng)相應(yīng)減小。圖5為鍛造力同螺桿直徑與滑塊尺寸的關(guān)系曲線，它是根據(jù)相關(guān)廠家生產(chǎn)實(shí)踐及我國(guó)引進(jìn)國(guó)外大型螺旋壓力機(jī)時(shí)供應(yīng)商提供類(lèi)似資料綜合繪制的，可為多模膛模鍛時(shí)模具設(shè)計(jì)提供參考。

多模膛布置可采取如下兩種方式：

⑴將壓扁、彎曲和預(yù)鍛等成形力小和較小的模膛布置在螺桿中心線的兩旁，成形力大的終鍛模膛中心線與螺桿中心線重合或偏離很小，例如，連桿或具有彎曲線和復(fù)雜橫截面的長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件可采用這種方式來(lái)布置。

圖4 摩擦壓力機(jī)上預(yù)鍛與終鍛模膛的布置

圖5 鍛造力與螺桿直徑及滑塊尺寸的關(guān)系

⑵基于預(yù)鍛和終鍛工步變形量相等或接近而所需成形力與能相等或接近的工藝設(shè)計(jì)，可將鐓粗、預(yù)鍛和終鍛模膛沿螺桿直徑自左至右均勻分布，這種方式適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盤(pán)狀齒輪和餅盤(pán)類(lèi)鍛件的開(kāi)式和閉式模鍛。