100MN大型油压机的设计与研究

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(1) 由于压机斜置,使得双柱式压机比四柱压 机有更宽阔的操作视野 (见图 2)。
因此,双柱斜置上传动形式更符合用户对 100 MN 锻造油压机的要求,本文压机最终采用双柱、 斜置、上传动、多拉杆结构 (见图 4、表 1)。
图 4 100 MN 锻造油压机效果图
表 1 压机主要技术参数表
机架斜置角度 (°)
1 根拉杆的预紧力 (MN);lA—拉杆计算长
度 (mm); EA—拉 杆 的 弹 性 模 量 (MPa); FA—拉杆的截面积 (mm)2 。
通过计算和有限元模拟,我们得到了不同预紧
系数下立柱与上、下横梁接触面的局部开缝情况
(见表 3)。由于预紧力的存在,上横梁、立柱、下
横梁能组成一个整体;由于有一定量的预紧力的存
mm/s 之间。 (4) 能满足 10 m 直径环件的锻造需求。 (5) 马杠锻造在公称压力下进行。 (6) 锻件尺寸精度±2 mm。 在上述的要求中,等温模锻速度达到了国际同
类压机水平,锻件尺寸精度±2 mm,这对压机设 计、制造、控制提出的新要求,为达到上述目标, 需要开发出锻件尺寸自动补偿系统[2]。
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动;下横梁安装在基础梁上,基础梁通过地脚螺栓 和锚板与压机基础相连。该压机设计重点:压机的 斜置角度,多拉杆的数量和布置形式,新型铸造上 横梁及组合式下横梁的结构等。
2.1 斜置角度的确定
斜置角度指的是:两立柱的中心连线与工作台 移动方向垂线的夹角,如图 3 中的 α 角,它是斜 置式压机最重要的几个参数之一。在同等条件下, 斜置角度越大,压机立柱近内角之间的空挡越大, 如图 3 的 L 值 (剖面线部分)。开裆距离越大,操 作者的操作盲区越小;在工作台宽度为定值的情况 下,斜置角度增加的同时下横梁沿工作台移动方向 尺寸也必须增加,造成下横梁变大和本体重量增 加,而无论是体积还是本体重量,都是制造、加 工、运输中受到严格限制的参数。正是由于上述的 原因,大吨位的双柱斜置式压机的斜置角度都在 30°以内,小吨位的斜置式压机斜置角度最多可达 35°[3]。经过数值的比较和分析,在满足工艺要求的 前提下以压机本体重量和受力状态为主要考核指 标,该 100 MN 油压机的斜置角度最终定为 30°。
2010 年,我公 司 承 担 了 国 家 重 大 科 技 专 项 “高档数控机床与基础制造装备”项目,该专项的
目标是“到 2020 年航空航天、船舶、汽车和发电 设备制造所需设备的高档数控机床与基础制造装 备 80%以上立足国内”。锻造液压机则是广泛应用 于上述四大领域的不可缺少的装备。大型、特大 型锻造设备及自主研发能力是一个国家综合国力 的重要标志。近年来,大型、特大型锻造设备的 迅猛发展与我国航空航天的发展优有着密切的关 系[1]。2012 年,我公司承担了某公司 100 MN 锻造 油压机的研发、制造合同,本文就 100 MN 锻造油 压机的设计研发中的难点和创新点进行介绍。
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锻造液压机
四柱液压机 双柱液压机
四柱上传动 四柱下拉式 双柱上传动 双柱下拉式
单壁液压机
图 1 锻造压机结构分类
(斜置)、双柱下拉式 (斜置) 之间选择。受设备所 在地地质特征的限制,需要较深基础的下拉式压机 因造价过于昂贵被排除;无论是四柱液压机还是双 柱液压机,都能实现镦粗、扩孔、V 砧锻造、马杠 锻造等传统的锻造工艺,配有专用液压回路的压机 还能实现快速锻造等工艺。随着近年来锻造自动化 的不断提高,新的压机大多具有与锻造操作机联动 的功能,在这些方面四柱压机与双柱压机没有大的 区别。四柱上传动压机与双柱上传动压机主要的区 别如下:
自由锻是一种伴着随强烈冲击的生产工艺,在 锻造的过程中,冲击载荷将作用在框架上。因此, 大型自由锻压机横梁的制造材质首推铸钢。以往上 横梁多采用箱型结构,此种结构在模型制造、钢水 浇注、铸后清砂、检查探伤等工序中都存在很多的 困难;为了克服以上的不足,简化生产工序,出现 了单厚壁铸造式结构。它是将以往多层薄立筋合并
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10.3969/j.issn.1673-3355.2014.05.002
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100 MN 大型油压机的设计与研究
郝铁文 1,殷文齐 1,宋清玉 2,王小红 3,宇小青 4
摘要:对 100 MN 双柱斜置式锻造压机的项目来源、压机特点、设计过程进行描述,着重介绍压机的选型、压机 斜置角度、多拉杆的布置形式、中间分体组合式下横梁等方面的设计思路和过程。 关键词:液压机;双柱斜置;中间分体;单厚壁;多拉杆 中图分类号:TG315.4 文献标识码:A 文章编号:1673-3355 (2014) 05-0002-04
1.2 压机机型的选择
锻造液压机按传动介质分为水压机和油压机, 两种压机在机械本体上无大的差别 (见图 1)。
依据该用户对压机的具体要求,100 MN 油压 机的本体结构形式只能在四柱上传动、双柱上传动
项目名称:“重型锻压装备与工艺创新能力平台建设”科技重大专项 项目编号:2010ZX04017-013 1. 一重集团大连设计研究院有限公司高 级工程师,辽宁 大连 116600;2. 一 重集团大连设计研究院有限公司研究员 级高级工程师;3. 一重集团大连设计研 究院有限公司工程师;4. 一重加氢公司 工程师,辽宁 大连 116113
预紧力是将上、下横梁连同立柱预紧组成一个
封闭受力框架的内力,其值大小关系着压机的使用
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寿命和制造成本。在早期的相关计算中,大多把上
横梁假想为一个不变形的刚性体。后期通过研究在
考虑横梁弯曲变形的基础上摸索出了“真预紧曲
线”,此理论为锻造液压机的预紧计算提供指导性
的意见[5]。多拉杆结构总预紧力计算与单拉杆相
表 3 局部开缝值对比
预紧 序号
系数
1 1.5 2 1.6 3 1.7 4 1.8
立柱与上横梁
开缝长 (mm)
开缝值 (mm)
166
0.069 4
150
0.046
20
0.011
0
0
立柱与下横梁
开缝长 (mm)
开缝值 (mm)
210
0.075 8
200
0.047
90
0.018 5
0
0
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2.2 拉杆的数量与布置
依据每根立柱里拉紧螺栓的数量,双柱式锻造 压机可分为单拉杆、双拉杆和多拉杆 (见表 2)。
表 2 双柱斜置压机拉杆典型布置
单侧拉杆数量 1 8
设备能力 70 80
设计单位 SMS MEER 太原重工
使用厂家 北满特钢 太原重工
5
100
日本三菱
长崎锻造
16
185
PAHNKE
中信重工
近年来,双柱斜置式压机的拉杆数量有增加趋 势,多根拉杆与单拉杆相比有以下的优势:
(1) 每根拉杆的直径减小,可采用高强度合金 钢棒材直接加工,芯部质量比大直径锻件好,两端 加工螺纹后可直接使用,中间不需加工。
(2) 辅助工具较大直径拉杆简单,成本低。 (3) 小直径拉杆对零件加工误差在螺纹根部产 生的弯曲应力小,拉杆使用寿命长[4]。 (4) 多拉杆体系中一旦其中一根发生松动,压 机不需马上停机检修,压机仍可继续工作。 依据本台压机的结构形式特点,最终采用了 8 拉杆结构 (图略)。
同,但每根拉杆的预紧力和预紧顺序是不同的。
ΔlAi-1-ΔlAi=
!Pi-1-Pi "lA EAFA
×106
!!!!! (1)
式中,ΔlAi—在 Pi 力作用下拉杆的伸长量(mm);
ΔlAi-1—在 Pi-1 力作用下拉杆的伸长量 (mm);
Pi—第 i 根拉杆的预紧力 (MN);Pi-1—第 i-
径直环件的锻造 (见图 3)。
图 3 10 m 环工位图
(3) 锻造天车更容易接近双柱式压机。 (4) 双柱式压机更便于锻件的放入及取出。
100 MN 锻造油压机采用三梁两柱预应力组合 框架结构,压机斜置。整体铸造的上横梁、立柱与 分体组合式下横梁通过多根拉紧螺栓、螺母预紧组 合成一个封闭的受力框架,由框架承受压机全部的 工作载荷。三个等径的工作缸用螺栓把合在上横梁 上,工作缸柱塞通过双摇杆与活动横梁上面的球面 垫相连,传递工作载荷;活动横梁采用分体把合 式,两侧的外套通过超级螺母、双头螺柱与动梁中 间体把合,运动精度调整装置安装在动梁外侧的 上、下两面;活动横梁内安装有四套上砧夹紧装 置,碟簧夹紧液压松开,在碟簧力的作用下活塞带 动 T 型头连杆将上模具固定在活动横梁下面的上 砧板上;整体铸造式工作台下面安装有耐磨板,耐 磨板与安装在下横梁上表面的滑板贴合,移动工作 台可在两侧驱动缸的作用下沿压机轴线前后移动; 下横梁上安装有两套工作台锁紧装置,用来对移动 工作台精确定位;回程缸安装在下横梁的对角,回 程缸柱塞通过双球面垫结构与活动横梁的外套把 合;下横梁的前、后半体通过上、中、下三组螺栓 预紧成一个整体,前后附梁通过止口定位和把合螺 栓与下横梁组合体连接,移动工作台可在其上滑
2.4 中间分体组合式下横梁
下横梁是机架和基础的连接部件,也对整台压 机的稳定性起着至关重要的作用。下横梁是锻造压 机中最大、最重的部件,因其大尺寸、大重量的特 点,下横梁的设计一直是锻造液压机中的难点。
双柱斜置式压机的下横梁形状不规则、受力复 杂、不易作定量的计算。为了保证压机的可靠性和 使用寿命,双柱斜置式压机的下横梁 (辅梁除外) 多采用整体铸造结构。由于双柱斜置式压机下横梁 的立柱连线与工作台移动方向成一定斜角,导致下 横梁几何外形尺寸和工件自身重量都有增加,此种 情况往往导致工件在生产运输过程中的超宽和超 重,压机的成本大幅增加。基于上述原因,双柱斜 置式压机的吨位一直在 70 MN 以下。一旦超过这 个值,下横梁的设计将非常困难。100 MN 油压机 不但工作台长度尺寸大,而且马杠锻造需在公称压 力下进行 (一般为公称压力的 60%),此要求无形 中为下横梁的定型和设计带来了额外的困难。
在,上横梁、下横梁不会与立柱产生平移性开缝;
当预紧系数达到一定数值后,上横梁、下横梁将与
立柱完全贴合,即使在满负荷工况下也无开缝。
100 MN 油压机最终的预紧力约 140 MN,通过计算
和模拟,在同等预紧力的前提下,8 拉杆的的计算
结果优于 7 拉杆,此结果也是本台压机选取 8 拉杆
的重要依据。
2.3 铸造横梁结构
公称压力 (MN)
活动横梁行程 压机开口度
(mm)
(mm)
30
100
2 600
6 000
立柱横向内侧 净空距 (mm)
移动工作台 系统最大工作 尺寸 (mm) 压力 (MPa)
3 700
2 800×7 000
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2 本体结构
(a) 双柱斜置
(b) 四柱式
图 2 操作视野比较图
(2) 由于压机自身的特点,双柱压机更适合大
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成单层厚壁立筋,取消了多层立筋之间狭小的型 腔,在保证了横梁刚度和强度的同时,大大降低了 制造难度。由于此种横梁的前后截面与立柱前后方 向尺寸相当,因而尤其适用于双柱式锻造液压机, 国内新建双柱锻造液压机的上横梁多采用此种结构 (图略)。
1 设备选型
1.1 压机功能描述
为了适应新的市场需求及满足新工艺的需要, 某公司决定新增一台 100 MN 自由锻造油压机。为 了满足新工艺的需求并同时兼顾传统的锻造工艺,
新的 100 MN 锻造油压机需满足以下几个要求: (1) 具有宽阔的操作视野。 (2) 具备自动功能且能与无轨操作机实现联动
操作。 (3) 具备等温模锻功能,锻造速度在 0~0.05
Design & Study of 100 MN Oil Press Hao Tiewen,Yin Wenqi,Song Qingyu,Wang Xiaohong,Yu Xiaoqing
Abstract: The paper discusses the project source, characteristics and design of presses and focuses on the type selection, inclination angle determination, multi-link arrangement and split-type isolator design. Key words: hydraulic press;two inclined columns;single-wall thickness;multi-link
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