柱式多向模锻液压机的结构设计研究.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0l 2 1 2 0 1 1 0 1 0 0 2 5 0 4 柱 式 多 向模 锻 液 压 机 的 结 构 设 计 研 究 胡 明 杰 ，居 久 培 ，刘飞 扬 州 捷 迈 锻 压 机 械 有 限 公 司 ， 江 苏扬 州2 2 51 2 7 摘 要 本 文基于 石 油钻杆 接 头锻 坯 模锻 制造 的工 艺技 术 ， 提 出一 种新 型柱 式 多 向模锻 液压 机 主机及 液压 系 统 研 究设 计 方 案 。 关 键 词 机 床 设 计 ； 液 压 机 ； 多 向模 锻 ； 设 计 中 图 分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文 献 标 识 码 B 1前 言 多 向 模 锻 又 称 “ 多 柱 塞 模 锻 ”， 它 综 合 了 模 锻 和 挤 压 技 术 的 优 点 ， 克 服 了 传 统 锻 压 设 备 加 工 工 艺 的 收稿 日期 2 0 1 0 - 1 0 2 5 作者简介 胡 明杰 1 9 7 7 一 ， 男， 工 程师， 从事锻压机械设计研发 ．-4 -一 ．一 一一 r一 卜 --4 - ---4 - -一 卜 一 一一- 4 - - 一 _一 基 于 压 力 机 实 际 工 况 的 新 型 压 力 机 传 动 机 构 。 本 文 在 建 立 虚 拟 样 机 模 型 中 ， 引 入 了 滑 块 和 模 具 的 重 力 、 板材 成形 力 、 平 衡 缸作 用力 等 多种 因素 的影 响 ， 使 仿 真 过 程 及 结 果 更 接 近 实 际 工 况 。 优 化 设 计 后 的 三 角 肘杆 机构 在满 足滑 块快 速合 模 、下死 点保 压 和快 速 回程 的工 艺需要 的情 况 下 ， 能够有 效 降低 电机 功率 ， 从 而 降低 能源 消耗 。本压 力机 传 动机 构设 计优 化 方 法 ， 为 后 续 伺 服 压 力 机 所 需 的 特 殊 传 动 机 构 的 设 计 优 化提 供 了一个 有效 途径 。 【 参考 文献 】 局 限性 和效 率低 等 缺点 。 具 有锻 坯成 品 尺寸精 度 高 、 金 相 组 织 致 密 、 质 量 好 、 材 料 利 用 率 高 、 节 约 能 源 等 优 点 。 多 向 模 锻 可 以 加 工 其 他 锻 压 设 备 和 方 法 无 法 或很 难加 工 的形状 复 杂锻 件及 各种 无缝 管材 。 因此 ， 多 向模 锻 技 术及 设 备 在 国 内外 得 到 了迅速 的发 展 ， 现 已 由加 工 高强度 铝合 金 、 镍合 金 和钛合 金 ， 推 广应 [ 1 ] 吕 言 ， 周 建国 ， 阮澍 ． 最新伺服 压力机 的开发以及 今后的动 向【J J ． 锻压装 备与制造技术 ， 2 0 0 6， 4 1 1 l 1 1 4 ． [ 2 ] R． D u ， W． Z ． G u o ． T h e D e s i g n o f a N e w Me t a l F o r mi n g P r e s s Wit h C o n t r o l l a b l e Me c h a n i s m ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l De s i g n ． 2 0 0 3 9 ， Vo I ． 1 2 5 5 8 2 5 9 2 ． [ 3 】 莫健华 ， 郑加坤 ， 古嗣伸 裕 ， 吕 言． 伺服压力机 的发展 现状及 其 应 用I J 1． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 0 7 ， 4 2 5 1 9 2 2 ． 【 4 ] 孙友松 ， 周先辉 ， 黎勉 ， 等 ．交 流伺服压力机及其关键技术应用 l J 1． 锻压技术 ， 2 0 0 8 ， 8 l 一 8 ． 【 5 ] 莫健华 ， 张宜生 ， 吕 言， 等． 大型机械 多连杆式伺服压 力机的性 能与生产应用I J J ． 锻压装备 与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 4 4 5 3 5 3 9 ． The Si mul a t i o n a n d Opt i mi z a t i o n o f Tr i a ng l e To g g l e Ro d Tr a n s mi s s i o n M e c ha ni s m f o r Se r v o Pr e s s M O J i a n h u a， ZHANG Zh e n g b i n， L V Ya n， DU Er h u， HUANG Ha i b o S t a t e K e y L a b o f Ma t e r i a l P r o c e s s i n g a n d Di e Mo u l d T e c h n o l o g y ．Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n 4 3 0 0 7 4， Hu b e i Ch i n a Abs t ract A ne w ki nd of t r i angl e t og gl t e xt ．The v i r t ual pr o t o t ype o f t he mechani s r r a nd s i mul at i on o f ki nem a t i cs and dy na m i c i n flu e n c i n g f a c t o r s，we i g h t o f s l i de a nd d i e i n t he v i r t ua l pr ot ot y pe．I n t hi s wa y，t he t r i d i e s p e e d， p r e s s u r e-ma i n t a i n i n g i n b o t t o n Bes i des，t he nee d about t he powe r of mot o r K eyw ords Tr i ang l e Toggl e Ro d M e ch 用 到一般 钢材 、 有色 金属 和合金 ； 由大件 小批 量生 产 发展 到 中 、 小型 各类锻 件大批 量生 产 。 随着 对精密 锻 件需 求 的 日益增 长 ，中小型 多 向模 锻液压 机 得到 了 迅 速 发 展 。 本 文结合 石 油 钻杆 接 头锻 坯 制造 工 艺技 术 ， 提 出一 种新 型柱式 多缸多 向模 锻液压 机主 机结 构及液 压 系 统 设 计 方 案 。 2石 油 钻 杆 接 头 锻 坯 制 造 工 艺 石 油钻杆 接头是 石 油钻杆 的连接 体 ，在石 油钻 采 领域 中起着 非常 重要 的作用 。石油钻 杆 接头 的质 量 直接关 系到 钻采工 程 的质量 、 效率与 钻采 能力 ， 因 此 ， 对钻 杆接头 的力 学性 能要求 越来越 高 。 传统 的钻 杆 接 头 锻 坯 制 造 工 艺 技 术 的 缺 陷 已 严 重 限 制 了钻 杆 接 头的各项 性 能的提 高 ，而 石油钻 杆接 头锻 坯多 向 模 锻技术 可 以从 根本 上克 服传统 制造工 艺 的缺陷 。 2 ． 1石 油 钻 杆 接 头 锻 坯 制 造 工 艺 流 程 图 1 锻件生 产 流程 棒 材锯切 一 中频炉 加热一 预 成 形 制 坯 压 制 一 对 向 挤 入 成 形 一 冲 连 皮 ， 最 终 加 工 成石 油钻杆 接头 锻坯 。 其 中原材 料质量 、 下料 尺寸精 度 、 中频加 热温度 控制 、 制坯 预成形 、 对 向挤入 成形 、 冲连皮 、 热处 理 、 去 毛刺 等多个 环 节都 是影 响其 质量 的重 要 因素 ， 尤 以温 度控 制 、 制坯 预成 形 、 对 向挤 入 成形 、 热处 理 ， 最 为重要 。这里 仅就 对 向挤 入成 形 工 艺特 点进行 阐述 ，并提 出多 向模锻 液压机 结构 及液 压 系 统 的 特 殊 要 求 。 3 ． 1 满 足要求 的液 压机 的特点 为 满 足 石 油 钻 杆 接 头 锻 坯 的 性 能 和 多 向模 锻 工 艺 技术要 求 ， 液压机 应具有 以下 特点 机身应 具 有足 够 的 强 度 和 刚度 ； 应 具 有 较 强 的抗 偏 载 能 力 ； 水 平 滑 块 导 向结 构应 能保证 较高 的水平 运动 精度 ；液压 控 制 系统应 能保 证滑块 具有 较高 的位置 停止精 度及 可 控制 性 ； 液 压系统 具有 快速 和平稳 的响应 能力 ； 减小 因对 向挤 左右推 力不平 衡对 主机造 成 的冲击振 动 。 3 ． 2柱 式 结 构 多 向模 锻 液 压 机 结 构 设 计 3 ． 2 ． 1结 构 形 式 一 图 2 图 2 结构形式一 1 ． 主机身2 ． 水平机身3 ．水平运动缸4 ．水平滑块 5 ． 连接螺钉6 ． 公共底座 主机 身 1与水平机 身 2通过螺 钉 5固定 在公共 底 座 6上 ，此结 构对 于水平 运动缸 3侧 向进 给产 生 的水 平推 力通过 水平机 身 2传至公 共底 座 6上 。 由 于 水 平 机 身 2是 四 柱 式 结 构 ， 当液 压 机 工 作 时 左 右 I I 一 一 舀一 日一热 处 理 坯料 制坯 对向挤成型 冲连皮 图 i 石油钻杆接头锻坯制造工艺流程简图 2 ． 2对 向挤 入 成 形 工 艺 对 向 挤 入 成 形 工 艺 过 程 接 料 机 械 手 上 料 一 左 右滑块 同时进 给至 等待位一 主 上下运 动 滑块 快 下 一 主 滑 块慢 下 一 加 压 并 保 压 一 左 右 滑 块 快 速 进 给一 左 右滑块 同时工 进至行 程设 定位置 时保 压一 其 中一侧 滑块继 续工进 至设定 压力 值 P f一 左 右滑块 同 时 连 通 工 进 至 尸 1 3 MP a 一 保 压 一 集 中卸 荷 一 延 时 一 水 平 运 动 缸 3将 产 生 的合 力 作 用 在 水 平 机身 2上 ， 使 水平 机 身 2出 现张 口和 偏 移现 象 图 3 、 4 。 同样 在 冲头拔 出瞬 间 ， 总是 存 在 两侧 冲 头 先 后 拔 出 ， 此 时 水 平 机 身 2易 处 于 单 边 受 力 状 态 ， 会产生 强烈 的 冲击振动 。 这 将严重 影 响工件 精度 、 冲 头 使 用 寿 命 及 水 平 机 身 2与 公 共 底 座 6之 间 固 定 的 稳定性 。 3 ． 2 ． 2结 构 形 式 二 为解决传 统结 构形式 一存 在 的缺 陷 ，提 出复合 土 旦 一 一 { 、 1 1 L 』 f d ， l山1 一u ＼ ． I I I I 图 3 对向挤入水平机身出现张 口现象 a F 图 4 单边 受力水 平机 身出现偏 移现象 受 力导 向机 身结 构 图 5 。这一 结构 特 点有 1 结 构 由 公 共 底 座 6、 水 平 拉 杆 5及 相 应 螺 母 等 组 成 。公共 底 座 6采 用 C形 整体 焊 接 箱 型结 构 ， 当左 右水 平运 动 缸 8进 给产生 的侧 向合 力 作用 在公 共底 座 6上 ， 使公 共底 座 6开 口出现张 口趋 势 时 ， 结 构通 过 水平拉 杆 5及 相应 螺母 ，使 水平 机 身形 成一 d - 封 闭 的力 系 化 外 力 为 内力 ， 与传 统 分 体 式 底 座 结构 相 比 ， 稳 定性 得 到 了极 大提 高 ， 防止 了张 口和偏 移 问 题 出 现 。 E Il l ； l I 十一 1．41- I l I r I l J。 。 ’ I ‘ 。 I ／ I ． 一 I 二 I l ‘ 一 ●● ●● 彗 i 1 iI ] T ’ 。 。 l 们 l ．． ．． ／ ． 虱 图 5 结构形式二 1 ．维修 台2 ． 上横梁3 ． 主油缸4 ． 滑块5 ． 水平拉杆 6 ．公 共底座7 ． 水平 滑块8 ． 水平 运动 缸9 ． 前 后导 向支架1 O ． 左右导 向支架 2 由 于 传 统 三 梁 四 柱 式 结 构 的 立 柱 导 柱 刚 性 较 差 ， 承 受 偏 心 载 荷 能 力 较 低 ， 在 偏 心 载 荷 下 滑 块 与 工 作 台容 易 产 生 倾 斜 和 水 平 位 移 ，同 时 由 于 立 柱 导 柱 导 向面 磨损 后 不 能 调 整 和补 偿 ， 所 以滑 块 的 运 动精 度越 来越 低 。复合 导 向结 构在传 统 四柱 导 向 的 基 础 上 ，在 主 机 身 滑 块 四周 加 装 四 角 八 面 导 轨 与 水 平 机身 配合 图 6 ， 水 平 机 身 刚性及 稳 定 性 提高 ， 因 而 主 机 身 滑 块 能 承 受 较 大 的 偏 心 载 荷 。 这 就 提 高 了主滑块 的运动精 度 ， 提高 了零 件 的压 制精 度 ， 延长 图 6 复合导向结构 了模具 的使 用 寿命 。 3 ． 3独 立 驱动 的多缸 对 向 、 等 压 、 速 度 可 调 的 液 压控制 系 统 油 泵 电 机 组 1 、 左 水 平 运 动 缸 控 制 系 统 与 油 泵 电机 组 2、 右 水 平 运 动 缸 控制 系统 相 互独 立 ，并能 通过 左右 水平 运 动缸 连 通 块 实 现 相 互 连 通 图 7 。该 液 压 系 统 结 构 形 式 能 够 使 左 右 水 平 运 动 缸 独 立 设 置 进 给 压 力 、速 度 及 进 给 时 间 ， 以 满 足 两 端 不 同 尺 寸 、 形 状 的 锻 坯 零 件 的 挤 压 要 求 。 A2 B2 A2 B2 X3 B 3 A3 左水平运动缸 右水平运动缸 A3 B3 L 一 ．_ j 左水平运动缸连通块 集中卸荷块 左水平运动 缸控 制系统 右水平运动 缸控制系统 辅助控制 油泵电机组 1 油泵 电机组 2 油泵电机组 3 图 7 独立 驱动 的多缸对 向、 等压 、 速度 可调 的液压控制系统 金 属 多 向 热 模 锻 工 艺 有 其 特 殊 的要 求 ， 当 坯 料 进入 模腔 后 ， 需要 立 即进行 挤压 ， 使 工件 与模 具接 触 的 时间尽 可 能短 ， 以满 足其 成形 工艺 要求 。 这就要 求 两边 冲头 在快 速独 自完 成进 给后 ，能够 同步 快速 而 平 稳 地 回 程 。 为 此 ， 在 两 水 平 运 动 缸 加 装 了 通 径 相 匹 配 的 左 右 水 平 缸 连 通 块 及 集 中 卸 荷 块 ， 当 进 给 到 位 时 ， 左 右 水 平 运 动 缸 压 力 腔 先 连 通 加 压 3 MP a后 - 12 进 一 保 压 即 两 端 面 “ 拍 ” 一 下 ， 保 证 工 件 端 面 的 几 何 形 状 一 打 开 卸 荷 阀 集 中 卸 荷 一 延 时 到 设 定 时 间 后 4 ／, p 和 c形 机 身 拉 杆 过孔 之 间存 在 间 隙 ，是相 互 独 立 的 ，而 且水平 拉杆相 对 于整体 闭式焊接 机 身 的刚性 要 差 ， 在 对 向进 给 产 生 的侧 向力 作 用 下 ， 主 机 身 滑 块 与 水 平 机 身 间 会 产 生 微 量 间 隙 ； 此 外 热 加 工 时 ， 主 机 身 受 热 会 产 生 微 量 变 形 ， 由于 复 合 导 向 结 构 的导 轨 间隙不 易调整 ， 所 以机身稳 定性 相对较 差 。因此 ， 减 小 由此 产生 的窜动及 振动 ，提高 精度及 稳定 性是 需 要 进 一 步 重 点 解 决 的 技 术 难 题 。 三 梁 四 柱 式 和 C形 两 柱 式 结 构 机 身 的 最 大 弱 点是承 受偏载 的能力 较差 ，如采 用整体 板 框式结 构 将 会使 机身受 力情况 得 到显著改 善 图 8 。 斜楔式 斜楔式 x导轨 图 8 整体板框结构机身 1 ． 垂直机身2 冰 平机身3 ． 水平运动缸 调整楔块 图 9 斜楔式调整结构 水 平机 身 2在 左右 两侧水 平运 动缸 3加 压对挤 状 态 下 ， 通 过 斜 楔式 调 整 结 构 图 9 给垂 直 机 身 1 进 行 预 紧 定 位 。 吸 振 垫 片 将 对 向挤 入 成 形 工 艺 过 程 中 由 于 侧 向 力 的变 化 产 生 的 冲 击 能 量 吸 收 ，起 到 缓 冲 减 振 作 用 。 同 时 垂 直 机 身 x 型 导 轨 调 整 结 构 与 复 合导 向结构 相 比 ， 更适合 热加 工成形 工艺 。 5 结 束 语 本 文 对 石 油 钻 杆 接 头 锻 坯 对 向 挤 入 成 形 工 艺 特 点进行 了阐述 ，并 针对 其成形 工艺 特点 提 出了新 型 柱 式 多 向模 锻 液 压 机 设 计 结 构 。此 设 计 结 构 在 生 产 过程 中取 得 了非常 好 的应用 效 果 图 1 0 ， 不仅 成 品 锻件 尺 寸精 度 高 ， 材料 利 用率 高 ， 废 品率 低 ， 而且 能 耗小 ， 符合 当前 的低碳 经济要 求 。 图 1 O 石油钻杆接头锻坯成 品 【 参 考文献 】 [ 1 ] 帅长红 ， 主编． 液 压机设计 、 制造新工艺新技术及 质量检验标 准 规范． 北京 北方工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 天津锻压机床厂． 中小型液压机设计计算． 天津 天津人民出版 社 ， 1 9 7 7 ． [ 3 ] 陈胜涛．闭式框架机身压力 机的滑块导 向结构 f J 1 _ 锻压 机械 ， 1 9 9 2 ， 2 7 1 1 O l 6 ． [ 4 ] 杨吉 吉， 朱学军． 探讨锻压机 械液压系统 中的二通插装 阀回路 ． 锻压装备与制造技术．2 0 0 8 ， 4 3 3 2 4 2 6 ． 【 5 ] 张元越 ， 陆红． 液压机滑块的结构设计及计算锻 压装备与制造 技术 ．2 0 0 9 ， 4 4 4 3 9 - 4 1 ． S t ud y o n S t r uc t ur a l De s i g n o f M u l t i -r a m Di e - f o r g i n g Cy l i nd r i c a l Hy d r a ul i c Pr e s s HU Mi n g j i e ， J U J i u p e i ， L I U F e i Ya n g z h o u J FMMRI Me t a l f o r mi ng Ma c h i n e r y Co ． ，L t d． ， Ya n g z ho u 2 251 2 7，J i a ng s u Chi na Ab s t r a c t B a s e d o n b l o c k i n g d i e f o r g i n g p r o c e s s o f t i e - i n f o r p e t r o l e u m d r i l l p i p e ，a n e w d e s i g n p r o j e c t o f ma i n hi n e a nd h y d r a ul i c s y s t e m fo r mu hi r a m d i e f o r g i n g c y l i n dr i c a l h y dr a ul i c p r e s s ha s b e e n d e s i g n e d． K eywor ds H y dr aul i c pr es s；M ul t i r a m di ef o r gi ng；De s i g n