25MN自由锻造压机设计.docx
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25MN自由锻造压机设计
摘要
近些年来，随着人类进步的步伐加快，汽车、化工、钢铁、航天航空等各行各业都在不断地创新发展着。
为了适应科技和信息化时代的发展趋势和市场需求，锻造行业在国防安全和国民经济中有着举足轻重的影响和地位，是衡量一个国家的国防实力、经济实力、技术水平、制造能力的指向标，因此无论发达国家还是发展中国家都应该极其重视自由锻造压机的成长发展。
现在我国虽有许多锻造压机，但其中也有很大一部分是技术落后的传统压机，其不仅锻造速度慢还浪费材料消耗能源，要怎样提高我国大锻件的制造能力呢？
这就势必要不断深入了解研究、开发研制新型结构的，才能使得自由锻造压机的锻造速度以及锻造出来零件的尺寸精度达到其所要求的范围，从而获得良好的产品质量、生产效率、材料利用率以及成本。
在结合和查阅了大量资料后，本论文主要介绍了自由锻造压机的现状、发展历程及国内外自由锻造压机今后的发展趋势，简单说明了自由锻造压机的特点及其基本参数，并且提出了本课题25MN自由锻造压机的来源及意义；然后重点研究了本课题25MN自由锻造压机本机的工作原理和其主要结构设计，在实际设计改造自由锻造压机的进程中，旺旺一个参数的大小发生微弱的变化就有可能引起机组性能的变化，因此我们必须由理论结合实际针对关键技术特点进行研究分析；进而对其零部件（如液压缸、立柱、横梁、螺柱螺丝等）进行了详细的计算设计并必须要实行缜密的校核才能确定下一个零部件的尺寸大小及其位置关系。
关键词：
锻造，25MN自由锻造压机，油压机，液压缸，立柱，横梁的计算校核
ABSTRACT
Inrecentyears,withthefastpaceofhumandevelopment,greatimprovementsarealwaysbeingmadeinthoseindustries,includingautomobileindustry,chemicalindustry,steelindustry,spaceandaeronauticsindustryandetc..Tocomplywiththedevelopmenttrendsininformationandtechnologyandtorespondtothemarketneeds,forgingindustryhasplayedadecisiveroleinnationaldefensesecurityandnationaleconomy.Italsomeasuresacountry’snationaldefensecapability,economicstrength,technologicallevelandmanufacturingcapability.Thus,acountry,whetheradevelopingcountryoradevelopedone,mustattachgreatimportancetothedevelopmentoffreeforgingpress.Atpresent,therearemanykindsofforgingpressinourcountry,butamajorityofthosemachinesaretraditionalonesthatlagbehindintechnology.Thosetraditionalpressingmachinesnotonlyareslowinforgingspeedbutalsoconsumealotofmaterialsandenergy.Theonlywaytoimprovethecapabilityofmanufacturingheavyforgingsistomakeadeepresearchandcreatemachinesinnewstructure.Onlybydoingso,theforgingspeedandthesizeofthosemanufacturedpartswillbeintherequiredlimits.Asaresult,productsingoodqualitywillbeproduced,productionefficiencywillbeimproved,materialutilizationwillbeincreased,andthecostwillbereduced.
Withthehelpoflargeamountofmaterialsinforgingpress,thisessaymakesanintroductioninthestatusquooffreeforgingpress,thehistoryofitsdevelopmentanddevelopmenttrendsbothathomeandabroad.Thisessayalsoillustratesthecharacteristicsandbasicparametersoffreeforgingoilpress.Afterexplainingtheoriginandthesignificanceofthe25MNfreeforgingoilpress,theauthorfocusesresearchonitsworkingprinciplesandthemainstructuraldesign.Intermsofrealstructuraldesign,tinychangesinparameterswillprobablyleadtothechangesintheperformanceoftheunit.Thus,thedesignersmustputtheoryintopractice,doresearchanalysisonkeyskillsanddodetailedcalculationandverificationonspareparts（suchashydrauliccylinder,column,beam,screwandnut）beforetheydeterminethesizeandlocationofthenextsparepart.
Keywords:
forging,25MNfreeforgingoilpress,calculationandverificationofhydrauliccylinder,columnandbeam
1绪论
锻造是现代工业的支柱，它对一个国家的工业、农业、国防和科学技术所能达到的高度，影响很大。
从美国的世界第一台12600吨的自由锻造水压机在1893年建成以来，作为一个国家的国防实力、经济实力、技术水平、制造能力的象征，中、大型的高强度零件锻造的核心装备地位一直被自由锻造级压机所占据着。
它的工作介质是高压液体，并用以传递工作压力来完成一系列锻造技术就是自由锻造压机的工作形式，能适用于钢锭的锻造，为汽车、机械、电力、化工、航天、造船、汽车和军工等行业提供各类大小型锻件[1]。
1.1自由锻造压机概述
自由锻造压机的控制技术和传动方式随着科技的进步在日新月异地变化着。
在以前世界各地大多采用水泵---蓄势器传动系统，工业迅速发展以后，大流量高压油泵、计算机化液压控制元件、系统慢慢步入了工业常用的应用领域，为锻造压机的技术进步奠定了飞跃性的重要基础。
在这之前一直以来都沿用着水泵---蓄势器传动，随着经济科技的发展它渐渐被新一代自由锻造压机所采用的是油泵直接传动的全液压控制系统所取代，虽然这项科技技术发达国家早在二三十年前就已经应用在自由锻造压机上。
在中国航空、军工、石化、船舶、冶金、铁路、汽车等需要锻件的行业工厂的加工车间，都广泛运用了油泵站制动装置，其数量大大超越了水压机，因为油压控制系统显然更适用于很多制造工艺上的采用。
大自然中的优胜劣汰的生存模式在锻造加工领域也是不可免的。
根据相关统计数据表明，目前自由锻造压机在中国就有多达200台以上，但在其中25MN以上吨位级别的高新自由锻造压机只有20多台，也是最近几年来新增加的，为了加快工业进程，当然还有为数不少的新一代自由锻造压机还在继续增加。
只有几台依旧沿用了之前水泵---蓄势器传动系统，虽是沿用但也在原有系统上加以利用和改造。
绝大部分压机都运用了油泵直接传动或油泵---蓄势器传动系统的全液压控制系统，因为相比油压机，水压机有锻造车间能耗高；成套的技术装配效率不高；要针对变更的模具花费时间多；锻件尺寸精度和生产效率低等缺点，此外自由锻造油压机还能配置先进的机械化辅助装置和全液压轨道式锻造操作机。
这些举世瞩目的成就能充分体现了巨大的技术能力进步在装备制造行业，为了更能较大地提高了大型锻件的生产创造的能力，我国的压机在短短的时间内不仅在其的性能级别、制造量和装配层次达到了前所未有的等级，并且对其制造的质量要求严格和技术含金量高的产品已经完全足够代替从外引进的锻件，使中国的锻件产量遥遥领先与世界各国，世界大锻件生产大国行列有了中国的一席之地[2]。
仍然不能忽视的一点是，还有许多压机是20世纪初制造的。
这些锻造压机的结构大都是传统的三梁四柱式，传动形式也是水泵传动，其设备精度差、技术水平低、横梁开裂、力柱断裂、液压缸法兰部分损坏的事故常常发生，并且它的水资源浪费现象严重，无功功率损耗消耗很大，操控水平落后。
为了锻造装备事业的技术水平的发展，符合锻件制造的经济性需求和高科技化的生产车间，更新原本压机的结构构造、创新研发新型结构和传动方式、相应的配套措施和操作系统的技术答革命，以便减少消耗能量、满足加工技术要求和便于装备的日常维护和修理，来最终完成锻件制造成形是一个必然的前进发展需要[3]。
在各种制造生产中，“趁热打铁”的是一个永恒不变的真理，当然也是金属成型工艺中最普遍适用的一个准则。
所以在十一五期间，为了积极响应“大型、精密专用锻件的开发及设备制造的发展政策”，弥补弱势工序的不足和调整产品结构，我们需要提升产量规划、工艺水平，马钢重机公司立即申请了该大型锻钢的成型工程。
关键的技术支持由太原重工主导，该工程的核心设备是应用了国内外最新的双柱斜置预应力组合框架式的80MN自由锻造压机，液、控、机、电系统等的设计都能实现完全的人性化、国产化,具有铸锻的品种齐全、锻造精度高，锻造速度快等优点，最大的优点是锻造频次多于75次，平均工作速度达160mm/s，，热态精整锻造精度可达±1mm[4]。
自由锻造压机利用帕斯卡原理来传递压强（能量）以实现各种工艺，在工业上用途广泛，如下图1-1所示。
图1-1压机工作原理图
1-小柱塞2-大柱塞3-工件
同时为了摆脱大型锻件常常要受限于人的因素，从2004年开始上海电气集团组织上海重型机器厂有限公司以形成国际先进的大型铸锻件自主研发制造能力为目标开展创新技术大改造，主要是从扩能技术的方面入手。
自由锻造液压机和模具锻造液压机这两种统称为锻造类液压机，前者在实施锻造作业时并不需要模具来进行[5]。
自由锻造压机简单地来说就是其压力取决于负载，速度决定于流量。
控制系统与油泵直接传动对自由锻造工艺的优越性表现在能够通过选定油缸的工作数量来获得所需要的工作速度，能在工作时具有较快且平稳的可控行程速度，通过让其中包含了加压行程和空程，其容易控制特殊铸锻件的变形速率的特点有利于提高锻件的质量来保障锻件尺寸精度高，并且其精度由活动横梁的位置来掌控。
以上所有的这些优越性都是在节能减排的条件下进行的，也是以往的水泵---蓄势器传动所不易做到的。
其机构形态如下图1-2所示：
图1-2双柱自由锻造油压机
1.2国内外自由锻造压机的发展
自由锻造油机是机械制造装备生产中被广泛运用的大型制造装备之一，在工作液体的压力下运作，用以加工各种锻件制造，它通过上下横梁运动和一些常见的使用工具，使坯料在其中产生塑性变形，这样就能获得所需加工的形状、尺寸的锻件。
由于自由锻造油压机在锻造中的适用性很广泛，使其在国民经济的各方各面都发挥了很大的作用。
1.2.1国内自由锻造压机的发展
从1950年以来国内已经进步达到水泵传动和油泵直接传动两种形式共同存在的形式。
油泵直接传动的优势有:
最大的一个就是节约能源，油泵直接传动的效率远远大于水泵传动的高达85%。
还有就是达到一定程度后锻件变形抗力的加大直接影响了自由锻造液压机的工作速度当水泵传动时，大大加大了使操作机同步运转与机组联动时压机的艰难程度。
油泵直接传动的特点就是其加压速度不受变形抗力的变化影响，可以实现机组的同步运转。
在国内除了一些沿用水泵---蓄势器传动之外的旧式锻造液压机及部分巨型锻造液压机组，新使用的自由锻造压机多数都是以液压油为介质，由计算机控制，采用泵直接驱动能同时与操作机进行联动控制操作[6]。
我国自由锻造压机的发展起步相对于一些发达国家而言是比较晚，改革开放后工业的不断进步促进了我国锻造业的发展，同时也促进了锻造压机的创新发展。
在民国五十年代初，我国已经开始自主设计并且制造了三十台大型锻造水压机及几台重型万吨级锻造压机。
六十年代，我国开始成套设计一些重型压机。
80年代后，我国也相应地陆续制定了各种压机的系列及零部件标准，从此自由锻造压机的设计制造又开始了新一轮的创新发展，。
现今为止我国己经制造有规格规范种类较为齐全的许多台大中型制造设备，其中就有六十多台lOMN吨位级别以上的大型锻造压机，它们分布在铁路、水电、机械、冶金、兵器、船舶、航天航空等各行各业[7]。
最近几年，由上个世纪五十到七十年代制造的锻造压机依旧是国内制造生产的主力军。
由于设计手段和生产工艺的落后，我国锻造水平受此影响很深。
这些年来能通过改造成功投入运作的压机的数量极少，完全达不到世界自由锻造压机的平均水平。
甚至其配套设备完整的都很少，根本不达标。
因此，实现锻造工艺的计算机化自动化，已成为目前我国锻造行业发展进步的风向标。
为了提高我国锻造事业的整体发展水平，所以现在运用了领先的数值模拟方式来预算得到工作完成后的形态，其优点是能够减少设计预算本金，大幅度增加生产率，减短预算完成工作日期等[8]。
1.2.2国外自由锻造压机的发展历程及现状
第一台蒸汽锤锻机在19世纪30年代制造生产出世后，奥地利的一家大型制造工厂在六十年代间也生产了第一批用于金属加工技术锻造的压机。
由于与锻锤相比锻造压机具有很多优点，因此锻造压机发展快，锻锤很快就被淘汰了。
于是在九十年代全世界第一台120MN自由锻造巨型水压机便设计制造成功了，这使得自由锻锤慢慢被更新替代了。
起初的水压机是由蒸汽来进行运转作用的，慢慢向水泵---蓄势器传动发展转型，德意志前前后后成功设计了三台大型自由锻造水压机在二十世纪四十年代间。
水泵---蓄势器传动的形式维持了将近有百年之久。
在进入20世纪50年代之后，随着油压系统技术发展的日益壮大，油压系统相比与水压系统的优势展露无遗，比如水压机的制造尺寸精度不够高、运动效率不达标、消耗能源功率损失大等缺点慢慢都凸显出来了，于是发达国家开始逐步专研自由锻造油压机，英国和德意志首先用油压控制系统成功实现了油压机与操作机联动和厚度控制在压机上，大大增强了其实用性和方便性。
然后一些制造生产锻造压机的大企业都开始致力于自由锻造压机的自主研究中，随后大批量的大中型油泵直接传动压机在20世纪60年代由一些发达国家就生产制造出了。
从20世纪70年代开始，为了不浪费资源，使原有的水压机继续发挥其使用性能，欧美各国便开始对老式的水泵---蓄势器传动水压机进行大改造，一是保留原有水压机的装配，进而采用油压伺服系统来控制主分配器的凸轮轴，这样不仅可以实现旧的水压机所不具备的锻件的高尺寸精度控制和高锻造次数，另一种改造就是直接将水泵---蓄势器传动水压机转变为油泵直接传动[9]。
1.325MN自由锻造压机的特点及其发展趋势
在中大型制造厂中25MN自由锻造压机是运用比较频繁的一种制造装备。
现今国内外在化工、电力、造船、航空、核电、军工等机械制造装配业都向大型产品锻件不断发展。
在生产重量和尺寸方面，锻件的需求量在连续不断地增大，在质量方面要求也逐步攀升，自由锻造压机锻造的锻件组成了这些产品的大部分重要零部件，因此，对于设计25MN自由锻造压机对促进我国装备制造业的技术进步、对我国大型自由锻件的自主生产能力的水平提高是有着重要和不可磨灭的意义的[10]。
就目前来讲，我国的自由锻造压机的设计己经日趋成熟，其制造设计结构有以下3个特点。
（1）大部分采用液压油作为其工作介质以及油泵直接驱动;
（2）大多采用预紧力下拉式主机结构;
（3）一般在本机就近的地下室内安放油压泵站，在现代化锻造油压机运用计算机的控制能快速准确地操作，其功能齐全。
其液压系统普遍采用了逻辑阀，立柱多采用方形导套预紧力结构形式，这样做的目的是为了提高了机架抗偏载能力和刚度[11]。
国内外都在自由锻造压机的整机结构和液压系统方面已经有了比较成熟的进步，技术水平也正得到迅速提高，发展主要体现在其控制系统方面。
具体在以下几个方面得以体现：
（1）为了尽可能减小工作本金，也要能够极大地提高自由锻造压机的工作效率，压机向着最大限度地节省资源、速度快、效率高来发展。
（2）机电液一体化。
锻造压机、移动砧库、操作机等组成的机组有计算机来操作，适当最大程度上利用电子和机械方面的高科技来提高全部液压系统的进步。
（3）由电子计算机技术的快速进步为锻造压机提供的智能化与自动化等有利的条件是指在加工是其系统能够正对本次制造加工中体现出的问题有自我诊断和处理的能力，极大地减少了工序。
（4）液压元件要标准化以及集成化。
标准化的元件为机器的维修带来方便。
（5）为了能够最大成效地预防环境污染以及工作液体的侧漏，对集成的液压系统减低了管路连接。
（6）人性化设计的液压机随着其自动化和快速化的发展，对于压机的可靠性、安全性的要求越发得到重视，需要其减除意外的发生率、预防污染环境、控制其噪声和振动的影响越发重要。
（7）可以由一人进行操作。
从其实质上变换了车间风貌以及锻造方式，大幅度提高了劳动率[12]。
同时，鉴于液压技术控制系统的广泛应用，完全能够实行锻砧行程自动控制、锻造操作机的联动控制、锻件尺寸自动测量等自动化生产过程。
这对于材料利用率、提高锻件尺寸精度、降低能源消耗和成木和提高生产效率是具有重要意义的[13]。
1.425MN自由锻造压机的基本参数
图1-3四柱锻造压机参数图
1.4.1公称力:
25MN
这是一个反应锻造压机主要工作能力的主参数，常常用于墩粗工况，它代表了锻造压机名义上能发出的最大力量值，液压系统在其数据大小上就相当于工作缸柱塞总工作面积乘以工作液体的压力值的整数值。
在综合考虑各方面因素后，各个公称力之间都要保持相应的梯度，如下表1-1所示：
表1-1公称力系列图
公称力系列P
5
6.3
8
10
12.5
16
20
25
31.5
40
50
63
推荐公称力P
16
25
35
50
63
1.4.2净空距H:
3600mm
如上图1-3所示，压机的净空距是指停在极限位置时的活动横梁的下表面到工作台上表面到的大小，这个数据能够体现自由锻造压机的运动空间大小，对压机的立柱高度、运动时的稳定安全性以及厂房安装高度等都有极其大的影响力。
可以根据压机的工作行程大小及放入、取出胚料所需的空间大小，模具及相应垫板的高度等相关条件来决定，应该能够满足各类钢锭、锻件和锻砧工具在工作台上的装入和取出。
因此，我们既要尽可能地满足工艺要求，又要尽量减小压机的高度，以降低其造价。
1.4.3行程S:
1600mm
如上图所示，行程是指停在极限位置时的活动横梁立柱导套下平面到立柱限程套上平面的距离，也就是活动横梁能活动的最大行程。
它根据锻件锻造过程中所要求的最大工作距离来决定的。
这个数值直接确定了液压缸的柱塞长度，也进而影响了这个压机的总高。
1.4.4工作台尺寸:
5000mm2000mm
工作台的尺寸反映了锻造压机平面尺寸上工作空间的大小，其有效尺寸对上下横梁以及活动横梁的平面尺寸和重量都有着直接关系，紧密相关者压机的实用性及本体的结构尺寸。
大小是根据工件及模具的尺寸决定的，当然也要将更换各种工具、观察及测量工艺过程、涂抹润滑剂等工艺操作上的需要的方便性列入考虑来确定工作台的尺寸。
1.4.5回程力：
3MN
回程力是由在活塞缸下腔的活塞工作面积或单作用力的柱塞缸单独设置的回程缸来实现。
1.4.6传动形式
25MN自由锻造压机是由油泵直接传动。
1.5本章小结
本章主要是简单介绍了一下自由锻造压机以及对其在国内外的发展进行了初步了解，并且对于设计课题25MN自由锻造油压机进行了初步的认识，了解了其一些基本特点和发展趋势，明白课题的目的与意思，对于自由锻造压机的一些基本参数也相对作了介绍。
225MN自由锻造压机本机设计概况
2.125MN自由锻造压机本机的主要结构
自由锻造压机的结构型式有立柱式、单臂式和框架式，立柱式中又分四柱、双柱、三柱及多柱等。
25MN自由锻造压机的换向频率高、冲击负载大，在设计机架结构时必须要考虑到这一点。
目前，预紧力拉杆机架、整体框架下拉式机架、上传动式是应用较为广泛的压机机架。
25MN自由锻造油压机设计，其结构是梁柱组合的框架形式，作用是将油压能转换成机械功，即是高压油进入工作缸后，经过活动横梁将力传到锻件上，使它产生塑性变形，提高锻件的性能。
通过查阅资料比较我们可以知道，双柱下拉式自由锻造压机和双柱上传动预应力结构锻造压机都有稳定性好的优点。
双柱下拉式快锻液压机曾得到很快的发展，成为中、小型快锻液压机的主要形式。
但其最大的缺点就是一半位于地平面下，检查维修时会造成不便，且其工作部位惯性太大，而且又在深层的地下空间，在各方面都多有不便。
而双柱上传动预应力结构锻造压机既解决了当初设计双柱下拉式快锻液压机为了解决传统三梁四柱式结构的稳定性差的问题，又不需要很深的地坑，相对下拉式结构，安装工作量小、运动部分质量也相对较小，且采用此方案的机架具有能满足工艺要求、便于操作，具有合理的强度与刚度，使用可靠不易损坏，且经济性良好，重量轻，制造维修方便。
所以，25MN自由锻造油压机采用双柱上传动预应力的结构。
如下图2-1、2-2所示。
图2-1受偏心载荷时下拉式与上传动式的区别图
图2-2尺寸高度比较图
双柱上传动预紧力结构锻造油压机的特点
（1）双柱的所占空间小能使压机司机看到更广阔的空间、锻造空间也相对广、钢锭送进及去除均较为容易、锻造天车更方便准确地接近压机中心，并且双柱式造价相对便宜、结构简单且实用。
相比三梁四柱式压机结构，其设备精度高、技术水平好，不会经常会发生横梁开裂等、张力柱断裂等事故。
（2）预紧力框架上传动的刚性好，它运动部分惯性又比下拉式小，工作状态比较稳定，因此快速锻造时的稳定性能也相对较好。
稳定性对于较大的公称力的自由锻造油压机来说是相当的必要，而下拉式传动时的安装校准相对于上传动结构较困难，对于
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