多向模锻设备的结构分析与研究

随着低碳、节能、绿色制造技术的发展，多向模锻技术愈来愈受到人们的重视，为适应多向模锻技术的推进，文中介绍并分析了国内外现有多向模锻液压机本体的典型结构，在此基础上，研究设计并制造了三种新结构的多向模锻液压机本体，说明了每种新结构的技术特点与优势。

现有多向模锻液压机的结构分析

随着多向模锻技术的发展，作为技术的重要组成部分，多向模锻设备的结构也在不断地出现新的形式，下面是文献介绍的国内外多向模锻设备的结构。

U 形下横梁的结构

U 形下横梁的三梁四柱结构，是最早的一种多向模锻设备的结构，其机构特点是，在常规液压机下横梁的左右两端加高，使下横梁成为字母U 形，把水平缸安装在U 形下横梁的两个竖起部分，合模缸仍安装在上横梁上。该结构具有如下优点：

⑴左右水平缸载荷平衡于下梁，液压机立柱不承载，变形小；

⑵结构简单，制造难度小；

⑶锻造操作空间大，方便安装辅助设备。

缺点是U 形易张口，水平部分刚度低，两水平柱塞的同轴性差，仅适用于小型多向模锻液压机，开封高压阀门厂的8.0MN 多向模锻液压机如图1 所示。

图1 8.0MN 多向模锻液压机

垂直水平独立机架结构

为了克服U 形下横梁的三梁四柱结构的缺点,研究了垂直水平独立机架结构，它的结构特点是，主机架由垂直机架和水平机架组成，合模缸与垂直穿孔缸安装在垂直机架的上横梁上，水平缸安装在水平机架上，垂直、水平机架相对分开，载荷也由对应的机架承受，两水平柱塞的同轴性好。缺点是当左右水平载荷不等时，水平机架平衡困难，操作空间小。可用于大型多向模锻液压机，西南铝业的100MN 多向模锻液压机就是垂直水平独立机架结构，如图2 所示。

图2 100MN 垂直水平独立机架结构的多向模锻液压机

整体板框组合结构

为降低主机本体的制造成本和消除垂直水平独立机架结构中的缺点，设计开发了整体板框组合机架结构，由若干块整板加工后叠成框架。如图3 所示，水平缸安装在机架的两侧板壁上，垂直合模缸与穿孔缸安装在机架上壁内侧。板架加工方便、成本低，前后开放，便于锻造的取件与送料，结构紧凑。缺点：动梁导向部分弱，对于大型多向模锻压机，特大板框机架尺寸给运输、安装都带来困难。

图3 整体板框组合结构的多向模锻液压机

C 形板框勾头组合机架结构

为利用板框结构制造成本低的优点，避免运输的困难，研究设计了C 形板框勾头组合机架结构，如图4 所示。此结构是将原来的整体板框结构，从它的对称面处分开为两半，然后再从两端连接固定在一起，形成一个整体机架。这样减小尺寸后，使运输困难的缺点得以避免。其他方面基本与整体板框组合机架相同。

图4 6.5MN 多向模锻挤压液压机

钢丝缠绕结构

为提高机架的承载能力，降低机架的重量，研究设计了钢丝缠绕机架，如图5 所示。

图5 钢丝缠绕机架多向锻液压机

它的结构特点是，将机架分为若干块体，块体加工后组合，再用钢丝缠绕在一起形成整体机架，如图5 所示，水平缸安装在机架的两侧壁上，垂直缸安装在机架上壁内侧。优点：结构紧凑，重量轻。缺点：动梁导向部分弱，机架形状随加载方式变化大。

多向模锻设备的研究

为加速多向模锻技术在国内的发展，2010 年，上海电机学院筹建了多向模锻技术研究中心，开展了多向模锻设备研究与工艺研究，并于2020 年获批成为上海多向模锻工程技术研究中心。

多向模锻机本体新结构研究

⑴6.5MN 多向模锻挤压液压机。

在前期研究的基础上，2011 年设计建造了6.5MN多向模锻挤压液压机，如图6 所示。该压机的本体采用整体板框结构，多向模锻的合模采用4 缸对称均布，主穿孔缸位于4 合模缸的中心,全部为缸底支撑；两水平缸为拉杆缸底支撑，除此之外，为实现一机多用的目的，主穿孔缸活塞设计制造为空心活塞，当作为挤压液压机时，活塞孔即为挤压产品的出料孔，下横梁设有多向模锻的顶出缸，此缸还是挤压时的芯棒驱动缸。

图6 6.5MN 多向模锻液压机

6.5MN多向模锻液压机设计制造有移动工作台，方便模具的装卸，为保证移动工作台复位准确，采用双向方锥键定位。

⑵10.0MN 多向模锻液压机。

2015 年，设计制造了一台10MN 多向模锻液压机，如图7 所示。该压机本体采用4 柱预紧结构，合模采用4 缸方式，主穿孔缸位于4 合模缸的中心。动梁滑块八面导向，为减小偏载载荷状况下立柱的变形，提高滑块的运动精度，采用了滑块加强立柱的结构。

图7 10MN 多向模锻液压机

主穿孔缸与水平缸均采用复合缸，使得压机结构紧凑，除此之外，由于凸模分为可以相对运动的两部分，可有效地改变坯料充填模腔的顺序，减小坯料在充填模腔过程中的反流，这不仅节省能量、减少模腔的磨损，还可防止锻件表面折叠或内部撕裂。对于阀体、缸体锻件也能有效地减小壁厚的偏差。

⑶可变独立机架多向模锻液压机。

目前，在现有多向模锻液压机上进行三法兰阀体锻造，必须采用垂直分模方式，考虑到垂直合模装置的不足，研究了一种全水平穿孔的多向模锻液压机，本文称之为：可变独立机架多向模锻液压机，其结构如图8 所示。

图8 可变独立机架多向模锻液压机

可变独立机架多向模锻液压机是由一个垂直机架和两个水平机架构成的三维施加载荷的锻造设备,它有如下技术优势:

①主穿孔缸与水平穿孔缸都位于水平面内，绝大多数工况，坯料只需水平方向放入模腔，坯料与模腔可无间隙放入，定位准确，锻件精度高。

②可利用水平分模，实现不同形状锻件的锻造成形，无须设垂直分模，减去了垂直分模专用工装。

③主穿孔缸与水平穿孔缸固定在下横梁与动梁形成的水平机架上，与垂直机架独立，工作时，机架受载变形小，设备运动精度高。

④压机动梁既做动梁，又做机架，一件两职，增加机架刚度，减小变形，降低设备重量。

⑤两侧分料均匀，主通道穿孔偏差小和较高的主穿孔凸模寿命。

结论

⑴本文客观地介绍了国内外现有多向模锻液压机本体的典型结构，为今后多向模锻设备的制造提供参考。

⑵研究、设计并制造了三种新结构多向模锻液压机本体，为今后多向模锻设备的制造提供技术方案的借鉴。