CN1101595A - 高速液压机锤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新的热模锻设备，其特征在于： 蓄能器、主操纵阀和主液压缸直接连接在一起，主操 纵阀和柱塞都固定在锤身上，主液压缸装在锤头的孔 中，在锤身的底部设有支撑弹簧，支撑弹簧放在底板 上，底板和带有外导向的锤身支架相连，锤身上装有 上行程开关和下行程开关，高压液通道和低压液通道 的任一处的有效通液截面积和主液压缸的有效加压 作用面积之比大于1∶20。本设备具有结构简单、工 作安全可靠、能量利用效率高、能量大、对地基没有震 动、模具简单且易调整、终锻力大、锻件精度高等优 点。

Description

本发明涉及金属加工设备领域，特别涉及热模锻设备。

现役热模锻设备可以分为三大类：

①定力设备：靠液体压力工作，如液压机；

②定能设备：靠质量惯性工作，如锻锤；

③定行程设备：靠曲轴连杆机构的运动工作，如热模锻压力机。

这三类现役模锻设备各有自己的优缺点，都不能完满地适应现代模锻的要求。液压机虽有能量大的优点，但加压速度太低，和热工件接触的时间长，难以进行黑色金属的模锻；锻锤具有加压速度快、模具简单、能适应多型槽锻、价格低廉等优点，但一次行程能量太小，噪音、震动公害大；热模锻压力机精度高，适合大量生产，但因行程固定，模具调整困难，价格昂贵，不适合于中小批量生产。

此外，各类设备界限分明，未能相互渗透取长补短，例如液压机就未能掺入锻锤的优点，这就限制了设备性能的发挥，在用途上局限性很大。

七十年代德国Siempe    lkamp公司推出了飞轮单向高速旋转带离合器的螺旋压力机-NPS系列高能螺旋压力机，这种压力机具有液压机一次行程能量大的优点，没有加压速度低的缺点；具有锤的加压速度快的优点，没有震动、噪音等公害的缺点；具有热模锻压力机精度高的优点，没有行程固定模具不好调整的缺点；这种设备是热模锻设备的一个发展和进步。但是它要首先使飞轮高速旋转，再通过离合器和螺旋副变为滑块或锤头的直线运动，才能对锻件加压，这样传动链长，就使它结构复杂，价格昂贵，而且一旦离合器失灵，飞轮带有的巨大能量就要作用在螺杆和机体上，可能造成机件的损坏。

本发明的目的在于：提供一种新的热模锻设备，该设备具有液压机和锤的复合性能，锤头靠液压直接获得直线运动，但比一般液压机的加压速度高一个数量级。

本发明另一目的在于：提供一种新的热模锻设备，该设备结构简单，成本低廉，传动链短，能量大，对地基没有震动，噪音低。

本发明的目的是这样达到的：提供一种高速液压机锤，它采用带蓄能器的液压***，具有锤头、锤身、锤身支架、蓄能器、主液压缸、柱塞、导轨、提升缸、主操纵阀，先导电磁阀、提升电磁阀、其特征在于：蓄能器、主操纵阀和柱塞或主液压缸中的液路通道直接连接在一起，主操纵阀为三位三通阀，它的中间液腔有管道直接通入主液压缸的加压液室，该主操纵阀中间液腔直接通入主液压缸加压液室的管道是在柱塞中的孔或是一段直管道或是在主液压缸缸壁延长部份的孔，该主操纵阀的一侧液道为常高压液腔，有孔道和蓄能器的液室常通，另一侧液道为常低压液腔，有管路通入液箱且管路出口浸没在液面以下，主操纵阀和柱塞都固定在锤身上，锤身的上部有孔，所述的液路通道从该孔中穿过，主液压缸装在锤头的孔中，该主液压缸的外径与锤头孔内径之间设有间隙δ，主液压缸的下部垫有球面垫和球面座，提升缸的缸筒固定在锤身上，提升缸的柱塞杆和锤头相连，锤头上有导滑面和固定在锤身上的导轨表面相配合，导滑面对锤头中心呈辐射状，在锤身的底部设有支撑弹簧，支撑弹簧放在底板上，底板和带有外导向的锤身支架相连，锤身上装有上行程开关和下行程开关，主操纵阀的主滑阀芯处于进液开启位置时，从蓄能器液室经所述的常高压液腔和中间液腔进入所述的加压液室的通道为高压液通道，主操纵阀的主滑阀芯处于放液开启位置时，从加压液室经所述的中间液道和常低压液道回液箱的通道为低压液通道，高压液通道和低压液通道的任一处的有效通液截面积和主液压缸的有效加压作用面积之比大于1：20。

以下结合附图对本发明高速液压机锤的具体结构作进一步的详细说明：

附图1是实施本发明的一种结构示意图。

附图2是实施本发明的另一种结构示意图。

附图3是实施本发明的又一种结构示意图。

附图4是本高速液压机锤在一次行程中的力能转换原理图。

附图1所示的本发明高速液压机锤实施例，采用柱塞固定的主液压缸和差动柱塞式提升缸。

从附图1可见，本发明高速液压机锤具有锤身5、锤头9、导轨25、主液压缸8、柱塞6、提升缸12、主操纵阀4、先导电磁阀17、提升阀16、蓄能器3、其特征是蓄能器3和主操纵阀4和柱塞6直接连接在一起，主操纵阀4为三位三通阀，它的中间液道c***套管21，下部***柱塞6的孔d直接通入主液压缸8的加压液室e，它的右部液道b为常高压液腔，通过孔k和蓄能器3的液室a相通，它的左部液道f为常低压液腔，有低压管路接g孔通入液箱，且管口浸在液箱的液面以下，主操纵阀4的主滑阀芯24处在进液开启位置时，a→k→b→c→d→e的液路为高压液通道，主操纵阀4的主滑阀芯24处在放液位置时，e→d→c→f→g→液箱的液路为低压液通道，高压液通道和低压液通道的任一处的有效通液截面积和主液压缸的有效加压作用面积之比大于1：20，所述的高压液通道和低压液通道的长度，对5000吨以下的高速液压机锤各应小于2米，最好在1米以内。

主操纵阀4固定在锤身5上，锤身5的上梁中部有孔，柱塞6的上部从该孔中穿过，该柱塞6的中部有凸台，顶部有外螺纹用螺母23将柱塞6固定在锤身5的上梁上，柱塞6中部有孔d，从主操纵阀4中间液腔c直接通入主液压缸8的加压液室e的液路通道是柱塞6中的孔d；孔d的上部装有密封衬套21，密封衬套21的上部装入主操纵阀4的孔中，密封衬套21上有密封件22保证高压液不外漏。柱塞6中部凸台的下部外径为光滑圆柱面，和主液压缸8的上口内径相配合（也可带衬套，图中未画出），在配合面上有密封件7，主液压缸8装在锤头9的孔中，主液压缸8外径和锤头9内径之间有间隙δ，主液压缸8的下部垫有球面垫10和球面座11。在锻造过程中，常常有偏心力矩作用，在这种情况下锤头会发生微量转动，所述球面垫10、球面座1和间隙δ的作用是容许锤头9做微量的旋转，使柱塞6和主液压缸8之间不憋劲，δ的数值应大于1毫米。提升缸12的外缸筒固定在锤身5上，提升缸为差动柱塞式或活塞式，也可是气缸或液压缸。附图1是差动柱塞式，差动柱塞的小直径部分和锤头9相连，外缸筒上有管路和提升阀16的工作出液口连接，提升缸12的作用是锤头9完成一次加压行程以后，将锤头9提升。提升阀16为0机能的三位三通阀，锤身5的外部有外导轨13，外导轨13分上、下两部分都与底板15相连构成锤身支架，锤身5的下部设有支撑弹簧14，支撑弹簧14是金属弹簧或是气体弹簧，当锤头9有向下的加速度时，支撑弹簧14的作用力使锤身5产生向上的加速度。锤身支架上的底板15和外导轨13的作用是对锤身5的上下摆动提供导向，完成对击的任务。先导电磁阀17为Y机能的三位四通阀，它用于操纵主操纵阀4换向。先导电磁阀17、提升阀16和卸荷溢流阀2都可以采用板式连接方法和主操纵阀4的阀体相连接，液路采用钻孔的办法接通，实现少管无管化连接。截止阀18装在蓄能器3的气室Q和蓄能器气罐20之间，因为工作中蓄能器3是随着锤身5上下摆动的，而蓄能器气罐是不动的，所以二者用高压软管19相连接。锤头4的周围有导滑面26和固定在锤身5上的导轨25的表面相配合，导滑面26对锤头中心呈辐射状，为了保证充液过程充液及时，不出空腔应采用充压液箱。锤身5上部装有上行程开关GK1，锤身5的下部装有下行程开关GK2，GK1的作用是控制锤头9上行的回程高度，GK2的作用是根据锤头9的下行位置控制主液压缸8和蓄能器3接通的时间，GK1、GK2两者上下所处的位置高度均可灵活调整。GK2最好是惯性开关，装在锤头上，也可装在锤身上，利用锤头的惯性减速度工作，当锤头撞击工件减速度达到3～5倍的重力加速度时触发，使DT2自动接通，才能使蓄能器3向主液压缸8加压，这样可以避免蓄能器3加压过早，白白浪费高压液或者发生锤头速度过高产生高速撞击的现象。采用惯性开关不需调整GK2的位置，又可以保证操作安全可靠和准确地使DT2换向，保证蓄能器3适时加压。

附图2是实施本发明的另一种实施方案结构示意图，它采用主液压缸固定的方式和柱塞式提升缸，附图2重点表示和附图1有区别的部份，其余结构同附图1在此不重复叙述。

从附图2可见本方案的主液压缸32底部在上，并伸出一段长度***锤身5的上梁孔中，所述伸出长度部分有孔m，孔的上端和附图1的结构相同，有带密封件22的套管21把主液压缸32的孔m和主操纵阀4连接在一起，所述的主液压缸伸出的一段长度***锤身5的上梁中的孔道m也可以用直管38来取代，见附图3，主液压缸32的外径上部有凸台，法兰31压在所述的凸台上用螺栓30把主液压缸32固定在锤身5的上梁上，主液压缸32的内径有密封圈34和柱塞33的外径相配合。

附图3表示了另一种提升缸结构-柱塞式提升缸，它有柱塞35顶在锤头支耳29上，提升缸37固定在锤身5上，提升缸37和柱塞35之间有密封圈36。所述的蓄能器3为气体有活塞式蓄能器。所述的主操纵阀4是液压滑阀或是插装阀，所述的液压滑阀或插装阀由所述的先导电磁阀17控制。

下面用液阻计算说明本发明是可以实现的，是合理的。

由于本发明高速液压机锤的高压液通道akbcde流程很短，一般不超过一米，约为液压机的十几分之一到几十分之一（例如一千吨左右的锻造液压机，从蓄能器到工作缸的距离多在20～50米之间），并且通道截面积很大，通径比一般液压机大一倍以上（例如一千吨左右的液压机从蓄能器到工作缸的管路截面积和液缸工作截面积之比大都小于1：50，吨位更大的此比值更小），所以本高速液压机锤的液阻很小。对紊流情况下的液阻：

△P∝ (V^0.25×1×V^1.75)/(d^1.25) ……①

式中△P：液流阻力

ν：流体粘度

l：流程长度

v：流速

d：管道直径

在ν、△P相同的条件下，本高速液压机锤和一般液压机相比可以得到更大的流速v，如高速液压机锤的参数以不带下标者来表示，一般液压机的参数以带下标“0”来表示，则

$\frac{V}{V_0}={(\left(\frac{l_0}{l}\right)\×{\left(\frac{d}{d_0}\right)}^{1.25})}^{\frac{1}{1.75}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

设 (l0)/(l) ＝25 (d)/(d0) ＝1.6代入②式得

(V)/(V₀) ＝8.8……③

对层流情况下的液阻：

△P＝ (v×1×V)/(d²) ……④

在ν、△P相同 (l₀)/(l) = 25 (d)/(d₀) ＝1.6的条件下，

(V)/(V₀) = ( (l₀)/(l) )×( (d)/(d₀) )²= 64……⑤

可见，在液体粘度、压降相同的条件下，本高速液压机锤的加压速度可比一般液压机高8.8（紊流）到64（层流）倍。一般带蓄能器的液压机的加压速度为100毫米/秒，可推得本高速液压机锤的加压速度可达880毫米/秒以上。所述的带离合器的NPS高能螺旋压力机的最高加压速度为500毫米/秒，一般锤的加压速度为6000毫米/秒至9000毫米/秒。

以上说明本高速液压机锤的加压速度可比一般带蓄能器的液压机高一个数量级，比NPS高能螺旋压力机的加压速度还高些，这说明使液压机达到所述的高速是可以实现的，所以本发明的设备命名的前一部分为“高速液压机”是合理的。

下面着重说明为什么在本发明的设备命名中高速液压机后面又复合进去了“锤”字。

由于动能和速度的平方成正比，因而本发明的设备在具有相同的锤头（或滑块）质量的条件下其所具有的动能要比一般液压机高8.8²=77.4～64²=4096倍。所以动能在本发明的设备中将对变形起重要作用。

动能在本发明的设备中是这样积累和释放的：

在本发明的设备中有两次动能积累和释放的过程：

第一次是在启动打击以后，靠锤头自重空程向下，通过低压管道从液箱向液压缸中吸入液压液，为了保证充液过程充液及时不出空腔，应采用充压液箱，从液箱到主液压缸管路损失很小，锤头位能的绝大部分在下行过程中变为锤头动能，接触工件后，此动能转化为变形能，锤头速度降为零。

第二次动能积累和释放的过程紧接着第一次进行，从下行程开关GK2触发，最好是从惯性传感器当锤头撞击工件的变形力使锤头得到3～5倍于重力加速度的减速度时，传感器使DT2电路接通，使主操纵阀换向，就可以使第一次释放的过程完成以后小于0.1秒的时间以内使液压缸和蓄能器接通，蓄能器的液压液进入液压缸，液压缸内压力升高，由于变形抗力一般是随着变形的进行逐渐增加的；而蓄能器的液体压力随着液体的流出，气体膨胀，是逐渐降低的，所以在蓄能器加压的初始阶段，液压作用力远大于变形阻力，驱动锤头加速，积蓄动能，随着变形的进行，液压作用与变形阻力之间的差值逐渐变小，直到变形阻力和所施的液压有效作用力相平衡时，锤头速度和动能达到最大值。对一般液压机来说，滑块或锤头的动能可以忽略不计，到变形阻力和液压作用力相平衡时变形就停止了，而本设备此时还带有很大的动能（速度可达2～3米/秒），它使锻件进一步变形，直到动能全部被变形所吸收，速度为零变形才终止。这个第二次动能释放过程是在变形即将终止之前发生的，对提高锻件精度是十分有利的。

利用GK2或惯性传感器被触发工作的时间启动延时机构，延时0.05～0.1秒使DT1，DT4接通，可以达到变形终止以后，主操纵阀4和提升阀16立即换向，提升缸12进液把锤头9提起，取出工件，准备下一个工作循环。

这两个动能积累和释放过程的实质和锻锤相同，所以本发明设备的命名在高速液压机后面加了一个“锤”字。

下面结合附图4进一步深入说明本发明高速液压机锤的工作原理。

附图4是高速液压机锤在一次工作行程中的力能转换原理示意曲线图。图中横坐标是锤头相对机体的行程S；纵坐标是力P、和锤头机体的相对运动速度V；1.是V-S曲线；2.是变形抗力P-S曲线；3.是由蓄能器内的液压算得的作用力Pa-S曲线；4.是加压液压缸内的液压产生的有效作用力Pe-S曲线。

锤头全部行程过程的力能转换可分为4个阶段：

①o～a：从o点起锤头空程向下，逐渐加速下落，位能转变为动能，直到a点锤头与锻件开始接触为止，因为这段行程很长所以在附图4中对该段中间省略了。

②a～b：从锤头与锻件开始接触的a点起，锻件变形，锤头下落积蓄的动能变为变形能，到b点动能完全转变为变形能，锤头速度为零。

③b～c：在自由下落的动能完全变为变形能的b点以后，主操纵阀在0.1秒以内完成换向，从蓄能器向主液压缸进液加压，直到液压缸的有效作用力和变形抗力相等的c点，变形力达到f1。

曲线3.和曲线4.间的纵坐标差值是由于液阻造成的压力损失；曲线4.和曲线2.间的纵坐标差值为使锤头锤身获得加速度的力，到c点液压缸的有效作用力和变形抗力相等，加速度为零，速度和动能达到最大值。

④c～d：c点右方变形抗力大于液压缸的有效作用力，锤头获得减速度，直到变形能K2等于动能K1，锤头速度变为零，变形终止。变形力达到f2，f2一般比f1高得多，对成形很有利。

下面对锤头作加速运动时本高速液压机锤的动作情况做详细的说明：

设锤头和与它相连接的机件的质量之和以M1表示，锤身和与它相连接的机件的质量之和以M2表示，当M1获得加速度时，M2同时获得方向相反、数值接近和二者质量成反比的加速度；这是因为二者所受力，液压作用力和变形力互为作用力和反作用力，二者严格地大小相等方向相反，而锤身所受的重力和弹簧支撑力的合力和锤头所受重力不是严格大小相等的，因为随着弹簧伸长其支撑作用力降低。在静止状态下，弹簧对机体的作用力等于M1、M2所受的重力之和（M1+M2）×g，当机器从静止状态启动瞬间，M2所受的向上作用力是和M1的重力大小相等方向相反的；但随着锤身的上行，弹簧力急速降低，锤身所受的向上作用力将小于M1***的重力，M2获得的加速度将小于和质量成反比的关系了。

用弹簧支撑锤体的对击锤的动作情况和上述的关系完全相同，即本设备中“锤”的动作属于对击锤性质，对地基无震动且没有砧座损失，能量利用效率高。

附图1所示的高速液压机锤是这样工作的：要进行锻压工作时，首先启动液泵1，液泵1供出高压液进入蓄能器3的液室a，蓄能器3为有活塞式气体蓄能器，随着高压液进入液室a，活塞上行，将气室Q高压气体压入蓄能器气罐20，活塞接近到顶时接通控制开关控制卸荷溢流阀2的电磁铁DT5使液泵1卸荷，附图1所示位置为等待加料的静止状态，提升阀16处在弹簧复位状态，二个提升缸12的液口被关死，先导电磁阀17也处在弹簧复位状态，主操纵阀4两端控制液室通低压，处在弹簧复位状态，各液腔都处在截死状态，锤头9处在悬停状态。

要进行一次加压对设备的操作顺序如下：

1.调整：首先根据上下料需要的工作空间调定GK1的位置，希望在不影响操作的条件下回程高度尽量小；根据锤头空程向下的动能耗尽后尽快接通蓄能器加压的要求决定GK2的位置。

2.工作准备状态：DT1通电，主操纵阀4的主滑阀芯24处在左方，DT4通电，锤头9上行至GK1起作用使DT4断电，提升阀16的阀芯回中位，锤头处在悬停状态。

3.启动自动工作循环：DT3受启动自动工作循环按钮控制，DT3通电，提升缸12放液，锤头9靠自重下行，主液压缸8的e室出现负压，使液箱内的液体沿低压液通道gfcde的路径向e室填充，直到锤头压上锻件速度降为零；同时，由于锤头下行中触发了事先调整好了的GK2或惯性开关，使DT2接通，主滑阀芯24右行，使蓄能器3中的高压液沿高压液通道akbcde的路径进入主液压缸8对锻件加压，由于锻件加压的行程不大（一般小于50毫米），加压过程的锤头平均速度≈500毫米/秒，所以加压时间很短（一般0.01～0.1秒），因此可以从DT2接通时算起延时0.05～0.1秒接通DT1，使主滑阀芯24左行，使加压液压缸8通液箱放液，并接通DT4使提升阀12进液，锤头上行回程，直到碰上GK1使DT4断电，提升阀回中位，恢复开始的悬停状态。

电磁铁DT1、DT2、DT3、DT4的动作和工作情况见下表。

本发明属于液压机，但加压速度比一般液压机高一个数量级，同时复合了锤的功能，在一台设备上同时具备两种设备的性能，这是一个开创，它兼有现有各类热模锻设备的优点，减小或者消除了各自的缺点，可能成为热模锻设备发展的方向。本发明在液压机中复合了锤的作用是以前所没有的，是本发明比一般液压机增加的功能、多得的效益，也是本发明的高速液压机锤比一般液压机能量利用效率高，锻件成形效果更好的原因，和相同吨位的NPS高能螺旋压力相比，本高速液压机锤的优点是加压速度更高、能量更大、传动链短、结构简单、动作安全可靠、成本较低；和锻锤相比，本设备可以在工作台上用T型槽同时固定多副模具，或者和锤类似进行一副模具多型槽锻造，具有锤的模具调整简单的优点，但和锤比，本发明的打击速度较低，一次行程能量提高，可相当5次以上的锤击，而且锻件在模具内停留的时间缩短，撞击力减小，模具寿命提高，对地基没有震动，噪音低。此外本设备采用对中心成辐射方向的导轨面，导轨间隙不受热膨胀的影响，错模小、具有锻造的锻件精度高等优点。

Claims (9)

1、高速液压机锤，它采用带蓄能器的液压***，具有锤头、锤身、锤身支架、蓄能器、主液压缸、柱塞、导轨、提升缸、主操纵阀，其特征在于：蓄能器、主操纵阀和柱塞或主液压缸中的液路通道直接连接在一起，主操纵阀为三位三通阀，它的中间液腔有管道直接通入主液压缸的加压液室，该主操纵阀中间液腔直接通入主液压缸加压液室的管道是在柱塞中的孔或是一段直管道或是在主液压缸缸壁延长部份的孔，该主操纵阀的一侧液道为常高压液腔，有孔道和蓄能器的液室常通，另一侧液道为常低压液腔，有管路通入液箱且管路出口浸没在液面以下，主操纵阀和柱塞都固定在锤身上，锤身的上部有孔，所述的管道从该孔中穿过，主液压缸装在锤头的孔中，该主液压缸的外径与锤头孔内径之间设有间隙δ，主液压缸的下部垫有球面垫和球面座，提升缸的缸筒固定在锤身上，提升缸的柱塞杆和锤头相连，锤头上有导滑面和固定在锤身上的导轨表面相配合，在锤身的底部设有支撑弹簧，支撑弹簧放在底板上，底板和带有外导向的锤身支架相连，锤身上装有上行程开关和下行程开关，主操纵阀的主滑阀芯处于进液开启位置时，从蓄能器液室经所述的常高压液腔和中间液腔进入所述的加压液室的通道为高压液通道，主操纵阀的主滑阀芯处于放液开启位置时，从加压液室经所述的中间液道和常低压液道回液箱的通道为低压液通道，高压液通道和低压液通道的任一处的有效通液截面积和主液压缸的有效加压作用面积之比大于1∶20。

2、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：5000吨以下的高速液压机锤中所述的高压液通道和低压液通道的长度，各小于2米。

3、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的主操纵阀是滑阀或者是插装阀。

4、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的从主操纵阀中间液腔直接通入主液压缸加压液室的管道是在柱塞中的孔或是一段直管道或是在主液压缸缸壁延长部份的孔。

5、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的主液压缸外径与锤头内径之间设有的间隙δ大于1毫米。

6、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的提升缸是活塞式的提升缸或是柱塞式的提升缸；是液压缸或是气压缸。

7、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的锤头导滑面处在锤头的四周且和固定在锤身上的导轨表面相配合，导滑面对锤头中心呈辐射状。

8、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的支撑弹簧是金属弹簧或是气体弹簧。

9、按照权利要求1.所述的高速液压机锤，其特征在于：所述的下行程开关是装在锤头上的惯性开关或是装在锤身上的惯性开关。

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