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        我國熱模鍛壓力機現狀及發展趨勢

        來源:  作者:   發布日期:2018/8/24 閱讀次數:次 【字體:

        我國熱模鍛壓力機現狀及發展趨勢

        一、 引言

        中國加入WTO,市場國際化、采購全球化必將給中國的制造業帶來巨大的商機,特別是汽車、航天制造業、國家計委、科技部共同發布的《當前優先發展的高技術產業化重點領域指南》已確定了汽車領域優先發展的重點產業主要集中在汽車零部件制造業。汽車工業的“小型化、輕量化和高速化”發展方向,為中國的鍛造行業提供了極大的發展機遇,汽車上的零件60%是用鍛壓方法生產的。有關專家分析指出:美國、日本、德國的汽車工業如此發達,得益于其鍛壓技術及設備的領先地位。我國的鍛造工業要適應入世后國際競爭的需要,必須用高新技術武裝自己,提升自己,堅定不移地走“精密化、專業化、現代化”的強身之路。同時,熱模鍛裝備直接決定一個國家的交通運輸及國防裝備實力,模鍛件在航空航天、高速機車、汽車及其它裝備中所占比例直接決定一個國家的綜合裝備性能水平,熱模鍛壓力機作為鍛造主要成形設備必將迎來巨大的發展機遇。

        二、 熱模鍛壓力機的發展簡史

        熱模鍛壓力機的發展開始于20世紀30年代。1931年美國國民機器公司(Natongal Machinery Company)設計制造的熱模鍛壓力機,在剛度和部件的基本組成類似于已出現100多年的平鍛機,即采用了具有象鼻導向的滑塊,支承的采用剛性連接,離合器安置在傳動軸上等結構。同時,熱模鍛壓力機在速度提高的同時,從根本上減少了加熱鍛件或毛坯與模具的接觸時間和鍛件表面層的冷卻時間,為保證更精準地模鍛復雜性狀的鍛件建立了先決條件。由于最初的熱模鍛壓力機的行程次數提高,產生了一系列新的問題:離合器不能滿意的工作,在工作行程時因為被動大齒輪的不斷過載引起主動小齒輪的磨損和折斷等等。因此,在40年代把離合器移到偏心軸上,在飛輪上設置保險摩擦離合器。此后,傳動結構的熱模鍛壓力機的完善主要圍繞提高各個部件的工作特性進行的,與此同時,輔助機構得到了廣泛的推廣使用。

        60年代起,為了提高鍛件的精度、生產率和壓力機工作的可靠性,克服傳統熱模鍛壓力機的缺點,開始從結構著手尋求新的解決途徑,從而使熱模鍛壓力機進入了多樣化的發展階段。從70年代以來,熱模鍛壓力機發展的基本特征是大型化和自動化。80年代,日本住友和德國Hasenclever分別制造了160MN熱模鍛壓力,目前,需求160 MN熱模鍛壓力的企業也越來越多。中國二重在2014年成功制造出168MN楔式熱模鍛壓力機,是目前世界最大熱模鍛。隨著模鍛生產對自動化的要求,以熱模鍛壓力機為主體的熱模鍛自動線和多工位自動熱模鍛壓力機得到迅速發展。與此同時,微型計算機開始得到廣泛采用,微型計算機在熱模鍛壓力機控制的應用,是今后熱模鍛壓力機及其自動化發展的重要方向。

        全球能夠制造大型熱模鍛壓力機的國家主要集中在:英國、德國、俄羅斯、捷克、日本、法國、意大利、中國二重和一重。其中主要廠家及能力如下:
            英國  主要廠家有MASSEY公司、Mitchell公司、Lambeition公司,  生產能力600t ~12000t ;
            德國  主要廠家有SMS公司(并入EUMUCO和Hasenclever公司) 、舒勒。生產能力315 ~12500t ;
            俄羅斯  主要廠家有伏龍涅什重型機械廠, 生產能力 630~14000t;
            捷克  主要廠家有拉碼托爾斯克機器廠,生產能力 4000  8000T;
            日本  主要廠家有小松制鋼所、栗本鐵工所、住友金屬公司,  生產能力630~ 16000t;

        美國   主要廠家有  Nationnal Machinery公司,  生產能力300~8000t;

        中國  中國二重集團公司、中國一重集團公司、沈陽重型機器廠、揚鍛、青鍛、榮鍛等,生產能力 630~16800t。

        在我國,熱模鍛的設計制造開始于60年代,在80年以前,主要制造廠為中國一重集團公司和沈陽重型機器廠。中國二重集團公司在1978年由德國EUMUCO公司引進技術后開始設計制造熱模鍛壓力機,在自主設計與創新的基礎上形成了1000-16800t規格的熱模鍛系列產品,同時能夠生產熱模鍛生產線上的輥鍛機、切邊機、扭擰機、液壓校正機等輔助設備和鍛造線自動化,現在已成為我國熱模鍛主要生產基地。

        三、 我國熱模鍛技術發展的基本狀況及差距

        熱模鍛設備廣泛應用于汽車、航空、電子、家電等工業領域,其中,作為衡量一個國家工業水平的標志之一的汽車工業,被當今世界主要工業發達國家和新興工業國家列為國民經濟支柱產業,其發展主導了鍛壓技術及裝備的發展,鍛壓技術的發展和進步基本圍繞汽車工業的發展而進行。

        熱模鍛壓力機系曲柄壓力機,其工作原理和通用曲柄壓力機一樣,是通過不同形式的曲柄滑塊機構把主傳動的旋轉運動轉變滑塊的往復運動,并借助于固定在機身工作臺和滑塊上的上、下模具實現加熱金屬的成形。在模鍛過程中所需的模鍛力是主要通過壓力機飛輪轉速降低所釋放的能量產生的。在熱模鍛壓力機上,可以完成開式模鍛、閉式模鍛和擠壓等金屬型材的各種熱模鍛工藝過程,通過人工操作或自動傳送裝置,可以進行多模腔的熱模鍛。熱模鍛壓力機的使用選擇除考慮壓力機的工作臺面上平面和滑塊底面尺寸、行程、封閉高度及其調整量外,最重要的是確定壓力機的工稱壓力,與此同時,還必須使模鍛時消耗的能量小于或等于壓力機所能釋放的最大能量。

        現代熱模鍛壓力機是由主要執行機構、主傳動、離合器、制動器、機身、氣動和電控系統、潤滑系統、輔助機構等組成。輔助機構是指擴大熱模鍛壓力機工藝用途、減少壓力機和模具調整時間、提高壓力機工作可靠性的裝置,主要包括上、下頂料裝置、模具快換裝置、封閉高度調整裝置、平衡器、飛輪制動器、過載保護裝置、壓力監控指示器、溫度監控等。

        目前在全球鍛造行業,主要有生產設備類型有:蒸空氣錘、摩擦壓力機、鍛壓機、螺旋壓力機、水壓機等。從最近幾年鍛壓設備的發展情況來看,應該說一些落后的鍛壓設備由于不能適應現代生產工藝的需要將逐漸被淘汰,比如蒸空汽錘等,摩擦壓力機由于其固有的局限性,雖然目前數量很多,但是終究不可能占有主導地位。隨著鍛造正在越來越多的向著溫鍛、冷鍛或溫、冷結合的的精鍛方向發展的過程中,以鍛壓機、高能螺旋壓力機、自動墩鍛機、冷擠壓機等一些先進設備正越來越多的應用于鍛造企業。隨著以福特、通用、克萊斯勒 、日韓等為代表的一些大型汽車集團,揮舞者上億美元的訂單開始轉向中國市場進行零部件的采購,從而加快了新技術、新工藝、先進設備等在鍛造企業的引進、應用。

        熱模鍛壓力機按主要執行機構可以分為曲柄滑塊機構和曲柄連桿—楔塊機構兩種形式。按工藝用途,熱模鍛壓力可分為通用和專用壓力機。專用熱模鍛壓力機包括多工位熱模鍛壓力機、雙動熱模鍛壓力機、擠壓熱模鍛壓力機等。通用熱模鍛壓力在設置自動化傳送裝置后,可以實現自動化或構成多工位熱模鍛壓力。

        國內最早的壓力機結構為傳統結構的熱模鍛壓力機,沈陽重機廠和中國一重集團公司制造較多,它的結構特點:滑塊具有象鼻形的附加導軌,封閉高度采用楔形工作臺,下頂料裝置通過凸輪-杠桿機構實現鍛件由模具頂出的動作。為了適應模鍛壓力機工作特點和可靠性,多年來在結構上的改進主要有:

        1) 為避免鍛造氧化皮對楔形工作臺的侵蝕,提高其調整的靈活性,采用封閉式液壓楔形工作臺。

        2) 采用液壓預緊螺母,以解除模鍛時的悶車現象。

        3) 采用雙連桿、雙點支承連桿和寬連桿結構,以提高熱模鍛壓力機的剛度和承受偏載的能力。

        4) 設置飛輪制動器、微動調整機構、模具快速更換裝置、降低壓力機噪聲的消音器等。

        5) 對離合器和制動器,頂料機構、傳動、潤滑系統等進行改進。

        隨后,中國二重集團公司1978年由德國EUMUCO公司引進技術后開始設計制造MP型熱模鍛壓力機,它是在傳統結構的熱模鍛壓力機的基礎上設計的,在結構上具有以下主要特點:

        1) 機身  公稱壓力機在40MN下的壓力機機身為整體實心結構,立柱和上橫梁、底座之間連接處的過渡圓角大,并經過仔細打磨,以提高其疲勞強度。公稱壓力大于40MN的壓力機機身采用組合結構,用四根螺柱預緊構成一封閉框架。

        2) 滑塊及其導軌  滑塊取消了象鼻形附加導軌,采用X型長導軌結構。 由于X型導軌的間隙不受溫度變化的影響,因而可以把導軌間隙調得較小。在調定后可保持穩定,無須經常調整。

        3)     封閉高度調整  采用偏心壓力銷調節封閉高度。封閉高度調整裝置設置在滑塊內,可以避免模鍛時產生的氧化皮侵入,且可防止封閉高度調整時模具的水平移動。

        4) 離合器和制動器采用小慣量的單盤浮動鑲塊式結構(大型壓力機離合器為多片式結構),具有發熱輕,摩擦塊壽命長、靈敏,摩擦塊磨損后易于更換等優點。

        5) 飛輪和制動器盤等于軸的連接采用無鍵賬套聯接,具有裝卸方便和不削弱軸的強度等優點。

        6) 采用PLC控制。由于設有轉速監控裝置,因而可以測出壓力機不同工作載荷下的轉速降,并給出相應的制動信號,使滑塊比較準確地停止在上死點。當飛輪速降超過允許值時,能夠發出相應的信號。

        7) 壓力機設有壓力顯示報警,設有軸承溫度監控、潤滑監控以及各種工藝連鎖及各種故障顯示,運用PLC自動控制,大大提高了工作的可靠性。

        目前MP型熱模鍛壓力機已成為國內中小型熱模鍛壓力機的主要結構,已經成為熱模鍛的標準,國內的MP熱模鍛基本也都是仿照二重的模型結構制造。中國二重集團公司先后制造了40余臺1000-6300t熱模鍛壓力機交付國內鍛造廠,大力提升了中國的鍛造水平,在國內中小壓機市場占有較高的市場份額。最近幾年山東等民營企業也開始生產熱模鍛壓力機,但是局限在2500噸及以下規格,由于技術儲備不足或能力不夠,質量問題也不少。MP熱模鍛壓力機主要關鍵技術:

        1) 壓力機銅瓦的制造技術

        壓力機大量軸瓦屬于低速重載,銅瓦制造技術尤為關鍵,特別是高速軸軸瓦。軸瓦需要離心澆筑,軸瓦和中間軸的設計間隙也是體現各家的關鍵技術能力。

        2)壓力機潤滑系統

        壓力機能夠連續干活,潤滑系統必須可靠工作,潤滑系統能夠定點定量的基礎上實現可靠供油。

        3)離合器和制動器的設計技術

        壓力機實現連續的斷續工作全靠離合器和制動器的有序工作,離合器和制動器的設計能夠壓力機準確完成鍛打后停止上死點,離合器和制動器不能發生相位干澀。

        4)信號的連鎖和監控

        壓力機的信號的連鎖和監控是體現設計水平的重要指標,能夠保證人生安全和設備安全,人性化的信號監控和報警是必要因素。

        5)大件的制造水平

        3150T屬于中型熱模鍛壓力機,機架、偏心軸、連桿、滑塊、壓力機銷、中間軸是設備主要大件,制造水平是衡量壓機的基礎,完善的制造工藝和探傷檢測技術是保證壓力機制造的必備條件。

        經過30多年的發展,我國已形成了自行設計制造現代熱模鍛壓力機的能力,具備了熱模鍛壓力自動化和自動線的配置能力。中國一重能夠制造6300噸以下的熱模鍛壓力,中國二重能夠制造1000-16800噸的熱模鍛壓力,而沈重早已退出熱模鍛壓機市場,而山東大量的民營企業能夠生產中小型熱模鍛壓力機。我國鍛件生產廠家眾多,設備數量龐大,熱模鍛壓力機設備制造能力和控制水平已經基本接近或達到發達國家的水平,但國內熱模鍛生產線自動化程度普遍不高,總體技術不高,只有一汽、二汽、蒂森克虜伯、上海愛知、法士特等少數大公司采用熱模鍛壓力機自動線,絕大部分企業仍采用手工操作,自動化程度低;中小件的模鍛,仍然是模鍛錘(電夜錘)占多數。而且普遍采用手工上下料和人工傳送工件,易造成工件劃傷等缺陷,鍛件表面質量差;整條生產線長,操作工人多,占地面積大,人工成本高。為了提高表面質量,上海愛知鍛造公司在6300噸熱鍛沖壓線上精整機前后配置2臺機器人通過分別夾曲軸兩端軸徑做平行四邊形運動來移送鍛件,最大化的保護鍛件表面質量。目前,越來越多的企業在關注質量的同時也開始注重生產效率,上海愛知鍛造公司在2006年投產的6300噸熱模鍛線大量采用了機器人代替人工操作,實現了最快生產節拍18秒/件。

        在發達國家大型汽車零件模鍛件大部分采用以多工位熱模鍛壓機為主休的綜合自動線,美國、德國、日本基本采用熱模鍛壓力機取代原有的模鍛錘,中小型模鍛件采用多工位高速自動熱鐓機,最高速度達到4000-12000件/小時,而我國在多工位鍛造、精密鍛造等方面基本沒有。企業勞動生產率較低,日本鍛壓行業全員勞動生產率為175噸/人.年,我國最具代表性的汽車鍛造公司全員勞動生產率為50噸/人.年。我國鍛造模具壽命方面普遍偏低,受材料、工藝設計、鍛造設備、加熱、潤滑等因素的影響,我國熱鍛模具壽命一般在4000至6000件,而國外模具壽命在10000至15000件。模具壽命是影響鍛壓件成本的主要因素,提高鍛模的壽命是我國鍛造企業的共同使命。總體來看,我國的制造技術水平與發達國家的差距還很大。

        四、 熱模鍛行業未來的發展趨勢

        21世紀的制造業,正從以機器為特征的傳統技術時代,向著以信息為特征的技術時代邁進,即用信息技術改造和提升傳統產業。經濟全球化和世界市場一體化加速發展,不斷加劇了制造商之間的競爭,提出了快速反應市場的要求,與之相適應,制造業對自動化技術及裝備的要求更加迫切而強烈。同時,微電子技術和信息通信技術的快速發展,為自動化提供了重要的技術支撐,工業裝備的數控化、自動化、柔性化呈現蓬勃發展的態勢。當前的世界熱模鍛行業技術及裝備發展主要體現在一下幾個方面:

        1、 注重產品的精細化設計,完善熱模鍛產品系列。目前大型熱模鍛壓力機中國已經飽和,而中小噸位的設備需量大,市場信息很多,加快熱模鍛壓力機的精細化設計,使產品如何更具柔性,以適應“及時生產”的要求是目前一個重要目標。壓力機用戶要求設備的所有控制功能集成化,從而實現全套工藝的菜單化管理,主要包括滑塊行程調整、平衡器氣壓的調整、氣墊行程調整,以及自動化控制系統等各個環節的參數設定,從而加強產品的競爭力。

        2、 跟蹤世界先進鍛壓技術,完善產品功能,實現產品創新。目前國內熱模鍛設備離合器和制動器均采用干式氣動離合器,而德國已開始運用濕式液壓離合器,并且在法士特50MN熱模鍛壓力機、遼源160MN熱模鍛壓力機已采用,模具的自動化夾緊已在設備上大量運用,這些是下一步急需完善的設計技術。

        3、 適應配置步進梁生產的寬臺面壓力機。由于現代鍛造生產節拍大大提高,步進梁在中小壓力機上大量使用,現代化的熱模鍛壓力機能夠和步進梁實現完美匹配,同時滿足實現鍛造所需的所有步驟(壓扁、預鍛、終鍛、切邊、沖孔)。

        4、 滿足自動化生產線需要,研制生產線上的各種輔助設施。如對步進梁機械手進行研制,加大熱模鍛設備的覆蓋面。對輥鍛機機械手的優化設計,提高生產線節拍。

        5、 熱模鍛壓力機控制的集成化,可通過單一操作接口實現所有壓機和模具的各項控制功能。包括故障診斷,故障分析及報警,并使設備的維修保養更加方便,而且明顯增加壓力機的有效工作時間。通過通訊實現異地壓機運行監控,具有現場通訊網絡、現場設備互聯、互動操作性、分散功能模塊、開放式互聯網絡的現場總線技術,是熱模鍛控制技術的發展方向,對實現自動化具有明顯的推動作用。

        五、 結束語

        我國熱模鍛壓力機的快速發展必將推動我國裝備走向世界,將對我國鍛壓事業的發展將產生重大的現實意義和深遠的歷史意義,同時將會帶來巨大的經濟效益。熱模鍛企業應縮小與先進國家的差距,為成為鍛壓強國而努力奮斗。 

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