ELBE模型鍛造方法淺析

ELBE模型鍛造是金屬在外力作用下產生塑性變形并充滿模膛而獲得鍛件的方法。模鍛件尺寸精度高，機械加工余量小，鍛件的纖維組織分布更為合理，可進一步提高零件的使用的時長。模鍛生產率高，操作控制簡單，容易實現機械化和自動化。液壓模鍛錘作為蒸空模鍛錘的升級換代產品，具有能量利用率高，節約能源，節約投資，便于實現自動化等優點，是目前應用較多的一種模鍛設備。

　　但是液壓模鍛錘也存在故障率比較高，可靠性較差，噪聲嚴重等問題，其原因主要是打擊能量不可控制。當工件變形所吸收的能量小于錘頭打擊能量時，錘頭的多余能量造成了上下錘頭的對擊，引起錘體劇烈振動，造成連接部位松動，引發疲勞斷裂。所以建立全液壓模鍛錘液壓缸的數學模型，實現打擊能量的精確控制，可提高液壓模鍛錘的可靠性和能量有效利用，具有十分重要的實際意義。

　　ELBE液壓模鍛錘自動化程度高，打擊不同的工件時，只需稍微改變設置即可實現。模鍛錘液壓缸上腔為無桿腔，下腔為有桿腔，是上下腔雙作用的單活塞桿液壓缸，通過控制上腔壓強來實現錘頭的運動。

　　2.1模鍛錘液壓系統（Hydraulic systems）結構

　　液壓模鍛錘液壓系統（Hydraulic systems）一般是由動力元件，執行元件，控制元件，工作介質（起決定作用的物質）和輔助裝置組成的，系統各部分組成一個有機聯系的整體。液壓系統（Hydraulic systems）動力元件為液壓泵（Hydraulic pumps），工作介質（起決定作用的物質）為油；執行元件為單桿雙作用液壓缸，其上下腔均采用油壓驅動，油壓由油泵（Deep well pump）和蓄能器及差動回路聯合控制，液壓缸下腔始終連通蓄能器，控制系統只對液壓缸上腔控制；控制元件為液壓閥；輔助裝置包括蓄能器，濾油器，油箱，熱交換器，油管，管接頭，壓力表等。

　　打擊時，打擊閥使上下腔連通，靠液壓缸有桿下腔和無桿上腔面積差實現錘頭快速運動農機液壓泵機械操縱、液壓伺服排量控制可以保持斜盤的角度以及相應的排量通過對打擊閥的控制實現錘頭的提錘，懸錘，打擊，放錘等機械動作。

　　溢流閥4是一種液體壓力控制閥，在模鍛錘液壓系統（Hydraulic systems）中主要起定壓溢流作用和安全保護作用；節流閥5是通過改變節流截面或節流長度以控制液壓油流量，在對模時此閥可以實現錘頭微動；蓄能器6是液壓系統（Hydraulic systems）中的一種能量儲蓄裝置，與液壓缸下腔相通，它上腔充高壓氮氣，下腔充液壓油。在錘頭向下快速打擊時，液壓系統（Hydraulic systems）瞬時壓力增大，蓄能器可以吸收這部分的能量，轉變為氣體壓縮能儲存起來，當提錘和打擊閥開啟，上腔進油時，又將氣體壓縮能轉變為油壓能，實現系統能量的暫時儲存及釋放，保證整個系統壓力正常。打擊閥7采用二位三通一進一出常開式換向電磁閥（magnet valve ），通電時油路開啟向油缸上腔進油，準備打擊，斷電時出油用以卸荷，迅速提錘，通過控制其進油路開啟時間來實現打擊能量的精確控制。

　　2.2液壓模鍛錘的工作原理

　　液壓模鍛錘根據鍛件生產工藝隨時調整打擊次數和打擊能量，控制系統通過控制電磁閥（magnet valve ）的通斷，可以實現提錘，打擊，懸錘等各種動作循環，也可以實現重打和輕打，單打和連打。

　　液壓模鍛錘工作過程主要包括以下幾方面：

　　按啟動按鈕，電機帶動油泵（Deep well pump）啟動，溢流閥進入工作狀態，主油路升壓，液壓油進入油缸下腔和蓄能器下腔，準備提錘。

　　打擊閥通電，進油路開啟，來自油泵（Deep well pump），蓄能器以及通過差動回路引來的下腔油的高壓油進入上腔，實現錘頭的快速下行。

　　打擊閥斷電，上腔接通油箱回油，上腔卸壓，錘頭立即快速回程。

　　錘頭升至一定位置即可進行打擊或放錘，錘頭升至最上位置，將觸動限位開關，停止提錘。

　　打擊工序完畢，裝入下一工件時，打擊閥不通電，靠下腔油和蓄能器平衡油壓實現懸錘。同時錘頭設有安全銷，以防事故和意外打擊的發生。

　　3液壓缸模型的試驗分析打擊能量對于液壓模鍛錘來說是最重要的參數之一，不僅是機械設計要實現的主要性能參數，而且是數據控制的關鍵所在。所以建立正確的液壓模鍛錘打擊能量的數學模型，對于該設備進行打擊能量及打擊次數的程序控制具有重要意義。

　　3.1液壓缸的模型建立

　　液壓模鍛錘液壓缸是單桿雙作用活塞缸，上下兩腔的有效工作面積不相等液壓閥是自動降低管路工作壓力的專門裝置，用于氣動回路中，對壓縮空氣的壓力值進行調節，使設定的壓力值近于恒定。考慮模鍛錘的實際工作環境，由能量守恒定律對活塞進行受力分析。液壓缸活塞的總受力由液壓缸上腔對活塞的力f1，下腔對活塞的力f2，油液對活塞的阻力f以及活塞桿上外加負載fg組成。它們的計算式如下：

　　f合=f1-f2-f-fg

　　由動量定理得液壓缸活塞的運動方程：

　　f合t=mvp=mxw

　　利用matlab/simulink仿真軟件，根據式建立了液壓缸運動時的非線性模型，實現了圖形化交互方式方法下錘頭打擊及回程仿真的參數化設計。

　　本文設定液壓模鍛錘上腔活塞面積100cm2，下腔活塞面積a1=80cm2。活塞桿上外加負載fg=100n.

　　活塞粘性摩擦系數dx=2ns/m.液壓缸活塞，活塞桿及錘頭質量m=300kg.采用ode45法進行200s的仿真，通過添加示波器可以方便的觀察上下腔壓強以及液壓缸活塞位置和速度輸出隨時間的變化的情況液壓泵伺服閥可以連接功能調節器和遠程控制系統輸入信號為一系列階躍信號。液壓缸下腔壓強p下始終為10mpa.設定錘頭向下運動的位移和速度為正方向。

　　參見試驗結果，可以作如下分析：

　　從0到20時刻上腔壓強為9mpa，下腔壓強為10mpa，p上a2-fg=p下a1，這時活塞受力平衡，錘頭速度為0，處于靜止狀態變量液壓泵的釋放控制手柄，斜盤會自動退回中位，流量變為零可以看出此段時刻錘頭的動能為0.

　　從20到70時刻上腔壓強變為3mpa，活塞受的合外力方向向上，錘頭由平衡狀態位置開始向上提錘，速度由0變為-4m/s，錘頭向上移動了200mm.可看出此段時刻錘頭的動能為2400j.

　　90到120時刻上腔壓強升為19mpa，活塞受的合外力方向向下，活塞加速向下運動，錘頭速度由0變為6.7m/s，錘頭向下移動了200mm，回到初始位置。可以看出此段時刻錘頭的動能為6600j.

　　在140到190時刻上油腔壓強為3mpa，活塞受的合外力方向向上，活塞上升提錘200mm，速度為-4m/s.可以看出此段時刻錘頭的動能為2400j.

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