锻造操作机发展现状与研究方向

张营杰，卫凌云，牛 勇，韩炳涛

（中国重型机械研究院有限公司 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032）

锻造操作机发展现状与研究方向

张营杰，卫凌云，牛 勇，韩炳涛

（中国重型机械研究院有限公司 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西 西安 710032）

锻造操作机是自动化锻造作业中不可缺少的重要装备之一，在提高生产效率，保证加工质量等方面发挥着重要作用。本文综述了锻造操作机的发展历史、研究现状、机械结构形式，提出了今后的研究方向，为我国大型锻造操作机的研究发展提供参考。

机械制造；锻造操作机；发展现状；研究方向

1 引言

国民经济的高速发展，极大地促进了我国航空航天、国防、交通运输、船舶动力、电力电器和机械制造等行业的发展。对大型自由锻件的需求，无论在规格、数量和质量上都提出了新的要求。提高产品开发速度，加速锻造现代化；提高锻件质量，延长使用寿命；提高锻件精度，减少机加工量；提高生产效率，增加经济效益；安全环保，改善劳动环境已成为自由锻件生产行业的共识。锻造操作机是锻件精确制造的基本装备之一，与自由锻造压机配合进行锻造作业能极大提高锻造生产效率和锻件制造质量，降低制造成本。

国内外通过配备锻造操作机，大幅提升了锻造效率。日本神户制钢所采用1600kN/4000kN·m锻造操作机后，比采用两台锻造天车效率提高了1.6～2倍；上海重型机器厂有限公司的统计也表明，使用锻造操作机可以显著提高锻造生产效率[1]。在现代化的锻造车间，尤其在大型自由锻造液压机上配备锻造操作机已是必不可少，而且锻造压机机组设备中配备双锻造操作机已逐步成为一个新的发展趋势[1～5]。

本文综述了锻造操作机的发展历史、研究现状、机械结构形式以及未来研究方向，为我国大型锻造操作机的研究发展提供参考。

2 国外研究现状

锻造操作机早在60年前就已经问世。最早在美国、前苏联，而后在日本、英国、奥地利等国发展起来，成为系列化产品并进入工业性生产。最初的操作机多为机械传动，到20世纪60、70年代出现了混合传动、全液压传动等结构紧凑、操作灵活的锻造操作机。90年代中期，国外大型锻造操作机技术已经成熟，它与锻造压机配合使用，大大提高了锻造生产效率、锻件精度和质量，同时提高了材料利用率，降低了能耗。

国外锻造操作机的制造商主要有德国的DDS公司、SMS－MEER公司、GLAMA公司、捷克ZDAS公司、WEPUKO公司、韩国HBS PRESS公司等。图1（a）所示为SMS－MEER为俄罗斯生产的2500kN/6300kN·m锻造操作机，是目前世界上最早投入使用的最大的现代化锻造操作机。图 1（b）、（c）、（d）所示分别为DDS公司、GLAMA公司和ZDAS公司生产的锻造操作机。DDS公司和SMS－MEER公司对具有现代控制技术锻造操作机的发展起到了至关重要的推动作用，目前已经成功制造了多台2500kN/6300kN·m锻造操作机。

3 国内研究现状

我国锻造操作机研究起步于上世纪60年代，并在1974年首次制订了锻造操作机系列标准。从上世纪60年代末期开始，中国重型机械研究院有限公司由国家投资，与快锻油压机同步开始进行新型锻造操作机的研究工作，是我国最早研究锻造操作机的单位之一。从上世纪80年代开始，先后成功开发并投入工业生产的有 20kN/40kN·m、30kN/60kN·m、50kN/120kN·m、100kN/250kN·m 等多台锻造操作机。并在近几年开发研制了200kN/400kN·m、300kN/800kN·m、1200kN/3000kN·m 等多台套大中型锻造操作机。但是，由于国内整体技术水平相对落后，1600kN级以上大型锻造操作机主要依赖进口。例如：在上海重型机器厂有限公司投入使用的我国自行设计制造的165MN锻造油压机，配备了一台SMS-MEER设计的2500kN/6300kN·m锻造操作机；第一重型机械集团公司150MN锻造水压机配备了DDS设计的2500kN/6300kN·m锻造操作机；第二重型机械集团公司125MN锻造水压机配备了DDS公司的1600kN/4000kN·m锻造操作机。国内目前正在建造的万吨级大型自由锻造液压机超过十台套，都亟需配备相应的大型锻造操作机。由于我国目前尚未掌握1600kN级以上大型锻造操作机的核心技术，严重地制约了国内相关行业的发展。

图1 国际锻造操作机厂商制造的锻造操作机

为解决大型锻造操作机自主设计问题，2006年国家973计划设立“巨型重载操作装备的基础科学问题”研究项目，力求为我国巨型重载操作装备系统的自主化设计开发奠定理论基础。2010年国家科技重大专项支持了由中国重型机械研究院有限公司负责的“3000kN/7500kN·m锻造操作机”研究项目，目标是掌握大型锻造操作机核心技术，开发出具有国际先进技术水平、拥有完全自主知识产权和市场竞争力的新型大吨位锻造操作机。

图2 我国自主研发制造的锻造操作机

图2所示为中国重型机械研究院有限公司自行设计制造的锻造操作机。图2（a）所示为两台200kN/400kN·m锻造操作机配合20MN快锻油压机进行锻造作业；图2（b）所示为正在锻造生产中的1200kN/3000kN·m锻造操作机，该操作机为目前我国自主研发并投入工业应用的最大锻造操作机。中国重型机械研究院有限公司结合国家重大专项要求，联合“产、学、研、用”多家单位，进行了3000kN/7500kN·m大型锻造操作机的开发研制，在大型锻造操作机方面具备了较强的科研开发能力和较高的技术水平。

4 机械结构类型

4.1 夹持装置的形式

根据受力情况，锻造操作机夹持装置形式主要有长杠杆式和短杠杆式。典型长杠杆式夹持装置结构如图3（a）所示，由钳壳、钳口、钳臂、连杆、夹紧缸等组成。长杠杆式的优点是拉杆上需要的拉紧力较小，夹持范围大，可改善有关零件的受力状况；缺点是拉杆行程较长，零件较多，加工制造难度较大。

图3 锻造操作机夹持装置结构形式

典型短杠杆式夹持装置结构如图3（b）、（c）所示，由钳壳、钳口、钳臂、夹紧缸等组成。短杠杆式的优点是钳头零件数量少，容易加工制造；缺点是拉紧力较大。

4.2 吊挂装置的形式

目前，大型锻造操作机吊挂装置主要有两种常见的结构形式。图4（a）为平行连杆式，它由前部吊臂、前转臂、平升缸、缓冲缸、倾斜缸、后转臂和连杆等组成。图4（b）为摆动杠杆式，它由前吊杆、倾斜缸、缓冲缸、后吊杆、平升缸和转臂等组成。平行连杆式结构所占空间小，对液压系统和制造精度要求较低，但机构相对复杂。摆动连杆式结构机构简单，稳定性高，但所占空间较大，对液压系统和电气控制系统的控制精度要求较高。

图4 锻造操作机吊挂装置结构形式

5 研究方向

大型锻造操作机是世界上最大的多自由度重载机器人之一，属于机电液一体化的复杂装备。为了满足生产需要，对大型锻造操作机需要开展以下几个方面的研究。

5.1 大型锻造操作机的工作机理研究与构型方案设计

针对适用于大型锻造操作机的重载构型进行创新设计，研究出大型锻造操作机的工作构型和主体结构。冗余输入并联机构的引入可以有效提高锻造操作机的机构承载能力，进行设计并优化分析以确定适用于偏心大载荷条件下的冗余输入并联机构。5.2 运动性能与承载能力协调匹配以及重载条件下界面特性和整体刚度特性

由于大型锻造操作机夹持重量大，承载能力必须足够强，同时对运动性能要求也较高，所以要解决运动性能与承载能力的协调匹配以及保证重载条件下界面特性和整体刚度特性。

5.3 大型零部件的结构设计、拓扑优化和力流优化配置技术

进行锻造操作机夹持装置、吊挂装置、机架等大型零部件的结构设计、拓扑优化和力流优化分析，设计出合理的结构形式。

5.4 大惯量、大流量、高精度液压系统控制技术

针对大型锻造操作机运动惯量大、负载大、精度高的特点，综合考虑负载特性、主控制元件、容积效应、液压系统中辅助子系统、主动力子系统、主控制子系统、冷却子系统等各方面因素的影响，解决该液压系统控制的静、动态特性问题。

5.5 动态负载特征变化与系统功率匹配技术研究锻造操作机工作过程的动态负载变化规律，解决系统负载特征变化与功率匹配问题，研发高效节能的大型锻造操作机动力传输控制系统。

5.6 多自由度的协调和同步控制技术针对大型锻造操作机多执行器负载敏感性，结合实际工况，研究多执行器的复合控制性能，采用先进工业控制计算机和传感器技术进行数据处理，结合大型锻造操作机动力传输控制系统的基本控制方案，建立试验平台，以模拟仿真和试验研究相结合的方式，研究操作机的控制算法，以确保多个执行器动作的协调性和同步性，进而提高系统复合动作的适应性和协调性。

5.7 基于大型锻件锻造生产与压机联合控制的锻造工艺程序控制技术

与大型自由锻造压机相结合，针对典型的大型或特大型锻件进行锻造工艺研究和探索，在锻造实验基础上开发出典型锻件的锻造工艺程序，应用于大型锻件的工业批量生产。

6 结论

锻造操作机是锻件精确制造的基本装备之一，与自由锻造压机配合实现锻造作业，可极大提高锻造生产效率和锻件制造质量，降低制造成本。本文综述了锻造操作机的发展历史、研究现状和机械结构形式，提出了锻造操作机未来发展的研究方向，即大型锻造操作机的工作机理研究与构型方案设计，运动性能与承载能力协调匹配和重载条件下界面特性和整体刚度特性，大型零部件的结构设计、拓扑优化和力流优化配置技术，大惯量、大流量、高精度液压系统控制技术，动态负载特征变化与系统功率匹配技术，多自由度的协调和同步控制技术以及基于大型锻件锻造生产与压机联合控制的锻造工艺程序控制技术等。

[1] 余发国，高 峰，郭为忠，葛 浩.锻造操作机的回顾与展望.机械设计与研究[J]，2007 专刊：12－15.

[2] 高 峰，郭为忠，宋清玉，杜凤山.重型制造装备国内外研究与发展.机械工程学报，2010（19）：92～107.

[3] 俞新陆.液压机的设计与应用.北京：机械工业出版社，2006.

[4] 蔡 墉.我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程.大型铸锻件，2007（1）：37～44.

[5] 姚保森.我国锻造液压机的现状与发展.锻压装备与制造技术，2005（3）：28～30.

Developing Status and Trend of Forging Manipulator

ZHANG Yingjie,WEI Lingyun,NIU Yong,HAN Bingtao
（State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment,China National Heavy Machine Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,Shanxi China）

The developing history,research status,and the mechanical structure of the forging manipulator have been overviewed in the text.The researching trend has been put forward,which provides reference for the development of domestic heavy-duty forging manipulator.

Forging manipulator;Developing status;Research trend

TG315

B

1672－0121（2012）02－0011－03

国家科技重大专项项目（2010ZX04013－021）

2011－12－20

张营杰（1965－），男，教授级高工，从事锻压装备与工艺技术研究