用于锻造工艺课程实验的气锤的研制

韩 飞，明 祖，傅 乾，王卫卫，赵洪运（哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209）

用于锻造工艺课程实验的气锤的研制

韩 飞，明 祖，傅 乾，王卫卫，赵洪运
（哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209）

基于冲击气缸研制了用于锻造工艺课程实验的气锤。依据铅试样镦粗变形功和冲击气缸的最大冲击功，选择了冲击气缸的缸筒内径和活塞行程。根据冲击气缸的工作原理，设计了冲击气缸的控制电路，选用了电器元件和气路控制元件，设计制造了冲击气缸的支架与砧座。当气压达到0.7MP a时，按下开关经延时后，锤头高速向下运动。

气锤；冲击气缸；控制电路；支架

冲击气缸具有体积小、结构简单、成本低、耗气少，能产生很大冲击力的特点，利用其冲击力可进行锻造、冲压、铆接、打印、打桩、破竹破木等多种加工[1-2]。

材料成形及控制工程专业锻造工艺课程实验中的镦粗、拔长、冲孔实验，一般在液压机或冲床上进行，而液压机和冲床的工作速度较低，远低于锻锤的打击速度，因此实验结果不能完全体现锻锤上工件变形特点。

在压缩空气的驱动下，冲击气缸中的活塞杆或冲锤能产生很高的冲击速度[3]，能达到一般锻锤的打击速度[4-6]。为了给锻造工艺课程实验提供简单实用的实验设备，利用冲击气缸作为冲击力来源研制了锻造实验用气锤，该气锤结构简洁，占地面积小，噪声、振动小。

1 冲击气缸的选用

可供选择的冲击气缸结构有多种形式，分别应用于多种场合[7-8]。由于自由锻造工序（如镦粗、拔长和冲孔）不需要压边，故选用结构简单的一种冲击气缸，其工作原理如图1所示。

该冲击气缸的动作分为复位、蓄能、低速运动和高速运动四个阶段，如图1a~d所示。

图1 冲击气缸工作原理示意图

图1a为复位阶段，K2孔和K3孔通大气，K1孔充气，缸筒3与活塞杆1构成的活塞杆腔填充气体，活塞环左端面在气压作用下，活塞环4和活塞5以及活塞杆1向右移动，活塞5进入右端盖6，直到活塞环4接触右端盖6。

图1b为蓄能阶段，K1孔通大气，K2孔充气，活塞环4向左移动，直到接触左端盖2，蓄能开始，活塞杆腔压力上升到气源压力。

图1c为活塞5和活塞杆1低速运动阶段，在K2孔持续通气的情况下，K3孔开始充气，当活塞5右端面受到的压力大于活塞5左端面的压力和活塞杆1左端的大气压力以及活塞运动的摩擦阻力之和时，活塞和活塞杆向左低速运动。

图1d为活塞5和活塞杆1高速运动阶段，当活塞右端面离开右端盖时，活塞杆腔和右端盖的充气腔连通，活塞右端面受到高压气体的作用，使活塞和活塞杆向左做高速运动，完成冲击动作。

圆柱体坯料的镦粗变形功W（单位：J）按下式计算[9]：

变形材料为铅，其室温下变形抗力σs＝19MPa[10]，圆柱体直径D0＝20mm，原始高度H0＝40mm，压缩后高度H＝20mm。假设镦粗后的形状为圆柱体，根据体积不变，镦粗后的直径D＝28.3mm，圆柱体的体积V＝0.25π202×40=12560mm3。将这些数据代入公式（1）进行计算，圆柱体坯料的镦粗变形功为188.9J。故选用冲击气缸的缸筒内径为125mm，当行程达到140mm时，最大冲击功为273J[2]，大于188.9J，能满足直径20mm、高度40mm的铅圆柱体坯料压缩试验的打击能量要求。

2 冲击气缸控制电路图

冲击气缸的控制电路图如图2所示。电源采用24V直流电源，开关为常开。图中采用了一个普通继电器和一个时间继电器。采用了两个二位五通电磁阀。

二位五通电磁阀采用市售亚德客4V210-08Air－TAC，如图3所示。其中，P是进气口，接气源；A、B是出气口，接冲击气缸的K1、K2或K3；R、S是排气口，可以接过滤器，也可不接，但是会影响AirTAC电磁阀的使用寿命。A是常开口，就是一通气就从A口出气。通电或者手动控制时B口出气。

与普通继电器相接的二位五通电磁阀的A口接K1孔，B口接K2；与时间继电器相接的二位五通电磁阀的B口接K3，A口封住（不用）。

图2 冲击气缸控制电路图

图3 二位五通气路控制电磁阀实物图

接通气源后，当开关断开时，如图1a所示，与A口相接的K1孔充气，K2孔和K3孔排气，冲击气缸为复位阶段。当开关合上时，普通继电器通电后控制二位五通电磁阀切换工作位置，即通过A口排气，B口出气，此时K1孔排气和K3孔排气，K2孔进气，冲击气缸为蓄能阶段，如图1b所示。经过时间继电器延时后，时间继电器控制的二位五通电磁阀切换工作位置，即B口出气，此时K3孔进气，活塞杆先低速运动（图1c），然后高速运动（图1d）。

图4 5s时间继电器三视图照片

常用的时间继电器有5s和10s两种。本文选用5s继电器，如图4所示。普通继电器则如图5左上角所示。

继电器通过插头与塑料底座的插孔连接，塑料底座上有相应的接线柱，通过螺钉将底座与钢板连接。二位五通气路控制电磁阀也通过螺钉与钢板连接，开关通过压环和螺钉与钢板连接，连接好的电路板如图5所示。24V直流电源及过滤减压阀通过螺钉与另一块钢板连接，如图6所示。

图5 电路板照片

图6 电源及过滤减压阀

3 气锤装配图

汽锤的机械部分如图7所示，由支架1、冲击气缸2、锤头3、砧座4和底板5组成。支架由上下左右四块槽钢焊接而成，构成一个封闭的框架。气缸的定位圈与支架的定位孔配合，并且通过螺钉与支架连接。锤头套在活塞杆上，并通过螺钉紧固。砧座通过螺钉与支架和底板连接。为了减小气锤打击时支架对地面的压强，在支架下面安装了底板。

图7 气锤装配示意图

4 安装调试

将过滤减压阀的出气口（图6左上角）与电路控制板上的两个电磁阀的共用进气口，通过塑料快速接头和气管对接，用气管连接两个电磁阀的三个出气口与气缸的三个进气口。将过滤减压阀的进气管（图6右侧）与压缩空气泵通过金属快速插头对接。接通220V交流电，24V直流电源指示灯亮，启动气泵，当气压达到0.7MPa时，按动开关，经延时2~3秒后，锤头高速向下冲击。

5 结束语

根据自由锻坯料变形特点，选择了冲击气缸的结构。通过圆柱体坯料镦粗变形功的计算，根据最大冲击功大于变形功，确定了冲击气缸的缸筒内径和行程。由冲击气缸的工作过程，采用了合适的控制电路和气路，选购了开关、电磁阀、继电器以及过滤减压阀等电器元件。气管和电磁阀的气孔、与气缸的气孔、与过滤减压阀的气孔、与气泵的出气孔，均采用快速接头，方便拆装。采用了槽钢焊接框架结构来支撑冲击气缸，结构简单、重量轻，满足强刚度要求。

[1]徐文灿.冲击气缸的选用和设计方法[J].液压与气动，1984，（2）：8-13.

[2] 李雪梅，曾德怀，丁 峰.冲击气缸的设计与应用[J].液压与气动，2005，（3）：65-66.

[3] 王成刚，谢小恒，郑晓敏，等.冲击气缸的数学建模与动态仿真[J].机床与液压，2013，41（7）：143-145.

[4]李瑞锋，李建朝，王卫东.一种锻压设备打击速度检测仪的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2009，（7）：23-25.

[5] 李天博，薛斌斌，梅从立，等.锻锤锤头速度软测量建模研究[J].机械设计与制造，2014，（3）：75-77，80.

[6] 吕富强，朱成康.充压空气锤及其动力学分析[J].锻压装备与制造技术，1996，31（1）：10-13.

[7]张志兴.关于冲击气缸的讨论[J].机车车辆工艺，1988，（1）：52-55.

[8] 冯长印，邢 星.压紧活塞式冲击气缸 [J].液压与气动，1980，（2）：2-7.

[9]崔令江，韩 飞.塑性加工工艺学（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2013.

[10]龚义吉，张 光，李远猛.变形金属物理性能及变形速度对充填性的影响[J].锻压技术，1990，（5）：2-4.

Research of pneumatic hammer used in experiment of forging process course

HAN Fei,MING Zu,FU Qian,WANG Weiwei,ZHAO Hongyun
（Harbin Institute of Technology（Weihai）,Weihai 264209,Shandong China）

The air hammer used in experiment of forging process course has been developed on the basis of the impact cylinder.According to the upsetting deformation energy of the lead specimen and the biggest impact energy of impact cylinder,the inner diameter and piston stroke of the impact cylinder have been selected.As per the working principle of impact cylinder,the control circuit of the impact cylinder has been design,and the electrical&pneumatic control elements have been selected.Meanwhile,the bracket and anvil block of the impact cylinder have been designed and produced.When the air pressure is 0.7 MPa, the switch has been press down and delayed,then the hammer has moved downward at a high speed.

Pneumatic hammer;Impact cylinder;Control circuit;Bracket

TH138.9；TG315.3+2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.012

1672-0121（2017）02-0041-03

2016-11-26；

2017-01-22

韩 飞（1962-），男，副教授，从事塑性加工与模具设计、液态模锻及半固态成形技术研究。

E-mail：hitwhhf@163.com