模锻设备的选型与比较
海安县百协锻锤有限公司 张长龙
摘要：本文通过目前锻造行业的四大主力模锻设备蒸空模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控锻锤各自结构性能特点的比较及选型介绍，阐述四种模锻设备各自不同的适应性！阐明模锻设备的选型应针对锻件的形状、精度及工艺特点合理确定。 关键词：模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控锻锤、适应性
1 引言
蒸空模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控液压模锻锤是目前锻造行业的四大主力模锻设备，由于传动方式不同，不同设备具有不同的性能特点，因而具有不同的适应性！
2 四种模锻设备的性能特点及选型
2．1 蒸空模锻锤
2．1．1性能特点
蒸空模锻锤是在中批量或大批量生产条件下进行各种模锻件生产的锻造设备，可进行多型模锻，由于它具有结构简单、生产率高、造价低廉和适应模锻工艺要求等特点，因此它是常用的锻造设备。
蒸空模锻锤在现代锻造工业中的地位取决于如下几个方面： a 结构简单，维护费用低；
b 操作方便，灵活性强；
c 模锻锤可进行多模镗锻造，无需配备预锻设备，万能性强； d 成形速度快，对不同类别的锻件适应性强；
e 设备投资少（为热模锻压力机投资的1/4~1/3）；
f 能耗高，有三废排放，噪音、振动大，不能自动化。 蒸空模锻锤与其它成形设备的比较如下：
蒸空模锻锤的特出优点在于打击速度快，特别适合要求高速变形来充填模具的场合。由于锻锤速度快，模具接触时间短，有利于重量相对小、形状轻薄、冷却特别快的零件的成形，有利于模具寿命的提高。
锻锤用于锻制带有薄筋板、形状复杂的而且有重量公差要求的锻件，它的性能和经济优势将得到充分体现。锻锤仍是锻造工业适应性较强的设备，特别适合多品种、小批量生产。
2．1．2 选型
锻锤的最大打击能量是锻锤的工作能力最主要的参数，所需锻锤打击能量的选择可参照如下公式：
E=25（3.5～6.3）KF总
式中E—锻件所需的打击能量(KJ)；
K—钢种系数（低碳钢为0.9；中碳钢和低碳合金钢为1；中碳低合金钢这
1.1；高合金结构钢1.25）；
F总—锻件平面图总变形面积（包括连皮及飞边）（㎝2）。
当生产批量很大，要求较高的生产率时，公式取上限数值6.3，而下限3.5用于能进行终锻工步并且生产率不很高的情况。
2．2 螺旋压力机
2．2．1 性能特点
螺旋压力机适用于模锻、镦锻、精压、校正、切边、弯曲等工序。但由于螺旋压力机的平均偏载能力远小于热模锻压力机和锻锤。因此，螺旋压力机不适合一次加热完成几道工序（如去除氧化皮，预锻和切边）。所以，当采用螺旋压力机终锻时，需要用另外的设备完成辅助工序。
螺旋压力机模锻的工艺特点是由设备的性能决定的。由于螺旋压力机具有模锻锤和热模锻压力机的双重工作特性，即在工作过程中有一定的冲击作用；滑块行程不固定；设备带顶料装置；锻造压力力由机架结构所承受等。所以，螺旋压力机模锻有如下特点：
1、螺旋压力机滑块行程速度较慢，略带冲击性，一般适应于大变形工序（如镦粗、挤压）提供大的变形能量场合。
2、由于滑块行程不固定并设有顶料装置，可适于无飞边模锻及长杆类锻件的镦锻，也可用于挤压和切边工序，但须在模具上增设限制行程装置。
3、螺旋压力机承受偏心载荷的能力较差，工作频次低，通常用于单型槽模
锻，制坯一般在其它辅助设备上进行。单型槽模锻变形中坯料中部变形大而易向水平方向剧烈流动，形成很大飞边，造成型槽深处金属不容易充满，且易产生折叠，这对于横截面形状复杂的锻件更为突出。螺旋压力机模锻受设备吨位、工作速度低和配备辅助设备制坯等不利因素的限制，一般用于体积变形较大、形状简单厚实的锻件的中小批量生产。
4、投资成本低，振动小。
5、单型槽模锻成形，金属流动量大，模具寿命低。
选择螺旋压力机的吨位须适应其特性。
2．2．2 选型
选择螺旋压力机的吨位的计算公式如下：
1）P= p/q=（64～73）F/q
式中P————螺旋压力机吨位（KN）；
p——模锻所需变形力（KN）；
F——锻件连同飞边的投影面积（㎝2）；
（64～73）——复杂锻件系数取73，简单件取64；
q——是一个变形系数，按螺旋压力机模锻中的行程和变形功可分为： ①锻件需要大的变形行程、变形量和变形功进行模锻时，q=0.9～1.1； ②锻件需要较小的变形行程和变形功进行模锻时q=1.3；
③锻件只需要很小的变形行程，但需要很大的变形力进行精压时q=1.6。
2） P=（17.5～28）K·F总(KN)
式中F总———锻件连同飞边的总投影面积(㎝2)；
K——钢种系数,参照第三单元设备吨位计算一节；
（17.5～28）——系数28用于变形困难(如挤压变形,有飞边变形等)及生产率高的条件下,反之取17.5。
上式适用于锤击2～3次成形时所需设备的吨位计算。如果需一次锤击成形应按计算增大一倍。
2．3热模锻压力机
2．3．1 性能特点
热模锻压力机模锻的特性是受压力机结构特点所决定的，具有如下特点：
1、机架和曲柄连杆机构的刚性大，工作中弹性变形小。
2、滑块具有附加导向的象鼻形结构，可增加导向长度，提高了导向精度。
3、压力机的工作行程固定，工作频次高，一次行程完成一个工步。
4、设有自动顶出装置并可实现自动化。
5、滑块运动速度曲线为正玄曲线，下死点速度较慢。
6、投资成本高，适应单一零件的大批量生产。
根据模锻压力机的工作特性，模锻工艺具有如下特点：
1、热模锻压力机滑块行程一定，下死点速度较慢。如采用一次成形，坯料中部变形大而易向水平方向剧烈流动，形成很大飞边，造成型槽深处金属不容易充满，易产生折叠，因此为了在压力机上顺利地锻出合格锻件，通常采用制坯工步，使坯料接近锻件形状，因而一般采用多工步模锻成形。
2、由于热模锻压力机导向精度高，并可采用带有导向装置的组合模，所以能锻出精度较高的锻件。模锻中可以得到精度较高的锻件，锻件机械加工余量的平均值在0.4～2㎜范围内，较蒸空模锻锤上模锻件小30～50%，公差也相应减少，一般为0.2～0.5㎜。可有效地提高锻件的材料利用率和劳动生产率。
3、各个工步的型槽可单独制作，并用紧固螺钉紧固在通用模架上。工作时上下模块不产生对击。模块的尺寸比锤上用模小得多，从而有效地节约了模具材料。而且单独制作的模块制造、使用、修理也方便得多。
4、热模锻压力机进行拔长滚挤工步比较困难，因此对于横截面相差很大的长杆类制坯件，需要采用拔长、滚挤时需借助其它设备如空气锤、辊锻机、平锻机等进行制坯。
5、热模锻压力机上模锻时坯料上下两端面的氧化皮容易压入锻件表层。 热模锻压力机吨位的确定是根据锻件终时的最大变形抗力来计算确定的。
2．3．2设备选型
锻造压力P可按下列经验公式进行计算：
P=（64～73）KF
式中F—包括飞边桥部在内的锻件投影面积（cm2）；
K—钢种系数，参照第三单元设备吨位选择内容。
对于外形简单，圆面较大，筋厚而低，以及壁较厚的锻件，复杂系数取小值，反之取大值
2．4 程控液压模锻锤
2．4．1 性能特点
程控液压模锻锤是消化吸收当今国内外锻锤先进技术，综合运用了电子、液压等现代控制、传动技术，具有自主知识产权的机电一体化高科技产品。程控液压模锻锤既具有传统锻锤灵活自如、成形速度快的特性又具有热模锻高精度特性，是锻造行业实现高效、节能节材、符合环保要求的新型数控锻造设备。
程控液压模锻锤采用智能测控技术实现打击能量，打击步序的自动控制；采用高度集成锥阀式控制技术，实现模锻锤的全液压动力驱动；采用整体U型铸钢砧座床身及可拆换的放射型宽导轨结构，实现打击系统的高可靠运行。
具体特性如下：
1、高刚性床身、放射形宽导轨保证锻锤具备热模锻压力机的几何精度；
2、打击能量、打击步序的程序化控制可实现无富余能量的打击，避免由于操作者技术水平的差异造成产品质量的影响，保证锻锤具备热模锻压力机的工作精度，模具寿命、设备振动、打击噪音均有所改善；
3、锻锤灵活自如、打击频次高，单台设备可完成镦粗、滚挤、拔长等制坯动作，可实现多模膛锻造，经过制坯、预成形，氧化皮被彻底清除，锻件表面质量较好！经过预成形更有利于锻件成形所需材料的合理分布，避免折叠缺陷；
4、程控液压模锻锤成形速度一般在4～6 m/s，有利于金属流动充填模具，特别适合锻制带有薄筋板的、形状复杂的、有重量公差要求的锻件；
5、可以与机械手联动，实现自动化操作；
6、传动效率可达65%，而蒸空锻锤仅为2~3%，高度节能；
7、具有很强的适应性，特别适合多品种、小批量生产。
2．4．2设备选型
按锻件类型、尺寸，选择不同规格设备。下图表示按锻件分模面的投影面积加飞边面积，锻件的复杂程度和材料，选择模锻锤的类型和规格的曲线图
对于简单锻件，锻件和飞边面积可以计算；对复杂锻件，最好用求积仪去测量；如果飞边尺寸不知道，对简单锻件约加20～50%，对复杂锻件约加50～120%的面积。
a－b范围：用于简单、厚壁的锻件。
曲线b：用于不太复杂的普通锻件。
b－c范围：用于复杂锻件，如带薄肋的锻件，像风扇、套筒；带陡边缘的件；带很薄的壁和扁平的锻件。
该曲线用于非合金钢或低合金钢锻件；对于高合金钢，要求采用比按以上方法选择的锤规格更大一些；特殊情况下，如果锻件可以重复加热，或可用很高的行程次数打，按通常方法选锤即可。
3 四种模锻设备的比较
4 四种模锻设备的当量关系
锻件在选择相似设备能力锻造时，锻压设备能力间的换算关系为：25KJ百协程控锻锤，相当于1吨的蒸空模锻锤，相当于10000KN热模锻压力机，相当于3500～4000KN螺旋压力机。
5 结论
蒸空模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控液压模锻锤由于其传动方式不同因而具有不同的性能特点，其适应性因此不同，设备选型应针对锻件的形状、精度及工艺特点合理确定。
6 主要参考文献
《锻压手册》第三版 中国机械工业出版社
作者简介：张长龙 男 1965年出生 江苏海安人 机械工程硕士 高级工程师 主要研究方向：模锻设备及其自动化
主要研究成果：锻锤的全液压动力驱动及数字化控制
模锻设备的选型与比较
海安县百协锻锤有限公司 张长龙
摘要：本文通过目前锻造行业的四大主力模锻设备蒸空模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控锻锤各自结构性能特点的比较及选型介绍，阐述四种模锻设备各自不同的适应性！阐明模锻设备的选型应针对锻件的形状、精度及工艺特点合理确定。 关键词：模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控锻锤、适应性
1 引言
蒸空模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控液压模锻锤是目前锻造行业的四大主力模锻设备，由于传动方式不同，不同设备具有不同的性能特点，因而具有不同的适应性！
2 四种模锻设备的性能特点及选型
2．1 蒸空模锻锤
2．1．1性能特点
蒸空模锻锤是在中批量或大批量生产条件下进行各种模锻件生产的锻造设备，可进行多型模锻，由于它具有结构简单、生产率高、造价低廉和适应模锻工艺要求等特点，因此它是常用的锻造设备。
蒸空模锻锤在现代锻造工业中的地位取决于如下几个方面： a 结构简单，维护费用低；
b 操作方便，灵活性强；
c 模锻锤可进行多模镗锻造，无需配备预锻设备，万能性强； d 成形速度快，对不同类别的锻件适应性强；
e 设备投资少（为热模锻压力机投资的1/4~1/3）；
f 能耗高，有三废排放，噪音、振动大，不能自动化。 蒸空模锻锤与其它成形设备的比较如下：
蒸空模锻锤的特出优点在于打击速度快，特别适合要求高速变形来充填模具的场合。由于锻锤速度快，模具接触时间短，有利于重量相对小、形状轻薄、冷却特别快的零件的成形，有利于模具寿命的提高。
锻锤用于锻制带有薄筋板、形状复杂的而且有重量公差要求的锻件，它的性能和经济优势将得到充分体现。锻锤仍是锻造工业适应性较强的设备，特别适合多品种、小批量生产。
2．1．2 选型
锻锤的最大打击能量是锻锤的工作能力最主要的参数，所需锻锤打击能量的选择可参照如下公式：
E=25（3.5～6.3）KF总
式中E—锻件所需的打击能量(KJ)；
K—钢种系数（低碳钢为0.9；中碳钢和低碳合金钢为1；中碳低合金钢这
1.1；高合金结构钢1.25）；
F总—锻件平面图总变形面积（包括连皮及飞边）（㎝2）。
当生产批量很大，要求较高的生产率时，公式取上限数值6.3，而下限3.5用于能进行终锻工步并且生产率不很高的情况。
2．2 螺旋压力机
2．2．1 性能特点
螺旋压力机适用于模锻、镦锻、精压、校正、切边、弯曲等工序。但由于螺旋压力机的平均偏载能力远小于热模锻压力机和锻锤。因此，螺旋压力机不适合一次加热完成几道工序（如去除氧化皮，预锻和切边）。所以，当采用螺旋压力机终锻时，需要用另外的设备完成辅助工序。
螺旋压力机模锻的工艺特点是由设备的性能决定的。由于螺旋压力机具有模锻锤和热模锻压力机的双重工作特性，即在工作过程中有一定的冲击作用；滑块行程不固定；设备带顶料装置；锻造压力力由机架结构所承受等。所以，螺旋压力机模锻有如下特点：
1、螺旋压力机滑块行程速度较慢，略带冲击性，一般适应于大变形工序（如镦粗、挤压）提供大的变形能量场合。
2、由于滑块行程不固定并设有顶料装置，可适于无飞边模锻及长杆类锻件的镦锻，也可用于挤压和切边工序，但须在模具上增设限制行程装置。
3、螺旋压力机承受偏心载荷的能力较差，工作频次低，通常用于单型槽模
锻，制坯一般在其它辅助设备上进行。单型槽模锻变形中坯料中部变形大而易向水平方向剧烈流动，形成很大飞边，造成型槽深处金属不容易充满，且易产生折叠，这对于横截面形状复杂的锻件更为突出。螺旋压力机模锻受设备吨位、工作速度低和配备辅助设备制坯等不利因素的限制，一般用于体积变形较大、形状简单厚实的锻件的中小批量生产。
4、投资成本低，振动小。
5、单型槽模锻成形，金属流动量大，模具寿命低。
选择螺旋压力机的吨位须适应其特性。
2．2．2 选型
选择螺旋压力机的吨位的计算公式如下：
1）P= p/q=（64～73）F/q
式中P————螺旋压力机吨位（KN）；
p——模锻所需变形力（KN）；
F——锻件连同飞边的投影面积（㎝2）；
（64～73）——复杂锻件系数取73，简单件取64；
q——是一个变形系数，按螺旋压力机模锻中的行程和变形功可分为： ①锻件需要大的变形行程、变形量和变形功进行模锻时，q=0.9～1.1； ②锻件需要较小的变形行程和变形功进行模锻时q=1.3；
③锻件只需要很小的变形行程，但需要很大的变形力进行精压时q=1.6。
2） P=（17.5～28）K·F总(KN)
式中F总———锻件连同飞边的总投影面积(㎝2)；
K——钢种系数,参照第三单元设备吨位计算一节；
（17.5～28）——系数28用于变形困难(如挤压变形,有飞边变形等)及生产率高的条件下,反之取17.5。
上式适用于锤击2～3次成形时所需设备的吨位计算。如果需一次锤击成形应按计算增大一倍。
2．3热模锻压力机
2．3．1 性能特点
热模锻压力机模锻的特性是受压力机结构特点所决定的，具有如下特点：
1、机架和曲柄连杆机构的刚性大，工作中弹性变形小。
2、滑块具有附加导向的象鼻形结构，可增加导向长度，提高了导向精度。
3、压力机的工作行程固定，工作频次高，一次行程完成一个工步。
4、设有自动顶出装置并可实现自动化。
5、滑块运动速度曲线为正玄曲线，下死点速度较慢。
6、投资成本高，适应单一零件的大批量生产。
根据模锻压力机的工作特性，模锻工艺具有如下特点：
1、热模锻压力机滑块行程一定，下死点速度较慢。如采用一次成形，坯料中部变形大而易向水平方向剧烈流动，形成很大飞边，造成型槽深处金属不容易充满，易产生折叠，因此为了在压力机上顺利地锻出合格锻件，通常采用制坯工步，使坯料接近锻件形状，因而一般采用多工步模锻成形。
2、由于热模锻压力机导向精度高，并可采用带有导向装置的组合模，所以能锻出精度较高的锻件。模锻中可以得到精度较高的锻件，锻件机械加工余量的平均值在0.4～2㎜范围内，较蒸空模锻锤上模锻件小30～50%，公差也相应减少，一般为0.2～0.5㎜。可有效地提高锻件的材料利用率和劳动生产率。
3、各个工步的型槽可单独制作，并用紧固螺钉紧固在通用模架上。工作时上下模块不产生对击。模块的尺寸比锤上用模小得多，从而有效地节约了模具材料。而且单独制作的模块制造、使用、修理也方便得多。
4、热模锻压力机进行拔长滚挤工步比较困难，因此对于横截面相差很大的长杆类制坯件，需要采用拔长、滚挤时需借助其它设备如空气锤、辊锻机、平锻机等进行制坯。
5、热模锻压力机上模锻时坯料上下两端面的氧化皮容易压入锻件表层。 热模锻压力机吨位的确定是根据锻件终时的最大变形抗力来计算确定的。
2．3．2设备选型
锻造压力P可按下列经验公式进行计算：
P=（64～73）KF
式中F—包括飞边桥部在内的锻件投影面积（cm2）；
K—钢种系数，参照第三单元设备吨位选择内容。
对于外形简单，圆面较大，筋厚而低，以及壁较厚的锻件，复杂系数取小值，反之取大值
2．4 程控液压模锻锤
2．4．1 性能特点
程控液压模锻锤是消化吸收当今国内外锻锤先进技术，综合运用了电子、液压等现代控制、传动技术，具有自主知识产权的机电一体化高科技产品。程控液压模锻锤既具有传统锻锤灵活自如、成形速度快的特性又具有热模锻高精度特性，是锻造行业实现高效、节能节材、符合环保要求的新型数控锻造设备。
程控液压模锻锤采用智能测控技术实现打击能量，打击步序的自动控制；采用高度集成锥阀式控制技术，实现模锻锤的全液压动力驱动；采用整体U型铸钢砧座床身及可拆换的放射型宽导轨结构，实现打击系统的高可靠运行。
具体特性如下：
1、高刚性床身、放射形宽导轨保证锻锤具备热模锻压力机的几何精度；
2、打击能量、打击步序的程序化控制可实现无富余能量的打击，避免由于操作者技术水平的差异造成产品质量的影响，保证锻锤具备热模锻压力机的工作精度，模具寿命、设备振动、打击噪音均有所改善；
3、锻锤灵活自如、打击频次高，单台设备可完成镦粗、滚挤、拔长等制坯动作，可实现多模膛锻造，经过制坯、预成形，氧化皮被彻底清除，锻件表面质量较好！经过预成形更有利于锻件成形所需材料的合理分布，避免折叠缺陷；
4、程控液压模锻锤成形速度一般在4～6 m/s，有利于金属流动充填模具，特别适合锻制带有薄筋板的、形状复杂的、有重量公差要求的锻件；
5、可以与机械手联动，实现自动化操作；
6、传动效率可达65%，而蒸空锻锤仅为2~3%，高度节能；
7、具有很强的适应性，特别适合多品种、小批量生产。
2．4．2设备选型
按锻件类型、尺寸，选择不同规格设备。下图表示按锻件分模面的投影面积加飞边面积，锻件的复杂程度和材料，选择模锻锤的类型和规格的曲线图
对于简单锻件，锻件和飞边面积可以计算；对复杂锻件，最好用求积仪去测量；如果飞边尺寸不知道，对简单锻件约加20～50%，对复杂锻件约加50～120%的面积。
a－b范围：用于简单、厚壁的锻件。
曲线b：用于不太复杂的普通锻件。
b－c范围：用于复杂锻件，如带薄肋的锻件，像风扇、套筒；带陡边缘的件；带很薄的壁和扁平的锻件。
该曲线用于非合金钢或低合金钢锻件；对于高合金钢，要求采用比按以上方法选择的锤规格更大一些；特殊情况下，如果锻件可以重复加热，或可用很高的行程次数打，按通常方法选锤即可。
3 四种模锻设备的比较
4 四种模锻设备的当量关系
锻件在选择相似设备能力锻造时，锻压设备能力间的换算关系为：25KJ百协程控锻锤，相当于1吨的蒸空模锻锤，相当于10000KN热模锻压力机，相当于3500～4000KN螺旋压力机。
5 结论
蒸空模锻锤、螺旋压力机、热模锻压力机、程控液压模锻锤由于其传动方式不同因而具有不同的性能特点，其适应性因此不同，设备选型应针对锻件的形状、精度及工艺特点合理确定。
6 主要参考文献
《锻压手册》第三版 中国机械工业出版社
作者简介：张长龙 男 1965年出生 江苏海安人 机械工程硕士 高级工程师 主要研究方向：模锻设备及其自动化
主要研究成果：锻锤的全液压动力驱动及数字化控制