恒速锻造又称等速锻造，是一种先进的金属材料成形工艺。其核心特征是在锻造过程中，模具或锤头以恒定不变的速度对坯料进行挤压或锻打。在恒速锻造中，速度通常作为核心控制变量。先进的伺服压力机或者液压机设备的液压和控制系统会精确控制活动横梁(装有上砧或者模具) 以恒定的速度向下运动，材料的变形抗力无论如何变化，液压系统都会调整输出流量来维持这个速度。简单来说，可以把他想象成“慢工出细活”的锻造版本，通过缓慢而稳定的速度，让金属“柔和地”流动成理想的形状和结构。

      随着钛合金、高温合金、镁铝合金等高端材料的快速发展，其市场需求呈指数增加，对于这类材料的锻造从设备方面提出了更高的要求。恒速锻造逐渐成为了衡量锻压设备性能和智能化的一个重要指标。同时，高精度伺服阀、电子变量泵的批量化使用，对锻压设备的控制系统提出了更高的要求。

恒速锻造技术特别适用于制造航空航天、能源、军工等领域的高端零部件的生产与制造。

    ⑴航空发动机：钛合金、镍基高温合金的涡轮盘、叶片等。

    ⑵航空航天结构件：大型铝合金、钛合金的隔框、梁等。

    ⑶交通运输方向：镁合金，铝合金等。

    ⑷高性能燃气轮机：涡轮盘和叶片。

    ⑸其他方面应用：高端医疗器械、精密模具等。

     总之，恒速锻造是一种通过精确控制恒定低速变形来实现金属材料微观组织精确成形的先进锻造技术。他可能会牺牲一定的生产效率，但是换来了卓越的锻件质量和性能，是高端材料生产过程中不可或缺的关键工艺之一，也是高端锻压设备的关键性能指标，体现出了锻压设备先进的控制手段。国内在万吨模锻液压机的等温锻造的基础上对恒速控制做了一定的研究，但在快速自由锻液压机的恒速控制上研究内容较少。

      快锻液压机，全称为快速锻造液压机，是一种结合了液压机的巨大压力和高频次锻打能力的大型精密锻造设备。快锻液压机通常是重型设备，公称锻造力从几百吨到上万吨不等( 常见的如3150 吨、5000吨、8000 吨，甚至更大的万吨级)，能够轻松锻造几十吨甚至上百吨重的大型钢锭，锻打频率通常能达到80～120 次/ 分钟，甚至更高。他主要用于对大型、难变形的金属锭( 如特种钢、钛合金、高温合金等)进行自由锻造，如镦粗、拔长、冲孔等工艺。

      快锻液压机通常配备先进的电液伺服系统和电气控制系统。通过核心控制器PLC可实现对每一次锻打的压下量、压力、速度进行精确的闭环控制，精度可达毫米甚至亚毫米级

      快锻液压机的液压系统包括供液系统、HFC( 加热、过滤、冷却) 系统、主泵系统、控制系统等。供液系统由工业螺杆泵和稳压阀组成，液压油经过供液系统和HFC 系统，持续为主泵系统提供清洁且稳定的供液压力，是主泵系统运行的根本保障。主泵系统是整个快锻机组的心脏。主泵系统由主泵电机、高压油泵( 定量泵、变量泵)、泵头阀组组成，为液压系统提供源源不断的动力。快锻液压机控制系统由控制泵电机，高压油泵、泵头阀组和蓄能器组成，为液压伺服阀、变量泵等提供控制油，是液压系统比例阀和变量泵等能够正常工作的前提。

     快锻液压机的动作包括：

    ⑴空程快下：压机活动横梁快速下降接近锻件。

    ⑵加压：接触到锻件后，以设定的压力和速度进行锻压。

    ⑶回程：锻压完成后，活动横梁快速提升，回到起始位置。

    如图1所示，压机在空程快下时，主缸进液阀打开，同时回程缸快降阀打开，活动横梁失去支撑快速向下移动，此时主缸的充液阀打开通过充液罐快速向主缸补液，完成快下动作；在上砧快要接触到锻件时，由PLC 控制快降阀关闭，活动横梁由快下动作转到加压动作并接触锻件，泵源提供高压油经过液压阀进入主缸，活动横梁继续向下挤压工件直到达到设定的目标尺寸，加压速度主要由泵源流量和压力共同决定。压机回程时，主缸卸载阀打开，主缸卸压，油液经过卸载阀回到充液罐，同时回程缸进液阀打开，主泵系统提供的高压油进入到回程缸推动活动横梁向上运行，完成回程动作，以上三个动作实现了压机一个周期锻压过程。

     本文介绍的快锻液压机控制系统以西门子S7-1500 控制器为核心，ET200SP作为远程IO负责设备操作手柄、传感器等信号的实时采集。液压系统电子变量泵的控制器通过Profinet 总线和PLC 进行通讯，如图2 所示，能够实现恒功率和恒压控制，PLC控制器从快锻液压机的液压原理和被控对象出发，通过核心控制算法，将运算结果输出到高精度的伺服阀和变量泵的控制上，驱动油缸和活动横梁等运动机构实现快锻液压机高压力，高精度的快速控制。操作计算机通过上位机软件对快锻机组的运行参数( 包括锻造速度) 进行设定，并实时将快锻机组的运行参数和故障信息通过画面展现出来。

    PLC控制器的高速数据采集模块，将安装在快锻液压机活动横梁或者回程缸中的高精度(分辨率um级)压机位移传感器信号进行采集，通过低通滤波算。法将位移的变化值换算为压机活动横梁的运动速度，如图3所示。本文在计算速度时使用的压机位移是经:过补偿算法之后的实际值。

      通过快锻液压机的液压原理可以知道，压机在锻造过程中的速度主要取决于泵源流量和压力，因此对压机速度的控制实际上是对泵源流量的精确控制。控制框图如图4所示，PI参数跟随速度，当速度要求慢。时参数调节慢，稳定且没有超调:当速度要求快时参数调节快、跟随性快、快速性好。液压泵的主要计算公式有:

     流量：

     扭矩：

    驱动功率：

     式中:vg—泵的排量;△p—系统压力;n—主轴转速；ηv—泵的容积效率，可变参数，参考取值0.9～0.95；ηhm—液压机械效率，可变参数；ηt—总效率(ηt=ηv×ηhm)，可变参数，参数取值0.8～0.85。

     恒功率模式下，力士乐A4VSO 泵功率特性曲线见图5。由液压泵主要计算公式和图5的功率特性曲线可以看出，在主轴驱动功率不变的情况下压机压到锻件后，锻件产生变形抗力，此时泵的输出压力升高，泵的输出流量减少，从而导致快锻液压机活动横梁速度减慢。根据油泵特性曲线，液压系统为了能维持活动横梁的压下速度到设定速度，需要对泵源流量( 变量泵摆角) 进行调节。

     速度控制的传递函数为：

     式中：G(s)—泵源总流量；Kp—系统中定量泵的数量，当主泵系统全为变量泵时Kp=0；Q—单台定量泵的流量；Kb—系统中变量泵的数量；δQ—变量泵摆角与单台变量泵排量的乘积；δV—压机实际速度与设定的锻造速度偏差值，Ki—增益系数。

     由传递函数式可以看出实际速度损失越大则泵源流量输出越大。通过PLC 控制程序实现变量泵摆角即泵源流量的精确控制，方法如图6 所示。

      上述控制算法中，输入信号为恒速模式设定速度、活动横梁实际速度、工作缸压力、单台泵的加压速度，输出信号为泵源数量和变量泵摆角给定(0 ～ 100°)。用博图的Trace 功能监控实际锻造过程中的控制效果见图7，从上到下，第一条曲线代表恒速锻造的速度设定值(40mm/s)，由上位机输入到PLC；第二条曲线表示压机的实际压下速度；第三条曲线表示变量泵摆角的百分比(0 ～ 100%)。从图7 可以看出，实际速度曲线在位置1 时压机处于空程压下过程，速度较快( 接近100mm/s)，当接触到锻件时实际速度减小进入恒速锻造模式，随着主缸压力升高，压机的实际速度有损失，此时变量泵摆角开始增大进行速度快速调节( 图中标记2 处)，使压机的实际速度趋于稳定值40mm/s( 图中标记3 处)，达到了比较理想的恒速控制效果。

     本文从快锻液压机的液压原理和控制系统原理出发，引入速度闭环控制算法，实现了在锻造材料变形抗力变化大的情况下，压机活动横梁的压下速度趋于稳定的速度自适应控制方法，达到了快锻液压机恒速控制的目的，从而实现了恒速锻造。