万吨水压机
万吨水压机（10000-ton hydraulic forging press）是以水基液体（乳化液）为工作介质，利用液压缸产生一万吨及以上压缩力的液压机。水压机工作原理取决于帕斯卡原理：即在一个封闭系统内压力是恒定的。水压机的工作柱塞一般在上横梁上，靠液压缸内高压液体推动活动横梁向下运动，锻压工件。向上回程则由回程柱塞来完成。当工作介质的压强相同时，工作柱塞的面积越大，则得到的工作压力也越大。
水压机一般由本体（主机）、动力系统及液压控制系统3部分组成。本体结构由上、下横梁及立柱组成一个封闭框架，承受工作载荷。工作柱塞在上横梁上，推动活动横梁向下运动，锻压工件。
水压机主要适用于大型锻件的锻造，一般在水压机上锻造的零件，重量都在1吨以上。对于几十吨甚至几百吨的重型锻件，水压机锻造是唯一的方法。水压机的工作能力大小是以上砧铁下压的总压力（t）表示的。自由锻造使用的水压机常为600～10000t。万吨水压机可以锻造一万吨及以上的锻件。
1795年，英国J.布拉默发明了水压机并申请了专利，最初应用于抽水马桶中。1893年，世界第一台万吨级（126MN）自由锻造水压机在美国建成。中国第一台1.2万吨自由锻造水压机于1962年6月试车成功。由中国一重自行设计制造的当时世界上吨位最大、技术最先进的1.5万吨重型自由锻造水压机于2006年一次热负荷试车成功，使中国成为世界上第3个拥有1.5万吨水压机的国家。
简史
世界早期发展
1795年，英国J.布拉默发明了水压机并申请了专利，最初应用于抽水马桶中。19世纪中期，英国开始将水压机用于锻造。
自从1893年世界第一台万吨级（126MN）自由锻造水压机在美国建成以来，万吨级液压机作为大型高强度零件锻造核心装备的地位，就一直没有动摇过。随着近代工业技术发展和两次世界大战的推动，大型液压机更是成为各工业化国家竞相发展航空、船舶、重型机械、军工制造等产业的关键设备。俄罗斯在1935年制造了1.5万吨自由锻造水压机，日本制钢所室兰工厂在1940年从德国进口了一台1.4万吨自由锻造水压机。第二次世界大战中研制的各种飞机、坦克、军舰，乃至火车、汽车等民用产品里，都有重型液压机制造的关键部件。到二战结束前，俄罗斯已经拥有4台超过万吨的大型水压机，美国更是超过10台，重型锻压设备便成为一个国家工业实力的象征。
中国发展
由于各种因素影响，中国早期在大型锻压设备领域长期处于落后地位。1931年日本侵占东北地区以后，在沈阳市、大连市建立机械厂，安装了20MN、40MN自由锻水压机生产锻件。1945年8月，苏联红军出兵东北围歼日军主力后，这些锻造设备被苏联拆走。日本战败投降以后，1947年北洋政府以战争赔偿名义，从日本拆回一批锻造设备，有10MN、12MN、20MN自由锻水压机各1台、30MN自由锻水压2台，5吨蒸汽锤2台，以及3吨以下蒸汽锤约5台。这些设备运回后一直存放在几个省市的仓库中锈蚀。
新中国成立后，虽然确立了优先发展重工业的国家战略，但重工业发展所需的设备条件和技术能力严重不足。二十世纪五六十年代，随着大型液压机的发展受到军备竞赛与重工业发展的带动，“万吨水压机”逐渐成为一个国家发展工业的核心装备和工业实力的重要象征。当时的中国，只有几台中小型水压机，重型锻件长期依赖进口，制造万吨水压机迫在眉睫。1958年5月，中共八届二次会议在北京举行，时任煤炭工业部副部长沈鸿写信给毛泽东，建议利用上海市的技术力量，自力更生，设计制造自己的万吨水压机，彻底改变大型锻件依赖进口的局面。毛泽东非常赞同，他亲自拿着这封信，去问上海市委第一书记能不能干，愿不愿意干。在得到肯定回答之后，立即交由当时中央经济小组开会决定，派沈鸿到上海主持这项工作，担任总设计师，由江南造船组织实施。在突破了重重技术关卡后，1961年12月11日，万吨水压机开始总安装，四万多个大大小小的零件运到宽阔的厂房里，沈鸿一声令下：“安装开始！”两部重型行车把巨大的下横梁、活动横梁和上横梁安放在四根立柱上，严丝合缝，中心偏差不到3毫米。1962年6月22日，中国自行设计制造的12000吨自由锻造水压机建成并正式投产（图1）。由中国一重自行设计制造的当时世界上吨位最大、技术最先进的1.5万吨重型自由锻造水压机（图2），于2006年一次热负荷试车成功，使中国成为世界上第3个拥有1.5万吨水压机的国家。
工作原理
水压机工作原理取决于帕斯卡原理：即在一个封闭系统内压力是恒定的。水压机的工作柱塞一般在上横梁上，靠液压缸内高压液体推动活动横梁向下运动，锻压工件。向上回程则由回程柱塞来完成。当工作介质的压强相同时，工作柱塞的面积越大，则得到的工作压力也越大。
基本构造
水压机一般由本机（主机）、动力系统及液压控制系统3部分组成。本体结构由上、下横梁及立柱组成一个封闭框架，承受工作载荷。工作柱塞在上横梁上，推动活动横梁向下运动，锻压工件。向上回程由回程柱塞完成。当工作介质的压强相同时，工作柱塞的面积越大，则得到的工作压力就越大。水压机的工作行程较大，并且在全行程中都可以对工件施加最大的工作压力，故工艺范围广。水压机的规格用公称工作力（千牛或兆牛）表示。
水压机自动控制系统是分布式控制系统（DCS），由硬件系统、软件系统和人员3部分组成。①硬件系统。主要由上位机、下位机、人机接口、现场传感器和可执行元件组成。②软件系统。包括监控组态软件、历史数据管理软件、可编程逻辑控制器（PLC）运行开发软件。③人员。有工程师和操作员。工程师负责控制系统的软件维护和硬件技术支持。
特点
工作行程大，在全行程中都能对工件施加最大工作力，能更有效地锻透大断面锻件，没有巨大的冲击和噪声，劳动条件较好，环境污染较小。特别适用于锻压大型和难变形的工件。
基本分类
自由锻造水压机
水压机分为自由锻造水压机、模锻水压机、冲压水压机和挤压水压机等。自由锻造水压机用上、下锻砧和简单工具进行自由锻，主要用于单件和小批生产。80000～150000千牛的大型自由锻造水压机是制造重型装备的关键性设备。20世纪60年代中期以后，由于锻压工艺的改进，需要的水压机规格有所降低，新制的自由锻造水压机一般都不大于80000千牛。为进行相当于30～50千牛锻锤的锻压而研制出小型快速锻造水压机，每分钟可锻压100次以上。自由锻造水压机一般采用立式上传动结构，有3个工作缸，在输入高压液体后，可获得3级不等的工作力。
模锻水压机
主要用于模锻飞机、航天器的铝、铝合金和镁合金锻件，以及不锈钢、特殊合金钢、钛合金等各种高温、高强度合金锻件。模锻水压机比自由锻造水压机具有更大的工作力、更大的工作台面积和更高的结构刚性。20世纪40年代，德国最先制造出180000千牛的巨型模锻水压机。此后，美国、中国、联邦德国、英国和法国先后制成180000千牛以上的巨型模锻水压机18台。
大型模锻水压机采用立柱-横梁式刚性框架结构，由泵-蓄能器驱动。通常有4～8个立柱和1～8个工作缸。巨型水压机的立柱除传统的圆柱形外，还有用多块锻钢厚板组成的矩形截面的，其两端用T形端头与上、下横梁紧固联接。为保证模锻件的精度，框架和联接几个框架的纵向大梁必须具有足够的刚度，并采用液压或电-液自动伺服系统来控制活动横梁在受偏心载荷时的倾斜度。中国于1971年制造的300000千牛水压机的活动横梁，在纵向偏心400毫米、横向偏心200毫米条件下，倾斜度不超过0.15毫米/米。多向横锻水压机用于锻造复杂的、有空腔的模锻件。它除通常的垂直框架和工作缸外，还有水平方向的框架和工作缸。这些工作缸可以单独或联合工作，可用多个冲头从不同方向同时或顺序对模具内的坯料加压，以获得形状复杂的精锻件。
其他水压机
冲压水压机：用于厚板料在热态或冷态下的冲裁、拉深、折弯等工艺，在锅炉和容器制造中应用较多。双动冲压水压机先用压料板将板料边缘压紧，然后用凸模对板料拉深。冲压水压机的规格大部分在50000千牛以下，结构多为四柱立式和框架式。挤压水压机：用于型材和零件的挤压，多为卧式结构，规格多数在50000千牛以下，最大的达200000千牛。
性能指标
水压机的性能参数：其基本性能参数有公称压力、闭合高度、最大行程立柱中心距、工作台尺寸及行程和偏心距等。
应用领域
水压机主要适用于大型锻件的锻造，一般在水压机上锻造的零件，重量都在1吨以上。对于几十吨甚至几百吨的重型锻件，水压机锻造是惟一的方法。水压机的工作能力大小是以上砧铁下压的总压力（t）表示的。自由锻造使用的水压机常为600～10000t。万吨水压机可以锻造一万吨及以上的锻件。
世界概况
根据现有资料，自1893年美国建成第一台（126MN）万吨水压机起；至2008年9月洛阳中信重工重型锻造工部安装18500吨自由锻造油压机为止。115年来全世界共生产万吨级自由锻造液压机约41台，扣除因老旧拆除以外，现存10000吨至18500吨级自由锻造液压机共约31台。
截止2015年，中国共有8台万吨级自由锻造液压机，规模居世界首位。苏联共留下6台（最大150MN）。日本有3台，分别是日本制钢所（JSW）室兰工厂有一台140MN自由锻水压机，配有400吨米锻造操作机；神户制钢所（KOBE）高砂工厂有一台130MN自由锻造液压机，日本铸锻钢株式会社（JCFC）有一台105MN自由锻液压机。法国有2台，其中法国SFARsteel公司（已被阿海珐收购）有一台113MN自由锻液压机。美国2台，最大压力126MN，其中莱赫重型锻造公司有一台100MN自由锻液压机。捷克有2台，最大压力120MN。韩国有2台，分别是韩国重工（现斗山重工）在1982年投产一台130MN自由锻造液压机，配有400吨米锻造操作机。现代汽车重工（HHI）在1996年投产一台100MN自由锻液压机，配250吨米锻造操作机，主要生产船用曲轴。英国谢菲尔德锻造厂有一台100MN液压机，其余德国、意大利、罗马尼亚、印度、澳大利亚均为1台。
相关轶事
自行建造万吨水压机
1957年前后，中华人民共和国第一机械工业部已将万吨水压机提到议事日程，并做了两手准备。一方面准备在国内立项制造，同时，也考虑请苏联帮助订购。而“大跃进”加速了万吨水压机立项的进程。在这种政治气氛下，1958年5月5-23日，中国共产党第八次全国代表大会第二次会议在北京举行。5月22日，时任煤炭工业部副部长沈鸿写了一封信给毛主席，建议中国自行建造万吨水压机。当时反对意见很多，批评者大多持这样的观点：“客观条件不足，有蛮干的意思”。有的人提出：要造大压机首先就得有万吨级水压机，因为制造万吨水压机的四根立柱必须要用200吨大钢锭来锻制。因此，要想自己制造万吨水压机，首先就要进口一台万吨水压机来锻造钢锭，然后才能自己制造万吨水压机。沈鸿则反问道：“那就请问，世界上第一台万吨水压机又是怎样造出来的呢。”毛主席还亲自拿着这封信，问上海市市代表：上海能不能干。愿不愿干。上海市代表经过考虑，认为可以干。随后毛主席很快批准了万吨水压机的制造。
1958年8月，中央正式批准研制两台1.2万吨级水压机，其中一台安装在第一重型机器厂，以沈重和第一重型机器厂为主设计制造，由二机部副部长刘鼎负责组织实施。另一台安装在上海重型机器厂水压机车间，以江南造船为主设计制造，由煤炭工业部副部长沈鸿负责组织实施。随后上海马上成立了设计班子，由沈鸿任总设计师，清华大学机械专业毕业的林宗棠任副总设计师，徐希文任技术组长。以上海江南造船厂为主，上海重型机器厂有限公司等几十个工厂参加大协作。
设计班子中，除了沈鸿于1954年在苏联乌拉尔重型机器厂见过万吨级水压机外，一些设计人员甚至从未见过水压机。有人提议先购进一台，再照葫芦画瓢。但沈鸿坚持自己动手，他领着设计组人员，背上照相机，扛着画图板，跑遍了全国各地的中小型水压机车间，了解国外制造水压机的设计特点和使用状况；还搜集了大量关于水压机的图书资料及技术情报，并从苏联运了一些图纸回来研究。1958年末，苏联专家陆续撤离。没有专家指点，设计组开始自己画图纸。虽然不少人都是大学毕业，但踏上生产一线后，从未画过图，心里没数。沈鸿就提出做模型，从纸模型、铁皮模型到橡皮泥模型，做了无数个；然后在模型试验基础上绘制图纸，仅总图就绘制了15次。共为46000多个零部件绘制了大小10000余张图纸，重达1.5吨。但是由于上海工业基础不如东北地区，缺少生产大型零部件的工厂和加工设备，用常规的方法制造大型水压机不可行。为了从实践中摸索经验，沈鸿提议先把万吨水压机缩小成1:10比例，造一台1200吨的试验水压机，让它进行模拟试验；把问题在模拟样机上都解决了以后，再动手做万吨水压机。
突破常规建造方法
万吨级水压机在原理上结构上并无奥秘，难处在于它的关键零部件体积大、精度高、制造困难。其中3座横梁重量从100多吨到300吨，4根立柱每根高17.69米，直径1米，重80吨。全机共有100吨以上的部件12个，50吨左右的部件20多个。就连立柱上的螺丝帽一个都有五六吨重。其次是精密度高，350公斤/厘米2的高压水要用12台高压水泵，16个高压容器和100多个高低压阀门进行联动控制，对高压部分的有关部件都必须有高度的密封性和灵活性，以防高压水漏出。
根据上海市实际的建造条件，设计组最终决定万吨水压机方采用三梁六缸四立柱锻焊结构，主机重2200多吨，地面部分高23.65米，基础深入地下40米，共有46000多个零件。其中有13个特大部件，即6个工作缸，3座横梁（上横梁，下横梁，动横梁），4根大立柱，规格超过正常加工能力。于是在结构设计中，采用6个工作缸代替一个大主缸，主要是为了降低制造难度。主缸内的水压强很大，如果用一个主缸，要求它能产生12000吨的压力，主缸直径将会达到2.1米。而采用六个分缸，则每个分缸柱塞只要产生2000吨的压力即可，工作缸直径减小到0.83米。同时在使用的时候可以通过调整工作缸数量分别产生4000吨、8000吨和12000吨的压力，这样锻件既可根据要求用不同的压力一次锻造，又可以采取递增压力来锻造，使锻造出的工件均匀、密实。
1959年2月14日，江南造船举行万吨水压机开工典礼，成立了万吨水压机工作大队。在总设计师沈鸿的带领下，由曾德三任队长，唐应斌、陆海根任副队长，开始试制工作。首先要解决的是万吨水压机的3座横梁、4根立柱和6只工作缸，难以制成特大型铸钢件的问题。要是将这些特大部件分解成能够制造几个铸钢件，然后通过焊接来代替整段结构。那么用一般的手工电弧焊，焊缝厚度为80-300毫米，最厚的达600毫米。如果将全部焊缝折成100毫米厚，它的长度可延伸3公里以上，一个电焊工要足足30年才能焊完。这时，江南造船技术员宋大有在一本杂志上看到国外有一种“电渣焊”的新技术，能将分段部件焊成特大型部件，于是提议试一试。
电渣焊由乌克兰巴顿焊接所发明，苏联于1951年最先将电渣焊技术用于工业生产。1957年初，哈尔滨锅炉厂有限责任公司应用电渣焊技术焊接锅炉汽包筒体纵缝，这是中国最先引进电渣焊设备和技术的企业。1958年10月，哈尔滨焊接研究院有限公司开始向全国推广经验。江南造船厂随后很快成立了电渣焊试验室，由具有30多年经验的电焊技工唐应斌和清华大学焊接专业毕业的邹积铎负责技术攻关。在1200吨试验样机的试制过程中，三座横梁（即上横梁、动横梁、下横梁）采用电渣焊技术，将多块构件焊成一个整体。但这样焊接能不能承受强大压力，谁也说不清楚。为了确保安全，试制组决定用电渣焊接法再造一台120吨的水压机作试验。唐应斌等人在试验机部件上做焊接试验，经过一段时间的摸索，全面掌握了电渣焊的新技术。120吨试验机造好后经过测试，压力增加到430吨，横梁完好无损。在1200吨样机上同样通过了测试。于是决定12000吨水压机3座横梁采用整体焊接的方案。这次工艺改革，不仅使万吨水压机横梁总重量从原来的1150吨减轻到570吨，同时使机械加工和装配工作量也减少了一半以上。
万吨水压机横梁等特大型部件在江南造船造好后，要运到上海重机厂加工。由于缺乏吊装设备，只得采用木滑板涂牛油的方式运到船上，再用船运到上海重型机器厂有限公司，然后同样用木滑板方式将部件运进车间。部件运进车间后，在加工过程中如何翻身又成了大问题。3座水压机横梁重100—300吨，而当时上海重型机器厂金加工车间，厂房的屋顶刚刚盖好，里面只有一台8吨的履带式起重机和一些小型千斤顶。起重组长魏茂利想出一个办法，做两只6米高的翻身架，在横梁两侧的中心部位各焊上一根轴；然后用四五十只千斤顶和大量楞木，组织大量人员花了3天时间，将横梁一毫米一毫米地往上顶高至6米高处，再把横梁轴担在翻身架上，这样300吨重的庞然大物就可自如地转动起来了。
群策群力巧破技术难题
水压机的3座横梁采用电渣焊接后，还必须要经过900摄氏度的高温热处理，经保温后逐渐冷却，才能消除焊接引起的内应力不均，保证整个工件的强度。但是当时的热处理设备无法放下10米长、8米宽、3米多高的横梁部件。上海重型机器厂有限公司的领导和工人们经过努力，砌成一座长14米、宽11米、高7米的特大型炉子。单单一个炉门，就用了3万多块耐火砖。当炉温顺利上升到900℃后，经过保温，又开始慢慢地降下去，降到500℃的时候，下降的速度越来越慢了，过了好几个小时，下降还不到10度。这样慢的速度不仅影响工程进度，更会影响横梁的机械强度。唯一的办法就是打破在100℃左右拆炉门的常规，提前拆开炉门，让炉温迅速下降。工人们冒着400℃高温，花了整整7个小时，才把3万多块耐火砖砌成的炉门拆下来。第二次砌炉门时，工人们搞了个技术革新，在炉门中埋下几根焊着钩子的“门闩”，砌砖的时候钩子露在外面，拆的时候用钢丝绳拴上，几十个人一起拉，只花两个多小时，就将炉门拆完了。而第三次更快，他们将钢丝拴在履带式吊车上，不到一分钟便拆完了炉门。经过测试，三座横梁顺利通过了热处理关，质量完全符合要求。
在万吨水压机的制造中，金属切削是重要的一关，它的每一个零件都要经过精密的金属切削，达到很高的精度才能进行安装。但零部件加工尺寸过大，如三座横梁各有一个10米长，8米宽的平面要加工；当时国内又没有10米以上的刨床，即使找到了也未必能拖动300吨重的工件。江南造船将任务交给了全国先进生产者，青年技工袁章根。他在技术人员和工人的配合下，突破常规，将五台移动铣床直接搬上横梁，用53个刀盘同时铣削，不但加快了进度，而且各个刀盘间的接缝处理得非常好，平直度误差只有1/15000，比设计要求的1/10000还小很多。3座横梁上各有4个大立柱孔，要求同一直线上误差不超过0.7毫米，厂里没有大型精密镗床，袁章根和工人们经过研究，采用4根简易镗排同时加工。加工开始后，工人们几天几夜不离机床，在精加工最后一刀时，他们扛来几十斤重的量具，上上下下量了100多次，最后使3座横梁12个孔累计误差只有0.24毫米。金属切削关的攻克，为万吨水压机精确安装奠定了基础。
水压机大立柱的制造也颇具挑战性，这4根立柱每根高近18米，净重80吨，无法整体铸造。设计人员决定用电渣焊方式拼接。当时有两种思路，一种是“组筷式”，另一种是“竹节式”。前一种想法是把一根立柱视为是一把筷子捆扎在一起的组合体。这个源于日常生活的想法虽然巧妙，但是焊接操作难度较大，不得不放弃。另一种“竹节式”方案采用8节锰钒铸钢件焊接成18米的大立柱，最终取得成功。解决焊接难题的唐应斌也因此成为全国劳模。
项目面临夭折危险
但是到了1960年8月，由于受到“大跃进”和中苏关系破裂等因素的影响，中苏关系迅速趋冷，国家经济形势日趋紧张。周恩来总理提出对国民经济实行“调整、巩固、充实、提高”的方针，很多基建项目随之下马，上海重机厂的水压机车间也在下马之列。此时，整个水压机研制的工作量完成近70%左右，已花费的研制经费有1400万元，如果项目下马，这台水压机的研制工作就可能前功尽弃。1960年10月，沈鸿大病初愈，听到水压机有下马之议，十分焦急。他一面写信稳定队伍；一面找领导反映情况。沈鸿先找薄一波，没见到人。于是，他又和林宗棠去找国家经委的孙志远。孙志远建议沈鸿、林宗棠直接给周恩来写信说明情况。沈鸿、林宗棠马上给周恩来写信汇报水压机的进展，反对项目下马，还将设计图纸一并报送，请求拨款保证工程继续。周恩来收信后，立即派孙志远到现场勘查，知道情况属实后，很快批款800万元，挽救了这台差点夭折的水压机。
1961年12月13日，万吨水压机的46000多个零部件加工完毕运至工厂，上重用两部重型行车将横梁吊装进四根立柱内，只用了2个月时间就完成总装。在上海交通大学和第一机械工业部所属的机械科学研究院等单位协助下，对这个身高20余米，体重数千吨的“巨人”进行应力测定试验。“体验”时间用了三四个月，在两百多个主要部位进行了多次应力测定，证明所有应力都同设计数据吻合。然后开始进行超负荷试验，将锻压能力加大到1.6万吨，水压机各个部件正常运转，未发现不良现象，可以确保12800吨满负荷正常运转。1962年6月22日，江南造船经过四年努力制造的1.2万吨自由锻造水压机，在上海重型机器厂试车成功，并投入试生产，能够锻造几十吨重的高级合金钢锭和300吨重的普通钢锭。它的成功，标志着中国重型机械的制造进入了一个新的历史阶段。
参考资料
水压机.中国大百科全书.2025-04-21
新中国第一台万吨水压机.中国科协企业创新服务中心.2025-04-21
中国走出自制重大技术装备困境的一次尝试.english.ihns.cas.cn.2025-04-25
中国第一台万吨水压机——新中国机械工业腾飞的起点.复兴网.2025-04-25
液压机.中国大百科全书.2025-04-25