全自動五模五沖冷鐓機的研制

王文紅 顧衛(wèi)彬

（①沙洲職業(yè)工學(xué)院機電工程系，江蘇張家港 215600;②意士比機械（上海）有限公司，上海 201801）

冷鍛是指在冷態(tài)條件下的鍛造加工，即在室溫條件下，利用安裝在設(shè)備上的模具將金屬坯料成形為具有一定形狀與使用性能的零件的塑性加工方法。冷鍛是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的精密塑性成形工藝，可用于緊固件、軸類、桿類、齒輪和連接件等的凈成形或近凈成形生產(chǎn)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點，如制品尺寸精度高、機械性能好、材料利用率高、便于大批量自動化生產(chǎn)等。

冷鐓技術(shù)是冷鍛技術(shù)引伸出的一種工藝，冷鐓機是生產(chǎn)各類標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件、異形件的工作母機。各種異型螺釘、空心或半空心鉚釘及形狀復(fù)雜之異形零件，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可能一次成形，需要經(jīng)過多次的鍛造最后成形。為此，意士比機械（上海）有限公司研制出了ES506五模五沖冷鐓機。

1 冷鐓機結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1．1 冷鐓機結(jié)構(gòu)

圖1為五模五沖冷鐓機效果圖。五模五沖冷鐓機有5個加工工位，每個工位有獨立的成形沖頭組、母模組以及相關(guān)的調(diào)整部分，工料在各工位間由獨立的夾爪傳送。其加工過程:成卷的線材經(jīng)矯直器、雙重超越離合器的送線機構(gòu)進入剪模，用圓剪剪下一小段的毛料，用移動的夾料機構(gòu)將毛料送入一模的模腔中，一沖模將毛料沖成預(yù)定的形狀，頂出機構(gòu)將一模腔中的料頂出模腔，頂出模腔的料被移動的夾爪夾住后移送到二模模腔口，然后被二沖模沖進二模腔成形。依次傳送下去，最終成品從五模腔中頂出，通過輸送機被送入成品箱。整個過程是線材被送進機器，成品被輸送機送出，產(chǎn)品是通過5次冷鍛逐漸成形的。

該機主要由動力系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、液壓氣動系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。

（1）動力系統(tǒng) 該機的主要動力源是主電動機，由皮帶傳送運動到連接曲柄軸的飛輪，一臺離合器組裝在飛輪上，當(dāng)離合器離開，飛輪空轉(zhuǎn)，機器停止工作;當(dāng)離合器吸合，飛輪傳動機器工作。當(dāng)機器運轉(zhuǎn)的時候，曲柄軸傳送運動至主滑塊，主滑塊上有5個沖模，曲柄軸的偏心距離影響著主滑塊的沖程，沖程越長，所能生產(chǎn)的鉚釘就越長。旋轉(zhuǎn)曲柄軸通過連桿使主滑塊前后往返運動，傳送沖擊力。同時曲柄軸傳送運動至側(cè)向軸，完成剪線、傳送機構(gòu)的移動、線材的定量進給和母模頂出運動等。主電動機的速度可通過變頻器調(diào)節(jié)。

（2）成形系統(tǒng) 包括線材矯直機構(gòu)、送線機構(gòu)、剪線用的剪模機構(gòu)、沖頭和成形及其頂出機構(gòu)、母模和成形及其頂出機構(gòu)、修邊機構(gòu)等。

（3）液壓氣動系統(tǒng) 氣動系統(tǒng)控制離合器的離合，完成機器的工作和停止，同時氣動系統(tǒng)實現(xiàn)氣動夾子動作、保護等;潤滑液壓系統(tǒng)潤滑機器的所有運動機件;冷卻液壓系統(tǒng)在工作區(qū)域冷卻模具與產(chǎn)品。冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)是2個相互獨立的加壓循環(huán)系統(tǒng)。

（4）通氣系統(tǒng) 由一臺離心式抽油煙機排除由機器冷卻油在成形過程中產(chǎn)生的煙霧。

（5）電氣控制系統(tǒng) 機器的所有操作和安全控制受西門子PLC控制，另有觸摸屏調(diào)節(jié)機器速度、顯示產(chǎn)量計數(shù)及異常情況報警等。

1．2 ES506五模五沖冷鐓機主要技術(shù)參數(shù)

母模數(shù):5;沖頭數(shù):5;線徑:3～7.5 mm;剪斷長度:6～80 mm;母模頂出長度:6～60 mm;沖頭頂出長度:20 mm;最高生產(chǎn)速度:310件/min;鍛造力:50×9.8 kN;剪模直徑:28 mm;母模直徑:50 mm;最大帽沿直徑:φ27h2 mm;主電動機:20 kW。

2 液壓氣壓系統(tǒng)設(shè)計

2．1 液壓系統(tǒng)

冷鐓機的液壓系統(tǒng)由潤滑液壓系統(tǒng)和冷卻液壓系統(tǒng)組成。潤滑、冷卻液壓系統(tǒng)是分離的，各自獨立。潤滑和冷卻的功能不一樣，所以要使用不一樣的油。

2．1．1 潤滑液壓系統(tǒng)

冷鐓機的潤滑系統(tǒng)用于各運動機構(gòu)的潤滑。由于各運動關(guān)節(jié)的間隙較小，潤滑油采用加壓潤滑，壓力保持在1 MPa，特別是曲柄軸中供油量一定要足，且壓力要穩(wěn)定。

潤滑液壓系統(tǒng)如圖2所示，選用變量葉片泵和可以手動和自動控制的密封式過濾器，裝有壓力開關(guān);此外，潤滑的末端和曲柄軸上都安裝了壓力開關(guān)，如果潤滑油過濾阻塞，系統(tǒng)的壓力不足（小于0.6 MPa），機器停止工作，以保證設(shè)備安全。另外，油箱中裝有液位開關(guān)，缺油時停止機器。同時選用兩位四通電磁閥，對機器的潤滑部位進行間歇潤滑，適應(yīng)機器的需要。潤滑時間可通過觸摸屏由PLC來設(shè)置和調(diào)整。

2．1．2 冷卻液壓系統(tǒng)

冷卻液壓系統(tǒng)在工作區(qū)域冷卻模具與產(chǎn)品，如圖3所示。冷卻液壓系統(tǒng)比較簡單，只需要將冷卻油按需要間歇供油。選用齒輪泵供油，兩位四通電磁閥換向。冷卻時間可通過觸摸屏由PLC來設(shè)置和調(diào)整。

2．2 氣壓系統(tǒng)

五模五沖冷鐓機氣壓原理圖如圖4所示。從原理圖可知，壓縮空氣通過氣動三聯(lián)件后分別進入離合器控制系統(tǒng)、氣動夾子控制系統(tǒng)、送線控制系統(tǒng)以及手動控制的吹氣和頂出機構(gòu)系統(tǒng)。

氣源是直接由空壓機提供，它通過氣動三聯(lián)件（分水過濾器、減壓閥、油霧器）到達三位五通氣壓電磁閥，當(dāng)電磁閥YV4A、YV4B都失電，離合器離開，機器停止工作。

當(dāng)電磁閥YV4A動作是高壓，在高速運動時使用高壓模式。電磁閥YV4B動作進入低壓系統(tǒng)，在低速運動時使用此模式。機器的高壓工作模式壓力為0.7 MPa，低壓模式工作壓力為0.4 MPa。高低壓通過梭閥控制氣流的方向，高低壓的調(diào)節(jié)是通過減壓閥控制的。氣動夾子的氣壓必須要穩(wěn)定，為了維持氣壓的穩(wěn)定，設(shè)計了5 L的儲氣罐。當(dāng)出現(xiàn)短料的時候，YV9、YV8、YV2動作，氣動夾子自動張開，線材被鎖住，送線輪系統(tǒng)泄氣，壓線輪自動松開不再送料，機器停止。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

冷鐓機設(shè)有手動、低壓點動、高壓點動和自動4種生產(chǎn)模式。手動模式用于機器的手動調(diào)整及設(shè)備維修，此時機器主電動機停止工作，離合器吸合，用手柄插入飛輪的孔中，撬動飛輪，機器動作。點動模式用于點動調(diào)試機器，此時電動機起動，雙手同時操作點動按鈕，每按一下，離合器合上一次，機器動作一下;低壓點動機器速度必須在40件/min以下，高壓點動機器速度在40件/min至最高之間。機器調(diào)試好后，點動沒有問題，機器的潤滑和冷卻都調(diào)到適當(dāng)狀態(tài)，油煙機、輸送機已打開，安全門都關(guān)好，按下自動按鈕，機器進入自動生產(chǎn)。

冷鐓機設(shè)有安全控制以保證設(shè)備與操作者安全。包括:潤滑液壓系統(tǒng)壓力必須穩(wěn)定在1 MPa，當(dāng)安裝在泵出口以及各潤滑末端的壓力開關(guān)的壓力小于0.6 MPa，機器自動停止工作;潤滑油箱和冷卻油箱中分別裝有液位開關(guān)，缺油時自動停止機器;當(dāng)線材用完或短料、電感接近開關(guān)感應(yīng)，控制機器自動停止;各安全門（主門、后門、側(cè)門、進線門、飛輪門）沒關(guān)上，各區(qū)域位置開關(guān)控制機器自動停止;主電動機熱過載機器自動停止。

五模五沖冷鐓機的工作特點是動作時間短，變換頻率高，且工作安全要求高。因此，其電氣控制系統(tǒng)切換頻繁，考慮機器工作效率和可靠性，采用PLC;同時考慮方便調(diào)整工藝參數(shù)與實時監(jiān)控加工過程，操作系統(tǒng)使用觸摸屏。

3．1 系統(tǒng)硬件

PLC選西門子S7－200系列可編程控制器，主機CPU224，外加3個 EM221、1 個 EM222、2 個 EM223 數(shù)字量擴展模塊和1個EM232模擬量擴展模塊;觸摸屏選用西門子公司生產(chǎn)的TP－170觸摸屏。五模五沖冷鐓機控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

對PLC來講，輸入信號有用于手動點動自動控制的按鈕、液位開關(guān)、壓力開關(guān)、位置開關(guān)和各種感應(yīng)器開關(guān)，共有數(shù)字量輸入信號36個。輸出信號有液壓氣壓電磁閥、輸送機、冷卻泵、潤滑泵、油煙機以及各動作指示燈，共有數(shù)字量輸出信號24個以及主電動機變頻調(diào)速用的模擬量輸出信號1個。

3．2 PLC控制軟件設(shè)計

3．2．1 觸摸屏界面設(shè)計

首先在計算機上應(yīng)用觸摸屏工具軟件SIMATIC WinCC flexible Micro，根據(jù)生產(chǎn)工藝的控制要求進行界面設(shè)計，并作好相關(guān)設(shè)定，再進行編譯，在計算機與觸摸屏正確通信后，下載給觸摸屏TP170。觸摸屏界面設(shè)計有主界面、生產(chǎn)界面、潤滑冷卻時間調(diào)整界面、警示界面。各界面之間切換方便、快捷。主界面顯示本設(shè)備的名稱及型號。生產(chǎn)界面顯示目前生產(chǎn)的產(chǎn)量、累計的總產(chǎn)量、設(shè)定的產(chǎn)量、電動機的速度（就是每分鐘機器生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量）。目前產(chǎn)量和累計產(chǎn)量是機器每生產(chǎn)1件就累計1件，當(dāng)達到設(shè)定的產(chǎn)量機器自動停止生產(chǎn)。潤滑冷卻界面主要用于在機器運轉(zhuǎn)中潤滑和冷卻的時間調(diào)整。警示界面當(dāng)機器處于不正常工作狀態(tài)時，通過感應(yīng)器檢測到后通過畫面警示并停機。故障信息有潤滑油壓不足、潤滑油不足、冷卻油不足、短料、電動機熱過載、各安全門（主門、后門、側(cè)門、進線門、飛輪門）沒關(guān)上。

3．2．2 PLC 程序設(shè)計

為利于程序設(shè)計和維護，冷鐓機PLC的軟件設(shè)計成主程序和各子程序結(jié)構(gòu)，每個子程序一直屬于調(diào)用狀態(tài)。子程序有短料檢測、產(chǎn)量計數(shù)、生產(chǎn)模式、電動機運轉(zhuǎn)、附件工作（包括輸送機、冷卻泵、油煙機）、手動、自動、潤滑、報警、氣動和運轉(zhuǎn)指示。

4 結(jié)語

ES506五模五沖冷鐓機是一種將盤元線材從矯直、送料、剪料、5工位加工成形、至輸送機輸出成品的全自動加工設(shè)備，可加工異型螺釘、空心或半空心鉚釘及形狀復(fù)雜之異形零件，適合于鋁、鐵、不銹鋼等材料。其加工工位多，更利于加工精度較高、形狀較復(fù)雜的產(chǎn)品;沖模具更替及機器作適當(dāng)調(diào)整，就可擴大加工范圍，增強加工能力。同時，成形標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。以中碳合金鋼為例，加工能力最高可達每分鐘310件。另外，安全可靠，操作方便，機器配有故障檢出器及安全保護裝置，當(dāng)設(shè)備故障時自動停機。控制系統(tǒng)采用PLC，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、柔性，運行更加穩(wěn)定;操作系統(tǒng)采用觸摸屏，顯示直觀，操作簡易，為設(shè)備的調(diào)整及維護提供了便利條件。

生產(chǎn)實踐證明，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量好，適應(yīng)大批量的生產(chǎn)。

［1］趙震，陳軍，吳公明．冷溫?zé)釘D壓技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［2］http://www．essebi－ machinery．com

［3］左健民．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2007．

［4］張揚．S7－200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2007．