程控鍛錘與鍛造自動(dòng)化

文／張長龍·中機(jī)鍛壓江蘇股份有限公司

程控鍛錘與鍛造自動(dòng)化

文／張長龍·中機(jī)鍛壓江蘇股份有限公司

張長龍，中機(jī)鍛壓江蘇股份有限公司總經(jīng)理，江蘇匯洋精鍛有限公司董事長。2010年任中國鍛壓機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員，2011年被中國鍛壓協(xié)會(huì)特聘為中國機(jī)械中等專業(yè)學(xué)校教授，擁有近十項(xiàng)鍛錘相關(guān)技術(shù)發(fā)明專利。

傳統(tǒng)的鍛造行業(yè)具有高溫、振動(dòng)、噪聲大、作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)，迫切需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)效率、改善工人勞動(dòng)環(huán)境、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、穩(wěn)定鍛件產(chǎn)品質(zhì)量。目前，我國鍛造自動(dòng)化主要在大型的壓力機(jī)鍛造線上得到一些應(yīng)用，與當(dāng)今發(fā)達(dá)國家相比，我國鍛造設(shè)備呈現(xiàn)重主機(jī)、輕輔機(jī)現(xiàn)象，鍛造自動(dòng)化發(fā)展速度相對(duì)較慢，自動(dòng)化設(shè)備柔性較差，特別是在程控鍛錘上的應(yīng)用國內(nèi)還鮮見報(bào)道。鍛錘作為鍛造行業(yè)三大主力設(shè)備之一，其能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化直接關(guān)乎我國鍛造技術(shù)的現(xiàn)代化水平。

圖1 程控鍛錘生產(chǎn)線

我國程控鍛錘為核心的鍛造生產(chǎn)線應(yīng)用情況及工藝特點(diǎn)

我國現(xiàn)有以程控鍛錘為核心的鍛造生產(chǎn)線（圖1）300余條，由于其快速、靈活的工藝特性，目前主要集中在汽車零部件、五金工具等行業(yè)，主要應(yīng)用于：⑴薄筋板類零件（如手術(shù)器械、手工工具、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、搖臂、轉(zhuǎn)向臂、渦輪葉片等）大批量生產(chǎn)；⑵異形零件（如轉(zhuǎn)向節(jié)、傳動(dòng)叉、輪轂等）需要多型腔鍛造成形零件的生產(chǎn)；⑶多品種、小批量零件的生產(chǎn)。

程控鍛錘近十年之所以能夠得到廣泛應(yīng)用，除了其快速、靈活的工藝特性及高效、節(jié)能、環(huán)保、高可靠的產(chǎn)品特性外，還在于其徹底擺脫了傳統(tǒng)鍛錘對(duì)操作者技能的依賴，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)程控化。程控鍛錘的出現(xiàn)使鍛錘得到了復(fù)興，其廣泛的應(yīng)用也充分體現(xiàn)了市場(chǎng)對(duì)自動(dòng)化的迫切需求。

我國以程控鍛錘為核心的鍛造生產(chǎn)線現(xiàn)狀及與國外的差距

依據(jù)國外鍛錘供應(yīng)商展示的程控鍛錘應(yīng)用情況分析，國外程控鍛錘技術(shù)最新發(fā)展主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控、在線測(cè)量、閉環(huán)控制、模具快速安裝等方面，其目的是使鍛錘更加智能化、精密化、高效化。以程控鍛錘為核心的鍛造生產(chǎn)線，主要體現(xiàn)在以機(jī)器人應(yīng)用為特征（包括模具快速安裝調(diào)整、模具的自動(dòng)潤滑、物料的自動(dòng)傳輸、周邊設(shè)備連線控制）的綜合自動(dòng)化。

我國大多以程控鍛錘為核心的鍛造生產(chǎn)線是由客戶憑借經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣建立的，周邊設(shè)備大多是極為傳統(tǒng)的設(shè)備，所使用的輔助設(shè)備也大多是自我組裝的，生產(chǎn)線配置出現(xiàn)了重主機(jī)、輕輔機(jī)現(xiàn)象，鍛造生產(chǎn)線整體協(xié)調(diào)性、系統(tǒng)性、先進(jìn)性都很一般，程控鍛錘的先進(jìn)性沒有充分發(fā)揮出來。

程控鍛錘與鍛造自動(dòng)化

以程控鍛錘為核心的生產(chǎn)線，其自動(dòng)化首先取決于核心設(shè)備自動(dòng)化，沒有核心設(shè)備自動(dòng)化，就沒有鍛造自動(dòng)化。中機(jī)鍛壓江蘇股份有限公司程控鍛錘技術(shù)最新發(fā)展成果包括程控鍛錘遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)化連線及鍛錘的優(yōu)化設(shè)計(jì)等諸多方面，其目的是使鍛錘更加智能化、精密化、高效化，從而更好適應(yīng)鍛錘自動(dòng)化生產(chǎn)。

程控鍛錘遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

程控鍛錘遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程在線隨時(shí)掌握鍛錘的運(yùn)行情況，檢測(cè)鍛錘各種故障，因而可大大提高鍛錘發(fā)生故障時(shí)的修復(fù)速度。遠(yuǎn)程監(jiān)控具有如下優(yōu)點(diǎn)：①減少現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用，第一時(shí)間遠(yuǎn)程在線掌握鍛錘的運(yùn)行情況，節(jié)約人力和物力成本；②遠(yuǎn)程檢測(cè)鍛錘故障，遠(yuǎn)程機(jī)器程序維護(hù)調(diào)整，提高鍛錘發(fā)生故障時(shí)的修復(fù)速度，提高工作效率。

程控鍛錘單機(jī)自動(dòng)化及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

最新設(shè)計(jì)的程控鍛錘更加側(cè)重于提高鍛錘的智能化、精密化，更多的從自動(dòng)化連線角度，去優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要體現(xiàn)在：①通過在線測(cè)量技術(shù)及能量修正系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)打擊能量的自動(dòng)修正，從而真正實(shí)現(xiàn)鍛錘數(shù)控化；②根據(jù)鍛錘生產(chǎn)線的工藝流程，鍛錘設(shè)有自動(dòng)上下料系統(tǒng)、周邊自動(dòng)化輔助設(shè)備預(yù)留接口和參數(shù)設(shè)定界面，充分考慮鍛錘與輔機(jī)合理布局，便于鍛錘與周邊輔助設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)鍛錘單機(jī)自動(dòng)化；③鍛錘模具固定，采用自適應(yīng)雙面可調(diào)節(jié)楔鐵機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)楔鐵楔緊采用拉桿螺栓實(shí)現(xiàn)，無需撞鐵，模具安裝、調(diào)整方便快捷；模具燕尾角度通過自適應(yīng)雙面楔鐵機(jī)構(gòu)，確保燕尾角度自適應(yīng)調(diào)整，緊固安全可靠；采用自適應(yīng)雙面可調(diào)節(jié)楔鐵機(jī)構(gòu)，模座、錘頭燕尾兩端口，不承受模具緊固張緊力，燕尾精度保持性大大提高。

雙控全液壓模鍛錘

在教學(xué)活動(dòng)中突出學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，通過教師的主導(dǎo)來發(fā)揮學(xué)生的主體作用。開學(xué)初，學(xué)生領(lǐng)完教材，就開始引導(dǎo)同學(xué)們將教材內(nèi)容粗略的進(jìn)行瀏覽，使他們對(duì)教材內(nèi)容有了初步的了解，同時(shí)也引導(dǎo)他們與自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，對(duì)學(xué)習(xí)這門課有一個(gè)明確的目標(biāo)，做好學(xué)習(xí)的計(jì)劃，提前發(fā)現(xiàn)自己學(xué)習(xí)這門課可能遇到的問題，為學(xué)好本這門課提前做好心理準(zhǔn)備。

雙控全液壓模鍛錘的控制原理是將程控錘的液壓控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制錘的液壓控制系統(tǒng)并聯(lián)，二者獨(dú)立互鎖工作。系統(tǒng)設(shè)置為程控優(yōu)先，但隨時(shí)都可切換為機(jī)械隨動(dòng)控制。先進(jìn)的控制方式不僅擴(kuò)大了設(shè)備的適用范圍，也為生產(chǎn)組織提供了靈活性；不僅使各自的優(yōu)勢(shì)得到了完美結(jié)合，而且提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，使全液壓模鍛錘的性能得到更好的發(fā)揮。圖2為CT88K系列程控全液壓模鍛錘。

圖2 CT88K系列程控全液壓模鍛錘

模具的自動(dòng)冷卻與潤滑

模具自動(dòng)化潤滑裝置包括恒壓乳化泵、氣液自動(dòng)噴淋閥控系統(tǒng)，可安裝在程控鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)等熱成形設(shè)備及各種形式的冷成形設(shè)備上，并與其聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模具自動(dòng)化潤滑、冷卻、空氣清掃動(dòng)作，達(dá)到降低操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的目的。

恒壓乳化泵無需泄壓，無需停機(jī)，通常由操作人員在常壓下按照比例通過敞口的乳化泵容器添加潤滑劑、水，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，容器的水位將受到監(jiān)控。敞口容器內(nèi)的乳化液通過增壓泵被送到閥控系統(tǒng)。恒壓乳化泵可實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)加壓、攪拌，并通過手動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)管道、濾芯的定期清洗。

氣液自動(dòng)噴淋閥控系統(tǒng)輸入端通過管路連接到恒壓乳化泵，當(dāng)操作人員通過人機(jī)界面設(shè)定好噴淋參數(shù)，按照程序，噴頭通過直線導(dǎo)軌自動(dòng)進(jìn)入上下模腔之間，噴射混合水基潤滑劑或冷卻水或清掃壓縮空氣，達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后噴頭自動(dòng)退回。該裝置可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)、定量噴淋，大大減少了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于潤滑劑噴淋一致性、均勻性，大大改善勞動(dòng)環(huán)境，提高工作效率。

人機(jī)工程

人機(jī)工程的核心是研究人或機(jī)器人在生產(chǎn)或操作過程中勞動(dòng)和用力的規(guī)律，研究操作者、鍛錘及環(huán)境三者間的協(xié)調(diào)。研究的目的則是用來指導(dǎo)上下料裝置、操作方式、工作環(huán)境、鍛造工序、鍛造模具的設(shè)計(jì)和改良，根據(jù)人和機(jī)器的條件和特點(diǎn)，合理分配人和機(jī)器承擔(dān)的操作職能，并使之相互適應(yīng)，使得操作者在效率、安全、健康、舒適等幾個(gè)方面的特性得以提高。同樣也便于機(jī)器人的應(yīng)用，減少機(jī)器人不必要的動(dòng)作，以提高運(yùn)行效率。

自動(dòng)上下料與物流系統(tǒng)

依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及鍛件產(chǎn)品專為客戶設(shè)計(jì)、提供的輸送機(jī)及自動(dòng)化上下料裝置，組成工件自動(dòng)上下料及物流系統(tǒng)（圖3）。合理的自動(dòng)上下料及物流系統(tǒng)，可以減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，便于操作者夾取工件，以提高工作效率。

氧化皮清除

鍛造加熱產(chǎn)生的氧化皮，不及時(shí)清除會(huì)嚴(yán)重影響鍛件的精度及表面質(zhì)量。氧化皮清除措施：①采用惰性氣體保護(hù)加熱，避免鍛件在空氣中加熱，氣體保護(hù)加熱從根本上避免了氧化皮的產(chǎn)生；②非保護(hù)加熱出料時(shí)鍛件毛坯通過特制的剝皮機(jī)（圖4），壓縮高速滾動(dòng)工件強(qiáng)力去皮；③錘上預(yù)鍛時(shí)通過模具潤滑閥控系統(tǒng)的壓縮空氣及時(shí)清掃。以上多種措施的聯(lián)合實(shí)施，可以減少熱鍛過程中操作者去皮輔助工作時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)環(huán)境，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。

圖3 自動(dòng)上下料系統(tǒng)

圖4 自動(dòng)剝皮機(jī)

鍛造機(jī)器人

鍛造機(jī)器人的應(yīng)用是鍛造自動(dòng)化最顯著的特征，由于鍛錘具有高速、高溫、振動(dòng)、高污染的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人的應(yīng)用提出了更為嚴(yán)格的要求，研究適應(yīng)鍛錘工作環(huán)境的柔性手指是機(jī)器人能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。針對(duì)工件現(xiàn)狀、成形工藝，確定鍛錘機(jī)器人柔性手指的夾持方案，以實(shí)現(xiàn)鍛錘機(jī)器人的操作。

總線控制技術(shù)與自動(dòng)化輔助設(shè)備的系統(tǒng)集成

總線控制采用兩層結(jié)構(gòu)，上層采用工業(yè)以太網(wǎng)，下層采用現(xiàn)場(chǎng)總線。將鍛造生產(chǎn)線的加熱爐、輥鍛機(jī)、程控鍛錘、切邊機(jī)、精整機(jī)、物流系統(tǒng)、模具潤滑裝置等連接起來，進(jìn)行控制和管理。系統(tǒng)設(shè)置有全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)功能，適應(yīng)各種工作狀態(tài)，總線控制技術(shù)可以使生產(chǎn)線諸多設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍得到最合理的配備，以達(dá)到效率最大化。

我國程控鍛錘自動(dòng)化生產(chǎn)線的戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)

鍛造自動(dòng)化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，機(jī)器人應(yīng)用是鍛造綜合自動(dòng)化的最重要特征，除此以外還包含鍛造設(shè)備、鍛造工藝、金屬材料與處理的合理配置，包含模具快速安裝調(diào)整、模具的自動(dòng)潤滑、氧化皮清除、自動(dòng)上下料、物料傳送等在內(nèi)的主機(jī)與自動(dòng)化輔助設(shè)備連線控制與協(xié)同運(yùn)行，全線綜合自動(dòng)化一般適應(yīng)于單一零件大批量生產(chǎn)。

快速、靈活是鍛錘最顯著的工藝特征，除了適應(yīng)薄筋板類零件的大批量生產(chǎn)，還特別適應(yīng)異形件的多型腔鍛造，適應(yīng)多品種小批量零件的生產(chǎn)。為了減少自動(dòng)化線的調(diào)整時(shí)間，提高運(yùn)行效率，非大批量生產(chǎn)鍛造生產(chǎn)線往往更需要單機(jī)自動(dòng)化，達(dá)到減少輔助工作時(shí)間、提高工作效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

長期以來，我國鍛造裝備處于重主機(jī)、輕輔機(jī)不平衡狀態(tài)，主機(jī)發(fā)展往往也只是重視單機(jī)效率、生產(chǎn)能力，很少能立足自動(dòng)化生產(chǎn)線綜合考慮，即使是單機(jī)自動(dòng)化，也很難實(shí)現(xiàn)。

自動(dòng)化輔助設(shè)備的研發(fā)，特別是針對(duì)既有鍛造線，往往需要量體裁衣，依據(jù)主體設(shè)備、鍛造工藝進(jìn)行定制，難以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。加之我國的設(shè)備研發(fā)工程技術(shù)人員往往缺乏對(duì)鍛造工藝的了解，因此不能不說自動(dòng)化輔助設(shè)備的研發(fā)是我國設(shè)備研發(fā)的短板。我們應(yīng)以全線綜合自動(dòng)化為目標(biāo)，強(qiáng)化自動(dòng)化輔助設(shè)備的研發(fā)，強(qiáng)化人機(jī)工程、鍛造工藝研究，立足實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，逐步實(shí)現(xiàn)全線綜合自動(dòng)化。

結(jié)束語

我國以程控鍛錘為核心的鍛造自動(dòng)化線的發(fā)展，應(yīng)結(jié)合錘鍛工藝、國內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)水平的實(shí)際，遵循一切為了效率的目標(biāo)，分步實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化，有選擇實(shí)現(xiàn)全線綜合自動(dòng)化的發(fā)展思路。