一種基于在線稱重的控制熱環(huán)軋產(chǎn)品尺寸的方法

江紹成，錢東升（.中車集團成都機車車輛公司，四川 成都 6005；.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

一種基于在線稱重的控制熱環(huán)軋產(chǎn)品尺寸的方法

江紹成1，錢東升2
（1.中車集團成都機車車輛公司，四川 成都 610051；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

對每個上機前的環(huán)坯進行稱重，輸入計算機并與標準環(huán)坯的重量進行比對，用兩者重量的相對誤差，對應(yīng)地修正環(huán)件厚度，即修正控制施壓行程終點的感應(yīng)同步器的初始設(shè)定值，使有重量誤差的環(huán)件的中徑，保持與標準環(huán)件的中徑相一致。這樣，重量誤差就較均勻地分配到環(huán)件的外徑和內(nèi)徑上，使外圓和內(nèi)孔的加工余量等量增加或減少。

在線稱重；重量相對誤差；控制環(huán)件中徑；內(nèi)外徑加工余量

自19世紀中期英國第一臺輾環(huán)機問世以來，至今已有170多年的歷史。它是回轉(zhuǎn)施壓連續(xù)局部塑性變形的鍛造成形工藝，與自由鍛、模鍛成形工藝相比，它需要的設(shè)備功率小、振動沖擊小、零件精度高、節(jié)能省材、生產(chǎn)成本低，顯示了巨大的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪、燃氣輪機等各類無縫環(huán)件的生產(chǎn)，目前世界各類環(huán)件的生產(chǎn)已達數(shù)千萬噸[1]。我國首創(chuàng)的多功能輾環(huán)機[2]的出現(xiàn)和三輥橫軋[3]、復合環(huán)軋[4]和錯位環(huán)軋技術(shù)的應(yīng)用，更使輾環(huán)技術(shù)發(fā)展到復雜斷面環(huán)件的生產(chǎn)。現(xiàn)今輾環(huán)工藝在機械、汽車、火車、船泊、石油化工、管道輸送、航空航天和原子能等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。

因輾環(huán)工藝是回轉(zhuǎn)軋制成形技術(shù)，是粗加工工序，需要給后續(xù)的精加工工序預留必需且足夠的加工余量。余量留多了，不僅多耗能、多費材，而且增加后續(xù)工序的費用；余量留少了則可能加工不出來而成為廢品。如何控制環(huán)件產(chǎn)品尺寸，提高環(huán)軋產(chǎn)品的尺寸和形狀精度是輾環(huán)行業(yè)永久的課題和目標。

熱環(huán)軋生產(chǎn)過程中，環(huán)件尺寸精度受多種因素影響，主要有下料重量誤差、燒損量多少（與加熱時間及氧化氛圍等有關(guān)）、沖孔連皮的厚薄等，它們直接影響到環(huán)軋開始前環(huán)坯的重量G，造成重量誤差±△G，此外還有環(huán)坯的形狀差異及終軋時的溫度不同等因素的影響。一般條件的工廠，批量生產(chǎn)的環(huán)坯重量相對誤差±△G/G=±g常達到±5%。在這樣大的重量誤差下，如何保證能軋出內(nèi)、外圓上有較少但足夠的加工余量的環(huán)件，是輾環(huán)工藝中控制環(huán)件尺寸的最重要的問題。目前國內(nèi)外各類輾環(huán)機均采用即時測量手段檢查環(huán)件外徑是否達到預設(shè)的標準環(huán)件的外徑，達到前的瞬間，及時減慢直至停止施壓進給而進行精整成圓，使環(huán)件的尺寸和形狀精度達到產(chǎn)品要求。這種只單方面控制外徑的方法，有兩種結(jié)果：一是外徑尺寸比較穩(wěn)定，其加工余量較合適，但環(huán)坯重量誤差全部反映到內(nèi)徑尺寸上，造成內(nèi)徑加工余量發(fā)生較大變化，或過多或過少，甚至不夠而報廢；二是因這種與熾熱環(huán)件表面接觸式測量的測量裝置，尤其臥式輾環(huán)機的隨動檢測系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復雜制造成本高，工作環(huán)境惡劣，影響測量精度，以及終軋時環(huán)件溫度差異和人為判斷的誤差等，所測外徑也不易保持一致。為保證環(huán)軋的成品率，只有加大預留加工余量，顯然，耗能費材、成本提高是其必然結(jié)果。環(huán)件較大的加工余量是環(huán)件材料損耗的最大部分，這是環(huán)軋行業(yè)長期存在的問題。在現(xiàn)今比較先進的計算機控制的輾環(huán)機上，采用了環(huán)件外徑和壁厚同時動態(tài)即時檢測的手段，但壁厚的檢測只用于控制施壓過程，輾環(huán)工序結(jié)束的信號仍然取決于外徑的實測信息，因此它仍然是單方面控制外徑的方法，而無法根本改變這種現(xiàn)狀。

1 基于在線稱重的尺寸控制理論方法

本文提出一種基于在線稱重的控制熱環(huán)軋產(chǎn)品尺寸的方法：對每個上機前的環(huán)坯進行稱重，輸入計算機并與標準環(huán)坯重量比對，用兩者重量的相對誤差，相對應(yīng)地修正環(huán)件厚度，即修正控制施壓行程終點的感應(yīng)同步器的初始設(shè)定值，始終使有重量誤差的環(huán)件的中徑，保持與標準環(huán)件的中徑相一致。這樣，重量誤差就較均勻地分配到環(huán)件的外徑和內(nèi)徑上，即外圓和內(nèi)孔的加工余量同時均勻增加或減少。

下面介紹具體技術(shù)方案。以最常見的矩形斷面的環(huán)件為例來說明，如圖1所示，設(shè)環(huán)件外徑為D，內(nèi)徑為d，高度為H，則厚度為

圖1 矩形縱截面環(huán)件示意圖

中徑為

式中：G——環(huán)件重量；

V——體積；

R——材料比重；

F——環(huán)件徑向斷面為圓環(huán)形的橫斷面面積；

A——環(huán)件的軸向截面為矩形的縱截面面積，A=T×H。

進而得出環(huán)件重量

其中材料比重r為常數(shù)，在一般僅有徑向環(huán)軋的輾環(huán)機上，環(huán)件高度H由于夾于輾輪槽形之中，誤差處于可控狀態(tài)，尤其在徑軸雙向輾環(huán)機上，環(huán)件的兩端面上因受到一對軸向輾輪的定距軋制，環(huán)件的高度H可視為不變。顯然，以上兩類輾環(huán)機，對縱截面為矩形的環(huán)件，環(huán)坯的重量誤差主要只影響環(huán)件圓環(huán)形橫斷面的面積，兩者之間為線性關(guān)聯(lián)G∝F。橫斷面面積可通過下式求解

因此，只要按重量誤差的相應(yīng)比例去修正并控制環(huán)件壁厚T，就能使環(huán)件中徑D中保持不變，從而較好地控制環(huán)件的內(nèi)外徑尺寸和加工余量。

依據(jù)這一原理，在輾環(huán)結(jié)束前控制主輾壓輪和芯輥的距離（即主輾輪下壓的終點位置或芯輥進給的終點位置），就能有效地控制環(huán)件壁厚T，在滑塊與床身導軌上或芯輥滑塊與床身上，安裝同步感應(yīng)器并設(shè)定終點值就可方便實現(xiàn)。

通過上述分析可知，當環(huán)坯重量存在誤差為G± △G，環(huán)件高度H視為不變時，相應(yīng)有環(huán)件橫斷面圓環(huán)面積的誤差為F±△F及中徑不變時的厚度誤差T±△T，其三者相對誤差相同，互為線性關(guān)聯(lián)，即有

由此知

因此當環(huán)坯因下料、燒損、沖孔等引起重量誤差時，只需在輾環(huán)前稱重得知其與標準環(huán)坯的重量誤差為±△G，借助計算機求出±△G/G=±g=±t，自動修正按標準環(huán)坯重量所設(shè)定的輾環(huán)終點位置，顯然也就保持了環(huán)件的中徑D中不變，將厚度誤差（±t）平均分配到外徑和內(nèi)徑上，而保證了環(huán)件內(nèi)外徑上的合理的加工余量。在輾環(huán)過程中當環(huán)件厚度T達到修正后的厚度后，立即進入輕壓精整成圓階段，而無須控制環(huán)件外徑，立式輾環(huán)機的信號輪僅為操作工判斷環(huán)件外徑用，并不參與精整成圓過程，這樣還可取消立式輾環(huán)機的信號輪或臥式輾環(huán)機結(jié)構(gòu)復雜的外徑檢測機構(gòu)，使數(shù)控輾環(huán)機的結(jié)構(gòu)和控制變得更簡單、更可靠，并為數(shù)控輾環(huán)機的控制和輾環(huán)機的自動化生產(chǎn)提供了一條新的途徑。

2 實施舉例

2.1 示例1

如圖1所示，設(shè)矩形縱截面的標準環(huán)件的尺寸如下：外徑D=300，內(nèi)徑d=240，厚度T=（300-240）/ 2=30，中徑D中=（300+240）/2=270；精加工后環(huán)件成品為：外徑D0=297，內(nèi)徑d0=243，厚度T0=（297-243）/ 2=27，中徑D中0=（298+242）/2=270，標準環(huán)件的內(nèi)、外徑的單邊加工余量為1.5mm，若環(huán)坯重量誤差為± 5%，當環(huán)件高度不變時其縱截面面積誤差也應(yīng)為± 5%，厚度相對誤差t=±△T/T=±0.05。

2.1.1 用修正環(huán)件厚度的方法控制環(huán)件尺寸

圓環(huán)F=π（D2-d2）/4=πD中T（1±t），中徑D中不變，厚度T（1±t）=30（1±0.05）。計算得出：當g為+5%時，環(huán)件最大外徑Dmax=301.5，最小內(nèi)徑dmin=238.5，內(nèi)外徑上單邊最大加工余量均為2.25，當g為-5%時，最小外徑Dmin=298.5，最大內(nèi)徑dmax=241.5，內(nèi)外徑上單邊最小加工余量均為0.75，雖然環(huán)件毛坯重量誤差達±5%，用該方法生產(chǎn)的環(huán)件均為合格產(chǎn)品，且在同一環(huán)件上，內(nèi)外徑的加工余量勻等。

2.1.2 用單方面只控制外徑不變方法控制環(huán)件尺寸

即有F=π（D2-d2）/4=25446.9mm2，控制外徑為300mm，外徑單邊加工余量為1.5mm，若環(huán)坯重量誤差為±g=±5%時，面積誤差也為±f=±5%，當g為+5%時，即最大面積Fmax=26719.2mm2，算出最小內(nèi)徑dmin=236.6，內(nèi)徑單邊加工余量為3.2mm。當g為-5%時，最小面積Fmin=24174.5mm2，算出最大內(nèi)徑Dmin=243.4，內(nèi)徑已超差而成廢品。

2.1.3 用已被否定的控制厚度不變的方法

當g為±5%時，即中徑D中（1±5%），D中max=283.5，D中min=256.5。算出最大外徑Dmax=313.5，最大內(nèi)徑dmax=253.5，外徑余量過大，內(nèi)徑已嚴重超差，當g為-5%時，最小外徑Dmin=286.5，最小內(nèi)徑dmin=226.5，內(nèi)徑余量過大，外徑過小而成廢品。此方法因誤差太大無實用意義。

2.2 示例2

如圖2所示，若環(huán)件縱截面為非矩形，D1、D2、D3、d0表示環(huán)件各處外徑及內(nèi)徑，H1、H2、H3、H分別表示各處的高度及總高，則需計算該縱截面（圖2左側(cè)剖面線所示形狀和面積）的形心位置，確定其到環(huán)件軸線的距離，若以此作為等效中徑D中的位置，可得出一個與該非矩形縱截面面積A和體積V均相等的矩形縱截面環(huán)件，作為該非矩形縱截面環(huán)件的假想等效環(huán)件（圖2右側(cè)剖面線所示的矩形面積），D和d分別是等效環(huán)件的外徑和內(nèi)徑，T為等效環(huán)件的厚度，以等效環(huán)件的中徑D中為控制目標，將該等效環(huán)件的厚度T為修正對象，以稱重后的環(huán)坯與標準環(huán)坯重量進行比對，通過計算機對機床上加工的等效環(huán)件厚度T進行相應(yīng)的修正，修正預先設(shè)定的標準等效環(huán)件的輾壓輪軸線與芯輥軸線的距離（輾環(huán)結(jié)束時同步感應(yīng)器的位置的初始設(shè)定值），因為此時環(huán)件外部形狀是由輾壓輪槽形決定的，不同外徑處的厚度增量值是相同的，沒法隨外徑不同按線性比例作出相應(yīng)調(diào)整，因此，按等效環(huán)件對厚度作出修正的結(jié)果是存在一定的誤差的，計算結(jié)果表明：這種方法與理論計算誤差很小可以忽略，完全能滿足該類環(huán)件尺寸控制的要求。

圖2 非矩形縱截面環(huán)件示意圖

3 具體實施方案

大型臥式輾環(huán)機，因零件重量大，通常用吊車或機器人上下工件，可在吊具或抓具上安設(shè)在線自動稱重器，逐個對上機前的環(huán)坯稱重，在上料過程中將稱重信息輸入到計算機與標準環(huán)坯重量進行比較，算出重量的相對誤差±△G/G=±g，得出該環(huán)件厚度的修正值T（1±t），相應(yīng)修正同步感應(yīng)器終點位置的初始設(shè)定值即可。

數(shù)量巨大的中小型環(huán)件，都是在立式輾環(huán)機或多工位輾環(huán)機的生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，現(xiàn)以立式輾環(huán)機為例，設(shè)置了在線自動稱量裝置和上料機械手，如圖3所示。預鍛成形的環(huán)坯10沿下坡輸送滾道6滾到稱重V形鐵5上，V形鐵5通過橡膠皮膜4坐落在充滿油液但不通壓力油的油缸上腔上，滾道擋板12可使因慣性而滾過頭的環(huán)坯10回到V形鐵5上，該環(huán)坯10的重力通過皮膜4對封閉的上油腔造成一定的靜壓增量，該靜壓信息通過壓力變送器3輸入到控制系統(tǒng)中，與根據(jù)標準環(huán)坯的重量所形成的靜壓增量進行比對，計算出相對誤差并相應(yīng)修正同步感應(yīng)器的終點位置的初始設(shè)定值。與上腔成一體的油缸下腔2在油壓作用下，沿固定在基礎(chǔ)17上的導套1運動，將V形鐵5連同其上的環(huán)坯10舉升至機械手16上的可擺動夾頭7的中心上，其舉升高度位置可由行程開關(guān)11根據(jù)該批環(huán)坯10的直徑不同而預先設(shè)定調(diào)好，可轉(zhuǎn)動機械手16上的夾緊油缸15，推動鉸結(jié)在支點9上的杠桿8及可擺動夾頭7夾緊環(huán)坯10，坐落在滑塊14上的機械手16的大臂，逆時針翻轉(zhuǎn)180°，將環(huán)坯10送至對準輾環(huán)機的芯輥18的中心，滑塊14連同其上的機械手16和環(huán)坯10，沿固結(jié)在基礎(chǔ)17上的滑座13的導軌上向輾環(huán)機工作面上運動，使環(huán)坯10套進芯輥18上并靠近輾環(huán)機的擋板處，再松開夾頭7?；瑝K14在滑座13上后退到位后，機械手16反向轉(zhuǎn)動回到原位，準備接受下一個環(huán)坯。此時已套入芯輥的環(huán)坯10，先后或同時在徑軸雙向輾壓機上自動進入輾環(huán)過程，直至同步感應(yīng)器發(fā)出環(huán)件厚度已達修正厚度的信息，輾環(huán)工序自動進入精整成圓過程，環(huán)軋工序結(jié)束后，徑軸雙向輾壓輪退回原位，卸料機構(gòu)將環(huán)件從芯輥上脫出，并沿下坡滾道送至環(huán)件集放處，從而實現(xiàn)徑軸雙向立式輾環(huán)機的全自動生產(chǎn)。該裝置也可用于無軸向輾壓功能的立式輾環(huán)機，此時，環(huán)件端面上的毛刺和凹陷等缺陷，會造成環(huán)件高度尺寸不太準確，引起環(huán)件尺寸存在一定誤差。此外，該稱重裝置和上料機械手可識別過輕的環(huán)坯，使其不進入輾環(huán)工序而直接送往廢料堆集處，使生產(chǎn)設(shè)備具有一定的預判功能。

圖3 在線自動稱重機構(gòu)和上料機械手工作原理圖

4 結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的測量方法，本方法具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)越性。

（1）將環(huán)坯的重量誤差均分到外徑和內(nèi)徑上，提高了環(huán)件的尺寸精度和成品率。

（2）加工余量的合理分配，可減少預留的加工余量，節(jié)能省材，降低成本。

（3）可取消立式輾環(huán)機的信號輪或臥式輾環(huán)機結(jié)構(gòu)復雜的外徑檢測機構(gòu)，使數(shù)控輾環(huán)機的結(jié)構(gòu)和控制變得更簡單、更可靠。

[1]華 林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2]江紹成，解光浦.多功能輾環(huán)機[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44 （2）：28-30.

[3]江紹成.旋轉(zhuǎn)反擠壓鍛造[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（1）：44-45.

[4]錢東升，華 林，張志強.一種環(huán)件復合軋制成形新技術(shù)[A].第十二屆全國塑性工程學術(shù)年會第四屆全球華人塑性加工技術(shù)研討會論文集[C].重慶，2011.

A method of controlling ring size during hot ring rolling process on the basis of onlineweighing

JIANG Shaocheng1,QIAN Dongsheng2
（1.CRRC Chengdu Co.,Ltd.,Chengdu 610051,Sichuan China; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

A method of controlling ring size during hot ring rolling process on the basis of onlineweighing has been put forward in the text.Firstly,each ring blank has been weighed before being put on the rolling mill.Then the weight has been input into the computer by comparing with the weight of standard blank. The relative error between the two weights has been adopted to correct the ring thickness correspondingly. That is to say,the initial set value of the inductosyn to control the end point can be corrected,which makes the middle diameter of the ring consistent with the standard ring.Thus in this way,the weight error can be uniformly distributed on the ring outer and inner diameter.As a result,the machining allowances of outer and inner surface have been equally increased or reduced.

Weighing online;Relative weight error;Control ring middle diameter;Outer and inner diameter machining allowance.

TG335.1

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.02.021

1672-0121（2017）02-0070-04

2016-09-24；

2016-12-16

江蘇省重點研發(fā)專項資助項目（BE2016009）；JGXM （201607GC01）；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目（IRT13087）

江紹成（1939-），男，高工，享受國務(wù)院特貼專家，從事金屬成形非標設(shè)備研究設(shè)計。

E-mail：qiands@whut.edu.cn