鍛造主機(jī)如何適應(yīng)自動(dòng)化智能化鍛造生產(chǎn)的要求（上）

文/李江國(guó)?海安北京機(jī)電研究所鍛壓產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心

鍛造主機(jī)如何適應(yīng)自動(dòng)化智能化鍛造生產(chǎn)的要求（上）

文/李江國(guó)?海安北京機(jī)電研究所鍛壓產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心

我國(guó)鍛造行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀

我國(guó)鍛造行業(yè)目前總體處于“工業(yè)1.0”階段，絕大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和電氣化，1.0鍛造線以摩擦壓力機(jī)、手工操作錘、螺旋壓力機(jī)等為主機(jī)，壓力機(jī)本身的自動(dòng)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鍛造，如圖1所示。少數(shù)企業(yè)已經(jīng)局部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，2.0鍛造線是以熱模鍛壓力機(jī)和冷溫鍛造壓力機(jī)為主機(jī)的自動(dòng)鍛造線，如圖2所示。極少部分企業(yè)實(shí)現(xiàn)了鍛造全自動(dòng)化和信息化，3.0鍛造線主機(jī)設(shè)備主要依賴進(jìn)口，以全自動(dòng)冷溫鍛造壓力機(jī)、熱模鍛壓力機(jī)和高速鐓鍛機(jī)/冷鐓機(jī)為主機(jī)，具備ERP系統(tǒng)接口，如圖3所示。個(gè)別企業(yè)在“工業(yè)3.0”的基礎(chǔ)上開(kāi)始實(shí)施“工業(yè)4.0”，融入全要素檢測(cè)、人工智能、專家系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等智能元素，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量可追溯、故障預(yù)測(cè)、生產(chǎn)要素的最大化利用等功能。

圖1 工業(yè)1.0 鍛造線

我國(guó)鍛造主機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)自主研發(fā)的鍛造主機(jī)基本上處于“工業(yè)2.0階段”，主要有液壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)（包括摩擦壓力機(jī)）、各種錘、閉式單點(diǎn)壓力機(jī)等，壓力機(jī)本身實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

圖2 工業(yè)2.0 鍛造線

圖3 工業(yè)3.0 鍛造線

最近10年，在消化國(guó)外主機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)之上，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了以自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)為目標(biāo)的熱模鍛壓力機(jī)，還有一些其他主機(jī)經(jīng)過(guò)改造后使用多關(guān)節(jié)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)，初步進(jìn)入了2.0+階段，但是由于零部件的可靠性較差、制造精度偏低以及配套的周邊設(shè)備落后，使得建設(shè)的鍛造線故障率偏高，跟國(guó)外的差距還很遠(yuǎn)。

圖4是北京機(jī)電研究所剛剛開(kāi)發(fā)成功的CWFP2-1250冷溫鍛造壓力機(jī)，精度和動(dòng)態(tài)特性大幅提高，接近國(guó)際水平。

鍛造主機(jī)如何適應(yīng)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)

以下論述均以立式壓力機(jī)為例。

⑴多工位（單工位鍛造壓力機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但不會(huì)成為主流，這里不展開(kāi)）。

⑵步進(jìn)梁機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)多工位自動(dòng)化鍛造的專用設(shè)備，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先采用。

⑶具有較高的可靠性。

⑷具有完善的可靠的輔助機(jī)構(gòu)（上頂出機(jī)構(gòu)、下頂出機(jī)構(gòu)、封閉高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、模具快換裝置），要實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化還需要液壓夾緊的模具模架快換裝置。

圖4 北京機(jī)電研究所開(kāi)發(fā)的冷溫鍛造壓力機(jī)

⑸能夠適應(yīng)鍛造工藝的需求和發(fā)展趨勢(shì)。

多工位壓力機(jī)及自動(dòng)鍛造線

圖5 熱模鍛壓力機(jī)采用的雙點(diǎn)連桿

⑴多工位情況下，偏載難以避免，為提高壓力機(jī)的抗偏載能力，必須采用雙點(diǎn)連桿（加寬連桿，見(jiàn)圖5）或三點(diǎn)連桿結(jié)構(gòu)（圖6）。有的廠家選用單點(diǎn)連桿壓力機(jī)做多工位鍛造，壓力機(jī)連桿銅瓦的壽命很低，2年左右就需要大修，一般客戶難以承受。

圖6 冷溫鍛壓力機(jī)上采用的3點(diǎn)連桿

⑵要提高壓力機(jī)的抗偏載能力，除采用雙點(diǎn)連桿外，還需要加長(zhǎng)滑塊導(dǎo)向，增大偏心軸的剛度，組合機(jī)身還需要提高拉桿的預(yù)緊系數(shù)。

⑶配備步進(jìn)梁機(jī)械手的壓力機(jī)需要足夠的側(cè)窗口寬度尺寸，一般要求800mm以上，大噸位壓力機(jī)需要1000mm以上，圖7為北京機(jī)電研究所建設(shè)的多工位熱模鍛/冷鍛（配備步進(jìn)梁機(jī)械手）自動(dòng)鍛造線。圖8為北京機(jī)電研究所在多工位壓力機(jī)上用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造方面的成功案例。

圖7 多工位熱模鍛/冷鍛（配備步進(jìn)梁機(jī)械手）自動(dòng)鍛造線

具有較高的可靠性

鍛壓設(shè)備的可靠性不是指基于有限元和概率論的計(jì)算值，主要關(guān)注的是因?yàn)楣收弦鸬耐C(jī)時(shí)間或其所占應(yīng)開(kāi)機(jī)時(shí)間的比率，屬于統(tǒng)計(jì)概念，高可靠性意味著低停機(jī)率。自動(dòng)線如果頻繁出故障、停機(jī)、停爐，自動(dòng)線的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。

機(jī)械式壓力機(jī)（熱模鍛壓力機(jī)、閉式單點(diǎn)壓力機(jī)、多連桿機(jī)構(gòu)壓力機(jī)、高速鐓鍛機(jī)和冷鐓機(jī)）的故障可分為：離合器/制動(dòng)器故障、電氣故障和其他故障。

由于液壓機(jī)、錘、螺旋壓力機(jī)很難成為以后主流的自動(dòng)化智能化鍛造主機(jī)，這里不展開(kāi)詳述。

離合器制動(dòng)器

傳動(dòng)部分是壓力機(jī)的功能核心部件，壓力機(jī)的輸出特性主要取決于傳動(dòng)部分，但只要計(jì)算得當(dāng)，潤(rùn)滑充分，一般故障率并不高。

離合器制動(dòng)器是控制機(jī)械式壓力機(jī)正確、順序、安全動(dòng)作的最重要的零部件，因此被譽(yù)為壓力機(jī)的心臟。傳統(tǒng)的壓力機(jī)離合器制動(dòng)器的故障率占整個(gè)壓力機(jī)故障率的50%以上，是故障率最高的零部件。正因?yàn)槿绱?，離合器制動(dòng)器是除了傳動(dòng)系統(tǒng)外人們研究最多的零部件，這也是本文將其單列的原因。

我國(guó)鍛造主機(jī)離合器制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀

目前，我國(guó)鍛造主機(jī)使用的離合器和制動(dòng)器的主要結(jié)構(gòu)有：?jiǎn)伪P(pán)式、單片式、帶式、少量的多盤(pán)式或多片式。單盤(pán)式或單片式離合器制動(dòng)器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于散熱，應(yīng)用比較廣泛，如圖9所示。我國(guó)在鍛造主機(jī)使用的新型離合器制動(dòng)器及其摩擦材料研發(fā)方面沒(méi)有太大進(jìn)步，導(dǎo)致我國(guó)鍛造主機(jī)離合器制動(dòng)器故障率非常高，因此近幾年，鍛壓主機(jī)生產(chǎn)廠家逐漸開(kāi)始使用進(jìn)口的濕式離合器制動(dòng)器。

圖8 多工位壓力機(jī)上用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造

圖9 我國(guó)熱模鍛壓力機(jī)上使用的單盤(pán)摩擦離合器和制動(dòng)器

離合器制動(dòng)器的常見(jiàn)故障

⑴摩擦塊易碎（摩擦塊與摩擦盤(pán)接觸不良，靜壓或沖擊造成壓強(qiáng)超過(guò)了摩擦塊的極限比壓）。

⑵摩擦塊壽命偏低（100萬(wàn)次以下）。

⑶制動(dòng)器制動(dòng)角過(guò)大，壓力機(jī)無(wú)法在上死點(diǎn)準(zhǔn)確停機(jī)（響應(yīng)慢，從動(dòng)部分慣量動(dòng)能大，摩擦塊摩擦系數(shù)低，摩擦塊與摩擦盤(pán)接觸不良等造成）。

⑷離合器與制動(dòng)器動(dòng)作配合不好（氣動(dòng)分體式離合器/制動(dòng)器一般需要通過(guò)氣路互鎖）。

⑸離合器制動(dòng)器散熱不良、發(fā)熱嚴(yán)重。

⑹閥故障。

⑺摩擦盤(pán)易裂、變形。

減少離合器制動(dòng)器故障率的方法

⑴不使用或很少使用離合器制動(dòng)器。

1)滑塊在上死點(diǎn)不停機(jī)，只是在其他故障情況下才使用制動(dòng)器離合器，常見(jiàn)于高速鐓鍛機(jī)、冷鐓機(jī)、軸承環(huán)鍛造用閉式單點(diǎn)壓力機(jī)、冷溫鍛造壓力機(jī)、進(jìn)口的熱模鍛壓力機(jī)和熱溫鍛造壓力機(jī)上。這種情況下不僅可以大大降低離合器制動(dòng)器的故障率，而且可以大大降低壓力機(jī)的噪聲峰值｛很多壓力機(jī)的氣動(dòng)離合器制動(dòng)器（圖10）的排氣噪聲超過(guò)其他噪聲｝，同時(shí)大幅降低壓力機(jī)的振動(dòng)。

圖10 一體式低慣性氣動(dòng)離合器制動(dòng)器

2)伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)，完全由伺服電機(jī)及其控制器來(lái)控制壓力機(jī)正確、順序、安全地動(dòng)作，不需要或很少需要離合器制動(dòng)器參與控制，可以免去離合器制動(dòng)器、飛輪、一級(jí)傳動(dòng)帶來(lái)的故障。

⑵很少使用制動(dòng)器，低滑差條件下使用離合器，以舒勒-萬(wàn)家頓雙速驅(qū)動(dòng)熱模鍛壓力機(jī)為代表，離合器制動(dòng)器故障率也很低。

⑶采用新型離合器制動(dòng)器。

近些年，歐洲在新型離合器制動(dòng)器方面進(jìn)步很大，濕式離合器制動(dòng)器（圖11）在鍛造壓力機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其他新型結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品也越來(lái)越成熟。新型離合器制動(dòng)器的特點(diǎn)有：

圖11 一體式低慣性濕式離合器制動(dòng)器

1)低慣性（外徑小，有的產(chǎn)品將氣缸活塞改為氣囊） 。

2)大扭矩（多盤(pán)式或多片式）。

3)低沖擊（低比壓、多盤(pán)式或多片式） 。

4)響應(yīng)快。

⑷離合器制動(dòng)器發(fā)熱嚴(yán)重的情況下需要采用強(qiáng)冷措施（濕式離合器制動(dòng)器一般采用油冷，其他離合器制動(dòng)器有的采用水冷，還有的采用風(fēng)冷）。

⑸提高加工精度，特別是降低各個(gè)零件的形位誤差值。離合器制動(dòng)器的很多故障是由加工精度低導(dǎo)致摩擦塊與摩擦盤(pán)接觸不良造成的。

⑹改善離合器制動(dòng)器的制造工藝以減小使用過(guò)程中的變形，比如摩擦盤(pán)焊接時(shí)需要合適的加熱溫度，焊接結(jié)束后需要完全退火等。

⑺適當(dāng)增大離合器制動(dòng)器的尺寸、適當(dāng)降低氣壓以降低沖擊負(fù)荷。

⑻增大摩擦塊的面積降低比壓。

⑼采用高性能摩擦材料。

⑽采用可靠性較高的控制閥。

常見(jiàn)電氣故障及避免措施

⑴線路斷裂、端子松脫、信號(hào)線短路、誤報(bào)警，解決的辦法。

1)線纜盡可能粗一些。

2)盡可能避免轉(zhuǎn)接。

3)附著在運(yùn)動(dòng)零部件上的信號(hào)線必須使用金屬護(hù)套，保證合理曲率的情況下良好固定。

4)不可避免的轉(zhuǎn)接端子，最好用電工膠固化，可以很好的防止松脫和短路。

⑵對(duì)于熱鍛或溫鍛壓力機(jī)來(lái)講，周圍的中頻爐由于功率大、雜波強(qiáng)，如果接地不良或隔離不好，必然會(huì)對(duì)壓力機(jī)的控制信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，解決的辦法是各自良好接地。

⑶壓力機(jī)自身的控制不完善，滑塊在上死點(diǎn)停機(jī)的模式下出現(xiàn)連擊，離合器沒(méi)有脫開(kāi)，制動(dòng)器沒(méi)有制動(dòng)，原因是離合器氣閥故障，應(yīng)該將離合器氣閥改為雙聯(lián)電磁閥。

⑷程序不完善，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)了連續(xù)運(yùn)行的情況，可能打壞機(jī)械手或模具模架，應(yīng)該規(guī)定電機(jī)反轉(zhuǎn)只能寸動(dòng)，不允許全周期連續(xù)運(yùn)行。

⑸程序紊亂，應(yīng)該增加程序備份及自動(dòng)恢復(fù)功能。

⑹互鎖信號(hào)不完善，常見(jiàn)的互鎖信號(hào)應(yīng)該有。

1)離合器和制動(dòng)器動(dòng)作必須互鎖。

2)封閉高度調(diào)整信號(hào)與離合器接通信號(hào)互鎖。

3)飛輪制動(dòng)器與主電機(jī)互鎖。

4)封閉高度調(diào)整信號(hào)與主電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)互鎖。

5)離合器油壓（氣壓）信號(hào)與離合器接通信號(hào)互鎖。

6)下頂出回位信號(hào)與離合器接通信號(hào)互鎖。

7)各種報(bào)警信號(hào)與離合器接通信號(hào)互鎖。

《鍛造主機(jī)如何適應(yīng)自動(dòng)化智能化鍛造生產(chǎn)的要求（下）》見(jiàn)《鍛造與沖壓》2017年第11期