淺談航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)鍛造車間柔性生產(chǎn)單元建設(shè)

文／李建軍，彭謙之，鄭理·中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司

淺談航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)鍛造車間柔性生產(chǎn)單元建設(shè)

文／李建軍，彭謙之，鄭理·中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司

航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)鍛造車間具有鮮明的行業(yè)特色，產(chǎn)品種類繁多，用戶對(duì)品種和批量的需求多樣化，因此建設(shè)滿足用戶多樣化需求的柔性生產(chǎn)單元，是今后航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)鍛造車間的一個(gè)重要發(fā)展方向。

與機(jī)械加工技術(shù)相比，鍛造技術(shù)在實(shí)現(xiàn)柔性單元建設(shè)上的難度更大，這是由鍛造技術(shù)的本質(zhì)所決定的。對(duì)于機(jī)械加工而言，所需的刀具一般不受產(chǎn)品的形狀、尺寸約束，具有很大的通用性；也就是說，只要加工工藝一樣，不管怎么更換產(chǎn)品都可以使用同一刀具。此外，目前用于機(jī)加工的數(shù)控加工中心一般都可以安裝幾把刀具，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)刀具的自動(dòng)切換，這給實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的柔性生產(chǎn)單元建設(shè)提供了很大的便利。與機(jī)械加工相比，鍛造所用的模具，其型腔形狀就是產(chǎn)品的形狀（不包括自由鍛），也就是說鍛模是專用的，不具備通用性。此外，鍛模重量很大、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安裝后要根據(jù)試模情況對(duì)模具位置進(jìn)行微調(diào)，很難實(shí)現(xiàn)鍛模的自動(dòng)化更換，這使鍛造車間建設(shè)柔性生產(chǎn)單元存在很大的難度。為此，需要在以下幾個(gè)方面開展工作。

模具管理的智能化改造

航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)鍛造車間的模具數(shù)量巨大，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)模具進(jìn)行高效準(zhǔn)確的管理難度很大。解決這個(gè)問題可以借鑒物流倉庫的管理模式：根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)鍛模進(jìn)行分類，每種類型的鍛模存在相應(yīng)的倉儲(chǔ)地。根據(jù)鍛件圖號(hào)對(duì)每一副鍛模進(jìn)行編號(hào)，并制作一個(gè)能夠唯一標(biāo)識(shí)此模具的標(biāo)識(shí)牌。工作人員可以通過手持PDA讀取標(biāo)識(shí)牌上的ID號(hào)碼，可調(diào)用后臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，從而獲取該鍛模的信息，包括鍛模圖號(hào)、收發(fā)歷史記錄、生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量、可預(yù)期的鍛模壽命、修理的記錄等信息，圖1是模具清單的部分信息。

當(dāng)鍛模發(fā)至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)之后，操作者使用手持PDA將生產(chǎn)時(shí)間、產(chǎn)品數(shù)量等信息輸入鍛模管理系統(tǒng)。當(dāng)鍛模使用完畢后，作業(yè)人員使用手持PDA掃描鍛模ID，將模具入庫信息輸入數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)控人員通過鍛模管理系統(tǒng)對(duì)鍛模庫存、使用情況進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 模具信息

模具固定、錯(cuò)移調(diào)節(jié)技術(shù)的提高

鍛模的固定通常采用楔鐵壓緊的方式，這種固定方式給安裝和拆卸模具帶來一定的麻煩，耗時(shí)較長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)模具安裝的機(jī)械化、自動(dòng)化，不利于多品種、小批量鍛件的生產(chǎn)。可以對(duì)模座進(jìn)行一定的改造，采用液壓裝置來固定模具，方便安裝各種標(biāo)準(zhǔn)模塊。這樣可以利用機(jī)器人或叉車將模具放置在模座，很簡(jiǎn)單的對(duì)模具進(jìn)行固定，也可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)模具進(jìn)行微調(diào)，防止錯(cuò)移，實(shí)現(xiàn)快速換模，提高生產(chǎn)效率。

機(jī)器人在鍛造生產(chǎn)單元上的應(yīng)用

鍛造車間生產(chǎn)環(huán)境不好，鍛造設(shè)備可能導(dǎo)致發(fā)生安全事故，同時(shí)煙塵、有害氣體、噪聲和振動(dòng)等問題對(duì)操作者的健康也造成了嚴(yán)重危害。采用機(jī)器人代替操作者不僅可以避免以上問題，還對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處。鍛造機(jī)器人應(yīng)具備多自由度機(jī)械手、脫模劑噴淋設(shè)備兩個(gè)模塊。多自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)坯料從加熱爐到鍛造設(shè)備之間的轉(zhuǎn)移，以及鍛造完成之后鍛件從鍛模中取出等功能。機(jī)械手的夾持器應(yīng)該是通用的或可以簡(jiǎn)易更換的，以滿足不同產(chǎn)品的夾持需求。脫模劑噴涂設(shè)備主要是用于吹除氧化皮以及向鍛模噴涂脫模劑，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高模具壽命。

已有諸多廠家具有設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線的能力，并用于實(shí)際生產(chǎn)，給客戶帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益，如武漢新威奇科技有限公司研發(fā)了多 條自動(dòng)化生產(chǎn)線，可用于葉片類鍛件、對(duì)稱形狀類鍛件等不同鍛件的生產(chǎn)。

圖2 武漢新威奇研制的鍛造生產(chǎn)線

圖3 鍛造模擬過程

有限元仿真的應(yīng)用

鍛造模擬軟件在鍛造生產(chǎn)廠家已經(jīng)普遍應(yīng)用，是技術(shù)更新的重要工具，常用的鍛造模擬軟件有DEFORM、FORGE、QFORM等。能對(duì)鍛件成形全過程進(jìn)行很直觀的模擬仿真，經(jīng)求解計(jì)算，通過對(duì)各種參數(shù)的修改，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬、修改方案，確定一個(gè)最優(yōu)的鍛造工藝方案（圖3），避免了用原材料對(duì)每種工藝方案進(jìn)行實(shí)物試制，可節(jié)約大量人力、物力、財(cái)力，還能模擬模具的使用狀況（如圖4、圖5），用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)。

特別是有部分復(fù)雜鍛件、難變形合金鍛件，需通過預(yù)鍛、終鍛成形。用傳統(tǒng)方法，憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模具和工藝方案，需多次試制，造成高昂的模具費(fèi)用，而利用鍛造模擬軟件對(duì)鍛造過程進(jìn)行模擬仿真，能有效的顯現(xiàn)出鍛件流線、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等參數(shù)，預(yù)測(cè)組織和缺陷（圖6）。此時(shí)，只要在系統(tǒng)中對(duì)各參數(shù)進(jìn)行修改，完善模具設(shè)計(jì)和工藝方案的設(shè)計(jì)，以此指導(dǎo)實(shí)際試制，做到一次試制成功，確保鍛件的質(zhì)量，利用此方法模具費(fèi)用可降至最低，節(jié)省修模時(shí)間和再次試制的時(shí)間，研制周期可縮短一半以上。此外，還需將分析軟件的輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、中間過程數(shù)據(jù)以及分析報(bào)告等進(jìn)行有效保存和管理，以及數(shù)據(jù)的版本管理等。確保數(shù)據(jù)共享和唯一性，提高數(shù)據(jù)訪問安全。

圖4 模具表面應(yīng)力

圖5 模具磨損情況

圖6 再結(jié)晶、晶粒分布、流線

結(jié)束語

隨著智能制造在工業(yè)中的不斷深入，航空發(fā)動(dòng)機(jī)鍛造工廠也將逐步實(shí)現(xiàn)向柔性生產(chǎn)邁進(jìn)，將智能活動(dòng)與制造過程有機(jī)地融合起來，取代制造環(huán)節(jié)中人的部分體力勞動(dòng)。提升自動(dòng)化、智能化工程應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)工藝裝備、工業(yè)軟件和數(shù)字化工廠相融合。