基于DCS控制系統(tǒng)的雙工位彈體熱擠壓成形設備的設計與研究①

劉紅梅， 王雪潔

(安徽三聯(lián)學院電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

彈體的熱擠壓工藝是在強烈的多向不均勻壓縮力的作用下，將加熱到某一溫度的金屬，從熱擠壓模的?？谥辛魅氇M小的模腔中，獲得所需形狀的彈體，該種成形工藝方法是一種壓力加工熱擠壓零件的方法。目前國內(nèi)彈體生產(chǎn)制造廠主要使用國內(nèi)上世紀末生產(chǎn)的設備實現(xiàn)彈體熱擠壓成形加工過程，所能生產(chǎn)的熱擠壓零件具有尺寸小、生產(chǎn)效率低下、工人勞動強度特別大、工件加工精度低等缺點。隨著國防技術的發(fā)展，原有的設備和工藝不能滿足國防建設需求，需要具有新工藝的大型彈體熱擠壓成形加工設備。

1 彈體的熱擠壓成形過程分析

彈體熱擠壓[1～3]一般采用反擠壓方式，反擠壓的特點是被擠壓金屬的流動方向與凸模(即沖頭)的運行方向相反，而凹模則是固定不動的(如圖1所示)。

根據(jù)變形情況，彈體的熱擠壓成形反擠壓過程可分為三個階段：

第一階段在液壓機凸模與彈體坯料接觸時，當壓機凸模在液壓動力作用下，產(chǎn)生的壓力超過彈體坯料金屬的形變屈服點時，彈體坯料金屬便開始流動。

第二階段為液壓機凸模繼續(xù)向下運動，在液壓機壓力的作用下，迫使彈體坯料金屬在規(guī)定的環(huán)狀間隙中向上流動，此時壓力數(shù)值并無很大的增加，但并不是保持不變，因為此時的擠壓溫度是在不斷下降的(但也有人認為略有增加，其原因是由于有熱效應存在)，摩擦力也在不斷增加。

圖1 彈體熱擠壓成形過程

第三階段是彈體熱擠壓的壓力先變?yōu)榱?，然后再轉為拉力的過程，直到退出彈體件結束。

文中結合彈體熱擠壓成形過程中不同階段的特點，研究了新型的雙工位彈體熱擠壓的工藝過程，并設計了雙工位彈體熱擠壓成形設備。

2 新型雙工位彈體熱擠壓成形設備的系統(tǒng)組成

新型雙工位彈體熱擠壓成形設備[4]是集機、電、液、控、模具設計等學科于一體的復雜機電產(chǎn)品。雙工位彈體熱擠壓成形設備主要由液壓主機、壓機導軌自動潤滑系統(tǒng)、凸模移沖裝置、模具、模具冷卻潤滑系統(tǒng)、液壓集成系統(tǒng)、DCS電氣控制系統(tǒng)等部件組成。通過設計特定的電氣控制系統(tǒng)才能使新型雙工位彈體熱擠壓成形設備中的其他各部分組成能自動有序的完成各自的工藝動作。

3 新型雙工位彈體熱擠壓成形設備的DCS電氣控制系統(tǒng)設計

3.1 采用工控機+PLC聯(lián)合控制的DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式控制，集中管理

雙工位彈體熱擠壓成形設備DCS[5]電氣控制系統(tǒng)的總體結構是：電氣控制系統(tǒng)設置在中央控制室內(nèi)，分為中央控制系統(tǒng)部分、800噸雙工位液壓機PLC控制系統(tǒng)部分、機械手PLC控制系統(tǒng)部分、凸模移沖裝置PLC控制系統(tǒng)部分、中頻感應加熱設備控制系統(tǒng)部分、模具PLC控制系統(tǒng)和其他部分，詳細的DCS控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

該成形設備的DCS控制部分主要采用德國SIEMENS公司的S7-300新型可編程控制器(簡稱PLC)、研華工控機(配21英寸三星液晶顯示屏)和WINCC組態(tài)軟件等來控制?？刂葡到y(tǒng)除用工業(yè)控制計算機控制整機系統(tǒng)，還運用了PLC可編程序控制器，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的壓力、滑塊位置及位移速度、故障報警信號等參數(shù)的集中控制。通過采集現(xiàn)場液壓系統(tǒng)的壓力、流量、位移等過程值，對該設備液壓集成系統(tǒng)的比例泵，比例閥等進行控制，從而實現(xiàn)壓力、流量和位置的比例伺服閉環(huán)控制。PLC按總點數(shù)各預留輸入輸出點20%，以備后續(xù)功能的擴充。

3.2 新型雙工位彈體熱擠壓成形設備的工藝動作

新型雙工位彈體熱擠壓成形設備的操作方式有調(diào)整、手動、半自動、自動四種，用轉換開關實現(xiàn)4種操作模式之間的轉換，設備的工作方式有定壓成形(以壓力信號為主，位置信號作為超程保護)和定程成形(以位置信號為主，壓力信號作為超壓保護)兩種形式，定壓成形工藝動作具有保壓延時和自動回程功能。

為了滿足彈體熱擠壓過程中不同階段對設備參數(shù)要求的不同特設計了以下工藝動作，已自動操作方式為例：

圖2 雙工位彈體熱擠壓成形設備DCS控制系統(tǒng)結構框圖

圖3 雙工位彈體熱擠壓成形設備人機界面-主畫面

圖4 雙工位彈體熱擠壓成形設備人機界面-參數(shù)設置畫面

壓型凸模在工作位置定位夾緊→上料→滑塊快速下行→滑塊工進(同時潤滑沖孔凸模)→保壓→卸壓快速回程至預定位置→沖孔凸模移動到工作位置定位夾緊→滑塊快速下行→滑塊工進(同時冷卻潤滑壓型凸模)→保壓→退料銷前進→滑塊慢回退料后快速回程至預定位置→退料銷退回→頂出缸頂出→向工件內(nèi)孔注0.5升水→機械手下料→頂出缸退回→滑塊快速下行至預定位置→沖冷卻水(至凹模內(nèi)充滿水)→滑塊快速回程→頂出缸頂出放水→頂出缸退回→潤滑噴槍擺至凹模上方噴潤滑劑→潤滑噴槍擺離凹模上方→壓型凸模移動到滑塊中心位置定位夾緊，一個彈體熱擠壓完成，同時為下一個彈體的熱擠壓過程做準備。

3.3 新型雙工位彈體熱擠壓成形設備的人機界面設計

根據(jù)設備的控制要求和相關參數(shù)，為設備設計了專用的人機界面畫面，人機界面畫面如圖3和圖4所示。

通過人機界面的畫面可以實時監(jiān)控和顯示雙工位彈體熱擠壓成形設備工作過程中的每個參數(shù)( 控制壓力、流量、位置、保壓時間，速度轉換點)，同時也可以改變和設置所需要的參數(shù)。設備的人界面畫面除了設計必要的動畫、參數(shù)修改及顯示外，還設計了模具參數(shù)的存儲功能，結合PLC相關的計算和存儲可以實現(xiàn)100 套模具的儲存，同時還采用棒圖、數(shù)字顯示窗口等方式實時監(jiān)控和顯示系統(tǒng)的壓力值、壓制速度值、位移值等，所檢測到數(shù)據(jù)將自動儲存。

4 新型雙工位彈體熱擠壓成形設備研制中的創(chuàng)新點

和過去的同類設備相比較，新型雙工位彈體熱擠壓成形設備研制中的創(chuàng)新點如下所示：

1)首創(chuàng)了帶有模具冷卻潤滑系統(tǒng)的雙工位模具系統(tǒng)，延長了模具的壽命，模具的壽命由過去1000件延長到不小于2000件，每套壓機凸模沖頭的使用壽命不小于300件。

2)獨創(chuàng)了能滿足熱擠壓工藝需要的閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)，滿足了零件最終成形前既高速壓制，又要對壓力有一定的控制精度要求的功能，最后成形的系統(tǒng)壓力控制精度小于1%，完全可滿足彈體熱擠壓工藝對液壓集成系統(tǒng)壓力的要求。而未采用該項液壓閉環(huán)控制技術彈體熱擠壓液壓機壓力控制精度一般在8%左右。

3)專門設計的移沖裝置，實現(xiàn)了模具兩凸模左右移位(雙工位)，并準確定位凸模在工作位置的重復定位精度小于0.05mm，保證了彈體工件兩次擠壓成形工藝之間，凸?？焖僖苿拥轿?，不需要回爐加熱，節(jié)省了加工時間，加工效率比普通設備高2倍。

4)開發(fā)了能滿足彈體零件熱擠壓成形需要以工控機為核心的DCS集散控制系統(tǒng)，使8000kN雙工位液壓機、機械手、移沖裝置、中頻感應加熱設備及模具等多組成部分集成的熱擠壓成形專用生產(chǎn)設備。

5 結 語

新型雙工位彈體熱擠壓成形設備的研制是集機械、電氣控制、工控機、傳感與檢測、液壓伺服控制等多學科知識位一體的復雜機電系統(tǒng)。設備的設計和研究主要是研究彈體熱擠壓成形工藝的多項關鍵技術及對策，提高了我國彈體熱擠壓成形工藝自動化水平及彈體產(chǎn)品質量，實現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)，消除了過去傳統(tǒng)機械壓力機對參數(shù)無法精確控制、一致性差而造成廢品率高的缺點。

目前，該新型雙工位彈體熱擠壓成形設備已交付給山東某彈體生產(chǎn)單位投入使用，該設備生產(chǎn)運行情況良好。通過雙工位加工工藝減輕操作工人的勞動強度，同時也使彈體的熱擠壓成形技術水平和性能指標提升到新階段。