程控電液自由鍛錘

陳柏金，張連華，馬海軍，謝朝陽，顏笑鵬

（1．華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．中科聚信潔能熱鍛裝備研發(fā)股份有限公司，江蘇 鹽城 224000；3．江蘇華威機(jī)械制造有限公司，江蘇 鹽城 224000；4．貴陽精恒機(jī)電科技有限公司，貴州 貴陽 550000）

電液自由鍛錘由于工藝適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)在我國應(yīng)用較廣。電液自由鍛錘在鍛造行業(yè)雖然廣泛使用，但鍛錘生產(chǎn)過程中的噪聲、安全隱患及自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)依然存在。目前，自由鍛錘的生產(chǎn)場景仍然是一個(gè)操作工在鍛錘跟前手動(dòng)操作一套杠桿機(jī)構(gòu)控制鍛錘的動(dòng)作，根據(jù)不同工序，手動(dòng)搖動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)的頻次最快在120次/min以上；另外一個(gè)操作工在操作車上操控鍛造操作機(jī)，如兩臺(tái)操作機(jī)還需另外一個(gè)操作工，自由鍛生產(chǎn)過程中的高溫、高強(qiáng)度、高噪聲及低安全性影響相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)自由鍛錘的程控化，則能將鍛錘的操作轉(zhuǎn)移到封閉的操作室，生產(chǎn)噪聲得到隔離，鍛錘的操作過程中的許多工步可采用自動(dòng)控制，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)安全和工作環(huán)境得到改善；同時(shí)，可以將鍛造操作機(jī)的控制集中到操作室，一人同時(shí)操控鍛錘和操作機(jī)，實(shí)現(xiàn)減人增效，提高生產(chǎn)競爭力，并可實(shí)現(xiàn)操作機(jī)和鍛錘聯(lián)動(dòng)。

1 自由鍛錘控制原理

作為通用性最強(qiáng)的鍛造裝備，自由鍛錘也在不斷的技術(shù)改造和技術(shù)升級，經(jīng)歷了空氣錘、蒸-空氣錘、電液液氣鍛錘、電液全液壓鍛錘等多個(gè)發(fā)展階段。到目前為止，自由鍛行業(yè)使用的鍛錘基本上是電液液氣鍛錘和電液全液壓鍛錘。

圖1 電液液氣自由鍛錘工作組成原理示意圖

電液液氣自由鍛錘的工作組成原理如圖1所示。泵站1按設(shè)定壓力為蓄能器組8充液，工作時(shí)泵-蓄能器為鍛錘提供壓力油，通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)操縱手動(dòng)隨動(dòng)滑閥7來控制錘頭3的動(dòng)作。鍛錘工作缸5上腔充有高壓氮?dú)?，操作隨動(dòng)滑閥7使快放閥2打開，工作缸5下腔排油，錘頭3在自重和工作缸5上腔氣體膨脹力驅(qū)動(dòng)下加速下行打擊；操作隨動(dòng)滑閥7使工作缸5下腔進(jìn)油則錘頭3回程，同時(shí)壓縮工作缸5上腔氣體，儲(chǔ)存能量。

電液全液壓自由鍛錘工作組成原理如圖2所示。鍛錘工作油缸3下腔與蓄能器組5相通，操作手動(dòng)伺服滑閥4使工作油缸3上腔通蓄能器組5，錘頭1在自重和工作油缸3上、下腔差動(dòng)油壓作用下加速下行打擊；操縱手動(dòng)伺服滑閥4使工作油缸3上腔通油箱，錘頭1在工作油缸3下腔油壓作用下回程。

圖2 電液全液壓自由鍛錘工作組成原理示意圖

由于全液壓錘無主缸配氣系統(tǒng)、不存在主缸油氣互串問題、結(jié)構(gòu)簡單、打擊后錘頭回程不滯后等優(yōu)點(diǎn)，液氣鍛錘逐步被全液壓鍛錘替代。

2 自由鍛錘自動(dòng)控制

兩種自由鍛錘的操控方式均是手動(dòng)操作隨動(dòng)（伺服）滑閥實(shí)現(xiàn)鍛錘控制，將鍛錘的手動(dòng)控制升級為控制器控制，則能實(shí)現(xiàn)鍛錘的自動(dòng)控制。由于自由鍛錘生產(chǎn)的工藝要求隨機(jī)性大，不同工步間能量變換頻繁，因而對自由鍛錘的自動(dòng)控制無法采用目前全液壓模鍛錘通行的控制打擊閥開啟時(shí)間或控制回程閥開啟時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)。

控制鍛錘的手動(dòng)隨動(dòng)（伺服）滑閥具有過渡狀態(tài)且為無級變化，因而能精確控制閥開口的大小及通斷，通過一套操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)錘頭的停止、慢升、慢降、打擊、回程及不同行程、不同頻次的連續(xù)打擊等動(dòng)作。將目前自由鍛錘的操縱機(jī)構(gòu)采用一套閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)即能實(shí)現(xiàn)這些控制要求。

如圖3所示為自由鍛錘電液伺服控制系統(tǒng)工作原理圖。

圖3 自由鍛錘電液伺服控制工作原理示意圖

伺服閥4根據(jù)給定控制信號，控制伺服油缸2運(yùn)動(dòng)，伺服油缸2驅(qū)動(dòng)鍛錘控制閥1動(dòng)作，鍛錘控制閥1實(shí)現(xiàn)鍛錘的各種動(dòng)作。伺服油缸2的位置由傳感器3檢測，伺服閥4、伺服油缸2、位移傳感器3組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服油缸2的響應(yīng)速度、運(yùn)動(dòng)位置完全跟隨控制器給定命令信號，鍛錘的停止、打擊、回程、慢速、快速、輕錘、重錘等動(dòng)作以及打擊效率、打擊頻次等都通過控制器實(shí)現(xiàn)。

將鍛錘的位置檢測信號采集到控制器，采用相關(guān)的控制算法可以實(shí)現(xiàn)鍛錘按給定參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，圖4是PLC控制的程控電液自由鍛錘控制框圖。

圖5為8t電液自由鍛錘的監(jiān)控操作界面。鍛錘不僅可以在操作室進(jìn)行手動(dòng)操作，而且還能按給定道次進(jìn)行自動(dòng)鍛造，且可以與操作機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)動(dòng)作。

圖4 程控電液自由鍛錘控制框圖

圖5 8噸程控電液自由鍛錘監(jiān)控操作界面

3 程控自由鍛錘特點(diǎn)

（1）鍛錘遠(yuǎn)程控制。采用液壓伺服閥、伺服油缸、反饋傳感器、PLC組成一套鍛錘自動(dòng)系統(tǒng)。PLC、液壓伺服閥、伺服油缸、反饋傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)控制鍛錘動(dòng)作的控制閥，PLC根據(jù)命令信號控制伺服油缸的運(yùn)動(dòng)速度和位置，從而控制鍛錘控制閥的開啟速度、開啟大小，進(jìn)而控制鍛錘的打擊、回程動(dòng)作及速度和打擊能量等。鍛錘動(dòng)作時(shí)由操作人員在操作室根據(jù)鍛造要求，向PLC發(fā)送命令，從而實(shí)現(xiàn)自由鍛錘的遠(yuǎn)程操控，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)條件，并能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。

（2）鍛錘生產(chǎn)過程自動(dòng)鍛造。在采用液壓伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加鍛錘位移檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)鍛錘生產(chǎn)過程的自動(dòng)鍛造。

在PLC監(jiān)控操作界面上設(shè)置多個(gè)鍛造道次，每道次包括鍛造尺寸、回程高度。鍛造尺寸為坯料鍛造后要達(dá)到的幾何尺寸，回程高度為每次打擊完成后錘頭的上升位置，回程高度控制錘頭打擊時(shí)錘頭的能量和頻次。鍛打時(shí)操作人員根據(jù)當(dāng)前坯料的成形尺寸選擇對應(yīng)道次，控制器根據(jù)選定道次的鍛造尺寸和回程高度，自動(dòng)控制每錘的打擊能量，打擊完成后錘頭自動(dòng)回程，鍛打過程全自動(dòng)完成。

（3）采用手柄自動(dòng)設(shè)定的打擊能量和頻次。自由鍛錘手動(dòng)控制鍛造時(shí)，每錘的打擊、回程等動(dòng)作、能量及頻次由人工操作機(jī)械手柄完成，每分鐘往復(fù)操作120次以上，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；鍛錘自動(dòng)鍛造時(shí)通過每道次的鍛造尺寸、回程高度控制鍛錘的打擊能量和頻次，仍然需要操作人員根據(jù)實(shí)際操作情況不斷改變道次或?qū)?yīng)道次的參數(shù)，在高頻次鍛打時(shí)操作不方便。

在鍛錘操作臺(tái)上采用萬向帶電位器手柄，手柄在垂直方向操作為正常的手動(dòng)操作；手柄斜向操作時(shí)，鍛錘動(dòng)作自動(dòng)變?yōu)樽詣?dòng)控制，不需操作人員來回操作手柄，此時(shí)鍛錘的每錘打擊能量、速度由手柄兩個(gè)方向的電位器給定。手柄偏移角度及幅值，決定每錘的打擊能量和速度，這樣很容易實(shí)現(xiàn)鍛打過程中的輕錘、重錘，以及鍛造頻次等控制，使鍛錘的操作、控制方式更加靈活。

（4）與操作機(jī)聯(lián)動(dòng)。鍛錘、操作機(jī)控制集中到操作室，實(shí)現(xiàn)一人同時(shí)控制鍛錘及操作機(jī)，并且操作機(jī)可以根據(jù)設(shè)定的速度、位置（帶位置控制的操作機(jī)）與鍛錘動(dòng)作聯(lián)動(dòng)，這能大大提升進(jìn)行鍛材成材鍛錘的生產(chǎn)能力，且顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還能提高鍛材成形的一致性。

（5）鍛錘位置非接觸測量。自由鍛錘的打擊速度最高達(dá)9m/s，對鍛錘錘身、鍛錘基礎(chǔ)產(chǎn)生沖擊、震動(dòng)，鍛錘位移檢測裝置如安裝在錘身上由于瞬時(shí)加速度大，易損壞傳感器。

采用非接觸位移傳感器測量鍛錘錘頭的位置，測量傳感器安裝在從鍛錘操作室頂部引出的支架上，測量傳感器的安裝位置與錘身、鍛錘基礎(chǔ)隔離，打擊時(shí)的沖擊、震動(dòng)不會(huì)傳播、影響到傳感器；同時(shí)，不影響現(xiàn)場操作，現(xiàn)場操作也不會(huì)損壞傳感器。在不影響測量精度的前提下，有利于保護(hù)測量傳感器，延長其使用壽命。

4 結(jié)語

自由鍛錘實(shí)現(xiàn)程控化不僅能改善鍛錘生產(chǎn)條件，而且能實(shí)現(xiàn)減人增效，改變自由鍛錘的傳統(tǒng)操作方式，使鍛錘及其行業(yè)煥發(fā)新的生機(jī)。通過8t自由鍛錘的試用表明，自由鍛錘程控化完全可行，現(xiàn)有的液氣自由鍛錘和全液壓自由鍛錘均可升級為程控自由鍛錘。