文/李建輝，梁鵬，劉海龍·中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司

大型鍛件尺寸的自動(dòng)測(cè)量技術(shù)對(duì)提高鍛件尺寸精度、勞動(dòng)效率具有重要作用。針對(duì)大型鍛件測(cè)量誤差大的問(wèn)題，使用壓機(jī)編碼器記錄上下砧之間的距離，探索生產(chǎn)中不同砧型的公式及補(bǔ)償參數(shù)，通過(guò)WinCC軟件編程及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量鍛件的熱態(tài)尺寸，并在工控機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。該技術(shù)使用后降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率和尺寸控制精度，為鍛造工藝變形參數(shù)的摸索提供便利條件。

長(zhǎng)期以來(lái)，大鍛件熱態(tài)在線尺寸測(cè)量問(wèn)題一直未得到圓滿解決。我公司80MN油壓機(jī)生產(chǎn)的大型鍛件，鍛造過(guò)程中需多次測(cè)量尺寸，普通的軸類鍛件一般采用大型卡鉗進(jìn)行測(cè)量，由于鍛件溫度多在800～1100℃之間，高溫下鍛件不宜靠太近，因此需要在極短的時(shí)間完成測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的誤差在±15mm以上；對(duì)于直徑尺寸較大或一些異形鍛件，需要使用量桿，主要先在量桿上標(biāo)記尺寸信息，再通過(guò)肉眼與鍛件比較，這種方法測(cè)量簡(jiǎn)單，但測(cè)量誤差較大，且測(cè)量過(guò)程中需要壓機(jī)停止鍛造，造成生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低。由于測(cè)量誤差大，以至于不得不加大余量，增加了鍛件毛凈比，造成原材料的浪費(fèi)，增加了鍛造成本。

因此需要開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的大鍛件測(cè)量程序，及時(shí)了解鍛件的尺寸，提高鍛件的尺寸控制和測(cè)量效率。

不同砧型尺寸數(shù)據(jù)的摸索

80MN油壓機(jī)的控制系統(tǒng)程序，可以依靠編碼器自動(dòng)記錄活動(dòng)橫梁的位置數(shù)據(jù)，通過(guò)記錄活動(dòng)橫梁接觸鍛件的鍛前位置和鍛后位置的差，確定上下砧之間的距離，而毛坯的鍛造尺寸和該距離線性相關(guān)。因此，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集編碼器記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算上下砧之間的距離，探索生產(chǎn)中不同砧型的公式及補(bǔ)償參數(shù)，開(kāi)發(fā)WinCC程序軟件，在工控機(jī)上實(shí)時(shí)顯示毛坯的尺寸，實(shí)現(xiàn)鍛件熱態(tài)尺寸的自動(dòng)測(cè)量。

不同砧型徑向尺寸測(cè)量公式

80MN油壓機(jī)生產(chǎn)時(shí)一般采用上下平砧或上平砧下V砧，鍛造軸類鍛件時(shí)，上下砧之間距離為H，鍛件直徑為D，其工作狀態(tài)如圖1所示。

由圖1可知，使用上下平砧生產(chǎn)時(shí)，上下砧之間的距離H即毛坯鍛造尺寸D，即D=H。

此公式也適用于方坯的鍛造。生產(chǎn)方坯時(shí)，D為毛坯的厚度。

圖1 軸類鍛件鍛造示意圖

表1 不同V砧尺寸(單位：mm)

使用上平砧下V砧生產(chǎn)時(shí)，毛坯鍛造尺寸D除了和H相關(guān)，和V砧的V口角度α、深度L也相關(guān)，如圖2所示。

圖2 上平砧下V砧鍛造時(shí)的幾何關(guān)系分析

現(xiàn)在常用的V砧主要有1#、2#、3#，設(shè)計(jì)制造尺寸如圖3所示，不同V砧尺寸見(jiàn)表1。不同V砧使用時(shí)鍛造尺寸與上下砧距離的關(guān)系見(jiàn)表2。

不同砧型不同直徑補(bǔ)償值確定

利用表2里面公式所得尺寸為理想狀態(tài)下的尺寸，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)會(huì)受到砧子磨損的影響，除此之外，移動(dòng)平臺(tái)的彈性恢復(fù)也會(huì)影響到鍛件實(shí)際尺寸的測(cè)量。

圖3 V砧示意圖

表2 不同V砧使用時(shí)鍛造尺寸與上下砧距離的關(guān)系

采用上下平砧生產(chǎn)時(shí)，補(bǔ)償量就是上下砧的磨損量之和。平砧磨損量容易確定，在此不再細(xì)說(shuō)。

采用上平砧下V砧生產(chǎn)時(shí)，補(bǔ)償量和磨損量線性相關(guān)，要確定補(bǔ)償值需先確定磨損量?，F(xiàn)在使用的三件V砧，均存在不同程度的磨損。磨損量大小不一，磨損面不是規(guī)則平面，無(wú)法精確測(cè)量磨損量，無(wú)法直接確定補(bǔ)償值。

為了測(cè)定補(bǔ)償值，一開(kāi)始采用逐支實(shí)測(cè)的方式，設(shè)計(jì)專用表格，記錄人工實(shí)測(cè)的輥坯尺寸，同時(shí)記錄程序自動(dòng)測(cè)量的尺寸，取其差值來(lái)確定每種砧型各尺寸段的補(bǔ)償值，但是事倍功半，工作量大，人工實(shí)測(cè)數(shù)值不穩(wěn)定，所得補(bǔ)償值波動(dòng)較大，精度不高。

最后，技術(shù)人員采取平面坐標(biāo)的方法測(cè)得各個(gè)V型砧的砧面坐標(biāo)，通過(guò)CAD繪圖，確定各砧型的磨損量，并利用圖形模擬計(jì)算出各種砧型各尺寸段的補(bǔ)償值。

如圖4所示，橫坐標(biāo)每個(gè)刻度為100mm，在每刻度位置測(cè)量對(duì)應(yīng)砧面的縱坐標(biāo)值，連接各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，可得磨損面的近似值，其精度滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

確定磨損面后，每隔100mm取一直徑尺寸，用CAD模擬計(jì)算生產(chǎn)時(shí)上下砧面的距離，如圖5所示。

圖4 砧型磨損面坐標(biāo)值測(cè)量

把這些高度值代入公式中，得到自動(dòng)測(cè)量的尺寸，兩者的差值即為補(bǔ)償值。通過(guò)該方法獲得了各種砧型、各個(gè)尺寸段的補(bǔ)償值。經(jīng)過(guò)歸納整理，確定補(bǔ)償值見(jiàn)表3。

表3 不同V砧在不同直徑時(shí)的補(bǔ)償值

程序開(kāi)發(fā)及試運(yùn)行

程序的試運(yùn)行

根據(jù)探索不同砧型參數(shù)進(jìn)行鍛前和鍛后PLC程序編制,鍛件厚度就是鍛前尺寸減去鍛后尺寸。PLC編程后，將PLC變量與WinCC程序相關(guān)聯(lián)，同時(shí)結(jié)合鍛造操作機(jī)的長(zhǎng)度測(cè)量、旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)。

程序試運(yùn)行分為兩個(gè)階段，第一階段跟蹤測(cè)量情況，要求在鍛造產(chǎn)品時(shí)使用人工測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量相結(jié)合的方式，生產(chǎn)時(shí)直徑方向測(cè)量多個(gè)點(diǎn)，記錄相應(yīng)的自動(dòng)測(cè)量值與人工測(cè)量值，產(chǎn)品熱處理完后，對(duì)比實(shí)際冷態(tài)尺寸。在這一階段重點(diǎn)跟蹤了73件產(chǎn)品，主要是驗(yàn)證自動(dòng)測(cè)量程序的可行性和補(bǔ)償值誤差。其結(jié)果顯示，程序運(yùn)行正常，滿足生產(chǎn)使用要求。自動(dòng)測(cè)量值與人工測(cè)量值誤差在10mm左右，同一圓周內(nèi)自動(dòng)測(cè)量誤差為3mm左右。為此，在程序上修正了補(bǔ)償值。

第二階段為全面推行階段，根據(jù)上一階段的結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化程序界面，便于職工操作，同時(shí)通過(guò)管理手段，制定相應(yīng)的獎(jiǎng)懲措施，激勵(lì)職工使用自動(dòng)測(cè)量的積極性，全面推行自動(dòng)測(cè)量。這一階段跟蹤了165件產(chǎn)品，目的是驗(yàn)證程序穩(wěn)定性。結(jié)果顯示程序運(yùn)行穩(wěn)定，其測(cè)量精度滿足生產(chǎn)要求。

結(jié)束語(yǔ)

80MN油壓機(jī)自動(dòng)測(cè)量程序使用后，鍛件尺寸誤差控制在±3mm以內(nèi)，滿足產(chǎn)品控制要求，較人工測(cè)量誤差大幅度降低，為提高鍛件凈毛比的控制水平提供了有利條件。該程序?qū)崿F(xiàn)了鍛造變形過(guò)程中壓下量、進(jìn)給量數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，為后續(xù)摸索鍛造變形參數(shù)及質(zhì)量問(wèn)題分析提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

使用該程序三個(gè)月后，鍛件凈毛比控制水平較以往提高了3.4%，大大減少了原材料的損耗；減少了離線測(cè)量的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了煤氣和電的成本近10萬(wàn)元。鍛造工人在生產(chǎn)中使用程序自動(dòng)測(cè)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，消除了安全隱患。