文／劉勇，朱巖，楊海峰，唐林·中車齊齊哈爾車輛有限公司

為了進(jìn)一步優(yōu)化上心盤鍛造工藝、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和鍛造質(zhì)量，公司從工藝設(shè)計(jì)及鍛造生產(chǎn)方面，對(duì)上心盤在500kJ對(duì)擊錘生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)智能鍛造進(jìn)行了初步實(shí)踐，希望能給行業(yè)同仁以參考。

鍛造工藝的智能化設(shè)計(jì)

產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

上心盤為圓盤類鍛件，圓盤厚度較大，圓臍處深度較深，周邊法蘭平板部分的厚度較薄，如圖1 所示。該類鍛件成形過程主要為擠壓變形，鍛件在厚度方向上的不均勻性給鍛造成形帶來了較大困難。

鍛造工藝及模擬參數(shù)設(shè)定

⑴生產(chǎn)工藝。

選用47mm厚等寬條鋼進(jìn)行下料，下料長度公差控制在±2mm；采用中頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，為了保證鍛造過程中鍛件溫度均勻穩(wěn)定，出爐溫度控制在1200℃±10℃；在500kJ 對(duì)擊錘上進(jìn)行多次鍛打成形，確保鍛件厚度在尺寸公差范圍內(nèi)。

⑵模擬參數(shù)設(shè)置。

在模擬軟件Deform-3D 上，選取500kJ 對(duì)擊錘進(jìn)行鍛造工藝模擬。500kJ 對(duì)擊錘為能量型設(shè)備，且每次鍛擊都需設(shè)定錘頭打擊能量，第一次鍛擊按設(shè)備能量的30%設(shè)置，打擊能量為150kJ，后續(xù)鍛擊按設(shè)備能量80%的設(shè)置，打擊能量均為400kJ，上錘頭重量為65.5 噸，下錘頭重量為61.8 噸，上下模具溫度設(shè)置為200℃，工件初始溫度設(shè)置為1150℃。

模擬變形過程及受力分析

⑴成形及受力情況。

在模擬過程中，上心盤歷經(jīng)4 錘次的鍛擊后，方能完成鍛件成形。前三錘每錘鍛造變形力及成形情況見圖2、圖3、圖4，這三錘的鍛造成形過程均為預(yù)成形，僅在第三錘鍛件局部產(chǎn)生飛邊。在第四錘成形過程中，當(dāng)鍛件周邊法蘭厚度為31.5mm時(shí)，鍛件完全成形，見圖5(a)；當(dāng)鍛件四周出現(xiàn)均勻飛邊時(shí)，法蘭厚度為31.089mm，見圖5(b)；當(dāng)鍛錘能量消耗完并停止鍛造時(shí)，法蘭厚度為31.076mm，見圖5(c)。每次鍛造變形抗力和上心盤法蘭厚度及充型情況見表1。

⑵模擬結(jié)果分析及優(yōu)化方案。

圖2 第一次鍛擊

圖5 第四次鍛擊鍛件變形抗力和成形情況

圖3 第二次鍛擊

圖4 第三次鍛擊

表1 采用47mm 厚板料每錘鍛件變形抗力及成形情況

結(jié)果分析：由表1 可以看出，上心盤法蘭厚度尺寸由第三錘結(jié)束時(shí)的32.3mm變到第四錘結(jié)束時(shí)的31.1mm，打擊力由18900 噸提升到35600 噸；第四錘終了打擊力為第三錘終了打擊力的1.88 倍，打擊力快速上升，而鍛件整體厚度僅減薄1.2mm。在第四錘鍛打過程中，上心盤法蘭厚度在31.5mm時(shí)鍛件成形完成，此時(shí)鍛造變形抗力為29200 噸，剩余鍛造能量為165kJ，剩余能量最終被模具和設(shè)備吸收，因此第四錘打擊能量存在過剩情況，實(shí)際僅需50%能量即可完成成形。過大的打擊力和多余的鍛擊能量會(huì)對(duì)設(shè)備和模具造成較大的損壞，并且降低錘頭和模具使用壽命，需要在工藝上進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化方案：根據(jù)鍛件變形過程中所需的能量和受力情況，提高第一錘鍛擊能量并減少鍛擊次數(shù)，采用三錘鍛擊，每次鍛擊能量設(shè)定為設(shè)備能量的80%來完成鍛件成形，可以有效降低鍛造最終變形抗力、充分利用鍛擊能量并有效保護(hù)設(shè)備和模具。

制造層面的智能化

圖6 500kJ 對(duì)擊錘

圖7 上心盤鍛造生產(chǎn)線

圖8 對(duì)擊錘人機(jī)界面及可編程菜單

選定中頻感應(yīng)加熱爐、500kJ 對(duì)擊錘(圖6)、機(jī)械切邊機(jī)組建上心盤鍛造生產(chǎn)線(圖7)，利用500kJ對(duì)擊錘自帶的FCS 鍛造控制系統(tǒng)進(jìn)行鍛造智能化生產(chǎn)的初步嘗試。

智能化人機(jī)可編程系統(tǒng)

可編程控制器SPS 配有集中式和分散式輸入和輸出模塊，以SPS 控制裝置為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)場總線將它們與抗故障器互聯(lián)在一起，同時(shí)設(shè)置安全功能，如急停按鈕和配有安全控制的防護(hù)設(shè)施。SPS 控制裝置實(shí)現(xiàn)了所有必要部件的應(yīng)用功能，如凸輪開關(guān)、能力調(diào)整、上死點(diǎn)斷路和畫面顯示等功能；通過人機(jī)界面采用可編程菜單進(jìn)行模具運(yùn)維、生產(chǎn)監(jiān)控及數(shù)據(jù)記錄、產(chǎn)品尺寸控制等操作，如圖8 所示。

智能化識(shí)別和儲(chǔ)存

借助于多達(dá)400 個(gè)故障信號(hào)，對(duì)嚴(yán)重的故障情形進(jìn)行快速自動(dòng)識(shí)別和排除；模具儲(chǔ)存器內(nèi)可以儲(chǔ)存100 個(gè)模具數(shù)據(jù)組，可以隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)；通過設(shè)置可以自動(dòng)保存模具相關(guān)信息，在下次裝模生產(chǎn)時(shí)，直接調(diào)用之前保存的信息即可生產(chǎn)。

同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，對(duì)每班生產(chǎn)數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到額定工件數(shù)量后，出現(xiàn)信息“達(dá)到訂單量”時(shí)鍛錘停機(jī)，這樣既確保了生產(chǎn)的均衡，又能及時(shí)對(duì)設(shè)備和模具狀態(tài)進(jìn)行檢查和調(diào)修。

生產(chǎn)能量智能化設(shè)定系統(tǒng)

設(shè)定鍛擊能量，通過實(shí)時(shí)顯示鍛擊能量值、打擊速度和錘頭位置，判斷鍛擊效果，其操作及顯示界面如圖9 所示。按優(yōu)化方案對(duì)踏板1、踏板2、踏板3 進(jìn)行能量設(shè)置，將踏板1 設(shè)定為80%，三次打擊均采用踏板1，其余2 個(gè)踏板分別設(shè)定為30%和50%，當(dāng)系統(tǒng)檢測鍛件厚度不足31.5mm時(shí)進(jìn)行一次補(bǔ)鍛。

圖9 能量及實(shí)時(shí)顯示界面

智能化精確成形及尺寸檢測

在“位移測量系統(tǒng)”校正下預(yù)選測量系統(tǒng)，可顯示生產(chǎn)過程中工件關(guān)鍵尺寸和數(shù)量，產(chǎn)品尺寸分類定級(jí)界面如圖10 所示。上心盤法蘭厚度范圍為3 1～3 5 m m，但根據(jù)模擬分析采用4 7 m m厚的板料鍛造，鍛件厚度在31.5mm時(shí)才能完全充滿，因此在實(shí)際生產(chǎn)中將尺寸公差設(shè)置在31 ～32mm 之間，設(shè)置7 個(gè)等級(jí)，分別為31mm、31.2mm、31.4mm、31.5mm、31.7mm、31.9mm、32mm。 當(dāng)鍛件尺寸小于31mm 時(shí)，表示超出公差范圍，工件太薄，在該種情況下自動(dòng)報(bào)警并停止鍛造；當(dāng)鍛件尺寸大于32mm時(shí)，表示超出公差范圍，工件太厚，在該種情況下自動(dòng)報(bào)警并停止鍛造。

圖10 產(chǎn)品尺寸分類等級(jí)界面

圖11 合格鍛件毛坯

圖12 加工后合格產(chǎn)品

生產(chǎn)驗(yàn)證情況

在試生產(chǎn)中，采用三次鍛擊成形，每次鍛擊能量設(shè)定為總能量的80%，法蘭厚度尺寸范圍設(shè)置為3 1～3 2 m m，啟動(dòng)故障識(shí)別排除系統(tǒng)和鍛件自動(dòng)計(jì)數(shù)功能。鍛造生產(chǎn)過程高效穩(wěn)定，僅出現(xiàn)個(gè)別出爐溫度稍低的毛坯其尺寸大于31.5mm的情況，此時(shí)“位移測量系統(tǒng)”發(fā)出信號(hào)進(jìn)行一次補(bǔ)鍛。在批量生產(chǎn)中，對(duì)鍛件法蘭厚度進(jìn)行測量，尺寸均在31.3 ～31.7mm之間，鍛件毛坯各部分尺寸符合圖紙要求且四周圓角成形完整（圖11）。經(jīng)熱處理后加工，鍛件尺寸合格且滿足產(chǎn)品要求（圖12）。

結(jié)束語

智能制造是未來鍛造技術(shù)發(fā)展的重要方向，公司通過在500kJ 對(duì)擊錘生產(chǎn)線上進(jìn)行上心盤的鍛造工藝模擬和智能化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品幾何形狀及尺寸的精確控制，完成了智能鍛造的初步嘗試，并取得了階段性成果，但智能化生產(chǎn)還處于初級(jí)階段，需要進(jìn)一步開展相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究工作。