一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线_褚祥利.pdf

第 58 卷0引言回转支承作为机械设备轴承类的基础件和关键零部件，广泛应用于工程机械、新型能源装备、军事装备等领域。对于高精度、高性能、长寿命和高可靠性的轴承，此前一直被世界轴承巨头如美国铁姆肯、瑞典 SKF 等所垄断。近年来，我国在基础工业领域有了一定突破，目前我国的回转支承不仅无需进口，反而批量出口到工业发达国家，可谓是中国回装支承的骄傲。国内如徐工、柳工、三一、临工等众多主机企业，吸收了日立、宝峨、石川岛等国外企业。回装支承的内外圈的质量直接影响着其使用寿命，圈体的椭圆度、圈体端面的平面度，内径的一致性、圈体截面的组织均匀性、圈体的锻后加工余量等等，该生产线出坯的环件大幅提升了使用寿命、提高组织均匀性、缩小锻后加工余量。环件椭圆度2mm，端面平面度2mm。一种用于回装支承的矩形环件成形的数控锻造生产线是对高性能回装支承内外圈锻造成形成套工艺装备（包括主机、辅机、模具等）和技术的开发，是我国发展先进结构材料，特别是高性能轴承所急需的成套工艺装备，是基础工业链中重要的上游产品，对应用高性能轴承的下游产业和终端产品起到重要作用，对我国战略性重工业发展具有重大带动和引领作用。该生产线具有如下特点：采用 Profinet 总线控制，以便产线各执行机构的联动；监控系统：在各个角度装设摄像探头，便于操作人员监视产线生产状况，及时准确反映监视现场的工况，使故障及早发现、及时排除。具备夜视、旋转、自动变焦功能，辅助操作者视野；故障诊断：设置有完善的报警系统和互锁保护系统，具备故障自诊断显示和操作失误智能判别功能。报警系统在发生故障时自动给定故障源元件编号，故障区域，故障所属 IO 站点，故障类别，故障事件，故障解决方案；数据交互：为更好地服务于生产和工艺的需求以及后期车间级数字化、信息化方向的拓展，产线数据上传车间管理系统（MES 系统）数据终端，进行信息采集和管理。生产线工艺流程：智能下料机构多功能转运机械手室式加热炉多功能转运机械手智能锻造液压机 多功能转运机械手数控径轴向辗环机自动下料装置将环件送入轨道传送转运冷却。生产线如图 1 所示。收稿日期：2023-01-18；修订日期：2023-02-20作者简介：褚祥利（1985），男，工程师，主要从事机械设计研究一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线褚祥利（天津市天锻压力机有限公司，天津 300142）摘要：随着国家碳达峰、碳中和等能源目标的提出，对制造业领域的要求越来越高。通过低能耗、轻量化、精密设计制造来降低碳排放，是制造业转型升级中迫在眉睫的举措，带动新一轮的工业升级，助力工业 4.0。本文所述一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线，主要面向国内外高级汽车吊车、履带吊车、塔吊、挖机、随车吊、机械手、风电机舱偏航法兰等各类矩形环件的成形工艺，单位时间耗能大幅减少、加工制件余量小、环件内部组织均匀、生产效率高、合格率 95%以上，是我国基础工业推动产业升级，特别是高精密锻造领域所急需的成套工艺装备。关键词：液压机；能耗；精密锻造；回装支承中图分类号：TH137.9文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.004文章编号：1672-0121（2023）03-0020-06第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.202320-第 3 期1数控锻造生产线1.1智能下料机构智能下料机构由上料辊道、卧式锯床、下料辊道、翻倒机构（图 2）、转运桁架（图 3）、集料台等组成，适用于批量生产连续切割，锯切的直径范围630mm，采用了 PLC 控制系统，实现了下料工序的无人化，数字采集与上传，可设置一组或几组数据连续锯切；采用触摸屏操作，智能人机界面，操作方面，人机界面取代传统按钮控制面板；采用光栅尺控制送料长度，锯切精度高，切割速度快，钢刷式清屑，保证锯屑彻底清理7，8。转运桁架由机构框架、X 轴组件、Y 轴组件、Z 轴组件、工装夹具以及控制柜等六部分组成。取代了传统的人工操作，可以保证 24h 不间断工作，降低了故障率，节约了人工成本，提高生产效率。本体采用高强度机构钢，整体强度高，不易振动摇晃。直线导轨和齿轮齿条运动机构，承载能力强，刚性佳。全闭环系统，实时检测机械手控制系统发出指令和实际位置是否一致，Z 轴检测到往下掉时可机械锁止，防止发生安全事故。该机构布置于设备上方，不占用地面空间，有利于车间规划和作业的便利性。1.2多功能转运机械手采用机械液压伺服混合驱动，其结构形式设计为整体走盘式结构，具备八种功能：大车行走；小车行走；小车回转；夹钳平行升降；夹钳伸缩；夹钳旋转；夹钳夹持；夹钳倾斜。大车行走、小车行走采用电机+伺服驱动器；小车回转、夹钳旋转采用液压马达驱动；夹钳伸缩采用液压缸驱动；夹钳平行升降、夹钳夹持采用液压缸驱动。整机由以下部分构成：大车及行走机构；小车及行走机构；小车回转装置；夹钳升降机构；夹钳伸缩机构；夹钳旋转装置；夹钳夹持机构；液压系统；操作系统；电气控制系统。设备的控制系统采用 PLC 控制，控制信号来源于车间总控间，实现转运的无人化。主要技术参数如表 1 所示。该设备动作灵活，专为加热炉装出料而设计，结构合理，技术成熟，工作效率高，适用于恶劣的锻造图 2翻倒机构图 1一种用于回装支承的矩形环件成形的数控锻造生产线布局图加热炉加热炉参观通道参观通道图 3桁架现场图片褚祥利：一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线21-第 58 卷车间高温环境。1.3天然气加热炉用于坯料的加热，采用蓄热式燃烧方式，自动控温。天然气作为热源提供，提高了运行的经济型并且实现了环保节能等特点；PLC 智能控制，天然气实现燃烧，无污染，可自动调温，热值高，节能效果显著；升温快速且稳定，炉温均匀，保证锻件加热质量；热损失小，加热效率高，在使用过程中除能很好控制温度均匀性外，还能有效控制炉压对炉体的破坏以及在保温过程中温度对炉体的损坏，延长了炉体的寿命。其外形如图 4 所示。1.4智能锻造液压机智能锻造液压机（图 5）主要用于加热后连铸坯料的环形件制坯工艺（包括镦粗、预冲孔、终冲孔等），包括：辗制环形件制坯（矩型截面）、辗制法兰件制坯（异型截面）。其技术特点：设备机身采用预应力组合框架式结构，偏心载荷工况下，设备主机的稳定性更好，机身变形小；控制系统为手动+自动工作方式。尺寸控制精度1mm；液压系统采用容积调速控制1，电器控制系统采用 PLC 可编程控制器；所有执行机构均带有位置检测和控制2；带有环件制坯专用工具，包括：定心抬起装置、冲孔冲头转臂、冲连皮冲头、上砧、三工位（镦粗、成形(法兰件)、冲连皮）砧具；带有镦粗位氧化皮自动收集功能、落料位连皮自动收集功能（在加热炉通过合理控制空燃比、炉温升温曲线、均匀分布,加热质量稳定，确保控制氧化皮产生量的前提下，具备成形工位的氧化皮清扫功能5；设备具有冲头冷却和润滑装置，通过浸泡和喷雾系统，对冲头进行自动冷却及冲头表面喷涂润滑剂，有利于延长冲头的使用寿命，保证冲头与坯料的分离。其主要技术参数如表 2 所示。1.5多功能转运机械手采用液压/伺服混合驱动（图 6），具备五种功能：机身回转；机身升降；夹钳夹持；夹钳旋转 180；主臂前进。机身回转、主臂前进采用伺服驱动3；机身升降、夹钳夹持、夹钳旋转 180采用液压驱动。整机由以下九部分构成：底座部分；机身回转装置；机身升降装置；夹钳夹持；夹钳旋转装置；主臂前进装置；液压及伺服系统；电气控制及操作系统；润滑系统。设备能够实现手动控制和自动控制，以及与压机和辗环机之间实现联动，实现自动化无人生产。主要技术参数如表 3 所示。序号技术名称技术参数1公称夹持重量/t52夹钳夹持工件的尺寸范围/mm012503夹钳水平中心高度/mm125020504夹钳控制高度最低/mm05夹钳控制高度最高/mm23006夹钳最大悬臂长度/mm53007夹钳最大活动半径/mm61008夹钳伸缩行程/mm15009大车行走速度/（m min-1）04510小车行走行程/mm410011小车行走速度/（m min-1）02012小车回转速度/（转 min-1）0413小车回转角度/36014夹钳旋转速度/（转 min-1）0515轨距/mm5500表 1主要技术参数图 5设备三维建模模型图 4炉体结构示意图22-第 3 期1.6数控径轴向辗环机本体采用框架式结构（图 7），主要用于轧制轴承环、齿圈、法兰、轮毂、薄壁桶形等锻件，可轧制碳钢、不锈钢、钛合金、铜合金、铝合金以及高温合金等材质环形件；目前在机械工业、石油化工工业、纺织业、工程机械以及航空航天业等领域中得到广泛的应用。其技术特点：芯辊上支撑采用矩形框架式导柱导轨；芯辊下支撑采用整体框架及四角滚轮组结构；芯辊轴向双工位，可伺服无极控制模具型槽高度；芯辊轴向双工位，可伺服无极控制模具型槽高度4；PLC 采用西门子 S7-1517，并使用 Profinet 总线控制，提高了系统的稳定性并可节约空间及布线，还可快速准确地进行系统的故障诊断，并及时排除。其主要技术参数如表 4 所示。1.7自动下料机构在环件辗扩完成后，外辅下料机构通过连接臂运动，旋转移动至环件内壁；钩盘自动下行至壁厚合理高度；卡住环件内壁向出料侧运动，将环件送至出料装置传送。自动下料机构三维模型如图 8 所示。其主要特点：主机结构为焊接件，结构简单，结实耐用；钩盘自动下行为液压油缸驱动，动力源由辗环机提供；主体能达到 180旋转，由电机+伺服马达+回转支承实现；控制系统由总控控制完成；序号技术名称参数1额定夹持重量3000kg2夹钳夹持范围2001400mm3钳身回转角度2404液压系统额定工作压力16MPa5液压油冷却方式风冷表 3主要技术参数表 2设备主要技术参数序号项目单位规格1压扁时最大压力（主滑块）kN400002穿孔压力（副滑块）kN58003定心和抬起装置的最大能力kN504回程力kN40005锻模装模面之间的距离（开口）mm25006上锻模装模面直径mm14007预冲孔、冲连皮冲头转臂定位精度mm18下砧上平面距地面高度mm5009mm9502=1900600（审图时确定，根据工件调整）11mm/s300mm/s30012主滑块压力最大时冲压速度mm/s2040水平主滑块速度空程下行回程10定心抬起装置对中定心精度mm1对中机构最大行程垂直序号技术名称参数1轧制外径600mm3500mm2轧制高度80500mm（双工位）3环件最大制坯重量3000kg4上料毛坯最大单边壁厚环件最小壁厚 40mm5最大径向轧制力2500kN6最大轴向轧制力2000kN7轧制线速度0.51.3m/s8径向电机功率2400kW（直流电机）9轴向电机功率2400kW（直流电机）10设备外形（地上）18000（长度）4600（宽度）表 4主要技术参数图 6三维建模模型图 7三维建模模型褚祥利：一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线23-第 58 卷图 8三维建模模型集料台上能同时存储 3 个环件。1.8数字化总线控制系统总控智能化的建立可大幅改善劳动条件，减少生产线人工干预，提高生产过程可控性，最重要的是借助于设备的智能化功能提高产品质量，优化产品工艺，提高设备利用率。总控系统采用西门子 S-1515F 安全 PLC，与现场环锻制坯液压机、转运机械手、数控径轴向辗环机、自动取件装置通过 ProfiNet 总线连接，可以实现与各设备的数据交换，同时所有安全数据基于ProfiSafe 协议传送。（1）数据可追溯性：总控系统可以存储工件在生产过程的数据并自动存储，工件可以结合用户定义与日期时间生成一个唯一信息，所有关联压制与辗环数据可以存储在电脑中，数据至少保存 2 年。用户通过时间可查询到工件压制、辗环的数据，并可以打印生成报表，方便用户对产品质量追溯与工艺数据的分析。（2）操作日志：总控系统、锻制坯液压机系统、转运机械手系统、数控径轴向辗环机系统、自动取件系统，具有操作日志功能，用户修改参数时可以将操作人员、参数新值、参数旧值、备注信息等写入操作日志中，对后续生产工艺和生产质量追溯时提供分析依据。（3）设备能耗管理功能：锻制坯液压机系统、转运机械手系统、数控径轴向辗环机系统安装有电能计量单元，总控系统采集每个单元的能耗信息。电能表可实现集电压、电流、功率、频率、功率因数、有功电能等电参量于一体，并采用 LCD 屏 5S 轮显方式，方便实时查看电参量。电能表具有 ProfiNet 通信接口，总控通过总线与电能表通信，并可将电能参数上传给总控系统，并在总控画面显示。总控系统结合实际生产信息，实现具备能耗管理功能。（4）产能统计：总控系统可以对生产过程实时监控，记录工件完成产量、入坯料数量、废料工件数量、目标产量等，并通过 LED 显示器或电视在生产线首与线尾显示。（5）对接车间 MES 系统：总控系统开放式的OPC UA 和 Modbus TCP 协议接口，通过该接口 MES可以直接访问，从原材料进厂到成品的全过程，记录过程中产品所使用的材料、设备，产品检测的数据和结果以及每个工序生产的时间、人员等信息。经过MES 系统分析，生成的报表实时呈现生产进度、目标达成状况、产品品质状况，以及生产的人、机、料的利图 9远程运维系统24-第 3 期用状况，使生产现场透明化。（6）远程运维系统（图 9）：总控系统配置远程运维功能，该系统支持 4G、以太网等方式访问，平时用户可以切断外部访问物理接口，需要远程升级程序或协助时，开通外部网络，可以及时诊断和升级系统功能。系统将采集的设备故障信息传送给用户中控室或天锻“远程控制实验室”，建设远程监控平台，实施对生产线上设备的异地远程监控与诊断，即可以通过 Internet 方式搭建 VPN 同点，也可以通过 4G 上网卡搭建 VPN 通道，实现对设备程序与参数的修改，达到及时维修设备故障的目的。2结论回转支承应用十分广泛。小到轴承大到回转机上的支承，直径从几厘米到几米，十几米甚至几十米的环件锻件数量、种类繁多。为此，产品从生产到出厂，各个环节都有明确的记录标识，使产品从下料加热锻造热处理机加工包装发货，都有信息录入数据库。一旦产品出现问题，则可将问题锁定至相关环节、相关人员，从而实现对生产的监督与控制。本文所述一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线，是回装支承行业急需的先进重型技术装备，满足我国重型工业提质增效、节能减排、工业 4.0 技术水平要求，同时也满足环境、能源、安全等方面对汽车制造的要求。设备技术先进，产品使用性能好，对提升我国基础工业的技术水平，促进我国重型工业的发展具有重大意义。参考文献：1俞新陆液压机M.北京：机械工业出版社，1982.2天津锻压机床厂.中小型液压机设计计算M.天津：人民出版社，1997.3孙友松，何寄平，方雅，等.交流伺服驱动与成形装备节能J.锻压装备与制造技术，2009，44（5）：31-36.4苏文海，姜继海，邓攀.直驱式电液伺服闭式回路的噪音分析J.机床与液压,2010,138（10）:34-38.5成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社，2002.褚祥利：一种用于回装支承矩形环件成形的数控锻造生产线A kind of CNC forging production line for reloading andsupporting rectangular ring formingCHU Xiangli（Tianjin Tianduan Press Co.,Ltd.,Tianjin 300142,China)Abstract：With the national carbon peak-carbon neutrality and other energy goals,the requirements for themanufacturing sector are getting higher and higher,through low energy consumption,lightweight,precisionmanufacturing design to reduce carbon emissions,all manufacturing industry transformation and upgrading isan urgent measure,driving a new round of industrial upgrading to help Industry 4.0.A kind of CNC forgingline for reloading and supporting rectangular ring forming is mainly for domestic and foreign advanced automobile cranes,crawler cranes,tower cranes,excavators,truck cranes,robots,wind turbine cabin yaw flangesand other types of rectangular ring forming process,unit time energy consumption is greatly reduced,processing parts allowance is small,ring internal organization uniform,high production efficiency,pass rate ofmore than 95%,is Chinas basic industry to promote industrial upgrading,especially in the field of high-precision forging urgently needed complete sets of process equipment.Key words：Hydraulic press;Energy consumption;Precision forging;Backloading support25-