程控电液自由锻锤

2021-01-25陈柏金张连华马海军谢朝阳颜笑鹏

锻压装备与制造技术 2020年6期

陈柏金，张连华，马海军，谢朝阳，颜笑鹏

（1．华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430074；2．中科聚信洁能热锻装备研发股份有限公司，江苏盐城 224000；3．江苏华威机械制造有限公司，江苏盐城 224000；4．贵阳精恒机电科技有限公司，贵州贵阳 550000）

电液自由锻锤由于工艺适应性强、结构简单、操作方便、投资成本低等优点在我国应用较广。电液自由锻锤在锻造行业虽然广泛使用，但锻锤生产过程中的噪声、安全隐患及自动化程度低等缺点依然存在。目前，自由锻锤的生产场景仍然是一个操作工在锻锤跟前手动操作一套杠杆机构控制锻锤的动作，根据不同工序，手动摇动杠杆机构的频次最快在120次/min以上；另外一个操作工在操作车上操控锻造操作机，如两台操作机还需另外一个操作工，自由锻生产过程中的高温、高强度、高噪声及低安全性影响相关行业的发展。

实现自由锻锤的程控化，则能将锻锤的操作转移到封闭的操作室，生产噪声得到隔离，锻锤的操作过程中的许多工步可采用自动控制，操作人员的劳动强度降低，生产安全和工作环境得到改善；同时，可以将锻造操作机的控制集中到操作室，一人同时操控锻锤和操作机，实现减人增效，提高生产竞争力，并可实现操作机和锻锤联动。

1 自由锻锤控制原理

作为通用性最强的锻造装备，自由锻锤也在不断的技术改造和技术升级，经历了空气锤、蒸-空气锤、电液液气锻锤、电液全液压锻锤等多个发展阶段。到目前为止，自由锻行业使用的锻锤基本上是电液液气锻锤和电液全液压锻锤。

图1 电液液气自由锻锤工作组成原理示意图

电液液气自由锻锤的工作组成原理如图1所示。泵站1按设定压力为蓄能器组8充液，工作时泵-蓄能器为锻锤提供压力油，通过机械连杆机构操纵手动随动滑阀7来控制锤头3的动作。锻锤工作缸5上腔充有高压氮气，操作随动滑阀7使快放阀2打开，工作缸5下腔排油，锤头3在自重和工作缸5上腔气体膨胀力驱动下加速下行打击；操作随动滑阀7使工作缸5下腔进油则锤头3回程，同时压缩工作缸5上腔气体，储存能量。

电液全液压自由锻锤工作组成原理如图2所示。锻锤工作油缸3下腔与蓄能器组5相通，操作手动伺服滑阀4使工作油缸3上腔通蓄能器组5，锤头1在自重和工作油缸3上、下腔差动油压作用下加速下行打击；操纵手动伺服滑阀4使工作油缸3上腔通油箱，锤头1在工作油缸3下腔油压作用下回程。

图2 电液全液压自由锻锤工作组成原理示意图

由于全液压锤无主缸配气系统、不存在主缸油气互串问题、结构简单、打击后锤头回程不滞后等优点，液气锻锤逐步被全液压锻锤替代。

2 自由锻锤自动控制

两种自由锻锤的操控方式均是手动操作随动（伺服）滑阀实现锻锤控制，将锻锤的手动控制升级为控制器控制，则能实现锻锤的自动控制。由于自由锻锤生产的工艺要求随机性大，不同工步间能量变换频繁，因而对自由锻锤的自动控制无法采用目前全液压模锻锤通行的控制打击阀开启时间或控制回程阀开启时间的方式实现。

控制锻锤的手动随动（伺服）滑阀具有过渡状态且为无级变化，因而能精确控制阀开口的大小及通断，通过一套操纵系统实现锤头的停止、慢升、慢降、打击、回程及不同行程、不同频次的连续打击等动作。将目前自由锻锤的操纵机构采用一套闭环电液伺服控制系统即能实现这些控制要求。

如图3所示为自由锻锤电液伺服控制系统工作原理图。

图3 自由锻锤电液伺服控制工作原理示意图

伺服阀4根据给定控制信号，控制伺服油缸2运动，伺服油缸2驱动锻锤控制阀1动作，锻锤控制阀1实现锻锤的各种动作。伺服油缸2的位置由传感器3检测，伺服阀4、伺服油缸2、位移传感器3组成闭环控制系统，伺服油缸2的响应速度、运动位置完全跟随控制器给定命令信号，锻锤的停止、打击、回程、慢速、快速、轻锤、重锤等动作以及打击效率、打击频次等都通过控制器实现。

将锻锤的位置检测信号采集到控制器，采用相关的控制算法可以实现锻锤按给定参数自动运行，图4是PLC控制的程控电液自由锻锤控制框图。

图5为8t电液自由锻锤的监控操作界面。锻锤不仅可以在操作室进行手动操作，而且还能按给定道次进行自动锻造，且可以与操作机进行联动动作。

图4 程控电液自由锻锤控制框图

图5 8吨程控电液自由锻锤监控操作界面

3 程控自由锻锤特点

（1）锻锤远程控制。采用液压伺服阀、伺服油缸、反馈传感器、PLC组成一套锻锤自动系统。PLC、液压伺服阀、伺服油缸、反馈传感器组成闭环控制系统来驱动控制锻锤动作的控制阀，PLC根据命令信号控制伺服油缸的运动速度和位置，从而控制锻锤控制阀的开启速度、开启大小，进而控制锻锤的打击、回程动作及速度和打击能量等。锻锤动作时由操作人员在操作室根据锻造要求，向PLC发送命令，从而实现自由锻锤的远程操控，减轻操作人员劳动强度、改善生产条件，并能进一步实现生产过程的自动控制。

（2）锻锤生产过程自动锻造。在采用液压伺服控制系统的基础上，增加锻锤位移检测传感器，实现锻锤生产过程的自动锻造。

在PLC监控操作界面上设置多个锻造道次，每道次包括锻造尺寸、回程高度。锻造尺寸为坯料锻造后要达到的几何尺寸，回程高度为每次打击完成后锤头的上升位置，回程高度控制锤头打击时锤头的能量和频次。锻打时操作人员根据当前坯料的成形尺寸选择对应道次，控制器根据选定道次的锻造尺寸和回程高度，自动控制每锤的打击能量，打击完成后锤头自动回程，锻打过程全自动完成。

（3）采用手柄自动设定的打击能量和频次。自由锻锤手动控制锻造时，每锤的打击、回程等动作、能量及频次由人工操作机械手柄完成，每分钟往复操作120次以上，操作人员劳动强度大；锻锤自动锻造时通过每道次的锻造尺寸、回程高度控制锻锤的打击能量和频次，仍然需要操作人员根据实际操作情况不断改变道次或对应道次的参数，在高频次锻打时操作不方便。

在锻锤操作台上采用万向带电位器手柄，手柄在垂直方向操作为正常的手动操作；手柄斜向操作时，锻锤动作自动变为自动控制，不需操作人员来回操作手柄，此时锻锤的每锤打击能量、速度由手柄两个方向的电位器给定。手柄偏移角度及幅值，决定每锤的打击能量和速度，这样很容易实现锻打过程中的轻锤、重锤，以及锻造频次等控制，使锻锤的操作、控制方式更加灵活。

（4）与操作机联动。锻锤、操作机控制集中到操作室，实现一人同时控制锻锤及操作机，并且操作机可以根据设定的速度、位置（带位置控制的操作机）与锻锤动作联动，这能大大提升进行锻材成材锻锤的生产能力，且显著降低劳动强度，还能提高锻材成形的一致性。

（5）锻锤位置非接触测量。自由锻锤的打击速度最高达9m/s，对锻锤锤身、锻锤基础产生冲击、震动，锻锤位移检测装置如安装在锤身上由于瞬时加速度大，易损坏传感器。

采用非接触位移传感器测量锻锤锤头的位置，测量传感器安装在从锻锤操作室顶部引出的支架上，测量传感器的安装位置与锤身、锻锤基础隔离，打击时的冲击、震动不会传播、影响到传感器；同时，不影响现场操作，现场操作也不会损坏传感器。在不影响测量精度的前提下，有利于保护测量传感器，延长其使用寿命。