王文紅 顧衛(wèi)彬

（①沙洲職業(yè)工學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇張家港 215600;②意士比機(jī)械（上海）有限公司，上海 201801）

冷鍛是指在冷態(tài)條件下的鍛造加工，即在室溫條件下，利用安裝在設(shè)備上的模具將金屬坯料成形為具有一定形狀與使用性能的零件的塑性加工方法。冷鍛是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的精密塑性成形工藝，可用于緊固件、軸類、桿類、齒輪和連接件等的凈成形或近凈成形生產(chǎn)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如制品尺寸精度高、機(jī)械性能好、材料利用率高、便于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)等。

冷鐓技術(shù)是冷鍛技術(shù)引伸出的一種工藝，冷鐓機(jī)是生產(chǎn)各類標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件、異形件的工作母機(jī)。各種異型螺釘、空心或半空心鉚釘及形狀復(fù)雜之異形零件，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可能一次成形，需要經(jīng)過多次的鍛造最后成形。為此，意士比機(jī)械（上海）有限公司研制出了ES506五模五沖冷鐓機(jī)。

1 冷鐓機(jī)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

1．1 冷鐓機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為五模五沖冷鐓機(jī)效果圖。五模五沖冷鐓機(jī)有5個(gè)加工工位，每個(gè)工位有獨(dú)立的成形沖頭組、母模組以及相關(guān)的調(diào)整部分，工料在各工位間由獨(dú)立的夾爪傳送。其加工過程:成卷的線材經(jīng)矯直器、雙重超越離合器的送線機(jī)構(gòu)進(jìn)入剪模，用圓剪剪下一小段的毛料，用移動(dòng)的夾料機(jī)構(gòu)將毛料送入一模的模腔中，一沖模將毛料沖成預(yù)定的形狀，頂出機(jī)構(gòu)將一模腔中的料頂出模腔，頂出模腔的料被移動(dòng)的夾爪夾住后移送到二模模腔口，然后被二沖模沖進(jìn)二模腔成形。依次傳送下去，最終成品從五模腔中頂出，通過輸送機(jī)被送入成品箱。整個(gè)過程是線材被送進(jìn)機(jī)器，成品被輸送機(jī)送出，產(chǎn)品是通過5次冷鍛逐漸成形的。

該機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、成形系統(tǒng)、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。

（1）動(dòng)力系統(tǒng) 該機(jī)的主要?jiǎng)恿υ词侵麟妱?dòng)機(jī)，由皮帶傳送運(yùn)動(dòng)到連接曲柄軸的飛輪，一臺(tái)離合器組裝在飛輪上，當(dāng)離合器離開，飛輪空轉(zhuǎn)，機(jī)器停止工作;當(dāng)離合器吸合，飛輪傳動(dòng)機(jī)器工作。當(dāng)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，曲柄軸傳送運(yùn)動(dòng)至主滑塊，主滑塊上有5個(gè)沖模，曲柄軸的偏心距離影響著主滑塊的沖程，沖程越長，所能生產(chǎn)的鉚釘就越長。旋轉(zhuǎn)曲柄軸通過連桿使主滑塊前后往返運(yùn)動(dòng)，傳送沖擊力。同時(shí)曲柄軸傳送運(yùn)動(dòng)至側(cè)向軸，完成剪線、傳送機(jī)構(gòu)的移動(dòng)、線材的定量進(jìn)給和母模頂出運(yùn)動(dòng)等。主電動(dòng)機(jī)的速度可通過變頻器調(diào)節(jié)。

（2）成形系統(tǒng) 包括線材矯直機(jī)構(gòu)、送線機(jī)構(gòu)、剪線用的剪模機(jī)構(gòu)、沖頭和成形及其頂出機(jī)構(gòu)、母模和成形及其頂出機(jī)構(gòu)、修邊機(jī)構(gòu)等。

（3）液壓氣動(dòng)系統(tǒng) 氣動(dòng)系統(tǒng)控制離合器的離合，完成機(jī)器的工作和停止，同時(shí)氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)夾子動(dòng)作、保護(hù)等;潤滑液壓系統(tǒng)潤滑機(jī)器的所有運(yùn)動(dòng)機(jī)件;冷卻液壓系統(tǒng)在工作區(qū)域冷卻模具與產(chǎn)品。冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)是2個(gè)相互獨(dú)立的加壓循環(huán)系統(tǒng)。

（4）通氣系統(tǒng) 由一臺(tái)離心式抽油煙機(jī)排除由機(jī)器冷卻油在成形過程中產(chǎn)生的煙霧。

（5）電氣控制系統(tǒng) 機(jī)器的所有操作和安全控制受西門子PLC控制，另有觸摸屏調(diào)節(jié)機(jī)器速度、顯示產(chǎn)量計(jì)數(shù)及異常情況報(bào)警等。

1．2 ES506五模五沖冷鐓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

母模數(shù):5;沖頭數(shù):5;線徑:3～7.5 mm;剪斷長度:6～80 mm;母模頂出長度:6～60 mm;沖頭頂出長度:20 mm;最高生產(chǎn)速度:310件/min;鍛造力:50×9.8 kN;剪模直徑:28 mm;母模直徑:50 mm;最大帽沿直徑:φ27h2 mm;主電動(dòng)機(jī):20 kW。

2 液壓氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 液壓系統(tǒng)

冷鐓機(jī)的液壓系統(tǒng)由潤滑液壓系統(tǒng)和冷卻液壓系統(tǒng)組成。潤滑、冷卻液壓系統(tǒng)是分離的，各自獨(dú)立。潤滑和冷卻的功能不一樣，所以要使用不一樣的油。

2．1．1 潤滑液壓系統(tǒng)

冷鐓機(jī)的潤滑系統(tǒng)用于各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的潤滑。由于各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的間隙較小，潤滑油采用加壓潤滑，壓力保持在1 MPa，特別是曲柄軸中供油量一定要足，且壓力要穩(wěn)定。

潤滑液壓系統(tǒng)如圖2所示，選用變量葉片泵和可以手動(dòng)和自動(dòng)控制的密封式過濾器，裝有壓力開關(guān);此外，潤滑的末端和曲柄軸上都安裝了壓力開關(guān)，如果潤滑油過濾阻塞，系統(tǒng)的壓力不足（小于0.6 MPa），機(jī)器停止工作，以保證設(shè)備安全。另外，油箱中裝有液位開關(guān)，缺油時(shí)停止機(jī)器。同時(shí)選用兩位四通電磁閥，對(duì)機(jī)器的潤滑部位進(jìn)行間歇潤滑，適應(yīng)機(jī)器的需要。潤滑時(shí)間可通過觸摸屏由PLC來設(shè)置和調(diào)整。

2．1．2 冷卻液壓系統(tǒng)

冷卻液壓系統(tǒng)在工作區(qū)域冷卻模具與產(chǎn)品，如圖3所示。冷卻液壓系統(tǒng)比較簡單，只需要將冷卻油按需要間歇供油。選用齒輪泵供油，兩位四通電磁閥換向。冷卻時(shí)間可通過觸摸屏由PLC來設(shè)置和調(diào)整。

2．2 氣壓系統(tǒng)

五模五沖冷鐓機(jī)氣壓原理圖如圖4所示。從原理圖可知，壓縮空氣通過氣動(dòng)三聯(lián)件后分別進(jìn)入離合器控制系統(tǒng)、氣動(dòng)夾子控制系統(tǒng)、送線控制系統(tǒng)以及手動(dòng)控制的吹氣和頂出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。

氣源是直接由空壓機(jī)提供，它通過氣動(dòng)三聯(lián)件（分水過濾器、減壓閥、油霧器）到達(dá)三位五通氣壓電磁閥，當(dāng)電磁閥YV4A、YV4B都失電，離合器離開，機(jī)器停止工作。

當(dāng)電磁閥YV4A動(dòng)作是高壓，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)使用高壓模式。電磁閥YV4B動(dòng)作進(jìn)入低壓系統(tǒng)，在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)使用此模式。機(jī)器的高壓工作模式壓力為0.7 MPa，低壓模式工作壓力為0.4 MPa。高低壓通過梭閥控制氣流的方向，高低壓的調(diào)節(jié)是通過減壓閥控制的。氣動(dòng)夾子的氣壓必須要穩(wěn)定，為了維持氣壓的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了5 L的儲(chǔ)氣罐。當(dāng)出現(xiàn)短料的時(shí)候，YV9、YV8、YV2動(dòng)作，氣動(dòng)夾子自動(dòng)張開，線材被鎖住，送線輪系統(tǒng)泄氣，壓線輪自動(dòng)松開不再送料，機(jī)器停止。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷鐓機(jī)設(shè)有手動(dòng)、低壓點(diǎn)動(dòng)、高壓點(diǎn)動(dòng)和自動(dòng)4種生產(chǎn)模式。手動(dòng)模式用于機(jī)器的手動(dòng)調(diào)整及設(shè)備維修，此時(shí)機(jī)器主電動(dòng)機(jī)停止工作，離合器吸合，用手柄插入飛輪的孔中，撬動(dòng)飛輪，機(jī)器動(dòng)作。點(diǎn)動(dòng)模式用于點(diǎn)動(dòng)調(diào)試機(jī)器，此時(shí)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，雙手同時(shí)操作點(diǎn)動(dòng)按鈕，每按一下，離合器合上一次，機(jī)器動(dòng)作一下;低壓點(diǎn)動(dòng)機(jī)器速度必須在40件/min以下，高壓點(diǎn)動(dòng)機(jī)器速度在40件/min至最高之間。機(jī)器調(diào)試好后，點(diǎn)動(dòng)沒有問題，機(jī)器的潤滑和冷卻都調(diào)到適當(dāng)狀態(tài)，油煙機(jī)、輸送機(jī)已打開，安全門都關(guān)好，按下自動(dòng)按鈕，機(jī)器進(jìn)入自動(dòng)生產(chǎn)。

冷鐓機(jī)設(shè)有安全控制以保證設(shè)備與操作者安全。包括:潤滑液壓系統(tǒng)壓力必須穩(wěn)定在1 MPa，當(dāng)安裝在泵出口以及各潤滑末端的壓力開關(guān)的壓力小于0.6 MPa，機(jī)器自動(dòng)停止工作;潤滑油箱和冷卻油箱中分別裝有液位開關(guān)，缺油時(shí)自動(dòng)停止機(jī)器;當(dāng)線材用完或短料、電感接近開關(guān)感應(yīng)，控制機(jī)器自動(dòng)停止;各安全門（主門、后門、側(cè)門、進(jìn)線門、飛輪門）沒關(guān)上，各區(qū)域位置開關(guān)控制機(jī)器自動(dòng)停止;主電動(dòng)機(jī)熱過載機(jī)器自動(dòng)停止。

五模五沖冷鐓機(jī)的工作特點(diǎn)是動(dòng)作時(shí)間短，變換頻率高，且工作安全要求高。因此，其電氣控制系統(tǒng)切換頻繁，考慮機(jī)器工作效率和可靠性，采用PLC;同時(shí)考慮方便調(diào)整工藝參數(shù)與實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過程，操作系統(tǒng)使用觸摸屏。

3．1 系統(tǒng)硬件

PLC選西門子S7－200系列可編程控制器，主機(jī)CPU224，外加3個(gè) EM221、1 個(gè) EM222、2 個(gè) EM223 數(shù)字量擴(kuò)展模塊和1個(gè)EM232模擬量擴(kuò)展模塊;觸摸屏選用西門子公司生產(chǎn)的TP－170觸摸屏。五模五沖冷鐓機(jī)控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

對(duì)PLC來講，輸入信號(hào)有用于手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)自動(dòng)控制的按鈕、液位開關(guān)、壓力開關(guān)、位置開關(guān)和各種感應(yīng)器開關(guān)，共有數(shù)字量輸入信號(hào)36個(gè)。輸出信號(hào)有液壓氣壓電磁閥、輸送機(jī)、冷卻泵、潤滑泵、油煙機(jī)以及各動(dòng)作指示燈，共有數(shù)字量輸出信號(hào)24個(gè)以及主電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速用的模擬量輸出信號(hào)1個(gè)。

3．2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

3．2．1 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

首先在計(jì)算機(jī)上應(yīng)用觸摸屏工具軟件SIMATIC WinCC flexible Micro，根據(jù)生產(chǎn)工藝的控制要求進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，并作好相關(guān)設(shè)定，再進(jìn)行編譯，在計(jì)算機(jī)與觸摸屏正確通信后，下載給觸摸屏TP170。觸摸屏界面設(shè)計(jì)有主界面、生產(chǎn)界面、潤滑冷卻時(shí)間調(diào)整界面、警示界面。各界面之間切換方便、快捷。主界面顯示本設(shè)備的名稱及型號(hào)。生產(chǎn)界面顯示目前生產(chǎn)的產(chǎn)量、累計(jì)的總產(chǎn)量、設(shè)定的產(chǎn)量、電動(dòng)機(jī)的速度（就是每分鐘機(jī)器生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量）。目前產(chǎn)量和累計(jì)產(chǎn)量是機(jī)器每生產(chǎn)1件就累計(jì)1件，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的產(chǎn)量機(jī)器自動(dòng)停止生產(chǎn)。潤滑冷卻界面主要用于在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中潤滑和冷卻的時(shí)間調(diào)整。警示界面當(dāng)機(jī)器處于不正常工作狀態(tài)時(shí)，通過感應(yīng)器檢測到后通過畫面警示并停機(jī)。故障信息有潤滑油壓不足、潤滑油不足、冷卻油不足、短料、電動(dòng)機(jī)熱過載、各安全門（主門、后門、側(cè)門、進(jìn)線門、飛輪門）沒關(guān)上。

3．2．2 PLC 程序設(shè)計(jì)

為利于程序設(shè)計(jì)和維護(hù)，冷鐓機(jī)PLC的軟件設(shè)計(jì)成主程序和各子程序結(jié)構(gòu)，每個(gè)子程序一直屬于調(diào)用狀態(tài)。子程序有短料檢測、產(chǎn)量計(jì)數(shù)、生產(chǎn)模式、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、附件工作（包括輸送機(jī)、冷卻泵、油煙機(jī)）、手動(dòng)、自動(dòng)、潤滑、報(bào)警、氣動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)指示。

4 結(jié)語

ES506五模五沖冷鐓機(jī)是一種將盤元線材從矯直、送料、剪料、5工位加工成形、至輸送機(jī)輸出成品的全自動(dòng)加工設(shè)備，可加工異型螺釘、空心或半空心鉚釘及形狀復(fù)雜之異形零件，適合于鋁、鐵、不銹鋼等材料。其加工工位多，更利于加工精度較高、形狀較復(fù)雜的產(chǎn)品;沖模具更替及機(jī)器作適當(dāng)調(diào)整，就可擴(kuò)大加工范圍，增強(qiáng)加工能力。同時(shí)，成形標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高。以中碳合金鋼為例，加工能力最高可達(dá)每分鐘310件。另外，安全可靠，操作方便，機(jī)器配有故障檢出器及安全保護(hù)裝置，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、柔性，運(yùn)行更加穩(wěn)定;操作系統(tǒng)采用觸摸屏，顯示直觀，操作簡易，為設(shè)備的調(diào)整及維護(hù)提供了便利條件。

生產(chǎn)實(shí)踐證明，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量好，適應(yīng)大批量的生產(chǎn)。

［1］趙震，陳軍，吳公明．冷溫?zé)釘D壓技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［2］http://www．essebi－ machinery．com

［3］左健民．液壓與氣壓傳動(dòng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［4］張揚(yáng)．S7－200PLC原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．