□齊作玉 □于忠海 □任運(yùn)來 □許樹森

1.上海電氣上重鑄鍛有限公司上海200245

2.上海電機(jī)學(xué)院上海200240

大鍛件拔長效果智能跟蹤數(shù)學(xué)表達(dá)的研究

□齊作玉1□于忠海2□任運(yùn)來2□許樹森1

1.上海電氣上重鑄鍛有限公司上海200245

2.上海電機(jī)學(xué)院上海200240

將由鍛壓工藝專家積累的系統(tǒng)化、最優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)與信息技術(shù)相結(jié)合，推導(dǎo)出大鍛件內(nèi)部空隙被壓實(shí)閉合的必要精細(xì)化條件和拔長效果智能跟蹤的數(shù)學(xué)表達(dá)，奠定了開發(fā)提取、集成與分析有效數(shù)據(jù)新系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這一研究可用于獲取鍛造過程中定量、完整、可關(guān)聯(lián)和精細(xì)化的數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)大鍛件鍛壓工藝設(shè)計(jì)水平和鍛造操作水平，揭示大鍛件拔長對(duì)內(nèi)在質(zhì)量的影響，從而持續(xù)改進(jìn)鍛壓工藝和生產(chǎn)操作。

大鍛件；拔長；智能跟蹤；數(shù)學(xué)表達(dá)

1 智能跟蹤及其意義

大鍛件產(chǎn)品質(zhì)量長期不穩(wěn)定、報(bào)廢率高，在經(jīng)過多次質(zhì)量審核，以及對(duì)大量質(zhì)量問題的分析之后，許多質(zhì)量專家已達(dá)成共識(shí)，提出大鍛件生產(chǎn)企業(yè)需要應(yīng)用科學(xué)、細(xì)化和定量的數(shù)據(jù)來分析大鍛件工藝，用統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)來穩(wěn)定控制大鍛件質(zhì)量。但是，由于大鍛件為單件小批量生產(chǎn)，工藝粗放，操作因人而異，在實(shí)際鍛造中很少有定量和精細(xì)化的數(shù)據(jù)記錄。大鍛件生產(chǎn)企業(yè)在定量和精細(xì)化工藝方面的技術(shù)至今還是薄弱環(huán)節(jié)，尤其是在自動(dòng)記錄實(shí)際大鍛件鍛壓工藝過程的有效和細(xì)化數(shù)據(jù)方面更是空白。新的自由鍛壓機(jī)和操作機(jī)基本都配備了計(jì)算機(jī)控制，一些與鍛造工藝相關(guān)的數(shù)據(jù)能在計(jì)算機(jī)屏幕上動(dòng)態(tài)顯示，如鍛造壓力、鍛件尺寸、壓下量及操作機(jī)位置等，這些數(shù)據(jù)不僅可以用于檢測(cè)設(shè)備使用情況，而且可以為未來實(shí)際記錄鍛造工藝過程的細(xì)化定量數(shù)據(jù)提供條件。

盡管某些特定的鍛造工藝數(shù)據(jù)已經(jīng)可以在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，某大鍛件企業(yè)甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查閱，但是，現(xiàn)有直接獲得的數(shù)據(jù)仍是離散、不完整的，在生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制方面還不能被有效分析和利用。需要開發(fā)一個(gè)能從自由鍛壓機(jī)和操作機(jī)上有效提取、集成并分析數(shù)據(jù)的新系統(tǒng)，先決條件是具有大鍛件拔長質(zhì)量效果智能跟蹤的數(shù)學(xué)表達(dá)。

有研究者已經(jīng)在大鍛件生產(chǎn)邊緣領(lǐng)域和復(fù)合型技術(shù)方面進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)性研究和探索，如國有大鍛件企業(yè)經(jīng)營困境分析和轉(zhuǎn)型探討[1]、企業(yè)管理信息系統(tǒng)選擇[2]、大鍛件鍛壓工藝及質(zhì)量控制系統(tǒng)雛形研究[3]、大鍛件鍛壓工藝傻瓜軟件研究[4]、精細(xì)化自由鍛工藝及其專家軟件研究[5]、大鍛件質(zhì)量控制小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)研究和應(yīng)用[6]、大鍛件工藝參數(shù)化研究[7]、新一代大鍛件工藝及質(zhì)量控制系統(tǒng)研究[8]等。這些研究為開發(fā)科學(xué)、定量化和精細(xì)化的大鍛件工藝和質(zhì)量控制方法，以及一個(gè)能從自由鍛壓機(jī)和操作機(jī)上提取、集成并分析有效數(shù)據(jù)的新系統(tǒng)奠定了一部分理論基礎(chǔ)。

筆者在多年研究的基礎(chǔ)上，將由鍛壓工藝專家積累的系統(tǒng)化、最優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)與信息技術(shù)相結(jié)合，利用智能制造技術(shù)研究智能跟蹤方法，即利用現(xiàn)有設(shè)備所采集的部分離散數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)人工智能進(jìn)行集成開發(fā)，模擬采集、跟蹤并加工出有效和精細(xì)的工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)，研究、推導(dǎo)并提煉出大鍛件內(nèi)部空隙被壓實(shí)閉合的必要精細(xì)化條件和拔長效果智能跟蹤的數(shù)學(xué)表達(dá)，為新系統(tǒng)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。這一成果可用于獲取實(shí)際鍛造過程中定量、完整、可關(guān)聯(lián)和精細(xì)化的記錄數(shù)據(jù)，精細(xì)評(píng)價(jià)大鍛件鍛壓工藝設(shè)計(jì)水平、鍛造操作水平，并揭示大鍛件拔長對(duì)內(nèi)在質(zhì)量影響的具體效果，從而可持續(xù)改進(jìn)鍛壓工藝和生產(chǎn)操作，穩(wěn)定提高大鍛件的質(zhì)量。

2 拔長效果宏觀評(píng)價(jià)

長期以來，大鍛件最多、最典型的報(bào)廢問題是探傷超標(biāo)質(zhì)量問題，造成大鍛件探傷質(zhì)量不合格的工藝影響因素涉及煉鋼、鍛壓和熱處理三大生產(chǎn)過程。

由于真空冶煉和真空澆注的雙真空煉鋼技術(shù)被成功應(yīng)用，對(duì)鋼中氫含量的控制能力大大提高，因此煉鋼過程及擴(kuò)氫熱處理過程對(duì)探傷質(zhì)量問題的影響被相對(duì)弱化，同時(shí)鍛壓過程對(duì)探傷結(jié)果的影響相對(duì)變強(qiáng)。

拔長是鍛壓的基本工序，是大鍛件中心壓實(shí)工藝中最重要的工藝手段。一般情況下，拔長效果的客觀表征就是大鍛件的探傷結(jié)果，而拔長效果的內(nèi)在因素就是大鍛件中心壓實(shí)工藝是否在實(shí)際鍛造中得到實(shí)現(xiàn)。

拔長的相對(duì)送進(jìn)量和壓下率都是保證實(shí)現(xiàn)大鍛件中心壓實(shí)的重要基本條件。有試驗(yàn)研究表明[9]，用上下平砧拔長方截面坯料，壓實(shí)閉合內(nèi)部孔隙的一個(gè)必要條件是砧寬比≥0.4，且壓下率≈20%。以此為基礎(chǔ)，可以推導(dǎo)出根據(jù)拔長比判別中心壓實(shí)的宏觀必要性條件[10]：

式中：Q為拔長比；H0為拔長前坯料的初始高度；δL為送進(jìn)量。

為使拔長實(shí)現(xiàn)中心壓實(shí)，拔長比滿足式（1）是必要條件。該條件是宏觀的，主要用于快速判斷拔長工藝是否滿足中心壓實(shí)條件，但是，難以在微觀具體或精細(xì)方面直接加以應(yīng)用，且可能缺乏充分性。為此，需要進(jìn)一步研究評(píng)價(jià)大鍛件拔長效果的精細(xì)化條件。

3 拔長效果精細(xì)化條件

拔長是一個(gè)動(dòng)態(tài)操作過程，每次拔長都由多個(gè)相對(duì)送進(jìn)量和壓下率構(gòu)成。在這些相對(duì)送進(jìn)量和壓下率中，不一定能確定哪一次鍛造壓下的送進(jìn)量和壓下率同時(shí)滿足了空隙被壓實(shí)閉合的必要條件。為此，需要建立一個(gè)能判斷是否滿足大鍛件中心空隙閉合、必要且精細(xì)化的工藝條件表達(dá)式。

拔長大鍛件，一個(gè)火次有多次從坯料一端到另一端的拔長，在一次拔長中又有多次從初始高度到設(shè)定高度的壓下，用i表示第n次拔長中的第i次壓下，則判定每砧送進(jìn)量和壓下率能使大鍛件中心空隙被壓實(shí)閉合的必要和精細(xì)化條件為：

式中：δLni為第n次拔長中第i次壓下時(shí)的送進(jìn)量；Hni為第n次拔長中第i次壓下前的實(shí)際初始高度；Hns為第n拔長每次壓下后的目標(biāo)或設(shè)置高度。

式（2）是大鍛件拔長效果精細(xì)化智能跟蹤和評(píng)價(jià)的工藝基礎(chǔ)條件。

4 拔長效果智能跟蹤數(shù)學(xué)表達(dá)

拔長時(shí)，平砧擠壓金屬，金屬主要向垂直于壓下方向的左右兩個(gè)方向擠出，如圖1、圖2所示。忽略剛端影響，可將金屬左右水平位移的變化視為相同。金屬位移使操作機(jī)的緩沖值發(fā)生改變，因此，第n次拔長中第i次壓下始末水平緩沖值的變化可以表示為Δni：

式中：δCnei為第n次拔長中第i次壓下結(jié)束時(shí)的水平緩沖值；δCnsi為第n次拔長中第i次壓下開始前的水平緩沖值。

圖1 操作機(jī)前行拔長示意圖

圖2 操作機(jī)退行拔長示意圖

如圖1所示，Dni=F表示前行拔長狀態(tài)。操作機(jī)前行拔長時(shí)，第n次拔長中第i次壓下的送進(jìn)量為：

式中：W為砧子寬度；Sni為第n次拔長中第i次壓下前操作機(jī)的位置；Sni-1為第n次拔長中第i-1次壓下前操作機(jī)的位置。

圖2中，Dni=B表示退行拔長狀態(tài)。操作機(jī)退行拔長時(shí)，第n次拔長中第i次壓下的送進(jìn)量為：

式（4）與式（5）的推導(dǎo)還涉及到鍛壓工藝操作和鍛壓設(shè)備操作，以及現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)參數(shù)，包括拔長前鍛件擺放位置、設(shè)備移動(dòng)位置初始標(biāo)定、操作機(jī)位置、水平緩沖值等，具體分析過程較為復(fù)雜，此處省略。

將第n次拔長中第i次壓下的相對(duì)壓下率用ηni表示，第n次拔長第i次壓下的相對(duì)送進(jìn)量用λni表示，則根據(jù)圖3可得精細(xì)化相對(duì)壓下率為：

圖3 拔長時(shí)尺寸關(guān)系

精細(xì)化相對(duì)送進(jìn)量為：

將式（6）和式（7）代入式（2），可得拔長效果智能跟蹤的數(shù)學(xué)表達(dá)，其中前行拔長的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

退行拔長的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

根據(jù)式（8）～式（11），可以通過計(jì)算機(jī)的智能跟蹤計(jì)算和檢查，判斷第n次拔長中第i次壓下是否滿足了微觀具體或精細(xì)操作時(shí)的中心壓實(shí)條件。

有了式（8）～式（11），通過對(duì)記錄和采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能報(bào)告設(shè)計(jì)，可以得到一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)智能報(bào)告，揭示實(shí)際拔長工藝設(shè)計(jì)效果或大鍛件質(zhì)量控制效果。如每次拔長過程中各次壓下所滿足大鍛件內(nèi)部孔隙閉合或中心壓實(shí)條件的合格百分比、寬砧高溫強(qiáng)壓法多次拔長過程整體合格的百分比等。這些智能報(bào)告的數(shù)據(jù)信息可以被直接、精細(xì)和準(zhǔn)確地用于評(píng)價(jià)大鍛件鍛壓工藝設(shè)計(jì)水平與鍛造操作水平，以及大鍛件拔長對(duì)內(nèi)在質(zhì)量控制的實(shí)際效果，并在此基礎(chǔ)上不斷提高大鍛件的工藝水平和質(zhì)量控制水平。

5 結(jié)論

（1）為大鍛件生產(chǎn)企業(yè)提供了可用于獲取實(shí)際鍛造過程中定量、完整、可關(guān)聯(lián)和精細(xì)化工藝及質(zhì)量數(shù)據(jù)的方案。

（2）獲得了大鍛件拔長效果智能跟蹤的數(shù)學(xué)表達(dá)，可以直接、精細(xì)和準(zhǔn)確用于評(píng)價(jià)大鍛件鍛壓工藝設(shè)計(jì)水平、鍛造操作水平，以及大鍛件拔長對(duì)內(nèi)在質(zhì)量控制的實(shí)際效果，在此基礎(chǔ)上提高大鍛件的工藝水平和質(zhì)量控制水平。

（3）為開發(fā)智能分析報(bào)告奠定了基礎(chǔ)，可以通過智能分析報(bào)告揭示大鍛件拔長的質(zhì)量控制狀態(tài)，如每次拔長過程中各次壓下所滿足大鍛件內(nèi)部孔隙閉合或中心壓實(shí)條件的合格百分比、多次拔長過程中整體中心壓實(shí)合格操作的百分比等。

（4）為發(fā)展大鍛件智能制造提供了一種有價(jià)值的集成原理和計(jì)算公式，可用于新一代液壓機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)，還可為實(shí)施大鍛件智能制造企業(yè)開發(fā)建立新一代大鍛件工藝質(zhì)量控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

[1]齊作玉，江崇宏.國有大鍛件企業(yè)經(jīng)營困境的分析和轉(zhuǎn)型探討[J].大型鑄鍛件，2014（3）：23-25.

[2]齊作玉.企業(yè)管理信息系統(tǒng)的選擇[J].機(jī)械制造，2004，42（2）：46-48.

[3]齊作玉，張崗.大鍛件鍛壓工藝及質(zhì)量控制系統(tǒng)雛形的研究[J].大型鑄鍛件，2015（5）：32-35.

[4]齊作玉，吳萬祥，金永耀.大鍛件鍛壓工藝傻瓜軟件的研究[J].大型鑄鍛件，1996（2）：1-3.

[5]齊作玉，許樹森，張崗，等.精細(xì)化自由鍛工藝及其專家軟件的研究[J].上海電氣技術(shù)，2014，7（2）：58-62.

[6]齊作玉，呂亞臣，于忠海.大鍛件鍛壓質(zhì)量控制小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究和應(yīng)用[J].上海電氣技術(shù)，2014，7（4）：47-51.

[7]齊作玉.大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化的研究[J].大型鑄鍛件，2010（1）：9-11.

[8]呂亞臣，任運(yùn)來，齊作玉.構(gòu)建新一代大鍛件工藝與質(zhì)量控制系統(tǒng)[J].大型鑄鍛件，2010（6）：42-45.

[9]劉助柏，遲福興，王桂玲，等.鍛造條件對(duì)毛坯內(nèi)部空洞閉合的影響[J].鋼鐵，1988，23（7）：25-30.

[10]齊作玉，劉助柏.中心壓實(shí)工藝的必要條件及其應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，1990（5）：5-8.

（編輯：啟德）

上海電氣3.6 MW自動(dòng)消防系統(tǒng)通過國內(nèi)首次整機(jī)消防系統(tǒng)試驗(yàn)

日前，上海電氣風(fēng)電集團(tuán)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)歷時(shí)一周，順利通過了公安部天津消防研究所國內(nèi)首次整機(jī)消防系統(tǒng)試驗(yàn)。

此次自動(dòng)消防系統(tǒng)試驗(yàn)使用3.6 MW海上機(jī)組消防系統(tǒng)配置，分為機(jī)艙聯(lián)動(dòng)報(bào)警及滅火試驗(yàn)、塔底聯(lián)動(dòng)報(bào)警及試驗(yàn)兩部分，分別模擬機(jī)艙及塔底的火源點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)及聯(lián)動(dòng)滅火。機(jī)艙部分試驗(yàn)按起火點(diǎn)位置放置了不同類型的火源，塔底部分試驗(yàn)在100 m3試驗(yàn)間內(nèi)放置了1∶1變壓器模型模擬現(xiàn)場風(fēng)機(jī)塔底空間實(shí)際布局。

在惡劣的試驗(yàn)條件下，上海電氣風(fēng)電集團(tuán)自動(dòng)消防系統(tǒng)經(jīng)歷場地布置、設(shè)備調(diào)試、聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)、滅火試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，順利通過了試驗(yàn)，為今后設(shè)備、滅火介質(zhì)等選型提供了依據(jù)，并驗(yàn)證了3.6 MW海上機(jī)組自動(dòng)消防系統(tǒng)的高可靠性。

When the systematized and optimized experience accumulated by forging and pressing technologist were combined with information technology it was possible to extract the necessary refinement condition for compaction of the internal void in heavy forgings and derive the mathematical expression for intelligent tracking of drawingout effects while laying the foundation for developing,extracting,integrating and analyzing newsystem for valid data.This study can be used to obtain quantitative,complete,correlatable and refined data during the forging process,to evaluate the design level of forging process and the forging operation level for heavyforgings,to reveal the impact of heavyforgings drawingout to the inherent quality,so that forging process and production operations can be improved continuously.

Heavy Forging；Drawingout；Intelligent Tracking；MathematicalExpression

TH123;TG316

A

1672-0555（2017）01-039-04

2016年10月

齊作玉（1957—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事大鍛件工藝與質(zhì)量及智能控制系統(tǒng)研究工作