劉紅梅， 王雪潔

(安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

彈體的熱擠壓工藝是在強(qiáng)烈的多向不均勻壓縮力的作用下，將加熱到某一溫度的金屬，從熱擠壓模的模口中流入狹小的模腔中，獲得所需形狀的彈體，該種成形工藝方法是一種壓力加工熱擠壓零件的方法。目前國內(nèi)彈體生產(chǎn)制造廠主要使用國內(nèi)上世紀(jì)末生產(chǎn)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)彈體熱擠壓成形加工過程，所能生產(chǎn)的熱擠壓零件具有尺寸小、生產(chǎn)效率低下、工人勞動強(qiáng)度特別大、工件加工精度低等缺點(diǎn)。隨著國防技術(shù)的發(fā)展，原有的設(shè)備和工藝不能滿足國防建設(shè)需求，需要具有新工藝的大型彈體熱擠壓成形加工設(shè)備。

1 彈體的熱擠壓成形過程分析

彈體熱擠壓[1～3]一般采用反擠壓方式，反擠壓的特點(diǎn)是被擠壓金屬的流動方向與凸模(即沖頭)的運(yùn)行方向相反，而凹模則是固定不動的(如圖1所示)。

根據(jù)變形情況，彈體的熱擠壓成形反擠壓過程可分為三個階段：

第一階段在液壓機(jī)凸模與彈體坯料接觸時，當(dāng)壓機(jī)凸模在液壓動力作用下，產(chǎn)生的壓力超過彈體坯料金屬的形變屈服點(diǎn)時，彈體坯料金屬便開始流動。

第二階段為液壓機(jī)凸模繼續(xù)向下運(yùn)動，在液壓機(jī)壓力的作用下，迫使彈體坯料金屬在規(guī)定的環(huán)狀間隙中向上流動，此時壓力數(shù)值并無很大的增加，但并不是保持不變，因?yàn)榇藭r的擠壓溫度是在不斷下降的(但也有人認(rèn)為略有增加，其原因是由于有熱效應(yīng)存在)，摩擦力也在不斷增加。

圖1 彈體熱擠壓成形過程

第三階段是彈體熱擠壓的壓力先變?yōu)榱?，然后再轉(zhuǎn)為拉力的過程，直到退出彈體件結(jié)束。

文中結(jié)合彈體熱擠壓成形過程中不同階段的特點(diǎn)，研究了新型的雙工位彈體熱擠壓的工藝過程，并設(shè)計(jì)了雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備。

2 新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備的系統(tǒng)組成

新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備[4]是集機(jī)、電、液、控、模具設(shè)計(jì)等學(xué)科于一體的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品。雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備主要由液壓主機(jī)、壓機(jī)導(dǎo)軌自動潤滑系統(tǒng)、凸模移沖裝置、模具、模具冷卻潤滑系統(tǒng)、液壓集成系統(tǒng)、DCS電氣控制系統(tǒng)等部件組成。通過設(shè)計(jì)特定的電氣控制系統(tǒng)才能使新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備中的其他各部分組成能自動有序的完成各自的工藝動作。

3 新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備的DCS電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 采用工控機(jī)+PLC聯(lián)合控制的DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式控制，集中管理

雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備DCS[5]電氣控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是：電氣控制系統(tǒng)設(shè)置在中央控制室內(nèi)，分為中央控制系統(tǒng)部分、800噸雙工位液壓機(jī)PLC控制系統(tǒng)部分、機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)部分、凸模移沖裝置PLC控制系統(tǒng)部分、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備控制系統(tǒng)部分、模具PLC控制系統(tǒng)和其他部分，詳細(xì)的DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該成形設(shè)備的DCS控制部分主要采用德國SIEMENS公司的S7-300新型可編程控制器(簡稱PLC)、研華工控機(jī)(配21英寸三星液晶顯示屏)和WINCC組態(tài)軟件等來控制?？刂葡到y(tǒng)除用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制整機(jī)系統(tǒng)，還運(yùn)用了PLC可編程序控制器，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的壓力、滑塊位置及位移速度、故障報警信號等參數(shù)的集中控制。通過采集現(xiàn)場液壓系統(tǒng)的壓力、流量、位移等過程值，對該設(shè)備液壓集成系統(tǒng)的比例泵，比例閥等進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)壓力、流量和位置的比例伺服閉環(huán)控制。PLC按總點(diǎn)數(shù)各預(yù)留輸入輸出點(diǎn)20%，以備后續(xù)功能的擴(kuò)充。

3.2 新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備的工藝動作

新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備的操作方式有調(diào)整、手動、半自動、自動四種，用轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)現(xiàn)4種操作模式之間的轉(zhuǎn)換，設(shè)備的工作方式有定壓成形(以壓力信號為主，位置信號作為超程保護(hù))和定程成形(以位置信號為主，壓力信號作為超壓保護(hù))兩種形式，定壓成形工藝動作具有保壓延時和自動回程功能。

為了滿足彈體熱擠壓過程中不同階段對設(shè)備參數(shù)要求的不同特設(shè)計(jì)了以下工藝動作，已自動操作方式為例：

圖2 雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備人機(jī)界面-主畫面

圖4 雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備人機(jī)界面-參數(shù)設(shè)置畫面

壓型凸模在工作位置定位夾緊→上料→滑塊快速下行→滑塊工進(jìn)(同時潤滑沖孔凸模)→保壓→卸壓快速回程至預(yù)定位置→沖孔凸模移動到工作位置定位夾緊→滑塊快速下行→滑塊工進(jìn)(同時冷卻潤滑壓型凸模)→保壓→退料銷前進(jìn)→滑塊慢回退料后快速回程至預(yù)定位置→退料銷退回→頂出缸頂出→向工件內(nèi)孔注0.5升水→機(jī)械手下料→頂出缸退回→滑塊快速下行至預(yù)定位置→沖冷卻水(至凹模內(nèi)充滿水)→滑塊快速回程→頂出缸頂出放水→頂出缸退回→潤滑噴槍擺至凹模上方噴潤滑劑→潤滑噴槍擺離凹模上方→壓型凸模移動到滑塊中心位置定位夾緊，一個彈體熱擠壓完成，同時為下一個彈體的熱擠壓過程做準(zhǔn)備。

3.3 新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備的控制要求和相關(guān)參數(shù)，為設(shè)備設(shè)計(jì)了專用的人機(jī)界面畫面，人機(jī)界面畫面如圖3和圖4所示。

通過人機(jī)界面的畫面可以實(shí)時監(jiān)控和顯示雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備工作過程中的每個參數(shù)( 控制壓力、流量、位置、保壓時間，速度轉(zhuǎn)換點(diǎn))，同時也可以改變和設(shè)置所需要的參數(shù)。設(shè)備的人界面畫面除了設(shè)計(jì)必要的動畫、參數(shù)修改及顯示外，還設(shè)計(jì)了模具參數(shù)的存儲功能，結(jié)合PLC相關(guān)的計(jì)算和存儲可以實(shí)現(xiàn)100 套模具的儲存，同時還采用棒圖、數(shù)字顯示窗口等方式實(shí)時監(jiān)控和顯示系統(tǒng)的壓力值、壓制速度值、位移值等，所檢測到數(shù)據(jù)將自動儲存。

4 新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備研制中的創(chuàng)新點(diǎn)

和過去的同類設(shè)備相比較，新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備研制中的創(chuàng)新點(diǎn)如下所示：

1)首創(chuàng)了帶有模具冷卻潤滑系統(tǒng)的雙工位模具系統(tǒng)，延長了模具的壽命，模具的壽命由過去1000件延長到不小于2000件，每套壓機(jī)凸模沖頭的使用壽命不小于300件。

2)獨(dú)創(chuàng)了能滿足熱擠壓工藝需要的閉環(huán)液壓控制系統(tǒng)，滿足了零件最終成形前既高速壓制，又要對壓力有一定的控制精度要求的功能，最后成形的系統(tǒng)壓力控制精度小于1%，完全可滿足彈體熱擠壓工藝對液壓集成系統(tǒng)壓力的要求。而未采用該項(xiàng)液壓閉環(huán)控制技術(shù)彈體熱擠壓液壓機(jī)壓力控制精度一般在8%左右。

3)專門設(shè)計(jì)的移沖裝置，實(shí)現(xiàn)了模具兩凸模左右移位(雙工位)，并準(zhǔn)確定位凸模在工作位置的重復(fù)定位精度小于0.05mm，保證了彈體工件兩次擠壓成形工藝之間，凸?？焖僖苿拥轿唬恍枰貭t加熱，節(jié)省了加工時間，加工效率比普通設(shè)備高2倍。

4)開發(fā)了能滿足彈體零件熱擠壓成形需要以工控機(jī)為核心的DCS集散控制系統(tǒng)，使8000kN雙工位液壓機(jī)、機(jī)械手、移沖裝置、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備及模具等多組成部分集成的熱擠壓成形專用生產(chǎn)設(shè)備。

5 結(jié) 語

新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備的研制是集機(jī)械、電氣控制、工控機(jī)、傳感與檢測、液壓伺服控制等多學(xué)科知識位一體的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究主要是研究彈體熱擠壓成形工藝的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及對策，提高了我國彈體熱擠壓成形工藝自動化水平及彈體產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)，消除了過去傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)對參數(shù)無法精確控制、一致性差而造成廢品率高的缺點(diǎn)。

目前，該新型雙工位彈體熱擠壓成形設(shè)備已交付給山東某彈體生產(chǎn)單位投入使用，該設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行情況良好。通過雙工位加工工藝減輕操作工人的勞動強(qiáng)度，同時也使彈體的熱擠壓成形技術(shù)水平和性能指標(biāo)提升到新階段。