陳柏金，張連華，馬海軍，謝朝陽，顏笑鵬

（1．華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．中科聚信潔能熱鍛裝備研發(fā)股份有限公司，江蘇 鹽城 224000；3．江蘇華威機(jī)械制造有限公司，江蘇 鹽城 224000；4．貴陽精恒機(jī)電科技有限公司，貴州 貴陽 550000）

電液自由鍛錘由于工藝適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)在我國應(yīng)用較廣。電液自由鍛錘在鍛造行業(yè)雖然廣泛使用，但鍛錘生產(chǎn)過程中的噪聲、安全隱患及自動化程度低等缺點(diǎn)依然存在。目前，自由鍛錘的生產(chǎn)場景仍然是一個操作工在鍛錘跟前手動操作一套杠桿機(jī)構(gòu)控制鍛錘的動作，根據(jù)不同工序，手動搖動杠桿機(jī)構(gòu)的頻次最快在120次/min以上；另外一個操作工在操作車上操控鍛造操作機(jī)，如兩臺操作機(jī)還需另外一個操作工，自由鍛生產(chǎn)過程中的高溫、高強(qiáng)度、高噪聲及低安全性影響相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)自由鍛錘的程控化，則能將鍛錘的操作轉(zhuǎn)移到封閉的操作室，生產(chǎn)噪聲得到隔離，鍛錘的操作過程中的許多工步可采用自動控制，操作人員的勞動強(qiáng)度降低，生產(chǎn)安全和工作環(huán)境得到改善；同時，可以將鍛造操作機(jī)的控制集中到操作室，一人同時操控鍛錘和操作機(jī)，實(shí)現(xiàn)減人增效，提高生產(chǎn)競爭力，并可實(shí)現(xiàn)操作機(jī)和鍛錘聯(lián)動。

1 自由鍛錘控制原理

作為通用性最強(qiáng)的鍛造裝備，自由鍛錘也在不斷的技術(shù)改造和技術(shù)升級，經(jīng)歷了空氣錘、蒸-空氣錘、電液液氣鍛錘、電液全液壓鍛錘等多個發(fā)展階段。到目前為止，自由鍛行業(yè)使用的鍛錘基本上是電液液氣鍛錘和電液全液壓鍛錘。

圖1 電液液氣自由鍛錘工作組成原理示意圖

電液液氣自由鍛錘的工作組成原理如圖1所示。泵站1按設(shè)定壓力為蓄能器組8充液，工作時泵-蓄能器為鍛錘提供壓力油，通過機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)操縱手動隨動滑閥7來控制錘頭3的動作。鍛錘工作缸5上腔充有高壓氮?dú)?，操作隨動滑閥7使快放閥2打開，工作缸5下腔排油，錘頭3在自重和工作缸5上腔氣體膨脹力驅(qū)動下加速下行打擊；操作隨動滑閥7使工作缸5下腔進(jìn)油則錘頭3回程，同時壓縮工作缸5上腔氣體，儲存能量。

電液全液壓自由鍛錘工作組成原理如圖2所示。鍛錘工作油缸3下腔與蓄能器組5相通，操作手動伺服滑閥4使工作油缸3上腔通蓄能器組5，錘頭1在自重和工作油缸3上、下腔差動油壓作用下加速下行打擊；操縱手動伺服滑閥4使工作油缸3上腔通油箱，錘頭1在工作油缸3下腔油壓作用下回程。

圖2 電液全液壓自由鍛錘工作組成原理示意圖

由于全液壓錘無主缸配氣系統(tǒng)、不存在主缸油氣互串問題、結(jié)構(gòu)簡單、打擊后錘頭回程不滯后等優(yōu)點(diǎn)，液氣鍛錘逐步被全液壓鍛錘替代。

2 自由鍛錘自動控制

兩種自由鍛錘的操控方式均是手動操作隨動（伺服）滑閥實(shí)現(xiàn)鍛錘控制，將鍛錘的手動控制升級為控制器控制，則能實(shí)現(xiàn)鍛錘的自動控制。由于自由鍛錘生產(chǎn)的工藝要求隨機(jī)性大，不同工步間能量變換頻繁，因而對自由鍛錘的自動控制無法采用目前全液壓模鍛錘通行的控制打擊閥開啟時間或控制回程閥開啟時間的方式實(shí)現(xiàn)。

控制鍛錘的手動隨動（伺服）滑閥具有過渡狀態(tài)且為無級變化，因而能精確控制閥開口的大小及通斷，通過一套操縱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)錘頭的停止、慢升、慢降、打擊、回程及不同行程、不同頻次的連續(xù)打擊等動作。將目前自由鍛錘的操縱機(jī)構(gòu)采用一套閉環(huán)電液伺服控制系統(tǒng)即能實(shí)現(xiàn)這些控制要求。

如圖3所示為自由鍛錘電液伺服控制系統(tǒng)工作原理圖。

圖3 自由鍛錘電液伺服控制工作原理示意圖

伺服閥4根據(jù)給定控制信號，控制伺服油缸2運(yùn)動，伺服油缸2驅(qū)動鍛錘控制閥1動作，鍛錘控制閥1實(shí)現(xiàn)鍛錘的各種動作。伺服油缸2的位置由傳感器3檢測，伺服閥4、伺服油缸2、位移傳感器3組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，伺服油缸2的響應(yīng)速度、運(yùn)動位置完全跟隨控制器給定命令信號，鍛錘的停止、打擊、回程、慢速、快速、輕錘、重錘等動作以及打擊效率、打擊頻次等都通過控制器實(shí)現(xiàn)。

將鍛錘的位置檢測信號采集到控制器，采用相關(guān)的控制算法可以實(shí)現(xiàn)鍛錘按給定參數(shù)自動運(yùn)行，圖4是PLC控制的程控電液自由鍛錘控制框圖。

圖5為8t電液自由鍛錘的監(jiān)控操作界面。鍛錘不僅可以在操作室進(jìn)行手動操作，而且還能按給定道次進(jìn)行自動鍛造，且可以與操作機(jī)進(jìn)行聯(lián)動動作。

圖4 程控電液自由鍛錘控制框圖

圖5 8噸程控電液自由鍛錘監(jiān)控操作界面

3 程控自由鍛錘特點(diǎn)

（1）鍛錘遠(yuǎn)程控制。采用液壓伺服閥、伺服油缸、反饋傳感器、PLC組成一套鍛錘自動系統(tǒng)。PLC、液壓伺服閥、伺服油缸、反饋傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來驅(qū)動控制鍛錘動作的控制閥，PLC根據(jù)命令信號控制伺服油缸的運(yùn)動速度和位置，從而控制鍛錘控制閥的開啟速度、開啟大小，進(jìn)而控制鍛錘的打擊、回程動作及速度和打擊能量等。鍛錘動作時由操作人員在操作室根據(jù)鍛造要求，向PLC發(fā)送命令，從而實(shí)現(xiàn)自由鍛錘的遠(yuǎn)程操控，減輕操作人員勞動強(qiáng)度、改善生產(chǎn)條件，并能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制。

（2）鍛錘生產(chǎn)過程自動鍛造。在采用液壓伺服控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加鍛錘位移檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)鍛錘生產(chǎn)過程的自動鍛造。

在PLC監(jiān)控操作界面上設(shè)置多個鍛造道次，每道次包括鍛造尺寸、回程高度。鍛造尺寸為坯料鍛造后要達(dá)到的幾何尺寸，回程高度為每次打擊完成后錘頭的上升位置，回程高度控制錘頭打擊時錘頭的能量和頻次。鍛打時操作人員根據(jù)當(dāng)前坯料的成形尺寸選擇對應(yīng)道次，控制器根據(jù)選定道次的鍛造尺寸和回程高度，自動控制每錘的打擊能量，打擊完成后錘頭自動回程，鍛打過程全自動完成。

（3）采用手柄自動設(shè)定的打擊能量和頻次。自由鍛錘手動控制鍛造時，每錘的打擊、回程等動作、能量及頻次由人工操作機(jī)械手柄完成，每分鐘往復(fù)操作120次以上，操作人員勞動強(qiáng)度大；鍛錘自動鍛造時通過每道次的鍛造尺寸、回程高度控制鍛錘的打擊能量和頻次，仍然需要操作人員根據(jù)實(shí)際操作情況不斷改變道次或?qū)?yīng)道次的參數(shù)，在高頻次鍛打時操作不方便。

在鍛錘操作臺上采用萬向帶電位器手柄，手柄在垂直方向操作為正常的手動操作；手柄斜向操作時，鍛錘動作自動變?yōu)樽詣涌刂疲恍璨僮魅藛T來回操作手柄，此時鍛錘的每錘打擊能量、速度由手柄兩個方向的電位器給定。手柄偏移角度及幅值，決定每錘的打擊能量和速度，這樣很容易實(shí)現(xiàn)鍛打過程中的輕錘、重錘，以及鍛造頻次等控制，使鍛錘的操作、控制方式更加靈活。

（4）與操作機(jī)聯(lián)動。鍛錘、操作機(jī)控制集中到操作室，實(shí)現(xiàn)一人同時控制鍛錘及操作機(jī)，并且操作機(jī)可以根據(jù)設(shè)定的速度、位置（帶位置控制的操作機(jī)）與鍛錘動作聯(lián)動，這能大大提升進(jìn)行鍛材成材鍛錘的生產(chǎn)能力，且顯著降低勞動強(qiáng)度，還能提高鍛材成形的一致性。

（5）鍛錘位置非接觸測量。自由鍛錘的打擊速度最高達(dá)9m/s，對鍛錘錘身、鍛錘基礎(chǔ)產(chǎn)生沖擊、震動，鍛錘位移檢測裝置如安裝在錘身上由于瞬時加速度大，易損壞傳感器。

采用非接觸位移傳感器測量鍛錘錘頭的位置，測量傳感器安裝在從鍛錘操作室頂部引出的支架上，測量傳感器的安裝位置與錘身、鍛錘基礎(chǔ)隔離，打擊時的沖擊、震動不會傳播、影響到傳感器；同時，不影響現(xiàn)場操作，現(xiàn)場操作也不會損壞傳感器。在不影響測量精度的前提下，有利于保護(hù)測量傳感器，延長其使用壽命。

4 結(jié)語

自由鍛錘實(shí)現(xiàn)程控化不僅能改善鍛錘生產(chǎn)條件，而且能實(shí)現(xiàn)減人增效，改變自由鍛錘的傳統(tǒng)操作方式，使鍛錘及其行業(yè)煥發(fā)新的生機(jī)。通過8t自由鍛錘的試用表明，自由鍛錘程控化完全可行，現(xiàn)有的液氣自由鍛錘和全液壓自由鍛錘均可升級為程控自由鍛錘。