船用铜镍合金凸缘自动化成形装置设计

2022-09-14杨青云马博荣马俊普吕光辉张志远

锻压装备与制造技术 2022年4期

关键词：成形工件界面

杨青云，马博荣，马俊普，吕光辉，张志远，郁炎

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471039）

1 引言

铜镍合金材料具有优良的耐腐蚀性能、抗海生物污损及其他综合性能，是替代紫铜、不锈钢等用于海水环境的理想材料，在国内外造船业和海洋工程业中被大量采用[1]，其中凸缘在铜镍合金管件中占有较大比重。

图1 铜镍合金凸缘结构

凸缘与钢法兰配套成松套法兰进行使用，与整体式法兰相比，其具备同等的耐蚀性能，并且由于螺栓连接单元采用钢法兰替代铜镍法兰，能够大幅降低材料成本，因此在船舶海水管系建造中得到广泛应用。

凸缘采用热挤压方式，在油压机上压制成形，其生产过程主要依赖于多人的人工协作，伴随有大量的重复搬运和动作浪费，技术落后，效率低下，劳动强度高，产能严重受限，人力成本居高不下。此外，成形过程中润滑剂受热产生大量烟尘，存有烫伤、砸伤、呼吸道感染等安全隐患。为解决上述问题，针对凸缘成形各工序特点，设计了凸缘成形的自动化产线，实现了从上料—加热—传输—压制—退料—润滑全流程的自动化和无人化，本文以“安全性、连续性、经济性、精益性”为设计理念，以消除浪费、减人增效为目标，以低成本、高效益为宗旨，利用PLC 工控技术、模具工装设计等方法开展凸缘成形自动化产线研制，全方位实现以机代人，提高生产效率，具有很强的实用价值，对国内锻压行业的自动化生产线改造有一定的借鉴意义。

2 凸缘自动化成形装置总体方案设计

凸缘自动化成形装置（以下简称自动化装置）主要包含结构设计和软件开发两部分，其中结构设计是以工件搬运为主线，利用若干机构的有序配合替代人工操作，达到减少人员、提高效率、消除浪费的目的；软件开发则利用工控技术实现成形过程信号的监测、逻辑判断、油压机等执行机构的控制等。

为满足工业应用要求，凸缘自动化成形装置应具备以下特征：

（1）不改变原油压机的位置前提下，自动化装置布局紧凑，运行高效；

（2）自动化装置采用模块化设计，以便维修、装配和运输，工件在各个模块间传送平稳、连续，重复精度高；

（3）自动化装置控制系统能够实现手动和自动两种模式，以适应不同类型产品的成形；

（4）能够采集和监控系统运行状态，实时展示温度、位移等信号，能够对凸缘生产数量计数；

（5）考虑系统扩展能力，预留I/O 点和通讯接口；

（6）控制系统安全可靠。遇到故障时能够自动紧停，发出警报，同时能够将故障原因反馈至触摸屏、机旁及远程均设置紧停按钮；

（7）具有多级质量管控点，当发生缺料或检测信号与工艺要求不一致时，能够自动剔除不合格产品，并发出异常警报。

3 自动化装置结构设计

如图2 所示，自动化装置由液压翻转机构、上料分选机构、中频加热装置、高温输送带，双轴机械臂、油压机、自动喷淋机构和相应规格的可自动卸料凸缘模具组成，设备整体呈“U”字形布局，符合一个流的生产特点。

图2 凸缘自动化成形装置组成

3.1 液压翻转机构

液压翻转机构用于实现工件的批量化上料，最大翻转重量达20kN。锯切好的工件无规则地放置于料框内，料框固定于翻转装置的支架上，液压缸驱动支架旋转迫使料框中的工件在重力作用下批量滑入分选装置的料斗中，最大可旋转角度为150°。

3.2 上料分选机构

如图3 所示，上料分选机构由料斗、顶升机构、轨道和分选机构等组成，其中顶升机构呈三阶梯状，当接近开关检测轨道上缺料时，立刻发出补料命令至控制系统触发顶升机构启动，料斗内工件在顶升机构的作用下提升至补料轨道上排列，轨道的顶部和侧边均设有挡板，姿态不正确的工件经档杆自动分选后沿滑道重新返回料斗。

图3 上料分选机构组成

3.3 中频加热装置

中频加热装置用于实现管段的升温，最高加热温度可达1200℃，与传统的电阻炉加热相比，中频感应加热能够有效缩短加热时间，减少氧化皮厚度，更加适合单件流的作业模式。原有中频加热装置炉膛为圆形，工件立放于炉膛内，由于工件属直径大于长度的特点，容易倾倒，工件间还常因锯屑未清理干净而产生粘连。此外，人为下料引起的长度偏差还会导致累计误差的形成，不利于自动化操作。因此，本文优化了中频加热装置炉膛，采用长方形炉膛，如图4 所示，工件平放于模腔内，推杆每次推进距离等于工件外径，由于工件外径一致，从而消除了累积误差。

图4 中频加热装置炉膛改进前后对比

中频加热装置出口处设有滑道，高温工件沿滑道滑至高温输送带，再由高温输送带传送至压机前方定点。

3.4 双轴机械臂

机械臂作为执行机构替代人工作业，实现从高温输送带定点向模腔中心的搬运。机械臂选型主要依据用途、负载、自由度、最大运动范围、重复精度、运行速度、机械臂重量、制动与惯性力矩、防护等级等9 个方面[2]。由于凸缘成形过程机械臂仅用于实现点对点的搬运，工件最大重量为6kg，考虑夹具自身重量，选用双轴机械臂，最大承受负载15kg，重复精度达0.2mm。

3.5 油压机

油压机的作用是将加热工件在模腔内压制成为满足机加工要求的凸缘毛坯。项目基于6300kN 油压机实施改造，实现DN20～DN65 规格的凸缘的自动化成形。油压机作为执行机构接入控制系统，其按照预设的时序进行压制与回程。

3.6 可自动卸料模具

如图5 所示，可自动卸料模具用于实现凸缘的成形，其采用正挤压方式，模具的最大特色是压机回程期间利用挡板迫使毛坯与芯杆分离，并沿滑道滑入成品框，实现自动卸料，从而节约一台专用下料机械臂。

图5 凸缘可自动卸料模具设计

3.7 自动喷淋机构

自动喷淋机构起润滑和降温双重功效，其采用压缩空气驱动。压机完成压制回程至上止点后，安装于模具周围的四个喷枪对准压头和下模的受热区域喷淋石墨乳，喷淋的时机与延续时间由PLC 控制。

4 自动化装置软件开发

控制系统是自动化装置的神经中枢，其采集位移传感器、温度传感器及限位开关等信号，经过数据分析处理及逻辑判断，输出控制命令，驱动各个执行机构动作实现既定功能，自动化装置采用三菱PLC+触摸屏的工业控制方案。PLC 又称可编程控制器，具有可靠性好、抗干扰能力强，编程简单的优点，但其显示能力差，用户难以直观地在界面上观测与设置试验参数；触摸屏作为显示终端，弥补了PLC 显示能力差的缺陷[2]。PLC 与触摸屏间通过串行通信进行数据交互。

控制系统结构如图6 所示。

图6 凸缘自动化成形控制系统结构

4.1 硬件选型

经分析共有23 个开关输入量、14 个开关输出量和2 路模拟量输入。根据信号的类型、数量和控制要求，结合系统冗余原则（通常20%～30%的备用原则[3]），选用三菱FX3U-64MT/ES-A 型号的PLC 作为控制核心，该模块包含32 个输入点和32 个输出点，配备64K 大容量的RAM 存储器；选用三菱FX2N-4AD 作为PLC 的扩展模块实现模拟量的采集，该模块包含4 路模拟量输入；选用信捷TG765-MT 型号的触摸屏作为控制系统的人机交互界面。