自动锻造设备自动化研究

自动锻造设备自动化研究

赵昌德 张炜 厉建启

金马工业集团股份有限公司 山东 日照 276826

摘要：锻造设备是一类在金属材料加工中完成成形与分离工艺的加工用途机械。常见的锻造类设备主要用锻锤、液压机、机械压力机、螺旋压力机、平锻机、开卷机、矫正机、剪切机以及锻造操作机等。锻造加工在机械加工中具有十分广泛的应用，在科技快速发展的推动下出现了自动锻造设备，不仅进一步提高了加工效率，还降低了人工劳动强度。本文根据锻造设备运行过程中的能量、运行特征以及载荷情况等对其进行了分类，从产品量产效率与产品品质保证方面对比了自动化锻造设备与手动锻造设备之间的差异，分析了自动锻造设备的主要组成与发展趋势，旨在为自动化锻造设备的研究提供借鉴。

关键词：自动锻造；锻造自动化；锻造效率；计算机控制

引言

由于锻造设备多用于金属成形加工，因此在机械加工领域中常被称作为金属成形机床。锻造设备的工作原理是通过金属表面施加较大的外力使得金属产生剪切破坏，从而得到需要的形状。历史上锻造设备的雏形可追溯至14世纪出现的水力落锤，主要用于制造船只的铁锚；19世纪中期以蒸汽作为动力的锻造锤开启了现代锻造设备的先河。经过长时间的发展与应用，现代锻造设备可以分为多个门类，且在计算机技术与自动化技术快速发展的推动下锻造设备逐渐由手动操作型向自动化锻造设备演变，不仅大大提高了锻造加工的效率，还扩展了锻造加工工艺的应用场景。因此，通过研究锻造设备的组成与发展，对于进一步推动锻造设备的改良与升级具有较为重要的实践价值。

1锻造设备分类概述

从不同的层面可以对锻造设备进行不同的分类，从运动载荷、能量以及运动形式的角度可以将锻造设备进行如下分类。

1.1能量限定型锻造设备

锻锤是一种典型的能量限定型锻造设备，通过锤头的往复运动完成待锻造设备的成形加工。常见的锻锤有砧座锤与对击锤等，这种锻造设备的执行部件没有固定的工作最低点，设备的外框架为锤头提供了导向。这一类锻造设备的锻造效果主要取决于锤头本身的动能大小。

1.2载荷限定型锻造设备

液压机是常见的载荷限定型锻造设备，其锻造性能取决于动力源输出的最大载荷，锻造设备的执行机构工作过程中活动横梁没有固定的向下死点，加工过程中设备立柱与框架承担了所有的载荷。

1.3行程-载荷限定型锻造设备

这一类锻造设备常见的主要有机械压力机与平锻机，行程-载荷限定则主要是指压力机工作过程中在任意行程位置的运动载荷是限定的，同时压力机总行程也是固定的。行程-载荷限定型锻造设备的加工性能可以根据实际需要实现按需供给，在不同的行程位置调节有效载荷的大小。

1.4能量-载荷限定型锻造设备

在能量限定方面，这一类锻造设备的工作原理与锻锤工作原理存在一定的相似之处，锻造执行部件均无固定向下死点；在载荷限定方面这一类锻造设备又类似于液压机或机械压力机等载荷限定类锻造设备。应用最为广泛的能量-载荷限定型锻造设备是惯性螺旋压力机。

2 手动锻造设备与自动锻造设备的对比分析

经过长时间的应用与改良升级，锻造设备逐渐从纯手工锻造设备衍生出了自动锻造设备。总的来说，手动锻造设备具有前期采购成本较低，锻造加工受操作人员的技能水平影响较大，适用于小批量的复杂锻件加工等特点；自动锻造设备在应用中则表现出明显的前期采购成本高、生产效率高、锻造加工对操作人员依赖程度较低以及适用于大批量规则形状锻件加工等特征。下面从设备产能、产品质量以及产品形状三个方面对自动锻造设备与手动锻造设备进行对比分析。

2.1 产能对比

假定某锻造厂接到60万件锻件订单任务，约定需要在一个月时间内完成交货。按照每天20小时的设备运转时间来算，单台效率为3秒/件的自动锻造机在理论条件下完成交货任务需要的时间为600000/(60/3）l60/20=25d，可以按时完成交货；同样按照每天20小时的设备运转时间来算，使用生产效率为9秒/件的手动锻造机需要3台才能在30天内完成60万件的锻造加工。由此可见，当需要较高的单位时间产量时，应优先选择自动锻造设备。

2.2 产品质量对比

在相同的生产条件下，采用手动锻造设备生产时操作人员需要进行锻件的上料、移位以及下料等操作，在锻造过程中还需要观察锻造加工是否存在异常，锻造质量需要操作人员根据实际情况进行手动调整，因而与其技能水平存在较大关联，但对锻造设备水平要求较低；使用自动锻造设备进行批量生产时则可以通过一次调整来完成锻造加工，且锻造过程无需过多的人工干预，受操作人员的技能与经验水平影响较小，但对锻造设备水平要求较高。

2.3 产品形状对比

就锻件形状而言，自动锻造设备为了提高其生产效率通常会设计多个锻造工位，每个锻造工位的模具均在设备内部，因而不适用于经常更换的情况。同时，自动锻造设备对锻造原料的一致性要求较高，若产品因形状问题无法实现定位则需要制作专门的工装。相比之下，使用手动锻造设备时技能水平较高的操作人员可以根据手动定位完成形状十分复杂的锻件加工。

3 自动锻造设备控制模式与发展趋势

3.1 步进梁主控模式

采用步进梁主控模式的自动锻造设备执行机构在工作过程中通常会存在上行死点，压力机的动作需要由步进梁来引导完成。在该主控模式下，压力机与步进梁的运动是相互独立的，因而需要控制产品传输线高度保持不变方可进行连续自动锻造。

3.2 压力机主控模式

在压力机主控模式下，压力机会与步进梁同步动作。以往，压力机主控模式一般为纯机械联动结构，现代使用压力机主控模式的自动锻造设备通常会采用伺服步进梁与电气控制联动的方式，可以实现高速锻造。

3.3 双模复式压力机

这一类自动锻造设备可以通过电气控制系统实现步进梁主控与压力机主控模式的切换，在同一个锻造设备上完成多种锻件的加工。当需要加工扁平形状的锻造件时可以使用步进梁主控模式使压力机保持较高的运转速度；当需要进行高速锻造时切换至压力机主控模式可以完成高产量的需求。

3.4 自动锻造设备的发展趋势

锻造设备自开始发展至今已经过多次升级与改良，动力与性能不断提高，生产效率也越来越高。目前，根据市场的需要自动锻造设备正由传统的重载锻造向高速、自动、精密、高兼容性化等方向转变。

3.4.1高效性

在自动锻造设备起步更早、发展更快的国外，锻造加工的效率可以保证在100次/分钟，这种快速锻造成形在温度区间较窄的高合金材料锻造加工方面体现出了较高的适用性。随着技术的进步，高速自动锻造设备在运转过程中产生的液压冲击与噪音问题得到了很好的改善，未来自动锻造设备仍将朝着更高速的方向发展。

3.4.2 数控联动化

通过使用PLC控制系统可以完成自动锻造设备的精准运动控制，实现锻造加工的精密生产与形状定制。在控制系统的调度下还可以实现操作机与主机的联动，进而可以保证锻造加工的效率。同时，与物联网技术结合后还可以实现锻造加工的远程控制。

4 结语

综上所述，锻造加工在工业领域中具有十分广泛的应用，锻造设备从开始出现也经历了一个多世纪的发展，从最初的低动力、低效率锻造发展到现在的高效、高自动化、高精度自动锻造加工中心。未来随着工业生产对锻造加工要求的不断提高，锻造设备还将得到进一步的升级。

参考文献：

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[3]李晓文。为计算机锻造“火眼金睛”——记中科院自动化所“人工智能与机器人教育联合实验室”主任董晶[J].科学中国人,2017(04):46-49。