程控電液自由鍛錘

陳柏金，張連華，馬海軍，謝朝陽，顏笑鵬

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

電液自由鍛錘由于工藝適應性強、結構簡單、操作方便、投資成本低等優點在我國應用較廣。電液自由鍛錘在鍛造行業雖然廣泛使用，但鍛錘生產過程中的噪聲、安全隱患及自動化程度低等缺點依然存在。目前，自由鍛錘的生產場景仍然是一個操作工在鍛錘跟前手動操作一套杠桿機構控制鍛錘的動作，根據不同工序，手動搖動杠桿機構的頻次最快在120次/min以上；另外一個操作工在操作車上操控鍛造操作機，如兩臺操作機還需另外一個操作工，自由鍛生產過程中的高溫、高強度、高噪聲及低安全性影響相關行業的發展。

實現自由鍛錘的程控化，則能將鍛錘的操作轉移到封閉的操作室，生產噪聲得到隔離，鍛錘的操作過程中的許多工步可采用自動控制，操作人員的勞動強度降低，生產安全和工作環境得到改善；同時，可以將鍛造操作機的控制集中到操作室，一人同時操控鍛錘和操作機，實現減人增效，提高生產競爭力，并可實現操作機和鍛錘聯動。

1 自由鍛錘控制原理

作為通用性最強的鍛造裝備，自由鍛錘也在不斷的技術改造和技術升級，經歷了空氣錘、蒸-空氣錘、電液液氣鍛錘、電液全液壓鍛錘等多個發展階段。到目前為止，自由鍛行業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，通過機械連桿機構操縱手動隨動滑閥7來控制錘頭3的動作。鍛錘工作缸5上腔充有高壓氮氣，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上腔氣體膨脹力驅動下加速下行打擊；操作隨動滑閥7使工作缸5下腔進油則錘頭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、不存在主缸油氣互串問題、結構簡單、打擊后錘頭回程不滯后等優點，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）滑閥實現鍛錘控制，將鍛錘的手動控制升級為控制器控制，則能實現鍛錘的自動控制。由于自由鍛錘生產的工藝要求隨機性大，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現。

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

如圖3所示為自由鍛錘電液伺服控制系統工作原理圖。

圖3 自由鍛錘電液伺服控制工作原理示意圖

伺服閥4根據給定控制信號，控制伺服油缸2運動，伺服油缸2驅動鍛錘控制閥1動作，鍛錘控制閥1實現鍛錘的各種動作。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組成閉環控制系統，伺服油缸2的響應速度、運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現。

將鍛錘的位置檢測信號采集到控制器，采用相關的控制算法可以實現鍛錘按給定參數自動運行，圖4是PLC控制的程控電液自由鍛錘控制框圖。

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

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控操作界面

3 程控自由鍛錘特點

（1）鍛錘遠程控制。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。PLC、液壓伺服閥、伺服油缸、反饋傳感器組成閉環控制系統來驅動控制鍛錘動作的控制閥，PLC根據命令信號控制伺服油缸的運動速度和位置，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鍛造要求，向PLC發送命令，從而實現自由鍛錘的遠程操控，減輕操作人員勞動強度、改善生產條件，并能進一步實現生產過程的自動控制。

（2）鍛錘生產過程自動鍛造。在采用液壓伺服控制系統的基礎上，增加鍛錘位移檢測傳感器，實現鍛錘生產過程的自動鍛造。

在PLC監控操作界面上設置多個鍛造道次，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當前坯料的成形尺寸選擇對應道次，控制器根據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械手柄完成，每分鐘往復操作120次以上，操作人員勞動強度大；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實際操作情況不斷改變道次或對應道次的參數，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，鍛錘動作自動變為自動控制，不需操作人員來回操作手柄，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，這樣很容易實現鍛打過程中的輕錘、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）與操作機聯動。鍛錘、操作機控制集中到操作室，實現一人同時控制鍛錘及操作機，并且操作機可以根據設定的速度、位置（帶位置控制的操作機）與鍛錘動作聯動，這能大大提升進行鍛材成材鍛錘的生產能力，且顯著降低勞動強度，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9m/s，對鍛錘錘身、鍛錘基礎產生沖擊、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，不影響現場操作，現場操作也不會損壞傳感器。在不影響測量精度的前提下，有利于保護測量傳感器，延長其使用壽命。

4 結語

自由鍛錘實現程控化不僅能改善鍛錘生產條件，而且能實現減人增效，改變自由鍛錘的傳統操作方式，使鍛錘及其行業煥發新的生機。通過8t自由鍛錘的試用表明，自由鍛錘程控化完全可行，現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。