基于數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 培,黃紅兵

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 六安 237158)

0 引言

受科技因素的影響,社會(huì)諸多領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化,其中在制造業(yè)的中型軸承鍛造產(chǎn)品方面發(fā)生的變化不僅體現(xiàn)在中型軸承產(chǎn)品的數(shù)量增多,而且還表現(xiàn)在高可靠性、高精度使用環(huán)境下的產(chǎn)品應(yīng)用[1-2]。由此可見(jiàn),對(duì)于整個(gè)商品市場(chǎng)而言,產(chǎn)品在科技因素的作用下不僅迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇,而且也面臨著不少挑戰(zhàn),及時(shí)抓住機(jī)遇并且克服挑戰(zhàn)是獲得進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。在這樣的背景下,數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。筆者從數(shù)字化車(chē)間入手,探討中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)設(shè)備集成技術(shù)應(yīng)用,以此來(lái)明確這一方面的內(nèi)容。

數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)概念被提出以后,傳統(tǒng)的中間軸承鍛造生產(chǎn)模式將面臨諸多挑戰(zhàn),這種挑戰(zhàn)不僅是傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝,而且是機(jī)械加工模式的變革。數(shù)字車(chē)間設(shè)備集成技術(shù)的合理應(yīng)用不僅有助于整體提高軸承鍛造機(jī)械加工工藝的水平,而且在數(shù)字車(chē)間的幫助下融合了網(wǎng)絡(luò)終端、計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互對(duì)接, 間接提高了鍛造設(shè)備的產(chǎn)出質(zhì)量。數(shù)字化車(chē)間的應(yīng)用很大程度上在實(shí)際軸承加工中促進(jìn)了鍛造工藝技術(shù)的發(fā)展[3]。

中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)的功能是準(zhǔn)確和定量控制軸承鍛件的生產(chǎn)過(guò)程,這是更薄、更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定的機(jī)械加工系統(tǒng),并在優(yōu)化機(jī)械質(zhì)量、過(guò)程和鍛件成本過(guò)程中,使得軸承鍛造和質(zhì)量控制形成閉環(huán)控制,以至于將質(zhì)量盡可能控制在一定的范圍內(nèi)[4]?，F(xiàn)今,大部分的制造車(chē)間的制造過(guò)程得不到有效的監(jiān)控,工藝難以把握,一旦出現(xiàn)廢品,很難定位是哪個(gè)環(huán)節(jié)造成的。鑒于此,筆者借助多年的鍛造機(jī)械加工工藝的經(jīng)驗(yàn),同時(shí)借鑒了先進(jìn)的文獻(xiàn)資料和技術(shù)文檔,對(duì)鍛造機(jī)械加工工藝進(jìn)行更為深入的剖析與嘗試。本文將數(shù)字化車(chē)間與鍛造工藝相互結(jié)合,提出了一種信息共享的機(jī)制,實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)工藝過(guò)程,提高了中型軸承鍛造機(jī)械加工實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了一套基于云存儲(chǔ)的數(shù)字化車(chē)間制造過(guò)程系統(tǒng)。

1 數(shù)字化車(chē)間的相關(guān)內(nèi)容分析

隨著制造業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展,傳統(tǒng)數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工的精度和生產(chǎn)工藝的質(zhì)量已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)制造加工的需求。數(shù)字化車(chē)間概念的提出不僅是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,而且也是為了迎合鍛造機(jī)械加工工藝實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)展趨勢(shì)的需要。中型軸承廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,是制造設(shè)備的重要組成器件,借助于數(shù)字化車(chē)間的信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝制造過(guò)程的信息共享,間接提高鍛造機(jī)械加工工藝質(zhì)量,使得整個(gè)鍛造過(guò)程更為快速、準(zhǔn)確、可追溯。

1.1 數(shù)字化車(chē)間基本內(nèi)容以及產(chǎn)生的背景

在信息技術(shù)發(fā)展全球化的趨勢(shì)下,數(shù)字化車(chē)間應(yīng)運(yùn)而生,帶來(lái)了機(jī)械加工工藝過(guò)程的監(jiān)控追溯方法,從工藝信息中分析質(zhì)量較差的制造環(huán)節(jié),從而為提高工藝質(zhì)量提供了一種新方案。依靠數(shù)字化車(chē)間的信息科技,有效縮短軸承鍛造的制造過(guò)程、提高產(chǎn)品制造工藝、加速產(chǎn)品更新速度、減少制造周期和定制生產(chǎn)模式是歷史必然的趨勢(shì)。數(shù)字化車(chē)間軸承鍛造加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以從提高軸承鍛造工藝出發(fā)作為一個(gè)研究重點(diǎn),借助信息化技術(shù)間接提高機(jī)械產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力,從而推廣到各個(gè)關(guān)鍵機(jī)械部件的加工過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。在數(shù)字化車(chē)間的幫助下,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和產(chǎn)品管理人員可以從數(shù)字化車(chē)間系統(tǒng)中追溯加工過(guò)程,從而對(duì)中型軸承的生產(chǎn)質(zhì)量提高有很大的幫助。

圖1 數(shù)字化模式下加工車(chē)間架構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of processing workshop in digital mode

在提高了中型軸承鍛造機(jī)械加工工藝質(zhì)量的同時(shí),企業(yè)最希望的就是縮短中型軸承的制造周期。因?yàn)閷?duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō),周期就是效益。單位時(shí)間生產(chǎn)的良品率越高,企業(yè)的生存幾率就越大[5-6]。在中型軸承鍛造機(jī)械加工產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用中,數(shù)字化車(chē)間的主要目的是縮短中型軸承鍛造機(jī)械加工的設(shè)計(jì)與制造之間的距離,借助于數(shù)字化車(chē)間信息技術(shù)可以很快地分析出整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中哪個(gè)環(huán)節(jié)是否有問(wèn)題,企業(yè)產(chǎn)品管理人員只需要把有問(wèn)題的環(huán)節(jié)加以避免就可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量,有利于促進(jìn)數(shù)字車(chē)間的全面進(jìn)步和發(fā)展[7]。

1.2 機(jī)械加工車(chē)間架構(gòu)

數(shù)字化車(chē)間的概念是以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為依托,借助于數(shù)據(jù)信息交互為手段,監(jiān)控整個(gè)鍛造機(jī)械加工過(guò)程,上報(bào)給數(shù)字車(chē)間系統(tǒng)進(jìn)行處理、分析與保存,給企業(yè)人員分析產(chǎn)品提供了一個(gè)有效的手段。在數(shù)字化和制造業(yè)結(jié)合的基礎(chǔ)下,依據(jù)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品工藝的實(shí)際需求,可以從數(shù)字化系統(tǒng)中分析有問(wèn)題的工藝環(huán)節(jié),從而提升了整個(gè)制造過(guò)程。數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。從圖中可以看到,在數(shù)字化車(chē)間的幫助下,員工可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中型軸承每個(gè)加工細(xì)節(jié),環(huán)環(huán)把控每個(gè)流程,保證加工的工藝品質(zhì)。

1.3 機(jī)械加工系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)字化車(chē)間框架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Digital workshop frame structure diagram

數(shù)字化車(chē)間框架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。數(shù)字化車(chē)間是以信息技術(shù)為基礎(chǔ),將智能制造的概念應(yīng)用到機(jī)械加工系統(tǒng)當(dāng)中去。數(shù)字化鍛造系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)追溯來(lái)診斷中型軸承在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、鍛造質(zhì)量過(guò)程中是否有問(wèn)題,從而進(jìn)行售后跟蹤,縮短中型軸承產(chǎn)品的周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量等。數(shù)字化車(chē)間一般分為車(chē)間、生產(chǎn)線、加工單元和操作層。

數(shù)字化車(chē)間,從架構(gòu)上分為數(shù)字化車(chē)間、數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化加工單元和數(shù)字化加工單元及操作。

2 軸承套圈鍛造加工工藝

2.1 鍛造成型

中型軸承是制造機(jī)械設(shè)備的基本關(guān)鍵部件,以往由于制造技術(shù)工藝難以保障,大多數(shù)軸承都采用進(jìn)口加工。在數(shù)字化信息技術(shù)的幫助下,軸承鍛造在成型過(guò)程中就可以有效地進(jìn)行工藝上的提高,這不僅僅帶來(lái)了巨大的市場(chǎng)前景,而且可以引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級(jí),突破國(guó)外技術(shù)的封鎖。熱鍛是我國(guó)軸承制造業(yè)的主要技術(shù)。在實(shí)際的加熱過(guò)程中,為了保證鍛件的質(zhì)量,達(dá)到降低能耗的目的,金屬鋼坯的加熱溫度必須準(zhǔn)確測(cè)量,同時(shí)在生產(chǎn)單軸承環(huán)或間歇軸承環(huán),對(duì)生產(chǎn)能力的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

鍛造成型階段采用主加熱的方式,采用鍛造設(shè)備,使形狀和尺寸能夠滿足加工要求。軸承包括套圈、滾動(dòng)體和保持器等內(nèi)容,在軸承的鍛造機(jī)械加工過(guò)程中,需要對(duì)金屬環(huán)材料施加一定的壓力,以獲得滿足加工形狀、尺寸和質(zhì)量指標(biāo)等一系列的機(jī)械性能。通過(guò)鍛造可以消除金屬內(nèi)部缺陷,改善金屬結(jié)構(gòu),有效改善軸承環(huán)的金屬密封。在此階段,按要求將原料切成進(jìn)料段,不僅是為了下料形狀與質(zhì)量的精準(zhǔn)度,而且要提高剪切速度,使用單點(diǎn)機(jī)械壓力機(jī)或者是油壓機(jī)輔助模具剪切下料。

圖3 軸承圈“一火鍛”工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of bearing ring “one fire eorging”

下料質(zhì)量會(huì)受到剪切時(shí)棒料軸向竄動(dòng)與翹曲的阻礙,使得鍛造成型階段可以進(jìn)行嚴(yán)格的成型工藝控制。

2.2 鍛后處理

在鍛造處理的這個(gè)階段,檢查中型軸承的鍛件質(zhì)量好壞,并且及時(shí)地剔除切屑,完善軸承的產(chǎn)品質(zhì)量,修復(fù)質(zhì)量參數(shù)不滿足要求的軸承鍛件,并對(duì)鍛件表面進(jìn)行熱處理,以滿足軸承環(huán)鍛造加工的要求。鍛件的變形應(yīng)遵循剪應(yīng)力法、最小阻力法、體積不變法、彈性變形法和塑性變形法的規(guī)律,合理地改善軸承套圈的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高強(qiáng)度和塑性變形。軸承圈“一火鍛”工藝流程圖如圖3所示,鋼的塑性、沖擊韌性等機(jī)械性能參數(shù)均可以反映出中型軸承環(huán)鍛件工藝的綜合系數(shù),中型軸鍛造的性能變化與結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。在鍛造過(guò)程中,應(yīng)選擇塑性高、抗變形能力強(qiáng)的軸承環(huán)鍛件,將加熱溫度合理控制在允許溫度范圍內(nèi),避免過(guò)熱。

2.3 鍛造優(yōu)化

數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)的主要功能是將中型軸承鍛造工藝和機(jī)械鍛造過(guò)程進(jìn)行更為精確的控制,盡可能消除存在的手工工藝質(zhì)量誤差,使鍛造加工工藝的過(guò)程更加精益,鍛造質(zhì)量品質(zhì)更為穩(wěn)定,鍛造后的中型軸承具有更強(qiáng)的可追溯性和優(yōu)化性。結(jié)合多年來(lái)的鍛造加工的經(jīng)驗(yàn),對(duì)中型軸承鍛造工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討。

許多專(zhuān)家學(xué)者和企業(yè)一線鍛造工藝從業(yè)人員都在探索中型軸承環(huán)鍛造技術(shù)的優(yōu)化方法和策略,獲得了值得借鑒的工藝優(yōu)化方法。從傳統(tǒng)制造業(yè)軸承的鍛造方法可以看出,典型的中型軸承鍛造工藝要進(jìn)一步提高鍛件材料的利用率和產(chǎn)品工藝質(zhì)量,其優(yōu)化核心步驟是軋制工藝。目前,在中型軸承的軋制過(guò)程中一般采用直輥,對(duì)這一鍛造工藝的優(yōu)化來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面,一是調(diào)整中型軸承的環(huán)鍛尺寸;二是調(diào)整中型軸承的形狀。在鍛造工藝的粗加工過(guò)程中,應(yīng)及時(shí)清除半成品滾道高溫引起的薄層氧化,以保證刀具的精度。優(yōu)化方法包括落料、加熱、鐓粗、擠壓、基材切割、軋制和噴丸。隨著鍛造工藝技術(shù)的發(fā)展和提高,在具體鍛造工藝中應(yīng)結(jié)合上述優(yōu)化工藝。

中型軸承鍛造機(jī)械加工工藝優(yōu)化描述如下:

1)建立中型軸承加工工藝的數(shù)據(jù)庫(kù)。該工藝庫(kù)可以動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)在鍛造過(guò)程中的中型軸承機(jī)械工藝加工參數(shù)相關(guān)信息,支持中型軸承在鍛造過(guò)程的工藝參數(shù)實(shí)時(shí)控制。

2)建立中型軸承鍛造工藝機(jī)械模型。通過(guò)中型軸承鍛造機(jī)械加工工藝模型中的具體工藝程序,不僅可以驗(yàn)證質(zhì)量工藝數(shù)據(jù)庫(kù)信息的準(zhǔn)確性和質(zhì)量等級(jí),而且可以為軸承成品加工工藝提供質(zhì)量模板。

3)建立中型軸承環(huán)工藝優(yōu)化模型。優(yōu)化模型應(yīng)同時(shí)包含軸承環(huán)公差標(biāo)準(zhǔn)和尺寸等關(guān)鍵工藝信息[8]。在具體的工藝設(shè)計(jì)鍛造的過(guò)程中,只能提供必要的中型軸承鍛造機(jī)械產(chǎn)品信息,在工藝過(guò)程模型庫(kù)中生成所需的過(guò)程數(shù)據(jù),以提高和優(yōu)化工藝。

3 鍛造過(guò)程數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,將數(shù)據(jù)從數(shù)字化車(chē)間的中間軸承鍛造加工系統(tǒng)中傳輸?shù)絇C機(jī)中使用與提供后續(xù)分析。人們對(duì)中間軸承鍛造加工提出了更高的要求,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得智能家居逐漸變成了現(xiàn)實(shí),基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以其成本低、質(zhì)量?jī)?yōu)和方便快捷的優(yōu)點(diǎn)備受人們的關(guān)注,成為研究重點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)架設(shè)需求,將組網(wǎng)方式分為本地局域網(wǎng)組網(wǎng)方式和廣域網(wǎng)組網(wǎng)方式兩種,這兩種組網(wǎng)方式都是當(dāng)前組網(wǎng)方式的擴(kuò)展。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,服務(wù)器放置于本地,機(jī)器人控制器(RC)通過(guò)無(wú)線終端機(jī)與本地節(jié)點(diǎn)相連接,一個(gè)本地節(jié)點(diǎn)可以連接10臺(tái)RC,本地節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)采集到后,再次通過(guò)無(wú)線終端與本地服務(wù)器相連接,服務(wù)器通過(guò)3G網(wǎng)卡或有線網(wǎng)絡(luò)與Internet相連接,客戶(hù)端瀏覽器通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)從本地服務(wù)器上瀏覽信息。

各數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:本地節(jié)點(diǎn)與RC:一對(duì)多;本地服務(wù)器與本地節(jié)點(diǎn):一對(duì)多。

3.2 軸承鍛造加工體系設(shè)計(jì)

數(shù)字化車(chē)間的中間軸承鍛造加工系統(tǒng)中的鍛造過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、工藝流程監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤等功能。在進(jìn)行數(shù)字化車(chē)間軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)過(guò)程中,首先需要明確鍛造加工計(jì)劃,制定出一套詳細(xì)的工藝數(shù)據(jù)采集方案,然后再進(jìn)行鍛造執(zhí)行,跟蹤回溯,收集有用的信息數(shù)據(jù)和提供完善的售后跟蹤服務(wù)。對(duì)于中軸承鍛壓加工系統(tǒng)的制造工藝進(jìn)行監(jiān)控,一般需要通過(guò)信息流溯源來(lái)斷定和診斷中軸承的鍛造過(guò)程是否有問(wèn)題發(fā)生。通過(guò)對(duì)軸承鍛件生產(chǎn)過(guò)程中各種因素的實(shí)時(shí)信息分析,可以快速反饋和處理異常情況。

3.3 軸承鍛造加工軟件設(shè)計(jì)

在軸承的制造過(guò)程中數(shù)據(jù)采集如圖4所示。為了解決數(shù)據(jù)采集過(guò)程中信息交互的問(wèn)題,在數(shù)字化車(chē)間中型軸承鍛造系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳、分析等技術(shù),分別對(duì)上傳的工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷,并通過(guò)以太網(wǎng)傳播到軸承工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中。

目前,企業(yè)對(duì)數(shù)字車(chē)間介質(zhì)軸承鍛壓機(jī)加工系統(tǒng)的需求總結(jié)如下:

1)數(shù)字化產(chǎn)品質(zhì)量管理。掌握軸承生產(chǎn)鍛造的實(shí)際生產(chǎn)狀況,并且有效地監(jiān)控在鍛造過(guò)程中易出現(xiàn)次品的生產(chǎn)流程,有利于掌握次品中軸承鍛過(guò)程中一系列問(wèn)題。

2)鍛造材料管理。數(shù)字化車(chē)間鍛造系統(tǒng)在工作過(guò)程中實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,分析軸承鍛造工藝,有利于安排生產(chǎn)任務(wù),并對(duì)介質(zhì)軸承鍛造產(chǎn)品存在的問(wèn)題進(jìn)行回顧性分析。

3)產(chǎn)品質(zhì)量管理。跟蹤收集軸承鍛壓機(jī)械半成品信息,跟蹤半成品質(zhì)量,避免漏檢和不及時(shí)檢驗(yàn),保證產(chǎn)品生產(chǎn)周期的質(zhì)量。

4)報(bào)表系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)數(shù)據(jù)獲取—存儲(chǔ)—處理—應(yīng)用,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和顯示,形成可視化的圖形報(bào)表。例如,可以查看機(jī)床操作效率表和報(bào)警信息表來(lái)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。

圖4 制造過(guò)程異構(gòu)數(shù)據(jù)采集Fig.4 Heterogeneous data acquisition in manufacturing process

4 結(jié)論

中小型軸承鍛造加工系統(tǒng)數(shù)字化車(chē)間在提高軸承精度和工藝質(zhì)量已成為必然趨勢(shì)。因此,在數(shù)字化車(chē)間進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,提出了一種提高中型軸承鍛造機(jī)械加工工藝綜合技術(shù)的合理應(yīng)用策略管理軟件。在中型軸承鍛造的高可靠性、高精度的中型軸承鍛造機(jī)械加工的過(guò)程中,軸承鍛件的鍛造環(huán)境,如溫度和加熱周期等,在整個(gè)數(shù)字化車(chē)間的中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格實(shí)時(shí)控制。該機(jī)械加工系統(tǒng)有效結(jié)合了數(shù)字化車(chē)間的信息交互思想,對(duì)關(guān)鍵的工藝信息進(jìn)行處理分析,后期供專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行跟蹤追溯,將分析到的有問(wèn)題環(huán)節(jié)進(jìn)行工藝產(chǎn)業(yè)升級(jí),從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量,縮短了產(chǎn)品周期,對(duì)未來(lái)數(shù)字化車(chē)間中型軸承鍛造機(jī)械加工系統(tǒng)提供了保障,對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)起到了一定的作用。