特種裝甲鋼底甲板熱壓成形自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

文／陳保龍，魏志謙，王立苗·北方工程設(shè)計(jì)研究院有限公司金俊松，王新云·華中科技大學(xué)

分析了特種裝甲鋼底甲板的結(jié)構(gòu)和沖壓成形工藝性，確定了熱壓成形工藝方案，設(shè)計(jì)了一條底甲板熱壓成形生產(chǎn)線，并對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)合理，柔性較高，適合軍工行業(yè)或其他重型工程機(jī)械行業(yè)等多品種、小批量高強(qiáng)度鋼板的熱壓成形生產(chǎn)場(chǎng)景，對(duì)其他類(lèi)似產(chǎn)品的產(chǎn)線設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。

為提高裝甲車(chē)車(chē)體的防護(hù)性能，通常采用較大厚度(≥6mm)的高強(qiáng)度裝甲鋼制造車(chē)體甲板。車(chē)體中的底甲板是重要承載和防護(hù)部件，其性能的好壞將直接影響到裝甲車(chē)的性能。由于裝甲鋼的材料特性和底甲板形狀的復(fù)雜性，導(dǎo)致在常溫下的沖壓成形會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化、翹曲和裂紋等缺陷，所以目前該類(lèi)零件的制造多采用熱壓成形。

軍工行業(yè)屬多品種、小批量作業(yè)模式，裝甲車(chē)底盤(pán)型號(hào)多種多樣，每種型號(hào)的底甲板由3 ～5 塊不同的單張底甲板組成；同時(shí)還有大量槽鋼及部分車(chē)首、車(chē)尾弧形板等結(jié)構(gòu)件需要壓形。這就導(dǎo)致目前裝甲車(chē)等特種車(chē)輛的高強(qiáng)度裝甲鋼成形普遍處于半機(jī)械、半人工的生產(chǎn)狀態(tài)，小尺寸壓形件由人工操作，大尺寸壓形件由吊車(chē)或操作機(jī)與人工配合操作。由于采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，靠人工判斷執(zhí)行，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品成形質(zhì)量及其一致性難以保證，不僅影響企業(yè)效能，也嚴(yán)重影響裝甲車(chē)輛的安全性與可靠性。因此，通過(guò)梳理同類(lèi)型產(chǎn)品，采用規(guī)范化的工藝流程開(kāi)發(fā)一條自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)提高裝甲車(chē)底甲板的熱壓成形質(zhì)量，保證裝甲車(chē)的性能具有重要的意義。

工藝分析及方案確定

工藝分析

如圖1 所示，某裝甲車(chē)底甲板總成件由多張單塊U 形底甲板拼焊組成，其中單塊U 形底甲板尺寸為2100mm×1700mm(長(zhǎng)×寬)，中間兩條U 形加強(qiáng) 筋 尺寸為1000mm×100mm×30mm( 長(zhǎng)× 寬×高)，兩端折邊的高度為160mm，展開(kāi)后坯料尺寸為2450mm×1700mm×15mm(長(zhǎng)×寬×厚)。

圖1 底甲板總成及U 形底甲板(單塊)示意圖

由圖1 可以看出，底甲板外形輪廓尺寸較大，形狀復(fù)雜，整體是U 形結(jié)構(gòu)，中部設(shè)有加強(qiáng)筋。若采用冷壓成形工藝進(jìn)行生產(chǎn)，所需壓力機(jī)設(shè)備噸位較大，產(chǎn)品尺寸不易保證(貼模性差、回彈大)，且產(chǎn)生裂紋、皺褶的概率較大。為提高底甲板的成形能力，采用熱壓成形工藝對(duì)其進(jìn)行加工，即將方形板料毛坯通過(guò)熱彎曲獲得零件兩側(cè)的圓弧，再通過(guò)熱壓成形獲得中間的加強(qiáng)筋。

工藝方案的確定

通過(guò)對(duì)底甲板工藝流程進(jìn)行分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外熱壓成形相關(guān)設(shè)備調(diào)研情況，目前底甲板自動(dòng)熱壓成形主要有以下兩種方案：

⑴“通過(guò)式”熱壓成形生產(chǎn)線(圖2)：板料放置在上料輥道上，經(jīng)過(guò)輥底爐加熱后直接轉(zhuǎn)移至壓力機(jī)進(jìn)行熱壓成形，然后通過(guò)機(jī)械手夾取壓形件進(jìn)行淬火。

圖2 “通過(guò)式”熱壓成形生產(chǎn)線

該類(lèi)型生產(chǎn)線設(shè)備的流水線布置，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高，適合單品種、大批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。但由于輥底爐為單張甲板通過(guò)式加熱，設(shè)備整體尺寸較長(zhǎng)，生產(chǎn)線占地面積較大。同時(shí)生產(chǎn)線設(shè)備串聯(lián)布置，不利于生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整。

⑵“抽屜式”熱壓成形生產(chǎn)線(圖3)：板料按批次整齊碼垛到上料平臺(tái)，通過(guò)機(jī)械手叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至臺(tái)車(chē)爐，加熱完成后由機(jī)械手叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至壓力機(jī)進(jìn)行熱壓成形，然后由淬火裝置進(jìn)行淬火。

圖3 “抽屜式”熱壓成形生產(chǎn)線

該類(lèi)型生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度較高，生產(chǎn)線設(shè)備并聯(lián)布置，便于產(chǎn)品切換及工藝流程調(diào)整，適用于多品種、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

通過(guò)對(duì)工廠產(chǎn)品進(jìn)行梳理，其熱壓零件種類(lèi)較多、數(shù)量較少，并且部分零件淬火后需進(jìn)行回火處理。如果選用“通過(guò)式”生產(chǎn)線，雖然可以滿(mǎn)足底甲板的自動(dòng)熱壓成形，但存在以下問(wèn)題：①生產(chǎn)線占地面積較大，車(chē)間現(xiàn)有條件難以滿(mǎn)足生產(chǎn)線布置；②該類(lèi)型生產(chǎn)線無(wú)法滿(mǎn)足其他角鋼、槽鋼類(lèi)零件的回火處理，需另外配置臺(tái)車(chē)爐進(jìn)行回火處理。因此，結(jié)合車(chē)間實(shí)際條件及產(chǎn)品生產(chǎn)需求，選用“抽屜式”熱壓成形生產(chǎn)線，采用一套機(jī)械手叉車(chē)及相關(guān)機(jī)構(gòu)完成裝甲板上下料、甲板轉(zhuǎn)運(yùn)、甲板淬火等動(dòng)作，形成一套自動(dòng)化程度較高的甲板熱壓成形生產(chǎn)線。

工藝流程

設(shè)計(jì)工藝流程為：上料→加熱→熱壓形→淬火→下料。

1)板料放置于上料平臺(tái)上，由機(jī)械手叉車(chē)將其搬運(yùn)至加熱爐中，放置約10 層(根據(jù)產(chǎn)品調(diào)整)，層與層之間用墊塊間隔，便于叉取。

2)根據(jù)產(chǎn)品需求，按照產(chǎn)品熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行加熱(930℃)、保溫(75min)。

3)加熱完成后板料經(jīng)機(jī)械手叉車(chē)快速搬運(yùn)至壓力機(jī)進(jìn)行熱壓成形，保壓大于等于30s。

4)由機(jī)械手叉車(chē)將壓形件搬運(yùn)至淬火水槽，壓形件豎直淬火。

5)淬火完成后，機(jī)械手叉車(chē)將壓形件搬運(yùn)至下料平臺(tái)整齊碼放。

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

底甲板熱壓成形生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備包括壓力機(jī)、熱處理爐、淬火裝置(翻轉(zhuǎn)式淬火槽)、上下料裝置(機(jī)械手叉車(chē)、上下料平臺(tái))、控制系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)，各設(shè)備選型方案如下。

15000kN 框架壓力機(jī)

通過(guò)對(duì)底甲板成形過(guò)程進(jìn)行分析，在材料確定、模具確定的前提下，成形力是保證產(chǎn)品壓形效果的重要因素。同時(shí)工作臺(tái)的形式直接影響上下料的速度和定位精度，從而影響熱壓成形效果。

⑴成形力計(jì)算。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有模具工作原理進(jìn)行分析，底甲板原材料是在壓力機(jī)滑塊移動(dòng)過(guò)程中，隨著上下模具的閉合先進(jìn)行底甲板兩端的彎曲成形，再完成底甲板中間加強(qiáng)筋的壓形。底甲板成形過(guò)程中壓力機(jī)的負(fù)荷峰值體現(xiàn)在加強(qiáng)筋的壓形階段，該階段成形力計(jì)算公式為：

F ＝KpLstσb⑴

式中，F(xiàn) 為成形力；Kp為系數(shù)，與加強(qiáng)筋的寬度和深度有關(guān)，一般取0.5 ～1.0；LS為加強(qiáng)筋的周長(zhǎng)(單位mm)；t 為材料的厚度(單位mm)；σb為材料的抗拉強(qiáng)度(單位MPa)。

根據(jù)上式，計(jì)算出底甲板成形力約為12000kN，結(jié)合工廠現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行情況，成形力需要適當(dāng)增大，確定壓力機(jī)額定壓力為15000kN。同時(shí)結(jié)合其他零件壓形需求，壓力機(jī)壓力分級(jí)控制分為5000kN、10000kN 和15000kN。

⑵工作臺(tái)形式設(shè)計(jì)。

因?yàn)榈准装宄叽缗c重量很大，考慮到機(jī)械手叉車(chē)動(dòng)作的局限性，將壓力機(jī)工作臺(tái)(圖4)設(shè)置為移出式，便于物料轉(zhuǎn)運(yùn)及模具更換。為保證不同模具的安裝，工作臺(tái)尺寸確定為3000mm×4000mm，移出距離4000mm。同時(shí)工作臺(tái)的移入和移出均與壓力機(jī)聯(lián)鎖動(dòng)作，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

圖4 移動(dòng)工作臺(tái)示意圖

現(xiàn)有大噸位壓力機(jī)更換模架、模具的過(guò)程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，而且存在一定危險(xiǎn)性，因此移出式工作臺(tái)的設(shè)置為后續(xù)生產(chǎn)線自動(dòng)換產(chǎn)、換模以及實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ)。

最終選型后的壓力機(jī)主要由主機(jī)(含機(jī)身、滑塊、油缸、移出工作臺(tái)、頂出器、潤(rùn)滑、限位等)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全裝置等組成。壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

熱處理爐

底甲板熱處理工藝：淬火加熱溫度為930℃，加熱保溫時(shí)間為75min，甲板原材料尺寸為2450mm×1700mm×15mm。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行計(jì)算，為匹配加熱爐與熱壓形設(shè)備的作業(yè)頻率，每爐甲板原材料需控制在8 到10 張；為便于機(jī)械手叉車(chē)快速插取板料，每張板料之間以150mm×150mm 墊塊相隔。因此，在綜合考慮其他產(chǎn)品加熱的前提下，確定加熱爐的爐膛有效尺寸為4000mm×3500mm×1700mm，最高爐溫為1000℃。

該熱處理爐主要由爐體、爐門(mén)、爐門(mén)升降機(jī)構(gòu)、臺(tái)車(chē)、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。熱處理爐主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 熱處理爐主要技術(shù)參數(shù)

翻轉(zhuǎn)式淬火槽

淬火件主要分為兩類(lèi)：?jiǎn)渭怪贝慊鸺?底甲板等板類(lèi)件)和批量直接淬火件(角鋼、槽鋼等零件)。淬火裝置需具備直接入水淬火和翻轉(zhuǎn)垂直入水淬火的功能。

該淬火裝置的首要目的是底甲板的淬火處理，由于底甲板壓形件的淬火工藝需求為垂直淬火，因此需設(shè)計(jì)一套翻轉(zhuǎn)架，由機(jī)械手叉車(chē)將壓形件放置在該翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)叉上，再通過(guò)安全爪夾持固定，隨后轉(zhuǎn)叉慢速旋轉(zhuǎn)90 度，將壓形件垂直送入淬火水槽進(jìn)行淬火處理。淬火完成后將壓形件翻轉(zhuǎn)水平，由機(jī)械手叉車(chē)將其搬運(yùn)至下料平臺(tái)。同時(shí)，為保證其他角鋼類(lèi)零件的批量直接淬火需求，該翻轉(zhuǎn)架可承載10t 料框的水平淬火處理。

最終選型為翻轉(zhuǎn)式淬火槽，如圖5 所示，主要由主水槽、副水槽、液壓泵站、升降臺(tái)、翻轉(zhuǎn)架、固定支架、冷卻循環(huán)系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)等組成。

圖5 淬火裝置示意圖

自動(dòng)上下料系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括一套機(jī)械手叉車(chē)及上下料平臺(tái)，主要用于板料及壓形件的抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)及放置等操作，以實(shí)現(xiàn)多工位的自動(dòng)上下料、自動(dòng)淬火等功能。

考慮到底甲板尺寸規(guī)格較大，抓手式機(jī)械手由于抓點(diǎn)處的荷載集中，有引起板料變形的風(fēng)險(xiǎn)。因此選用機(jī)械手叉車(chē)用于板料的轉(zhuǎn)運(yùn)，該設(shè)備由大車(chē)部分、小車(chē)部分、料叉及升降機(jī)構(gòu)、操作系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成。

為便于車(chē)間的柔性生產(chǎn)，兼顧其他產(chǎn)品作業(yè)，該設(shè)備具有全線自動(dòng)控制及手動(dòng)控制功能，通過(guò)編程器對(duì)熱壓生產(chǎn)線工作點(diǎn)分別設(shè)置坐標(biāo)定位，通過(guò)PLC 控制使機(jī)械手叉車(chē)能夠?qū)?t 以下料件通過(guò)大車(chē)左右移動(dòng)、小車(chē)前后移動(dòng)、料叉升降等一系列動(dòng)作組合，快速平穩(wěn)送入壓力機(jī)工作臺(tái)、熱處理爐及淬火裝置。

控制系統(tǒng)

整條生產(chǎn)線采用單層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以生產(chǎn)線總控制臺(tái)(PLC)為主站，將生產(chǎn)線各生產(chǎn)設(shè)備、控制單元及安全系統(tǒng)作為系統(tǒng)子站，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的Profinet 自動(dòng)化總線進(jìn)行通訊?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D見(jiàn)圖6。

圖6 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

⑴控制層。各控制系統(tǒng)采用具有單獨(dú)控制和聯(lián)動(dòng)控制功能、基于現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)的PLC 控制方式。其中生產(chǎn)線總控制臺(tái)管理生產(chǎn)線的運(yùn)行和停止，以及所有設(shè)備之間動(dòng)作協(xié)調(diào)及各設(shè)備工作狀況的匯集，起到監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的作用。

⑵人機(jī)界面?；诠た貦C(jī)在每個(gè)控制單元都配備了一個(gè)操作臺(tái)，采用以太網(wǎng)總線通信。操作臺(tái)不僅有操作按鈕、指示燈、自診斷功能，還可以用不同的顏色區(qū)分將I/O 信號(hào)顯示在人機(jī)界面。PLC 通過(guò)預(yù)存儲(chǔ)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)出控制指令到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，完成設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

⑶安全性。系統(tǒng)配置有安全專(zhuān)用I/O 模塊，包括安全圍欄、急停按鈕、安全鎖、聲光報(bào)警等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、控制安全區(qū)域內(nèi)的狀況，及時(shí)對(duì)故障點(diǎn)做出報(bào)警信息，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。

為滿(mǎn)足后續(xù)智能化提升需求，生產(chǎn)線總控制臺(tái)(PLC)預(yù)留與車(chē)間MES/ERP 互聯(lián)的接口，按照基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)置，充分考慮系統(tǒng)的信息共享以及技術(shù)的先進(jìn)性，從體系的架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的組建、軟硬件的配置以及功能的實(shí)現(xiàn)等方面均采用綜合自動(dòng)化技術(shù)，為后續(xù)生產(chǎn)線及車(chē)間智能化提升奠定基礎(chǔ)。

生產(chǎn)線效果

如圖7 所示，在生產(chǎn)線整體設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合車(chē)間實(shí)際情況，通過(guò)共用上下料平臺(tái)、精確設(shè)計(jì)淬火裝置的主副水槽方案來(lái)控制生產(chǎn)線長(zhǎng)度；通過(guò)精確計(jì)算機(jī)械手叉車(chē)和熱處理爐臺(tái)車(chē)作業(yè)位置，有效控制生產(chǎn)線寬度；在保證作業(yè)高度的前提下，通過(guò)降低壓力機(jī)工作臺(tái)高度(最大可達(dá)200mm)，有效控制壓力機(jī)高度，確保吊車(chē)能夠正常運(yùn)行，保證設(shè)備維修及特殊情況下吊車(chē)的應(yīng)急使用。該生產(chǎn)線的建立既滿(mǎn)足了底甲板自動(dòng)熱壓成形的要求，又兼顧了其他產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)。

圖7 自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝布置圖

該生產(chǎn)線的關(guān)鍵節(jié)拍體現(xiàn)在把加熱板料從熱處理爐移出開(kāi)始，一直到壓形件完成淬火處理，實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍：機(jī)械手叉車(chē)爐內(nèi)取料時(shí)間為10s，送料到壓機(jī)時(shí)間為35s，放料時(shí)間為10s，壓機(jī)作業(yè)時(shí)間為65s，壓形件取件時(shí)間為10s，機(jī)械手叉車(chē)送壓形件至淬火水槽時(shí)間為20s，將壓形件放置于翻轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)間為10s，翻轉(zhuǎn)機(jī)入水時(shí)間為10s，共計(jì)170s。該生產(chǎn)線極大提高了底甲板熱壓成形生產(chǎn)效率，尤其是提高了底甲板質(zhì)量的可靠性和一致性，保證了裝甲車(chē)的性能。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)底甲板結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一條特種裝甲鋼底甲板熱壓成形自動(dòng)化生產(chǎn)線，通過(guò)一套自動(dòng)上下料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)、熱處理爐和翻轉(zhuǎn)式淬火槽等設(shè)備間的物流自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)，滿(mǎn)足底甲板自動(dòng)上下料、自動(dòng)壓形及自動(dòng)淬火功能，極大提升了裝甲車(chē)底甲板成形效率和成形質(zhì)量。同時(shí)，該生產(chǎn)線“抽屜”式布置便于生產(chǎn)工藝流程調(diào)整，滿(mǎn)足其他零件的回火需求。該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)合理、柔性較高，適合軍工行業(yè)或其他重型工程機(jī)械行業(yè)等多品種、小批量高強(qiáng)度鋼板的熱壓成形自動(dòng)化生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中已獲得良好的效果，對(duì)同類(lèi)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。