全自動五模五沖冷鐓機的研制

王文紅 顧衛彬

（①沙洲職業工學院機電工程系，江蘇張家港 215600;②意士比機械（上海）有限公司，上海 201801）

冷鍛是指在冷態條件下的鍛造加工，即在室溫條件下，利用安裝在設備上的模具將金屬坯料成形為具有一定形狀與使用性能的零件的塑性加工方法。冷鍛是一種優質、高效、低成本的精密塑性成形工藝，可用于緊固件、軸類、桿類、齒輪和連接件等的凈成形或近凈成形生產，具有切削加工無可比擬的優點，如制品尺寸精度高、機械性能好、材料利用率高、便于大批量自動化生產等。

冷鐓技術是冷鍛技術引伸出的一種工藝，冷鐓機是生產各類標準件、緊固件、異形件的工作母機。各種異型螺釘、空心或半空心鉚釘及形狀復雜之異形零件，由于其結構復雜，不可能一次成形，需要經過多次的鍛造最后成形。為此，意士比機械（上海）有限公司研制出了ES506五模五沖冷鐓機。

1 冷鐓機結構及主要技術參數

1．1 冷鐓機結構

圖1為五模五沖冷鐓機效果圖。五模五沖冷鐓機有5個加工工位，每個工位有獨立的成形沖頭組、母模組以及相關的調整部分，工料在各工位間由獨立的夾爪傳送。其加工過程:成卷的線材經矯直器、雙重超越離合器的送線機構進入剪模，用圓剪剪下一小段的毛料，用移動的夾料機構將毛料送入一模的模腔中，一沖模將毛料沖成預定的形狀，頂出機構將一模腔中的料頂出模腔，頂出模腔的料被移動的夾爪夾住后移送到二模模腔口，然后被二沖模沖進二模腔成形。依次傳送下去，最終成品從五模腔中頂出，通過輸送機被送入成品箱。整個過程是線材被送進機器，成品被輸送機送出，產品是通過5次冷鍛逐漸成形的。

該機主要由動力系統、成形系統、液壓氣動系統、通氣系統和電氣控制系統組成。

（1）動力系統 該機的主要動力源是主電動機，由皮帶傳送運動到連接曲柄軸的飛輪，一臺離合器組裝在飛輪上，當離合器離開，飛輪空轉，機器停止工作;當離合器吸合，飛輪傳動機器工作。當機器運轉的時候，曲柄軸傳送運動至主滑塊，主滑塊上有5個沖模，曲柄軸的偏心距離影響著主滑塊的沖程，沖程越長，所能生產的鉚釘就越長。旋轉曲柄軸通過連桿使主滑塊前后往返運動，傳送沖擊力。同時曲柄軸傳送運動至側向軸，完成剪線、傳送機構的移動、線材的定量進給和母模頂出運動等。主電動機的速度可通過變頻器調節。

（2）成形系統 包括線材矯直機構、送線機構、剪線用的剪模機構、沖頭和成形及其頂出機構、母模和成形及其頂出機構、修邊機構等。

（3）液壓氣動系統 氣動系統控制離合器的離合，完成機器的工作和停止，同時氣動系統實現氣動夾子動作、保護等;潤滑液壓系統潤滑機器的所有運動機件;冷卻液壓系統在工作區域冷卻模具與產品。冷卻系統和潤滑系統是2個相互獨立的加壓循環系統。

（4）通氣系統 由一臺離心式抽油煙機排除由機器冷卻油在成形過程中產生的煙霧。

（5）電氣控制系統 機器的所有操作和安全控制受西門子PLC控制，另有觸摸屏調節機器速度、顯示產量計數及異常情況報警等。

1．2 ES506五模五沖冷鐓機主要技術參數

母模數:5;沖頭數:5;線徑:3～7.5 mm;剪斷長度:6～80 mm;母模頂出長度:6～60 mm;沖頭頂出長度:20 mm;最高生產速度:310件/min;鍛造力:50×9.8 kN;剪模直徑:28 mm;母模直徑:50 mm;最大帽沿直徑:φ27h2 mm;主電動機:20 kW。

2 液壓氣壓系統設計

2．1 液壓系統

冷鐓機的液壓系統由潤滑液壓系統和冷卻液壓系統組成。潤滑、冷卻液壓系統是分離的，各自獨立。潤滑和冷卻的功能不一樣，所以要使用不一樣的油。

2．1．1 潤滑液壓系統

冷鐓機的潤滑系統用于各運動機構的潤滑。由于各運動關節的間隙較小，潤滑油采用加壓潤滑，壓力保持在1 MPa，特別是曲柄軸中供油量一定要足，且壓力要穩定。

潤滑液壓系統如圖2所示，選用變量葉片泵和可以手動和自動控制的密封式過濾器，裝有壓力開關;此外，潤滑的末端和曲柄軸上都安裝了壓力開關，如果潤滑油過濾阻塞，系統的壓力不足（小于0.6 MPa），機器停止工作，以保證設備安全。另外，油箱中裝有液位開關，缺油時停止機器。同時選用兩位四通電磁閥，對機器的潤滑部位進行間歇潤滑，適應機器的需要。潤滑時間可通過觸摸屏由PLC來設置和調整。

2．1．2 冷卻液壓系統

冷卻液壓系統在工作區域冷卻模具與產品，如圖3所示。冷卻液壓系統比較簡單，只需要將冷卻油按需要間歇供油。選用齒輪泵供油，兩位四通電磁閥換向。冷卻時間可通過觸摸屏由PLC來設置和調整。

2．2 氣壓系統

五模五沖冷鐓機氣壓原理圖如圖4所示。從原理圖可知，壓縮空氣通過氣動三聯件后分別進入離合器控制系統、氣動夾子控制系統、送線控制系統以及手動控制的吹氣和頂出機構系統。

氣源是直接由空壓機提供，它通過氣動三聯件（分水過濾器、減壓閥、油霧器）到達三位五通氣壓電磁閥，當電磁閥YV4A、YV4B都失電，離合器離開，機器停止工作。

當電磁閥YV4A動作是高壓，在高速運動時使用高壓模式。電磁閥YV4B動作進入低壓系統，在低速運動時使用此模式。機器的高壓工作模式壓力為0.7 MPa，低壓模式工作壓力為0.4 MPa。高低壓通過梭閥控制氣流的方向，高低壓的調節是通過減壓閥控制的。氣動夾子的氣壓必須要穩定，為了維持氣壓的穩定，設計了5 L的儲氣罐。當出現短料的時候，YV9、YV8、YV2動作，氣動夾子自動張開，線材被鎖住，送線輪系統泄氣，壓線輪自動松開不再送料，機器停止。

3 控制系統設計

冷鐓機設有手動、低壓點動、高壓點動和自動4種生產模式。手動模式用于機器的手動調整及設備維修，此時機器主電動機停止工作，離合器吸合，用手柄插入飛輪的孔中，撬動飛輪，機器動作。點動模式用于點動調試機器，此時電動機起動，雙手同時操作點動按鈕，每按一下，離合器合上一次，機器動作一下;低壓點動機器速度必須在40件/min以下，高壓點動機器速度在40件/min至最高之間。機器調試好后，點動沒有問題，機器的潤滑和冷卻都調到適當狀態，油煙機、輸送機已打開，安全門都關好，按下自動按鈕，機器進入自動生產。

冷鐓機設有安全控制以保證設備與操作者安全。包括:潤滑液壓系統壓力必須穩定在1 MPa，當安裝在泵出口以及各潤滑末端的壓力開關的壓力小于0.6 MPa，機器自動停止工作;潤滑油箱和冷卻油箱中分別裝有液位開關，缺油時自動停止機器;當線材用完或短料、電感接近開關感應，控制機器自動停止;各安全門（主門、后門、側門、進線門、飛輪門）沒關上，各區域位置開關控制機器自動停止;主電動機熱過載機器自動停止。

五模五沖冷鐓機的工作特點是動作時間短，變換頻率高，且工作安全要求高。因此，其電氣控制系統切換頻繁，考慮機器工作效率和可靠性，采用PLC;同時考慮方便調整工藝參數與實時監控加工過程，操作系統使用觸摸屏。

3．1 系統硬件

PLC選西門子S7－200系列可編程控制器，主機CPU224，外加3個 EM221、1 個 EM222、2 個 EM223 數字量擴展模塊和1個EM232模擬量擴展模塊;觸摸屏選用西門子公司生產的TP－170觸摸屏。五模五沖冷鐓機控制原理結構圖如圖5所示。

對PLC來講，輸入信號有用于手動點動自動控制的按鈕、液位開關、壓力開關、位置開關和各種感應器開關，共有數字量輸入信號36個。輸出信號有液壓氣壓電磁閥、輸送機、冷卻泵、潤滑泵、油煙機以及各動作指示燈，共有數字量輸出信號24個以及主電動機變頻調速用的模擬量輸出信號1個。

3．2 PLC控制軟件設計

3．2．1 觸摸屏界面設計

首先在計算機上應用觸摸屏工具軟件SIMATIC WinCC flexible Micro，根據生產工藝的控制要求進行界面設計，并作好相關設定，再進行編譯，在計算機與觸摸屏正確通信后，下載給觸摸屏TP170。觸摸屏界面設計有主界面、生產界面、潤滑冷卻時間調整界面、警示界面。各界面之間切換方便、快捷。主界面顯示本設備的名稱及型號。生產界面顯示目前生產的產量、累計的總產量、設定的產量、電動機的速度（就是每分鐘機器生產產品的數量）。目前產量和累計產量是機器每生產1件就累計1件，當達到設定的產量機器自動停止生產。潤滑冷卻界面主要用于在機器運轉中潤滑和冷卻的時間調整。警示界面當機器處于不正常工作狀態時，通過感應器檢測到后通過畫面警示并停機。故障信息有潤滑油壓不足、潤滑油不足、冷卻油不足、短料、電動機熱過載、各安全門（主門、后門、側門、進線門、飛輪門）沒關上。

3．2．2 PLC 程序設計

為利于程序設計和維護，冷鐓機PLC的軟件設計成主程序和各子程序結構，每個子程序一直屬于調用狀態。子程序有短料檢測、產量計數、生產模式、電動機運轉、附件工作（包括輸送機、冷卻泵、油煙機）、手動、自動、潤滑、報警、氣動和運轉指示。

4 結語

ES506五模五沖冷鐓機是一種將盤元線材從矯直、送料、剪料、5工位加工成形、至輸送機輸出成品的全自動加工設備，可加工異型螺釘、空心或半空心鉚釘及形狀復雜之異形零件，適合于鋁、鐵、不銹鋼等材料。其加工工位多，更利于加工精度較高、形狀較復雜的產品;沖模具更替及機器作適當調整，就可擴大加工范圍，增強加工能力。同時，成形標準穩定，生產效率高。以中碳合金鋼為例，加工能力最高可達每分鐘310件。另外，安全可靠，操作方便，機器配有故障檢出器及安全保護裝置，當設備故障時自動停機。控制系統采用PLC，大大提高了系統的可靠性、柔性，運行更加穩定;操作系統采用觸摸屏，顯示直觀，操作簡易，為設備的調整及維護提供了便利條件。

生產實踐證明，設備運行穩定可靠，自動化程度高，產品質量好，適應大批量的生產。

［1］趙震，陳軍，吳公明．冷溫熱擠壓技術［M］．北京:電子工業出版社，2008．

［2］http://www．essebi－ machinery．com

［3］左健民．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業出版社，2007．

［4］張揚．S7－200PLC原理與應用系統設計［M］．北京:機械工業出版社，2007．