基于數字式銅加工熱鍛紅沖生產線的方案設計

王守業，趙立峰，趙江鋒，趙志全，田 進

（浙江燦根智能科技股份有限公司，浙江 諸暨 311804）

1 引言

紅沖加工工藝是從精鍛和熱擠壓基礎上發展起來的一種半潔凈成形加工工藝，特別是在材料延展性強的材料如銅加工中得到廣泛應用。紅沖工藝就是通過對材料的加熱，在一定的溫度下沖壓、一次成形規定的形狀。在水龍頭、閥門等水暖器件生產中，得到廣泛的應用。由于是在加熱中進行沖壓，所以叫做紅沖。

目前傳統熱鍛紅沖生產工藝仍然停留在半自動水平甚至是人工作業模式，質量穩定性差，安全、環保措施過于陳舊，危險系數大。數字式銅加工熱鍛紅沖生產線作為一種半潔凈的加工工藝，其生產效率和半成品精度，也為銅加工所青睞，被公認是最好的成形工藝。

改造傳統紅沖生產線生產模式，通過技術創新，以清潔的中頻電加熱圈取代天然氣加熱方式，研制機械手上下料裝置，大量采用多種傳感器，檢測紅料溫度、紅料位置、紅料放置位置以及其他保護檢測，實現紅沖過程的自動化；滿足柔性生產的高效性；生產線數字管理系統，對生產過程的數據和設備加工狀態進行數據采集，并通過內部的數據庫和相關算法，對采集的數據進行分析，提供生產效率、成品率、生產OEE、工人生產考核等管理數據，為設備納入MES 系統提供方便。行業從事智能化改造的企業很多，但是將智能化和數字化結合，引入5G 網絡、制造云平臺儲存，通過數據庫平臺進行管理的提升和產業的轉型的卻為數不多。

2 方案與技術路線

如圖1 所示，通過對數字式銅加工熱鍛紅沖生產線進行長期和詳細的調查，對功能、工藝要求等也制定了需求分析和實施技術路線，對需求進一步細化，技術方案進一步落實。

在理論分析方面，對生產線的結構、柔性機械手上下料機構、中頻加熱線圈及電源、工藝過程進行仿真和實驗研究，確定最佳的工藝路線，在工藝路線的指導下，開展機構設計。

在機構和結構創新設計方面，主要在模具結構、柔性機械手及移動平臺、模塊化功能部件等方面進行設計，針對現有設備的結構，增加恰當的加熱機構和聯接機構，實現聯線生產。

在控制系統研制方面，對整機生產工藝和設備狀態關鍵點進行摸排，研發數字式銅加工熱鍛紅沖生產線生產管理系統，完成基于PLC 的數字化產線管理系統的最佳方案，以獲得能表示設備運行狀態的實時數據；在控制系統設計上，在PLC 控制核心的基礎上，構建穩定的總線方式和數據協議，開發控制系統軟件，同時對數據進行分析和歸類，建立能表示設備實際運行狀態的數學模型，根據模型判別設備的運行狀態，并將狀態和故障隱患點發送給設備制造商，達到遠程監控和維護的目的；開發軟件自維護和自升級接口，能實現軟件的自維護，并為將來的大數據應用提供通訊口和協議。

3 數字式銅加工熱鍛紅沖生產線總體設計

如圖2 所示，生產線定義為數字式銅加工熱鍛紅沖柔性生產線，為此，其總體布置非常重要，需要滿足生產節拍的上下料、模具加油潤滑、傳感器布置、數據上下傳送、數據看板設立等，尤其是銅加工溫度在400℃以上，對傳感器布置、數據采集都有影響，因此，生產線總線布置非常重要。

3.1 中頻加熱方式及其機構設計

采用清潔的中頻電加熱取代燃氣或者焦炭直接熱方式，降低污染，提高加熱效率。中頻加熱主要利用材料的集膚效應，將工頻50Hz 交流電轉變為中頻（300Hz 以上至20kHz）的電源，產生磁場。銅金屬放置在有交變中頻電流的感應圈里，銅表面被加熱到發紅，甚至熔化，調節頻率大小和電流的強弱就能控制加熱速度和深度。

3.2 溫度檢測裝置

以往紅沖銅料的溫度是由工人師傅根據銅料的顏色判別，溫度過高容易燒壞模具，過低輕則紅沖開裂產生次品，重則損壞磨具。設置紅外溫度檢測裝置，對進入模具之前的銅料進行溫度檢測，如果銅料加熱不充分，則自動剔除該銅料，防止機器在沖壓加熱不充分的銅料時造成模具損壞，同時反饋溫度控制系統，對中頻加溫裝置參數進行調整，滿足加溫要求。

3.3 柔性機械手

如圖3 所示，設計一種柔性6 自由度機械手，能夠實現實現紅料的自動上料、模具噴油潤滑冷卻、自動傳送下料并輸送至模具等，在紅沖后再從模具上撿取半成平，將半成品放置在半成品框，同時將石蠟油噴射到模具，冷卻模具，避免紅料粘住模具，影響生產。

3.4 生產線控制系統

以PLC 為核心的控制系統，實現生產線的集成控制；控制系統包括多種傳感器，對紅料溫度進行檢測，放置溫度不夠的紅料進入模具，損傷模具；對紅料位置進行檢測，使機械手能認識并正確拾取紅料；對模具狀態進行檢測，避免重復給料；此外，還有許多安全傳感器，保護設備和人員的安全。

實現設備狀態數據采集，通過有線、無線網絡、交換機將所有采集數據輸送至服務器。實現將現場采集的設備數據匯總，通過軟件進行解析、統計、計算，并生產相應的圖形、報表等文件。設備管理者可以通過網絡訪問服務器，只需在PC 端即可全面、快速了解現場生產的整體運行狀況，還可以通過手機APP 獲得同樣的信息，從而實現精確管理決策、及時處理生產現場異常問題。

3.5 油煙排放裝置

紅沖過程將會產生大量油煙氣，影響環境，本項目生產線研制過程中，將采取措施，安裝工業抽油煙設施，將紅沖產生的油煙收集起來并集中處理。

3.6 模具安全保護裝置

紅沖生產，模具的安全尤為重要。一套模具的研制，需花費大量經費，而時間也尤為關鍵。模具受損主要是由于紅料的溫度偏低，或者是由于模具內疊料，就是說模具內上一個半成品還沒有取出，新的紅料又加進去，造成兩個紅料在模具內沖壓。以前在人工操作程序中，模具的保護可以通過工人的視覺和經驗來實現，在實現自動生產以后，模具的保護主要靠數據的采集；紅料的溫度保護主要靠紅外溫度傳感器，而疊料則主要依靠在沖床模具上增加壓力傳感器，通過沖壓過程中的沖壓力檢測，在壓力異常時，快速停止沖壓，保護模具。

4 關鍵技術

（1）建立了一個數字式銅加工熱鍛紅沖生產線，通過各種傳感器采集數據，顯示所采集產量、溫度曲線、不良率等生產信息，提升紅沖產品線的智能化程度，使生產數據可視化，管理人員可在辦公室就可以知道這些數據，同時可以根據這些數據進行生產安排。如圖4 所示。

（2）自動化水平高，可實現一鍵生產，只需要按一下“自動生產”按鈕，整條線就可以自行生產，一個人可以看管多條產線，減少人力成本，減輕員工工作強度；按下“自動換模”按鈕，備用模具可以通過軌道，自動到位而不用調節，大大提高了生產效率。

（3）研制了基于柔性機械手的紅沖上料裝置，將原來分散的上料機和加熱設備等集成在一起，不僅節約空間，而且大大提高了設備的穩定性和維護安裝的方便性。

5 主要技術參數

數字式銅加工熱鍛紅沖生產線生產速率提高4s/件，產線不間斷工作時間24h,產品質量合格率高確保在99%以上，以2 工件原料棒為例，每件以智能化紅沖后可節約原材料每件30%；實現無人化在線上料、送料、加熱、監測（溫度、載荷、環保、安全）功能。進行數字化統計分析和在線數據的實時監測。生產線主要技術參數如表1 所示。

表1 關鍵技術參數

6 效果驗證

數字式銅加工熱鍛紅沖生產線主要社會效益在于提升傳統制造業的技術水平，項目在設計、改造工程中積極貫徹執行國家有關能源、安全政策，在工藝及其他設計中采用下列節能措施：

（1）生產設備按工藝流程合理布置，盡量減少、避免往返運輸量；

（2）生產、檢測工藝路線優良，提高材料利用率，降低損耗；

（3）選用節能設備，實行變頻裝置，節能安全；

（4）增設環保除油、除氣過濾裝置，防止環境污染。

因此，在整個生產過程中（下料、上料、送料、加熱、檢測、成品輸出、除油/除氣、安全、大數據分析系統等），主要設備均為自動化、智能化操作、無人化在線監測裝置，通過大數據采集、分析，實施掌控整個生產運行，為降低環境污染、提高生產安全性填補了傳統紅沖行業的空白。運行時噪聲極低，無廢氣、廢水排放，在環保方面有其不可比擬的優越性。為傳統制造業在國內的持續發展提供技術支撐。

7 結論

數字式銅加工熱鍛紅沖生產線是水暖產業的基礎設備，在國計民生中有廣泛的應用領域。通過精密壓力機、加熱裝置、檢測裝置、機械臂等實現串聯，依據MES、ERP、OA 系統的相互結合，實現移動5G 網絡數據傳輸存云平臺；將現場設備、人員、質量、計劃、工藝流程等信息進行串聯，實現柔性生產線。隨著市場對智能化需求量越來越大，憑借該產品高敏性、安全性、穩定性能主要特性，這一智能化成套設備關鍵技術的突破，將持續帶動行業技術步入更高水平。