特種裝甲鋼底甲板熱壓成形自動化生產(chǎn)線設計

文／陳保龍，魏志謙，王立苗·北方工程設計研究院有限公司金俊松，王新云·華中科技大學

分析了特種裝甲鋼底甲板的結構和沖壓成形工藝性，確定了熱壓成形工藝方案，設計了一條底甲板熱壓成形生產(chǎn)線，并對生產(chǎn)線的設計過程進行詳細介紹。該生產(chǎn)線設計合理，柔性較高，適合軍工行業(yè)或其他重型工程機械行業(yè)等多品種、小批量高強度鋼板的熱壓成形生產(chǎn)場景，對其他類似產(chǎn)品的產(chǎn)線設計具有較大的參考價值。

為提高裝甲車車體的防護性能，通常采用較大厚度(≥6mm)的高強度裝甲鋼制造車體甲板。車體中的底甲板是重要承載和防護部件，其性能的好壞將直接影響到裝甲車的性能。由于裝甲鋼的材料特性和底甲板形狀的復雜性，導致在常溫下的沖壓成形會產(chǎn)生嚴重的加工硬化、翹曲和裂紋等缺陷，所以目前該類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，裝甲車底盤型號多種多樣，每種型號的底甲板由3 ～5 塊不同的單張底甲板組成；同時還有大量槽鋼及部分車首、車尾弧形板等結構件需要壓形。這就導致目前裝甲車等特種車輛的高強度裝甲鋼成形普遍處于半機械、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或操作機與人工配合操作。由于采取點對點的方式，靠人工判斷執(zhí)行，生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品成形質量及其一致性難以保證，不僅影響企業(yè)效能，也嚴重影響裝甲車輛的安全性與可靠性。因此，通過梳理同類型產(chǎn)品，采用規(guī)范化的工藝流程開發(fā)一條自動化生產(chǎn)線，對提高裝甲車底甲板的熱壓成形質量，保證裝甲車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×寬)，中間兩條U 形加強 筋 尺寸為1000mm×100mm×30mm( 長× 寬×高)，兩端折邊的高度為160mm，展開后坯料尺寸為2450mm×1700mm×15mm(長×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，形狀復雜，整體是U 形結構，中部設有加強筋。若采用冷壓成形工藝進行生產(chǎn)，所需壓力機設備噸位較大，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其進行加工，即將方形板料毛坯通過熱彎曲獲得零件兩側的圓弧，再通過熱壓成形獲得中間的加強筋。

工藝方案的確定

通過對底甲板工藝流程進行分析，結合國內外熱壓成形相關設備調研情況，目前底甲板自動熱壓成形主要有以下兩種方案：

⑴“通過式”熱壓成形生產(chǎn)線(圖2)：板料放置在上料輥道上，經(jīng)過輥底爐加熱后直接轉移至壓力機進行熱壓成形，然后通過機械手夾取壓形件進行淬火。

圖2 “通過式”熱壓成形生產(chǎn)線

該類型生產(chǎn)線設備的流水線布置，自動化程度高，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式加熱，設備整體尺寸較長，生產(chǎn)線占地面積較大。同時生產(chǎn)線設備串聯(lián)布置，不利于生產(chǎn)工藝流程的調整。

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，通過機械手叉車轉運至臺車爐，加熱完成后由機械手叉車轉運至壓力機進行熱壓成形，然后由淬火裝置進行淬火。

圖3 “抽屜式”熱壓成形生產(chǎn)線

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

通過對工廠產(chǎn)品進行梳理，其熱壓零件種類較多、數(shù)量較少，并且部分零件淬火后需進行回火處理。如果選用“通過式”生產(chǎn)線，雖然可以滿足底甲板的自動熱壓成形，但存在以下問題：①生產(chǎn)線占地面積較大，車間現(xiàn)有條件難以滿足生產(chǎn)線布置；②該類型生產(chǎn)線無法滿足其他角鋼、槽鋼類零件的回火處理，需另外配置臺車爐進行回火處理。因此，結合車間實際條件及產(chǎn)品生產(chǎn)需求，選用“抽屜式”熱壓成形生產(chǎn)線，采用一套機械手叉車及相關機構完成裝甲板上下料、甲板轉運、甲板淬火等動作，形成一套自動化程度較高的甲板熱壓成形生產(chǎn)線。

工藝流程

設計工藝流程為：上料→加熱→熱壓形→淬火→下料。

1)板料放置于上料平臺上，由機械手叉車將其搬運至加熱爐中，放置約10 層(根據(jù)產(chǎn)品調整)，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)進行加熱(930℃)、保溫(75min)。

3)加熱完成后板料經(jīng)機械手叉車快速搬運至壓力機進行熱壓成形，保壓大于等于30s。

4)由機械手叉車將壓形件搬運至淬火水槽，壓形件豎直淬火。

5)淬火完成后，機械手叉車將壓形件搬運至下料平臺整齊碼放。

生產(chǎn)線設計

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

15000kN 框架壓力機

通過對底甲板成形過程進行分析，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。同時工作臺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成形力計算。

通過對現(xiàn)有模具工作原理進行分析，底甲板原材料是在壓力機滑塊移動過程中，隨著上下模具的閉合先進行底甲板兩端的彎曲成形，再完成底甲板中間加強筋的壓形。底甲板成形過程中壓力機的負荷峰值體現(xiàn)在加強筋的壓形階段，該階段成形力計算公式為：

F ＝KpLstσb⑴

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

根據(jù)上式，計算出底甲板成形力約為12000kN，結合工廠現(xiàn)有設備運行情況，成形力需要適當增大，確定壓力機額定壓力為15000kN。同時結合其他零件壓形需求，壓力機壓力分級控制分為5000kN、10000kN 和15000kN。

⑵工作臺形式設計。

因為底甲板尺寸與重量很大，考慮到機械手叉車動作的局限性，將壓力機工作臺(圖4)設置為移出式，便于物料轉運及模具更換。為保證不同模具的安裝，工作臺尺寸確定為3000mm×4000mm，移出距離4000mm。同時工作臺的移入和移出均與壓力機聯(lián)鎖動作，確保設備安全運行。

圖4 移動工作臺示意圖

現(xiàn)有大噸位壓力機更換模架、模具的過程費時、費力，而且存在一定危險性，因此移出式工作臺的設置為后續(xù)生產(chǎn)線自動換產(chǎn)、換模以及實現(xiàn)全過程自動化控制奠定了基礎。

最終選型后的壓力機主要由主機(含機身、滑塊、油缸、移出工作臺、頂出器、潤滑、限位等)、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全裝置等組成。壓力機主要技術參數(shù)見表1。

表1 壓力機主要技術參數(shù)

熱處理爐

底甲板熱處理工藝：淬火加熱溫度為930℃，加熱保溫時間為75min，甲板原材料尺寸為2450mm×1700mm×15mm。通過對生產(chǎn)節(jié)拍進行計算，為匹配加熱爐與熱壓形設備的作業(yè)頻率，每爐甲板原材料需控制在8 到10 張；為便于機械手叉車快速插取板料，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、爐門升降機構、臺車、燃燒系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。熱處理爐主要技術參數(shù)見表2。

表2 熱處理爐主要技術參數(shù)

翻轉式淬火槽

淬火件主要分為兩類：單件垂直淬火件(底甲板等板類件)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，因此需設計一套翻轉架，由機械手叉車將壓形件放置在該翻轉架轉叉上，再通過安全爪夾持固定，隨后轉叉慢速旋轉90 度，將壓形件垂直送入淬火水槽進行淬火處理。淬火完成后將壓形件翻轉水平，由機械手叉車將其搬運至下料平臺。同時，為保證其他角鋼類零件的批量直接淬火需求，該翻轉架可承載10t 料框的水平淬火處理。

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

圖5 淬火裝置示意圖

自動上下料系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括一套機械手叉車及上下料平臺，主要用于板料及壓形件的抓取、轉運及放置等操作，以實現(xiàn)多工位的自動上下料、自動淬火等功能。

考慮到底甲板尺寸規(guī)格較大，抓手式機械手由于抓點處的荷載集中，有引起板料變形的風險。因此選用機械手叉車用于板料的轉運，該設備由大車部分、小車部分、料叉及升降機構、操作系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成。

為便于車間的柔性生產(chǎn)，兼顧其他產(chǎn)品作業(yè)，該設備具有全線自動控制及手動控制功能，通過編程器對熱壓生產(chǎn)線工作點分別設置坐標定位，通過PLC 控制使機械手叉車能夠將3t 以下料件通過大車左右移動、小車前后移動、料叉升降等一系列動作組合，快速平穩(wěn)送入壓力機工作臺、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)絡架構，以生產(chǎn)線總控制臺(PLC)為主站，將生產(chǎn)線各生產(chǎn)設備、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)技術的Profinet 自動化總線進行通訊?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡拓撲示意圖見圖6。

圖6 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲示意圖

⑴控制層。各控制系統(tǒng)采用具有單獨控制和聯(lián)動控制功能、基于現(xiàn)場總線通信技術的PLC 控制方式。其中生產(chǎn)線總控制臺管理生產(chǎn)線的運行和停止，以及所有設備之間動作協(xié)調及各設備工作狀況的匯集，起到監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲的作用。

⑵人機界面。基于工控機在每個控制單元都配備了一個操作臺，采用以太網(wǎng)總線通信。操作臺不僅有操作按鈕、指示燈、自診斷功能，還可以用不同的顏色區(qū)分將I/O 信號顯示在人機界面。PLC 通過預存儲程序將數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)出控制指令到現(xiàn)場設備，完成設備執(zhí)行機構的動作。

⑶安全性。系統(tǒng)配置有安全專用I/O 模塊，包括安全圍欄、急停按鈕、安全鎖、聲光報警等，能夠實時監(jiān)控、控制安全區(qū)域內的狀況，及時對故障點做出報警信息，并采取相應保護措施。

為滿足后續(xù)智能化提升需求，生產(chǎn)線總控制臺(PLC)預留與車間MES/ERP 互聯(lián)的接口，按照基于現(xiàn)場總線的自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設置，充分考慮系統(tǒng)的信息共享以及技術的先進性，從體系的架構、網(wǎng)絡的組建、軟硬件的配置以及功能的實現(xiàn)等方面均采用綜合自動化技術，為后續(xù)生產(chǎn)線及車間智能化提升奠定基礎。

生產(chǎn)線效果

如圖7 所示，在生產(chǎn)線整體設計過程中，結合車間實際情況，通過共用上下料平臺、精確設計淬火裝置的主副水槽方案來控制生產(chǎn)線長度；通過精確計算機械手叉車和熱處理爐臺車作業(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，通過降低壓力機工作臺高度(最大可達200mm)，有效控制壓力機高度，確保吊車能夠正常運行，保證設備維修及特殊情況下吊車的應急使用。該生產(chǎn)線的建立既滿足了底甲板自動熱壓成形的要求，又兼顧了其他產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)。

圖7 自動化生產(chǎn)線工藝布置圖

該生產(chǎn)線的關鍵節(jié)拍體現(xiàn)在把加熱板料從熱處理爐移出開始，一直到壓形件完成淬火處理，實際生產(chǎn)節(jié)拍：機械手叉車爐內取料時間為10s，送料到壓機時間為35s，放料時間為10s，壓機作業(yè)時間為65s，壓形件取件時間為10s，機械手叉車送壓形件至淬火水槽時間為20s，將壓形件放置于翻轉機時間為10s，翻轉機入水時間為10s，共計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量的可靠性和一致性，保證了裝甲車的性能。

結束語

通過對底甲板結構及生產(chǎn)工藝進行分析，設計開發(fā)出一條特種裝甲鋼底甲板熱壓成形自動化生產(chǎn)線，通過一套自動上下料系統(tǒng)實現(xiàn)壓力機、熱處理爐和翻轉式淬火槽等設備間的物流自動轉運，滿足底甲板自動上下料、自動壓形及自動淬火功能，極大提升了裝甲車底甲板成形效率和成形質量。同時，該生產(chǎn)線“抽屜”式布置便于生產(chǎn)工藝流程調整，滿足其他零件的回火需求。該生產(chǎn)線設計合理、柔性較高，適合軍工行業(yè)或其他重型工程機械行業(yè)等多品種、小批量高強度鋼板的熱壓成形自動化生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中已獲得良好的效果，對同類生產(chǎn)線設計具有較大的參考價值。