文/喻兴娟·中国联合工程公司高文强，刘承昆·青岛海德马克智能装备有限公司
智能化生产线是将数控技术、自动化技术、信息技术以及现代管理技术有效集成，实现对生产线的运动控制、逻辑控制和基于生产线各成套设备的工艺管理和设备监控。本文通过对叶片制坯生产线的介绍，将生产管理平台与生产线现场控制设备相连，实现数据的无缝连接与信息共享，前后贯通整条产线，实现生产线全生产过程的计划、调度和实时处理、设备状态的安全监视和维护等，从而实现整个企业信息的综合集成。
中国正处于经济调整和产业升级的重要阶段，制造业正面临原材料价格上涨、劳动力成本上涨、人口红利散失、利润空间压缩、举步维艰的处境。企业如何获取更大的生存空间，正考验着在激烈的市场经济竞争中求生存、求效益的每个企业。作为基础装备制造的锻压行业，高效、低耗一直是行业技术升级和转型的重要策略之一。提升装备智能化，采用智能化生产线，有效提高产品质量和生产效率，提高企业核心竞争力，是当下行业发展的必由之路。
叶片是航空发动机、汽轮机、燃气轮机和压缩机的关键核心部件，起着能量转换的关键作用，是汽轮机、航空发动机的心脏。叶片的质量，直接关系到发动机、汽轮机等的工作效率。使用环境、性能要求、需求量、生产成本等因素，决定了只有采用精锻工艺、智能化的锻造生产线，才是叶片锻造生产的最佳选择。
叶片锻造的首道工序——制坯，制坯质量对后续精锻有着重要影响，整个锻坯的轴向变形基本上都在制坯工序完成。若以叶根截面选取棒料直径，制坯变形量约占叶片全部变形量的60%。目前世界上主要的大叶片制造公司一般采用叶身拔长、叶根镦粗的制坯工艺，同时拥有高精度的叶身拔长和叶根镦粗设备，而叶身拔长则大多采用奥地利G.F.M公司的程序控制四锤头径向锻造机。
国内某专业叶片生产厂为满足叶片生产需要，在几年前就对叶片的制坯工艺进行了改进提高，针对叶片的特点，新增了一条6.3MN快锻压机生产线，专门用于叶片的制坯。但由于叶片数量大，要求高，原有的一条生产线产能有限，无法满足要求。为适应锻造车间装备现代化、智能化、低成本运行要求，满足大批量大中型叶片、轴类结构件的制坯生产，设备制造厂与叶片专业厂共同协作，开发研制了一套新型机构和液压传动系统的节约型数控快锻机—10MN双锤头液压径向数控快锻机成套设备（图1），以提高生产效率、提高产能、提高材料利用率。双锤头液压径向数控快锻机成套设备组成明细，各参数详见表1，2，3。
表1 双锤头径向锻造机成套设备组成
序号 项目 数量1 10MN双锤头液压径向数控快锻机 1台2锻造操作机 2台3上料机械手 1台4下料机械手 1台5上料台（含定位装置） 1台6下料台 1台7 设备液压系统 1套8 电气控制系统 1套9 氧化皮收集小车 1套10 锻造工艺及其智能优化系统 1套
表2 主机——10MN双锤头液压径向数控快锻机
序号 项目 技术参数1 公称锻造压力 10MN 2 主缸行程 200mm 3 主缸数量 2个4 锤头宽度 ≤250mm 5 液体公称压力 27MPa 6 最大回程速度 300 mm/s 7 锻造速度 0～16MPa 150mm/s 16～27MPa 60mm/s 8 锻造频次 精整时：≥240次/min锻造时：≥100次/min 9 控制精度 ±0.3 mm 10 锻造工位 3个11 工位切换时间 ≤5s
图1 10MN双锤头液压径向数控快锻机成套设备
表3 锻造操作机
序号 项目 技术参数1 操作机数量 2 2 操作机夹持中心高度 与主机配套3 夹钳旋转精度 ≤0.5度4 操作机行走速度（锻造时） 0～400mm/s 5 操作机行走速度（运输时） 0～800mm/s 6 操作机行走精度 ±1mm 7 操作机公称载荷 20kN 8 操作机夹持力矩 60kN·m 9 夹持力大小 无级可调10 夹持范围(长度方向) 50 ～120mm 11 夹爪内工件位置检测方式 位置传感器12 夹持范围(直径方向) ≤450mm 13 夹爪数量（4爪） 2套14 操作机有效行程（单侧） 5000mm 15 液体公称压力 20MPa
智能控制
设备采用全液压驱动，配置当今世界最先进的电液控制元器件和控制系统，采用PLC、工控机和PROFINET现场总线三级控制，使数控快锻机、锻造操作机、上下料机械手的速度、位置和压力得到精确控制，实现数控快锻机、锻造操作机、上下料机械手的机械结构、传动方式、控制技术和整机性能的创新，从根本上改善叶片制坯车间的劳动环境和条件，实现锻造作业的智能化、自动化操作和生产。
图2 设备实时控制网络系统
根据双锤头液压径向数控快锻机成套设备动作复杂、结构庞大、控制对象和检测点较多、分布范围广且较为分散的特点，采用以网络技术为基础的通用工业现场控制总线（PROFINET）系统结构，由带有网络控制功能的德国SIEMENS可编程控制器（S7-1500）、工业现场总线控制单元、工业控制计算机（IPC）、数据采集系统和数据监控系统联网组成成套设备实时控制网络系统，如图2所示。
坯料的尺寸、最终尺寸和每一个道次的参数在道次计划表中定义。锻压位置、给料速度、旋转角度和其他参数在数控快锻机、锻造操作机、自动换砧的功能中详细定义。
在自动操作模式时，生产线中的每个操作动作（含自动换砧）都通过控制软件自动驱动，从上料、锻压、自动换砧、卸料都不需要操作人员。生产线整个动作循环流程如下：
⑴取料机械手从加热炉内取料喂给上料台。
⑵上料台的定位装置对工件进行定位。
⑶上料机械手从上料台上取料并送给操作机。
⑷操作机按程序所给位置夹持工件，上料机械手复位。
⑸操作机及径锻机按程序给定进行锻造过程。
⑹锻造完成（锻造程序运行完成）后由下料侧操作机夹持工件运行到设定位置（此时，上料侧进行上料步骤：序号1、2）。
⑺下料机械手夹持工件，操作机松开工件并后退至设定位置。
⑻下料机械手将工件运送至下料台，工件的锻造过程结束。
先进叶片锻造技术不仅节省金属材料，减少机加工工时，也大大降低了叶片制造成本，而且在很大程度上提高了叶片的使用性能和寿命。
采用计算机控制配套机械手，实现机械手与径向数控快锻机的联动，减少了人为控制因素，提高了制坯质量。每步压下量、进给量、转动角度等各项参数均可通过电子计算机集中控制，生产全过程仅1人操作，操作中有数据显示和打印记录。根据需要可采取手动、半自动、自动、机组联动操作。
数控快锻机的每分钟锤击次数比普通快锻液压机高一倍，高频锻打产生的形变热量可以补偿坯料散失的热量，特别是针对高合金钢、钛合金以及难加工的合金这一类加工温度范围窄的锻件，增加了一次加热中坯料的总变形量，提高了生产效率和成材率。此外，通过对双锤头径锻机锻造工艺的研究可知，双锤头锻造结构，在实际生产中能够达到四锤头的工作状态，保证质量的同时，可降低制造成本。
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