张 伟
山西钢铁建设(集团)有限公司 山西 太原 030000
中国作为目前最大冷弯型生产基地之一。主要有两大系列:第一,不锈钢冷弯型钢产品,主要负责铁路客车和动车上下墙板,地铁车辆不锈钢底架边梁、顶棚上弦梁、波纹地板、波纹顶板、侧顶板、窗上板等产品。第二,碳钢冷弯型钢产品,通常包括工程机械及塔吊型材、汽车改装、铁路货车型材、集装箱、重载汽车、物流设备、建筑钢板桩等产品。同时,冷弯型钢项目作为我公司主要的钢材深加工项目,其焊接技术、控制调整技术、成型技术在国内一直位于顶尖水平。但由于方矩管收集方式过于滞后,仍然利用翻管机来将轨道上的方管运输到工作人员面前,提供给工作人员收集,再对其进行人工打包,自动化程度较低,根本无法确保工作效率。基于此,本文通过分析方矩形管成形的关键技术,有利于工作人员能真正掌握建设方矩形管收集装置的基础,再从不同方面来分析方矩形管收集装置自动化改造中存在的问题,从而针对问题提出有效解决措施,来提升方矩形管收集装置的工作效果[1]。
(一)方矩形管成形的CAD/CAE技术
方矩形管冷弯成形工艺的轧辊设计在整个生产中的重要环节,是利用计算机技术为载体,能有效精细化轧辊轮廓,控制轧辊设计时间,降低轧辊制造成本,让方矩形管成形设计脱离设计者的工作经验。同时,COPRA RF软件作为目前最先进冷弯成型设计软件,上海某公司通过购买两套该软件,实现方矩形管设计的自动化,从工艺设计到轧辊配置、自动出图、成本核算等工作,都能采用软件来进行实施,不仅能有效提升设计效率,还能完成大量人工都无法实现的工作(如图1所示)。
图1 直接成方管的CAD设计
在传统方矩形管产品开发过程中,需要注重依赖工程师的工作经验,不可避免需要经过产品调试过程。通过利用有限元仿真技术,能给产品开发工作提供多样化方式,设计出来的轧辊和板带材料能及时引入到有限元模型中,根据机组实际参数来准确计算出机组荷载,并针对其成形结果来出具形象仿真结构。同时,在轧辊进行制作前,要提前实现计算机优化功能,来解决未来设计中存在的问题,才能将整个调试过程完整的呈现在计算机上,特别是针对一些难度较大的截面设计和新材料方面,才能利用有限元仿真方式来进行解决。
(二)高精度方矩形管成形技术
我国方矩形管经历过从无到有的过程,产品质量呈现出逐年递增的形式,随着客户对产品质量要求不断提升,无形中推动生产厂家不断优化产品精度,从而满足行业技术标准。针对该种情况,我们公司就结合企业实际情况,制定非常严谨的企业标准,来满足不同类型客户的基本要求。在正常情况下,高精度方矩形管产品主要包括生产控制、成型工艺、原料、设备等环节,为满足客户基本要求,企业构建精度较高的截面冷弯成型生产线,整个生产线的产品尺寸精度能上升到上下0.05mm范围内[2]。同时,该条生产线具有快速换辊装置、导柱式高刚度机架、插入式辊机架等(如图2所示)。
图2 高精度冷弯成型机组
(三)方矩形管柔性成形技术
通过利用直接成形方矩形管技术,有利于实现轧辊公用,能根据不同产品规格进行合理调整,在直接成形工艺基础上,国内很多制造企业都相继研究出适用于方矩形管的新型机组。同时,在我国正式公布一种新型机组,主要包括轧辊、调整结构、机架等环节,整个机架呈现立式,调整结构是通过利用两组丝杠横向安装在机架两端,丝杆一端上面设置有电机,上下轧辊则是根据要求进行依次布置,安装在两组丝杆中间,并在轧辊两端分别设置滑座,且将轧辊和丝杆进行固定。另外,轧辊两段辊面的花键轴外套上和连接套相互连接,辊面被安装在连接套中间,并且在辊面外侧的连接套中安装承载螺帽和轴承,用来作为固定作为,轴承外套用来连接丝杆和固定轧辊,整个连接体用螺帽进行固定,工作人员将螺套根据正反原则扣在丝杆上,电机能带动丝杆进行转动,并合理调整轧辊间距,保证其能满足不同程度厚度板材的成型[3]。
在信息化时代背景下,科学技术不断发展,研究人员研究出新型轧机结构,非常适合应用在加工轧件宽度变化幅度较大的浮动牌坊轧机中,在和轧件位置相同的固定牌坊间安装轧辊浮动牌坊装置,该装置主要是由两个上下轧辊浮动机构成,主要包括偏心套、浮动牌坊、下辊套、宽度调整零件等环节组成,不仅能应用在轧件宽度变化较多的轧制中,还能使用在轧制规格较小的方矩形管中。目前,我国冷弯成型方式有定半径法、定长度法等类型,这些方面无法满足方矩形管在厚度变化时弯曲精确度要求。因此,在创新轧机结构过程中,要满足不同尺寸、不同壁厚产品的基本要求,针对该种情况,研究人员提出利用外直线轮廓为固定交叉点的弯曲设计方式,这种方式不仅能满足辊型公用要求,还要有利于工作人员及时调整柔性辊型系统的设计方式。通过利用该种方法,一旦板厚出现任何变化,辊型板厚能直接根据板厚差异值来进行调整,而轴向方向能根据几何关系进行控制,孔型调整则能完成板料精确弯曲成型作用,在理论上能都完成实施。当产品板厚出现不同程度变化时,孔型垂直方向会根据板厚差值来进行控制,而水平横向会结合厚度差和弯曲角度几何关系来进行[4]。
(四)高精度高矩形管检测技术
目前,最常见的方矩形管检测是利用角度尺、千分尺、量具卡尺作为主要工具,针对圆角环节的检测,必须要进行剖面投影;针对冷弯型产品,尤其是针对截型过于复杂的产品,要工作人员可通过桌面式轮廓扫描仪来进行检测。其能通过利用旋转台和传感器来实现截面无接触检测,还能将肉眼可见截面实施图形化,其具有较高的灵活性、精度等特征。因此,在检测型材时,工作人员只需要将手放在旋转型台面上,将其旋转360°,就能将整个型面轮廓扫描出来,并将所有扫描截面全部汇聚到同一轮廓上,并将其和预期的设计断面进行对比,从而准确计算出型面出现的差异性,来判断其是否超过预定值(如图3所示)。
图3 CORPA桌面截型扫描仪
首先,以往方矩管收集装置需要耗费较高的人工成本、工作效率较慢,通常需要吊装、收集、翻管每个岗位2人,总共需要耗费6个人员;在处理80方以下的产品生产时,出管速度虽然能达到25m/min,但由于后期需要人工进行翻管和吊装排管,整体速度较慢,会将出管速度制约在20m/min左右,会给机组生产效率带来严重影响[5]。同时,传统方矩管收集装置会影响到整个产品的生产质量,在翻管机翻动管子和管子掉落时,很容易出现表面划伤,给质量带来很多方面的问题,且其还存在安全风险,一旦其出现侧翻,会和其他物体形成碰撞,从而带来打击性伤害;其次,冷弯项目生产线自动化系统是利用西门子S7-300PLC系统进行控制,在生产现场设置ET200M站,确保MCC柜、变频器装置、控制箱间进行相互沟通。但由于项目在施工过程中,电气设施接地系统规范程度不足,导致其经常出现电磁干扰问题,从而引起变频器和PLC间出现严重的通讯故障,给企业生产效率带来严重影响。但由于后期精整区域和前期成型区域并未有直接联系,所以这次改造将会去掉整个精整区域ET200M站,利用S7-200和S7300来进行控制精整区域,变频器则是利用高精度电位器来控制传送辊速度,通过输入输出模块和现场控制元件来实现硬线连接,减低系统通信故障影响范围,从而提升设备运行稳定性;最后,原链床排管收集是在悬臂吊下部进行排管打包处理,根本无法实现自动打包工序[6]。
(一)工程设计
原设计:手动收集方管、飞锯锯切、手动打包钢管、手动翻管下辊。
新设计:飞锯锯切、自动收集方管、检测有管、托板抬管、推料1对齐、检测钢管支数、传输单排钢管大链床、码垛、推料2对齐、检测钢管排数、运输出仓位、小链床运输、运输到检测点、打包钢管[7]。
(二)土建改造
在改造过程中,工作人员要将原来链床排气管收集线上的输送轨道、悬臂吊、码垛等环节拆除,然后在输送链床北侧安装码垛收集器、液压油缸、推料机,将原来的链床改造成大小不同的阶梯式链床,建立码垛收集液压基础,从而恢复混凝土路面的正常运行,提升道路两侧的安全性。
(三)电气改造
首先,通过西门子S7-300PLC控制器来控制189线自动化控制系统,并在工作现场设置ET200 M站,利用PROFIBUS-DP通信来保证操作台、MMC柜、变频器装置、控制箱等设备实现相互沟通。但由于在项目施工阶段电气设备接地系统设计规范程度不足,导致其经常受到电磁干扰,在主系统中PLC和变频器时常出现通讯故障,给生产效率带来严重影响。针对这种情况,工作人员对其进行多方面分析,发现后期精整环节和前期成型工艺环节并未有明显联系,及时将精整区域ET200 M站去掉,利用S7-200和S7-300两个PLC控制其来控制整个精整环节,保证变频器能控制传送辊运行速度,从而实现硬线相互连接,降低主系统通信故障影响范围,从而提升设备运行稳定性。其次,链床收集打包系统是将SIEMENS S7-200为主体,并结合现场需求,编制对应的系统运行程序,来提升整套设备的稳定性。同时,由于精整区域PLC模块和现场控制单元距离较近,根本不需要利用网络传输来进行控制,并且经过优化后的精整区域控制系统不需要网络通信控制,单纯采用硬线连接,就能提升其抗干扰能力和稳定性,降低维修工作人员的工作量[8]。
综上所述,冷弯型钢作为含大量钢元素的深加工产品,工作人员通过进行自动化改造,能有效提升产品生产效率,和去年生产量相比,单班生产量能超过去年40吨,订单完成效率得到明显提升,给企业实现可持续发展打下坚实的基础。基于此,本文通过分析方矩形管成形的关键技术,有利于工作人员能真正掌握建设方矩形管收集装置的基础,再从不同方面来分析方矩形管收集装置自动化改造中存在的问题,从而针对问题提出有效解决措施,来提升方矩形管收集装置的工作效果。
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