CN111266551A - 一种钢平法兰半固态短流程智造系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢平法兰半固态短流程智造系统及其方法，智能熔炼模块，用于液态金属成分智能控制和短流程智能辅助定量浇注；多功能模具模块，用于实现生产线上液态铸锻机的交替轮流使用；智能化液态模锻工艺控制模块，用于监测压铸温度；金属成品自动化码垛模块，用于控制机器人将机加工完成的成品零件按设定程序堆垛；主控室，分别与智能熔炼模块、多功能模具模块、智能化液态模锻工艺控制模块和金属成品自动化码垛模块连接，实现智造。本发明生产过程简便，易操作，依靠机械化、自动化生产，工人工作环境得到改善的同时也极大地降低生产成本，提高生产效率。

Description

一种钢平法兰半固态短流程智造系统及其方法

技术领域

本发明属于法兰盘类金属构件成型技术领域，具体涉及一种钢平法兰半固态短流程智造系统及其方法。

背景技术

法兰盘类零件属于典型的回转体，应用面广且消耗量极大，是非常关键的机器与设备的连接件。此类回转体零部件都是先由铸造生产出粗胚，再进行机加工，切削掉缺陷区域。铸造件内部致密性难以得到保证，在有气密性要求时废品率比较高，不适合用于生产高质量的法兰生产。此外，常规手段的生产过程工序复杂，效率比较低，并且由于切削造成的应力残留以及加工变形，往往使得产品的质量难以得到有效保证。由于目前的国内现状，以及目前的铸造工艺及生产状况限制，采用常规铸造生产此类回转体构件不得不面临生产环境恶劣、环保性差等问题。尽管如此，仍有部分零件难以保证良好的铸造质量，常常因冷却状况和工艺条件使得产品伴随有多种铸造缺陷。在法兰盘类零件中，大直径小厚度的法兰盘零部件更是法兰生产过程中的一大难点。

其原因在于采用传统铸造工艺生产出来的法兰盘粗胚在进行机加工时，大直径小厚度的法兰盘更容易发生变形。而如果采用冲压法进行法兰类零件的生产，虽然能够获得较好的尺寸精度与产品质量，但依旧有着其特有的缺陷。冲压法得到的法兰，边缘部位有一定的加工硬化，脆性大，使用中容易出现裂纹。落料和冲料和冲裁过程都会形成废料，法兰材料冲裁工艺利用率很低，一般不到50％，所以板料冲压法得到的法兰成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钢平法兰半固态短流程智造系统及其方法，是一种短流程、智能化、高度自动化的精准铸锻一体式的生产工艺，不仅能进行实现生产过程绿色环保无污染，材料利用率高，产品致密度高，产品力学性能好，而且可以使生产过程简便，易操作，完成机械化、自动化生产，使整体生产流程高度智能化，实现智能制造。此外，本发明适应性广，除了可用于法兰盘类的回转体零件生产，也可用于其他结构复杂的薄壁件生产。

本发明采用以下技术方案：

一种钢平法兰半固态短流程智造系统，包括

智能熔炼模块，用于液态金属成分智能控制和短流程智能辅助定量浇注；

多功能模具模块，用于实现生产线上液态铸锻机的交替轮流使用；

智能化液态模锻工艺控制模块，用于监测压铸温度；

金属成品自动化码垛模块，用于控制机器人将机加工完成的成品零件按设定程序堆垛；

主控室，分别与智能熔炼模块、多功能模具模块、智能化液态模锻工艺控制模块和金属成品自动化码垛模块连接，实现智造。

具体的，智能熔炼模块1包括液态金属成分智能精准控制单元和短流程智能辅助定量浇注单元；液态金属成分智能精准控制单元通过多种传感器的作用，将信号传输至控制柜，控制柜与主控室连接；短流程智能辅助定量浇注单元通过精准定量控制单元将熔炼炉内的熔融金属转移至中间浇包内，再由浇包快速浇铸，通过无线方式与主控室连接。

进一步，在浇口杯的斜上方安装有CCD高速摄像系统，用于采集浇口杯的液面图像，精准定量控制单元利用计算机图像处理方法得到浇口杯内金属液位实时高度，由控制算法计算控制量信号输送给步进电机，步进电机控制浇注阀门运动控制开启度控制浇注流量，通过对浇口杯液位高度的控制实现定量浇注。

更进一步，计算机图像处理方法通过采集的浇口杯页面图像，根据比例关系计算出浇口杯内液体距离浇杯口距离得到浇口杯内金属液实时高度；控制算法通过浇口杯内的实时高度与设定高度的差值，得出所需熔融金属液体积；根据预先输入的物理模型，得出进步电机启动-减速-停止的时间，转化为控制量信号输送给进步电机；进步电机接收控制量信号后进行工作，通过液压柱升降速度确定浇注流量的速度。

具体的，多功能模具模块包括多个液态铸锻机，液态模锻机的工作台设置有多个工位。

具体的，智能化液态模锻工艺控制模块包括压力传感器和温度传感器，压力传感器用于控制压铸时的压力大小；温度传感器用于监测压铸的温度。

本发明的另一个技术方案是，一种钢平法兰半固态短流程智造方法，利用所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，包括以下步骤：

S1、中频感应炉将原材料融化，通过激光诱导击穿光谱技术对炉料成分、温度进行精准检测；

S2、熔融金属达到使用标准后，液压设备启动，将金属溶液转移至设定好的辅助浇注用定量浇包中，浇包由机器人快速转运至铸造模锻机器处，并在1～2s内完成熔融金属填充进模具过程；

S3、铸造模锻机器开始工作，在设定时间内进行保温保压后，机器人取出模锻件，并送至指定位置，由机器人将零件送往自动化机加工中心；

S4、自动化机加工设备开始工作，对模锻件粗胚进行去毛刺、加工倒角、凹槽、打孔精加工，加工完成品通过带轮传送机构运送至机器人处进行堆垛。

具体的，步骤S1中，熔体实际成分与设定成分差值不超过设定成分的5％，实际浇铸温度与设定浇铸温度相差不超过10℃。

具体的，步骤S3中，先将浇杯中的金属液体浇注进金属模具中，完成动作后，上模具下压，与金属液相接触，根据设定时间进行保压后，上模具上升，下模具中的顶杆将铸件顶出，完成一个液态模锻过程。

进一步，根据锻件最大厚度尺寸，每毫米保压0.5s。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种钢平法兰半固态短流程智造系统，使用半固态铸锻一体化成型技术，结合自动化机械化生产思路，通过各种元器件相互配合，实现短流程、高效率、绿色环保、高品质、高度自动化生产的目标；涉及半固态铸造、压力铸造、闭模锻造、精准熔炼、智能控制定量浇注、多工位连续生产以及智能机械自动化，使用半固态铸造技术，可细化晶粒，使组织细化，性能提升，使用压力铸造技术，可进行复杂零件的成型，

进一步的，使用闭模锻造技术，可对凝固金属进行压力补缩使组织致密，进而提高零件的力学性能。

进一步的，使用精准熔炼技术，可实现金属液成分实时控制，使金属液成分保持稳定，确保生产过程工艺受到成分影响较小，使产品质量得到保证。

进一步的，使用智能控制定量浇注，可实现炉内金属液温度保持恒定，不会因热量损失而使得浇注过程受到影响，保证产品致密性以及整体尺寸稳定性，可使得浇注定量可控，并提高传输机器运行效率与方便性，减少生产时间，提高生产效率。

进一步的，使用多工位连续生产，可实现工位的轮换交替，使模具免因热疲劳而寿命缩短，实现同一时间内进行多种产品的连续生产，节约时间，提高效率，可快速更换故障工位，使得整条生产线不会因一处故障而被迫停止，提高生产过程中的容错率。

进一步的，使用智能机械自动化，使工人远离熔融金属液，提高工人生命安全。此外，智能化，机械化以及自动化生产的结合，使得生产过程可控易调节，流水线式的生产使得整个生产过程高效而整洁。

综上所述，本发明制造技术通过半固态控制下的铸锻一体化技术，结合现代嵌入式软件、微电子、互联网等信息技术，实现法兰盘类环状零件生产加工，并且获得的法兰盘类环状零件组织均一、无偏析、高致密甚至于零切削。此外，舍弃传统的砂型铸造与冲压、锻造，本发明是一种液态模锻-铸锻一体化工艺方法，使得生产过程无粉尘、低噪音、少有害气体、高效率，达到绿色环保、高效节能的生产目标。并且，生产过程简便，易操作，依靠机械化、自动化生产，工人工作环境得到改善的同时也极大地降低生产成本，提高生产效率和服役模具的寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为短流程液态模锻智造技术整体布局示意图；

图2为液态模锻工艺流程示意图；

图3为智能熔炼模块示意图；

图4为CCD图像处理控制定量化示意图；

图5为多工位工作台示意图；

图6为金属成品自动化码垛模块示意图；

图7为不同工艺下金相显微组织对比图，其中，(a)为50μm普通砂型铸造组织，(b)为25μm普通砂型铸造组织，(c)为50μm半固态铸造组织，(d)为25μm普半固态铸造组织， (e)为50μm挤压铸造组织，(f)为25μm普挤压铸造组织。

具体实施方式

本发明提供了一种钢平法兰半固态短流程智造系统及其方法，不仅能进行实现生产过程绿色环保无污染，材料利用率高，产品致密度高，产品力学性能好，而且可以使生产过程简便，易操作，完成机械化、自动化生产，使整体生产流程高度智能化，实现智能制造。

请参阅图1，一种钢平法兰半固态短流程智造系统，包括智能熔炼模块1、多功能模具模块2、智能化液态模锻工艺控制模块3和金属成品自动化码垛模块4，智能化熔炼模块1完成工作后智能化液态模锻工艺控制模块3进行工作，再交由金属成品自动化码垛模块4，多功能模具模块2用于更换模具，满足不同产品的生产。

请参阅图3，智能熔炼模块1包括液态金属成分智能精准控制单元和短流程智能辅助定量浇注单元。

液态金属成分智能精准控制单元通过多种传感器的作用，将信号传输至控制柜，控制柜与主控室相连接，工作人员在主控室内监控全部过程，液态金属成分智能精准控制单元通过一些先进的测试手段和电子技术，如采用真空直读光谱仪，碳硫分析仪，热分析仪等，快速有效地控制炉前金属液成分和杂质元素含量，保证铸件内在质量的可靠稳定。

短流程智能辅助定量浇注单元通过精准定量控制单元，将熔炼炉内一定质量的熔融金属转移至一定体积的中间浇包内，再由浇包快速浇铸。短流程智能辅助定量浇注单元由于其具有一定的相对位置的变换，所以通过无线连接与主控室相连，各传感器为保证其使用寿命，内嵌至相应部件内部。

请参阅图4，精准定量控制单元通过CCD图像处理控制定量法，摄像头安装在浇口杯的斜上方，用于采集浇口杯的液面图像，利用计算机图像处理方法得到浇口杯内金属液位实时高度，并与工艺设定的液位高度进行比较得出偏差，再由控制算法计算出相应的控制量信号输送给步进电机，步进电机控制浇注阀门运动控制开启度来控制浇注流量，从而实现对浇口杯液位高度的控制，达到定量浇注目的。

计算机图像处理方法通过采集到的浇口杯页面图像，根据比例关系，计算出浇口杯内液体距离浇杯口距离，进而得到浇口杯内金属液实时高度。

控制算法通过浇口杯内的实时高度与设定高度的差值，依据圆柱体体积公式：V＝πr²h，得出所需熔融金属液体积。根据预先输入的物理模型，得出进步电机启动-减速-停止的时间，转化为控制量信号输送给进步电机。

进步电机接收到控制量信号后进行工作，表现为液压支柱的升降。液压柱升降速度反映浇注流量的速度。

多功能模具模块2，多功能模具模块2用于实现生产线的多功能化，使该生产线不单单生产一种产品，由多个液态铸锻机以及多种模具组成，多个铸锻机用于交替轮流使用，铸锻机上模具为可拆卸式模具，模具种类各异。

请参阅图5，液态模锻机的工作台具有四个工位，能够满足进行四件零件的同时成型，也可在必要时通过模具的更改，进行四种不同零件的同时成型。

智能化液态模锻工艺控制模块3包括压力传感器和温度传感器，经由多个传感器控制，模具依照设定完成整个压铸过程，并自动将零件弹出，交由机器人进行下一步动作。

压力传感器控制压铸时压力大小；温度传感器监测压铸温度，温度传感器测得温度与设定温度相差5％则会自动停止生产过程，减小损失，机器人负责将压铸件取出并放置于临时存放点，零件等待下一环节的加工。

请参阅图6，金属成品自动化码垛模块4用于控制机器人将机加工完成的成品零件按设定程序堆垛，堆垛到一定重量后，用于堆垛的承载设备启动，运输至指定位置，进行库存的堆放与校验。

本发明一种钢平法兰半固态短流程智造方法，包括以下步骤：

S1、通过中频感应炉将原材料融化，通过激光诱导击穿光谱技术对炉料成分、温度进行精准检测；

确保熔体实际成分与设定成分相差在允许范围之内，使得实际生产的产品成分正确，质量合格。温度的变化对浇铸过程有很大影响，浇铸温度高于半固态成型温度则会使得形核晶粒少，未能达到预期的晶粒细化作用。浇铸温度低于半固态成型温度则会使流动性降低，充型不完善。实际成分与设定成分差值不得超过设定成分的5％。实际浇铸温度与设定浇铸温度相差不得超过10℃

S2、熔融金属与设定成分相差不超过5％后，液压设备启动，将金属溶液转移至设定好的辅助浇注用定量浇包中，浇包由机器人快速转运至铸造模锻机器处，并在1～2s内完成熔融金属填充进模具过程；

S3、铸造模锻机器开始工作，在设定时间进行保温保压后，机器人取出模锻件，并送至指定位置，由机器人将零件送往自动化机加工中心；

依据锻件最大厚度的尺寸，每毫米需0.5s的保压时间。

请参阅图2，液态模锻过程工艺流程如下：

先将浇杯中的金属液体浇注进金属模具中，完成动作后，上模具下压，与金属液相接触，根据设定时间进行保压后，上模具上升，下模具中的顶杆将铸件顶出，完成一个液态模锻过程。

S4、自动化机加工设备开始工作，对模锻件粗胚进行去毛刺、加工倒角、凹槽、打孔精加工，加工完成品通过带轮传送机构运送至机器人处进行堆垛。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

合金成分质量比为B：1.0％、C：0.3％、Si：0.5％、Mn：0.5％、Cr：1.0％、Ti：0.2％、Cu：0.5％，其余元素为Fe和一些不可避免的杂质元素。

高硼钢平法兰生产参数为：半固态制备工艺参数：斜槽角度—30°、斜槽长度—450mm、斜槽温度—25℃

挤压工艺参数：模具温度—300℃、浇注温度—1470℃、比压—100MPa、保压时间—60s、挤压速度—6～10mm/s。

组织分析：

请参阅图7，铸态组织中α-Fe呈发达的树枝晶分布，枝晶臂在50～80μm；枝晶间的共晶 Fe2B网状比较发达，多成鱼骨状，其宽度约在20μm。经半固态铸造后，α-Fe明显细化，但Fe2B网状形态仍很发达，如图7(c)、(d)。图7(e)～(f)为不同倍数下的挤压态组织。

观察对比发现特征如下：

①α-Fe明显细化，分布均匀；

②共晶Fe2B鱼骨状特征明显减少，部分呈现明显的断网、离散分布；

③与砂型和半固态铸造相比，半固态挤压铸造后，共晶Fe2B网条状分布，其厚度明显变薄、变窄，部分断裂。

④珠光体区域分布均匀，尺寸减小，层片变细。

性能变化：

半固态试样多测得平均截距明显小于砂型铸造，而经过挤压过的试样的平均截距则最小，说明半固态浆料在压力下结晶一定程度上改善了凝固条件，使出生奥氏体得到细化。

请参阅表1，挤压态试样较砂型铸造试样和半固态试样的硬度值分别提高了36.4％和 13.7％.。

表1三组试样硬度的变化

通过对比发现，半固态挤压铸造的试样具有更高的力学性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢平法兰半固态短流程智造系统，其特征在于，包括

智能熔炼模块，用于液态金属成分智能控制和短流程智能辅助定量浇注；

多功能模具模块，用于实现生产线上液态铸锻机的交替轮流使用；

智能化液态模锻工艺控制模块，用于监测压铸温度；

金属成品自动化码垛模块，用于控制机器人将机加工完成的成品零件按设定程序堆垛；

主控室，分别与智能熔炼模块、多功能模具模块、智能化液态模锻工艺控制模块和金属成品自动化码垛模块连接，实现智造。

2.根据权利要求1所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，其特征在于，智能熔炼模块1包括液态金属成分智能精准控制单元和短流程智能辅助定量浇注单元；液态金属成分智能精准控制单元通过多种传感器的作用，将信号传输至控制柜，控制柜与主控室连接；短流程智能辅助定量浇注单元通过精准定量控制单元将熔炼炉内的熔融金属转移至中间浇包内，再由浇包快速浇铸，通过无线方式与主控室连接。

3.根据权利要求2所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，其特征在于，在浇口杯的斜上方安装有CCD高速摄像系统，用于采集浇口杯的液面图像，精准定量控制单元利用计算机图像处理方法得到浇口杯内金属液位实时高度，由控制算法计算控制量信号输送给步进电机，步进电机控制浇注阀门运动控制开启度控制浇注流量，通过对浇口杯液位高度的控制实现定量浇注。

4.根据权利要求3所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，其特征在于，计算机图像处理方法通过采集的浇口杯页面图像，根据比例关系计算出浇口杯内液体距离浇杯口距离得到浇口杯内金属液实时高度；控制算法通过浇口杯内的实时高度与设定高度的差值，得出所需熔融金属液体积；根据预先输入的物理模型，得出进步电机启动-减速-停止的时间，转化为控制量信号输送给进步电机；进步电机接收控制量信号后进行工作，通过液压柱升降速度确定浇注流量的速度。

5.根据权利要求1所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，其特征在于，多功能模具模块包括多个液态铸锻机，液态模锻机的工作台设置有多个工位。

6.根据权利要求1所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，其特征在于，智能化液态模锻工艺控制模块包括压力传感器和温度传感器，压力传感器用于控制压铸时的压力大小；温度传感器用于监测压铸的温度。

7.一种钢平法兰半固态短流程智造方法，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项所述的钢平法兰半固态短流程智造系统，包括以下步骤：

S1、中频感应炉将原材料融化，通过激光诱导击穿光谱技术对炉料成分、温度进行精准检测；

S2、熔融金属达到使用标准后，液压设备启动，将金属溶液转移至设定好的辅助浇注用定量浇包中，浇包由机器人快速转运至铸造模锻机器处，并在1～2s内完成熔融金属填充进模具过程；

S3、铸造模锻机器开始工作，在设定时间内进行保温保压后，机器人取出模锻件，并送至指定位置，由机器人将零件送往自动化机加工中心；

S4、自动化机加工设备开始工作，对模锻件粗胚进行去毛刺、加工倒角、凹槽、打孔精加工，加工完成品通过带轮传送机构运送至机器人处进行堆垛。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1中，熔体实际成分与设定成分差值不超过设定成分的5％，实际浇铸温度与设定浇铸温度相差不超过10℃。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S3中，先将浇杯中的金属液体浇注进金属模具中，完成动作后，上模具下压，与金属液相接触，根据设定时间进行保压后，上模具上升，下模具中的顶杆将铸件顶出，完成一个液态模锻过程。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据锻件最大厚度尺寸，每毫米保压0.5s。

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