CN1997471A - 优化锻造工艺的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种优化沿着锻压机的纵轴移动的加工件的锻造的方法及装置。该方法包括沿着纵轴探测加工件的第一和第二端部的相对位置，以及计算其间的加工件的长度。

Description

优化锻造工艺的方法和装置

背景技术

使用开放式模具锻造，以成形和/或拉拔位于锻压机的上下模具之间的金属加工件是众所周知的，特别是关于大尺寸加工件(例如，发电机械、曲柄轴)的锻造操作。关于锻造产品质量的一个重要方面是加工件的核心部分的均匀彻底锻造，以便消除加工件中损害质量的空洞和其他包含物。为了实现中心线的均匀加固，中心线是加工件前进和后退的方向，其中加工件的质量中心被考虑为锻造的加工件的中心线。一种称作“开坯”的工艺用来将粗粒度的铸锭转变成细粒度的锻坯，或者换句话说是分解粗的铸态组织以及加固加工件中的内部缺陷。在许多锻造车间中，因为炽热加工件的大范围锻造操作所施加的各种约束，所以由操作员控制锻造工艺。在这种工艺中，操作员通过目视检查，确定在加工件的侧面呈现为明亮结构的最后锻造回合的加固区域，来控制中心线加固。然后，操作员凭经验估计下一个开坯击打的位置或“设置点”，以提高中心线加固。

但是，可能导致工艺控制中的与操作员相关的变化，以及所获得的加固质量的变化，这可能导致质量管理和经济方面的高拒绝率。此外，如果在进行第一次拉拔或变形之前，没有检查加工件无这种缺陷，那么在铸造工艺中产生的空洞或其他包含物在锻造工艺之后仍然保留。这些缺陷典型地需要加工件的额外锻造和/或丢弃，这可能导致加工时间、材料，以及/或者能量成本的损失。

前面说明已知在当前锻造控制装置及方法中存在的局限性。因此，提供涉及克服上述局限性的一个或多个的新方案显然是有利的。因此，描述替换的锻造控制装置及方法，其包含在下文中更全面公开的特征。

发明内容

根据本发明，提出优化沿着锻压机的纵轴移动的加工件的锻造的方法及装置。该方法包括沿着纵轴探测加工件的第一和第二端的相对位置，以及计算在其间的加工件的长度。

当结合附图考虑时，从下面本发明的详细描述中，前述及其他方面将变得明白。

附图说明

图1是与根据本发明的锻压机一起使用的锻造控制系统的透视图；

图2是与根据本发明的锻压机一起使用的锻造控制系统的顶视图；

图3是当目标表面越过根据本发明的测量平面时通过标示目标表面而产生的加工件的测量轮廓的曲线；

图4是说明锻造工艺的咬合比的示意图；

图5是表示用来实施根据本发明的方法的程序的流程图；

图6是说明中心线加固的模型的示意图；

图7是用于可视地显示根据本发明的咬合跟踪和咬合位移优化数据的图形操作员显示；以及

图8是通过跟踪根据本发明的锻造击打的设置点和模具宽度，可视地显示中心线加固区域状况的图形操作员界面。

具体实施方式

通过参考附图最好地理解本发明，其中相似的参考数字表示相似的部件。应当强调，根据一般实施，图中所示装置的组成部件的各种尺寸不是按比例的，为了清楚已被放大了。并且，方向指定“左”或“右”不解释为局限于任何具体取向，而是为了参考目的，因为它们适合附图中所示的视角。

根据这里所描述的本发明的装置及方法，提供非接触方法及装置，以使用非接触激光轮廓测量控制锻造操作。在开坯操作期间控制加工件的中心线加固时，该方法及装置特别有用。

简要地说，本发明的方法测量锻造回合之间的加工件的实时长度。该测量是中心线加固区域的精确记录所必需的。由于加工件的不均匀的品质如化学和物理性质，不能从理论的和/或先前的数据库测量值得到长度，因此该测量也是必需的。因此，不能预知每个击打之后的延长。用二维激光扫描器实现该测量，当加工件越过测量平面时，激光扫描器测量加工件端部的横向轮廓。该方法还包括计算中心线加固的当前程度，以及下一个锻造回合的咬合位移和/或设置点。然后，在过程显示中，连同锻造击打的所有先前回合一起，标记下一个锻造回合的位置，以显示中心线加固的程度。这通过计算机程序执行，计算机程序在实时曲线中显示沿着加工件的先前设置点，连同下一个设置点的可能位置。然后，程序建议或者为锻造操作员自动选择下一个设置点，这考虑锻造车间的所有一般和特殊的边界条件。

参考附图，其中相似的参考数字始终指示相似的结构，图1显示与加工件30一起使用的本锻造控制系统10的透视图，其中在锻压机的上模具32和下模具34之间锻造加工件30。从图2的顶视图中可以更清楚地看到与锻压机一起使用的锻造控制系统10，其具有用于支持和操纵加工件30的机械手钳子35和操作链36。

图1的系统10使用激光扫描头14，其配置成行扫描模式，并连接到位于控制室12内的支持装备15。如图1中看到的，支持装配15使用视频彩色显示监视器16、彩色图像打印机20、中央处理单元22，以及接口电子设备24。也提供连接到支持装配15的，使用键盘或其他命令输入装置28的工作站17。

可从Minerals Technologies Inc.的生产LACAM(激光摄像机)成像系统Model E113的部门FERROTRON Technologies，GmbH，Industrial Measurement Technology，Moers，Germany商业上获得实施加工件的非接触测量及其尺寸和/或形状的结果计算的激光扫描头14、支持装备15，以及软件。这种非接触测量装备包括激光行扫描器，其使用两个主要部件：

1)激光距离测量单元，例如脉冲半导体激光器的飞行时间测量，以及

2)光学单轴束偏转单元，例如具有旋转角传感器的连续旋转镜轮。

本发明者和其他人先前在他们所发表的，在此引用其公开内容作为参考的国际专利申请WO/01/38900A1中描述了可用于冶金学容器中的耐火衬里的非接触测量的LACAM激光轮廓测量系统。该技术是基于快速地扫描脉冲激光束在待测量的耐火材料表面上的偏转。为了实施测量，记录测量值的三维测网。依靠分别围绕水平和垂直轴旋转的镜子，在垂直和水平两个方向上实施该目的所需的激光的周期性偏转。

在公开内容在此引用作为参考的，名称为“开放式模具锻造的激光测量(LACAM-FORGE)”的论文中，本发明者和其他人也描述了用于锻造工艺之后热加工件的三维测量的LACAM轮廓测量系统的使用，并且获得了加工件的轮廓。从这些测量中获得的数据用来确定加工件的重要几何信息，即长度、宽度、高度、平整度等。另外，如那里所描述的，使用与WO/01/38900A1中所描述的类似的LACAM测量头执行加工件的测量，除了扫描头安装在固定位置，以在垂直或水平方向的至少一个方向上旋转，从而提供由激光行扫描器产生的行扫描。

图1和图2中所示的LACAM扫描头14也以二维行扫描模式工作，以从侧面测量加工件的轮廓，以及当它越过测量平面时探测加工件的端部。使用行扫描模式，激光脉冲的偏转发生在与旋转轴垂直的平面中。如果被锻造的加工件的端部越过该测量平面，那么如图1中所示，扫描头的激光脉冲击中加工件的表面。如果扫描头中的镜子的旋转速度是恒定的和/或不变的，并且激光重复频率是恒定的和/或不变的，那么每个激光束的偏转角具有相等的角距离。同时记录每个单激光测量的距离值和镜子的旋转角，以提供锻压机的坐标系。通过组合两个值，可以对激光束击中的任意目标表面获得二维笛卡尔坐标图。如果在二维曲线中标示这些点，那么可以显示出越过测量平面的加工件30的测量轮廓。

通过垂直于测量平面纵向地移动加工件的端部，获得并组合轮廓，以提供如图3所示的三维轮廓。通过分析该测量表面，计算机可以确定加工件端部38的弯曲中的拐点(图2)。在图1和图2中所示的加工件30的情况中，从图3中所示的测量轮廓中计算由操作链36保持的左边加工件端部38的拐点，以确定左边缘38的位置。然后，计算参考边缘39(右手边缘)和长度测量边缘的位置之间的差，以确定每个锻造回合之后的加工件的实时长度。通过使加工件30的右端与下模具34的右手边缘对齐，在工艺的开始时测量加工件30的右边缘，这是图2中所示的参考边缘39。参考边缘通常保持恒定的和/或不变的。也可以配置工艺，使得参考边缘是左手边缘。

结果，可以在生产条件下在锻造操作过程中实时测量加工件30的当前长度，该长度在每个击打过程中增加。在WO/01/38900 A1和“大的开放式模具锻造的激光测量(LACAM-FORGE)”中详细地描述了LACAM测量系统及其非接触测量的操作，将在下面关于在锻造工艺中实施中心线加固控制所需的改进而讨论该测量方法。

本发明的方法也包括通过控制下面的参数来计算中心线加固的当前程度：

a)图7可视的显示中所示的咬合位移是所提出的设置位置44(即模具和加工件之间沿着加工件长度的接触区域的中心位置)和先前回合的最接近的设置位置42之间的距离41。先前回合的最接近的设置位置受到在每个锻造击打之后发生的加工件长度增加(延长)的影响，并且根据加工件长度的增加而重新定位。

b)图4中示例显示的咬合比(S_b/Ho)是上模具32和下模具34与加工件30之间的接触区域的宽度(有效平面模具宽度，S_b)同加工件高度(Ho)的比值。获得合适的加固效果需要至少0.5的咬合比。

另外，本发明的方法和装置通过根据图5中所示的在下文中描述的测量软件系统的流程图，计算下一个锻造击打的咬合位移，而实施中心线加固。

当通过触发工作站17的开始按钮(1)启动装置时，加工件30的右边缘39(参考边缘)与下模具34和/或上模具32的右边缘对齐，并记录下位置。现在开始测量(100)。通过将回合编号和击打编号重新设置为零而初始化系统(110)。

加工件30的左边缘经过行扫描器测量平面，以确定加工件30的左边缘38的拐点在哪里(130)。从这些测量中，获得加工件的长度。

如果当前回合编号是0，那么回合编号增加1，否则系统等待直到加工件将纵轴旋转90度角(140)，然后回合编号增加1(142)。

在第一回合之后，通过将加工件的当前长度除以先前回合的长度来计算加工件的延长(144)。基于所确定的加工件延长，校正先前设置点的位置(146)。

启动咬合位移优化例程(200)，导致提出下一个设置点的位置，其显示在操作员监视器16上。操作员决定是接受提出的下一个设置点的位置，还是选择不同的设置点。通过寻找可用下面公式表达的最佳中心线加固来计算咬合优化：

i)d_n＝S_b-Ho/F，其中如果(d_n＜0)那么d_n＝0，以及F≥2

其中d_n是击打的中心线加固区域的宽度，“n”是击打编号，即1，2，3等，以及“F”是最小值为2的经验系数。如图6中所示，中心线加固区域的宽度与有效模具宽度(S_b)和可从激光行扫描器测量获得的加工件高度(Ho)相关(图6)。

ii)D＝d_n的组合和

其中D是沿着中心轴的在计算中不包含重叠区域的加固区域的组合总宽度(图8)。

iii)Q＝100％·D/L

其中Q是中心线加固的百分比质量，而L是加工件的长度。如果D＝L，那么已完成了沿着加工件的整个长度的加固(图8)。

系统等待上模具32打压到加工件30的信号(148)。在探测到信号之后，系统检查咬合比(149)。如果咬合比小于0.5，那么系统等待下一个信号(148)。否则，击打编号增加1(150)。

记录下操纵器35的位置，并与加工件30的左边缘38和右边缘39的位置比较，以便确定当前击打的设置位置(152)。

系统现在检查是否已锻造整个加工件(154)。如果还没有完全锻造加工件，那么计算新的咬合位移优化(200)，导致提出下一个设置点。如果在当前回合中已完全锻造加工件，那么程序等待加工件30的左边缘越过激光行扫描器测量平面(130)，并确定加工件的长度。

在锻造最后一个回合之后，结束跟踪和咬合位移优化例程(164)。产生显示设置点分布和中心线加固质量的报告(160)。

在中央处理单元22中存储测量文件(162)，并所存储的工艺数据可以用于离线显示。

图6说明如何计算中心线加固区域的宽度。

图7所示的是在加工形象化方面帮助锻造操作员的跟踪和咬合位移优化记录40，其中所显示的咬合跟踪和咬合位移41对应于先前击打的加固区域42和所提出的下一个锻造击打的设置点位置(即提出的锻造位置)44。关于上模具32，下模具34，以及激光行扫描器测量平面45显示当前回合中的先前击打的压痕47和加工件30的实时位置。也显示光标46，其显示锻造操作员可能选择的当前潜在设置位置。显示信息域48，其显示了光标46位置的设置位置处的所计算的中心线加固的质量指数。通过颜色、形状和/或标记的至少一种来区分先前和提出的设置点位置以及光标。

图8中所示的是另一个操作员显示，其通过跟踪击打的设置点(显示为垂直线)和宽度加固区域的宽度(显示为水平线)，来跟踪中心线加固区域状况，并且显示根据锻造击打的回合和击打编号的标注。对应每个锻造击打的加工件的方向角通过彩色编码线来图示。

根据本说明书的方法和装置有助于操作员做出设置点位置的决定，因为提供了关于当前中心线加固的实时信息，其中在计算机屏幕上显示了所有先前设置点。显示下一个潜在设置点的位置，并且计算该设置点的质量因子。该方法提供提出的最佳设置点，这使用一般的和用户特定的规则以及边界条件来计算。本说明书包括过程的实时可视化，以及为离线可视化存储过程数据的可能性，离线可视化可用于进一步的分析，例如评价操作员的工作以及改进工艺。

虽然上面描述的具有通过操作员的交互控制的能力，该过程也可以设置为完全自动的，使得在操作员给出开始信号后，软件自动运行直到所限定的回合数，并且自动地产生测量报告。

虽然已显示并描述了本发明的实施方案和应用，但本领域技术人员应当认识到不背离这里所描述的发明概念的许多修改是可能的。例如，虽然上面是关于使用LACAM测量装置而描述的，但可以设想可使用其他电光方法和装置如具有图像处理的CCD摄像机，在具有简单切割端部的小加工件的情况中使用简单的光传感器，以及/或者使用在延长方向上直接照射到加工件端部的激光扫描器，来执行根据本发明的最佳锻造方法。因此，应当明白本发明允许修改，从而不限于所陈述的精确细节。而是，可以不背离本发明的界限和范围，在权利要求的等价物的范畴和范围内，在细节上可以进行各种修改。

Claims (23)

1.一种加工件的锻造方法，该加工件沿着锻压机的纵轴移动并具有与纵轴横交的第一和第二端部，该方法包括：

沿着纵轴探测加工件的第一和第二端部的相对位置，以及计算其间的加工件的长度。

2.根据权利要求1的方法，其中通过在每个端部越过横交纵轴的测量平面时探测每个端部的存在，来实施探测第一和第二端部的相对位置。

3.根据权利要求1的方法，其中使用激光扫描装置，来执行探测第一和第二端部的相对位置。

4.根据权利要求2的方法，还包括确定横交纵轴的加工件的初始高度(Ho)。

5.根据权利要求4的方法，还包括：

对于加工件上的预期锻造位置计算咬合比(Sb/Ho)，其中Sb是锻压机的有效平面模具宽度，以及确定咬合比是否大于0.5。

6.根据权利要求5的方法，其中如果计算的咬合比大于0.5，那么将预期的锻造位置标示为提议的锻造位置。

7.根据权利要求6的方法，其中在通过锻压机执行锻造击打之后：

探测沿着纵轴的加工件的第一和第二端部的相对位置，并计算其间的加工件的长度；以及

沿着纵轴反复移动加工件到新的提议加工位置，并确定咬合比是否大于0.5。

8.根据权利要求5的方法，其中如果计算的咬合比小于或者等于0.5，那么执行沿着纵轴反复移动加工件到新的提议锻造位置直到计算的咬合比大于0.5，并且将预期的锻造位置标示为提议锻造位置的步骤。

9.根据权利要求8的方法，其中在通过锻压机执行锻造击打之后：

探测沿着纵轴的加工件的第一和第二端部的相对位置，并计算其间的加工件的长度；以及

沿着纵轴反复移动加工件到新的提议加工位置，并确定咬合比是否大于0.5。

10.根据权利要求7的方法，还包括在执行锻造击打之前计算针对提议的锻造位置的中心线加固。

11.根据权利要求9的方法，还包括在执行锻造击打之前计算针对提议的锻造位置的中心线加固。

12.根据权利要求10的方法，其中通过下面的方程，计算中心线加固：

d_n＝S_b-Ho/F，其中如果(d_n＜0)那么d_n＝0，并且F≥2

其中：

d_n是击打的中心线加固区域的宽度，

n是击打编号，

S_b是有效平面模具宽度

Ho是加工件高度，以及

F是最小值为2的经验系数。

13.根据权利要求10的方法，其中通过下面的方程，计算中心线加固：

D＝d_n的组合和

其中：

D是沿着中心轴的在计算中不包含重叠区域的加固区域的组合总宽度。

14.根据权利要求11的方法，其中通过下面的方程，计算中心线加固：

Q＝100％·D/L

其中：

Q是中心线加固的百分比质量，以及

L是加工件的长度。

15.根据权利要求6的方法，其中图形化地输出锻造击打的位置。

16.根据权利要求6的方法，其中图像化地输出中心线加固。

17.根据权利要求6的方法，其中将预期的锻造位置自动地选择为实际锻造位置。

18.一种测量加工件的实时锻造延长的装置，该加工件沿着锻压机的纵轴移动并具有与纵轴横交的第一和第二端部，该装置包括：

安装在固定位置以在测量平面上旋转的，用于探测越过测量平面的加工件端部的光学扫描器。

19.一种用于加工件的锻造的系统，该加工件沿着锻压机的纵轴移动并具有与纵轴横交的第一和第二端部，该系统包括：

探测沿着纵轴的加工件的第一和第二端部的相对位置，以及计算其间的加工件的长度。

20.根据权利要求19的系统，其中通过在每个端部越过横交纵轴的测量平面时探测每个端部的存在，从而实施探测第一和第二端部的相对位置。

21.根据权利要求19的系统，其中使用激光扫描装置，来执行探测第一和第二端部的相对位置。

22.一种加工件，根据权利要求19的系统制造。

23.一种加工件，根据权利要求1的方法制造。

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