文/熊曉紅，馮儀，曹超，郝思，陳志林·武漢新威奇科技有限公司

半輪體電動螺旋壓力機全自動鍛造整體解決方案的研究與應(yīng)用

文/熊曉紅，馮儀，曹超，郝思，陳志林·武漢新威奇科技有限公司

我國鍛造行業(yè)廠家眾多，但與國外相比較，大多數(shù)設(shè)備落后，效率低下。目前國內(nèi)主要的模鍛設(shè)備仍然是一次性投資較少的摩擦壓力機。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化和質(zhì)量的不斷提高，鍛造企業(yè)要想提高企業(yè)競爭力，必須使用先進的設(shè)備和工藝。

鍛造車間的勞動環(huán)境惡劣、勞動強度高，追求并實現(xiàn)自動化生產(chǎn)是每一個鍛造企業(yè)的目標(biāo)。全自動鍛造生產(chǎn)線的開發(fā)與應(yīng)用在產(chǎn)品一致性、節(jié)約勞動成本和提升精密模鍛企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平方面為鍛造企業(yè)提供了跨越式發(fā)展的機會。本文以工程機械中半輪體的精密鍛造為例，從工藝設(shè)計、模具設(shè)計及模擬、鍛造及輔助自動化單元配置等方面，提出了基于電動螺旋壓力機的自動化鍛造生產(chǎn)線整體解決方案。

電動螺旋壓力機的原理和特點

目前國內(nèi)使用的模鍛設(shè)備主要有鍛錘、液壓機、機械壓力機和螺旋壓力機等類型。它們各有特點，鍛錘每次打擊能量較小，打擊速度快，特別適合長桿類零件多次打擊成形；液壓模鍛機由于可在較長行程內(nèi)保持一定壓力，適合較大變形量零件成形和溫、冷擠壓成形；熱模鍛機械壓力機行程次數(shù)高，抗偏載能力強，適合批量大的多模膛(3～5個模膛)零件鍛造；螺旋壓力機是一種定能量的加工設(shè)備，兼有鍛錘和熱模鍛壓力機的雙重特性，沒有固定的下死點，是目前國內(nèi)生產(chǎn)模鍛件大量采用的裝備。

螺旋壓力機分為摩擦壓力機、高能離合器式螺旋壓力機和電動螺旋壓力機等類型。電動螺旋壓力機因具有運行時噪聲小，打擊效率高，并能準(zhǔn)確控制其打擊能量等特點，在摩托車、汽車、高速鐵路機車和航空航天等制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，是一種性價比較高，具有發(fā)展?jié)摿Φ木苣ｅ懺O(shè)備。

電動螺旋壓力機采用雙電機驅(qū)動的齒輪傳動方式，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 J58K系列數(shù)控電動螺旋壓力機結(jié)構(gòu)原理圖

電機經(jīng)小齒輪帶動飛輪和螺桿加速旋轉(zhuǎn)，通過螺旋副將螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的上下往復(fù)運動。接收到打擊命令后，電機由靜止?fàn)顟B(tài)啟動，通過齒輪傳動帶動滑塊加速下行，當(dāng)達到預(yù)先設(shè)置的打擊能量時，利用飛輪儲存的動能做功，使制件成形。飛輪釋放能量后，電機立即反轉(zhuǎn)，帶動滑塊返回至一定高度后，進入制動狀態(tài)，使得滑塊回到預(yù)先設(shè)定的打擊行程位置。

電動螺旋壓力機的突出優(yōu)點是自動化程度高，用戶只要在人機界面上設(shè)置好打擊行程和打擊能量，其他計算和控制只要交給壓力機控制系統(tǒng)自動完成即可。

半輪體自動鍛造生產(chǎn)線整體解決方案

自動線要求

用戶產(chǎn)品：與節(jié)距為135mm/154mm/175mm/ 190mm/216mm鏈軌節(jié)配合的支重輪半輪體和托鏈輪半輪體共11種產(chǎn)品。

圖2 支重輪半輪體示意圖

用戶需求：配有多個鍛造機器人，可實現(xiàn)上料、送料、鍛造、模具噴霧冷卻潤滑、工件及廢料移出各環(huán)節(jié)在全自動模式下運行，包括快速模鍛的電動螺旋壓力機成套設(shè)備，成套模具設(shè)計、制造，電動螺旋壓力機與加熱爐、鐓粗及沖孔切邊壓力機的成線及聯(lián)機全自動化生產(chǎn)，模具自動噴淋潤滑冷卻系統(tǒng)和自動快速換模系統(tǒng)。

制定鍛造成形工藝

根據(jù)產(chǎn)品外形、重量、材料等參數(shù)，結(jié)合理論計算(成形模擬等)、已有經(jīng)驗(實際案例等)及用戶要求(成本、產(chǎn)量和節(jié)拍等)，設(shè)計鍛造成形工藝如下。

⑴整體設(shè)計思路。零件圖→鍛件圖→確定鍛件體積→下料→加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛工藝→切邊、沖孔。

⑵成形工藝。下料→中頻感應(yīng)加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→沖孔切邊→熱處理調(diào)質(zhì)→拋丸清理氧化皮。

⑶對鐓粗工藝、預(yù)鍛工藝、終鍛工藝進行計算機成形模擬。其中終鍛工藝模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 終鍛工藝模擬

⑷成形工步簡圖如圖4所示。

模具設(shè)計

鍛造模具由模架及兩個模具單元所組成，模架由上模板、下模板、上墊板、下墊板、導(dǎo)柱導(dǎo)套、限位塊及頂出裝置所組成；兩個模具單元分別為預(yù)鍛模和終鍛模，預(yù)鍛模和終鍛模相對于壓力機工作臺面的中心左、右非對稱分布；預(yù)鍛模和終鍛模均采用雙層預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)，兩個組合凹模外圈即預(yù)應(yīng)力圈外徑和兩個固定模套尺寸相同；上模均為凸模，預(yù)鍛凸模和終鍛凸模除前端工作部分尺寸不同外，其余尺寸及固定方式相同。

圖4 成形工步簡圖

⑴預(yù)鍛模和終鍛模均采用預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)，凸、凹模磨損超差或其他形式失效后，只需更換凸、凹模鑲塊，這樣可節(jié)約價格昂貴的模具材料，有利于降低模具費用。

⑵組合凹模預(yù)應(yīng)力圈與凸、凹模固定套設(shè)計成尺寸相同的結(jié)構(gòu)，便于制造和使用維修。

⑶在模架左、右兩邊設(shè)置限位塊，一是確保鍛件尺寸的一致性；二是吸收壓力機在模鍛時的多余能量，有利于提高模具使用壽命。

⑷預(yù)鍛→終鍛按自左向右的順序排布，操作流程最短，有利于提高生產(chǎn)效率。

通過模具上的導(dǎo)柱導(dǎo)套和預(yù)鍛凸、凹模與終鍛凸、凹模的同軸度達到φ0.3～0.4mm，確保鍛件的內(nèi)外同軸度達到φ0.5mm。

自動線總體組成

基于以上分析，半輪體電動螺旋壓力機自動鍛造生產(chǎn)線由感應(yīng)加熱爐、鐓粗壓力機、25MN電動螺旋壓力機、自動噴石墨裝置、3臺ABB機器人和切邊壓力機組成，其布置示意圖如圖5所示。

圖5 半輪體自動鍛造生產(chǎn)線布置示意圖

棒料由中頻爐加熱至1100～1200℃后經(jīng)下料滑道到達取料點，紅外測溫儀測量棒料溫度，如不在許可范圍，則料斗機關(guān)動作將料廢棄或由1#機器人取料送至廢棄點；若棒料溫度合格，則1#機器人取料送至鐓粗壓力機。鐓粗壓力機完成鐓粗動作后，自動噴氣去氧化皮，同時另一紅外測溫儀檢測鍛坯溫度，不合格則1#機器人取出鍛坯送至廢棄點；測溫合格則1#機器人取出鍛坯送至電動螺旋壓力機預(yù)鍛點。

1#機器人放料后退出至螺旋壓力機安全區(qū)域時啟動打擊命令，螺旋壓力機開始第一工步打擊，完成預(yù)鍛。壓力機滑塊提升回程時，頂料系統(tǒng)頂出工件；2#機器人取料送至電動螺旋壓力機終鍛點，同時自動噴石墨裝置完成對預(yù)鍛模的潤滑和冷卻，螺旋壓力機開始第二工步打擊，完成終鍛，壓力機滑塊提升回程時，頂料系統(tǒng)頂出工件。

2#機器人取料送至切邊壓力機，同時自動噴石墨裝置完成對終鍛模的潤滑和冷卻，切邊壓力機完成沖孔和切邊后，由3#機器人取出并放置到下料傳送帶，完成一個產(chǎn)品的鍛造周期，如此周而復(fù)始，循環(huán)運行。

自動化線的生產(chǎn)節(jié)拍主要取決于機器人的取料和送料時間以及各壓機的動作時間，每分鐘可生產(chǎn)鍛件3～4件。

圖6 自動換模裝置示意圖

⑴自動換模系統(tǒng)。

由液壓鎖緊裝置、U形升降導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支架、換模小車和電控系統(tǒng)等組成，其示意圖如圖6所示。該裝置可實現(xiàn)模架的整體移出、送進、鎖緊及定位等動作，減輕人工換模勞動強度，節(jié)省換模時間。

圖7 全自動鍛造生產(chǎn)線

⑵自動噴石墨裝置。

模具潤滑是模鍛件生產(chǎn)中的必要環(huán)節(jié)，自動噴石墨裝置可起到保護模具和鍛造成形后便于脫模的作用，大大減輕工人的勞動強度，且保證潤滑操作的一致性和均勻性。自動噴石墨裝置采用氣動原理實現(xiàn)，由混合石墨、水和氣的壓力容器，氣動馬達，直線氣缸和平面噴頭等主要元件組成。每次壓力機滑塊鍛打工件完畢回程超過一定高度時，噴頭自動進入上、下模腔之間，噴射石墨水達到設(shè)定的時間后自動退回?？捎呻姎饪刂葡到y(tǒng)對噴涂時間進行調(diào)節(jié)，使噴涂更加均勻。

實際應(yīng)用

該自動化鍛造線以J58K-2500型數(shù)控電動螺旋壓力機為核心設(shè)備，輔以3臺ABB機器人組成，如圖7所示。該生產(chǎn)線實現(xiàn)了從上料、測溫、預(yù)鍛、終鍛、切邊至下料的全自動化，原來需要5～6名操作工負責(zé)的鍛造生產(chǎn)線現(xiàn)在只需要1名操作工負責(zé)監(jiān)控和質(zhì)檢即可，在減少勞動力和減輕勞動強度的同時，帶來的是產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)品一致性的提高。對改善模鍛生產(chǎn)環(huán)境具有重要現(xiàn)實意義。

結(jié)束語

雖然國內(nèi)基于機器人上下料的鍛造自動生產(chǎn)線才剛起步，用戶對其穩(wěn)定性和適應(yīng)性的認識還有待增強，且一次性設(shè)備投資較大，但綜合考慮人工成本、能耗、維護和產(chǎn)品質(zhì)量等因素，從長期發(fā)展和國外發(fā)展趨勢來看，電動螺旋壓力機及其自動線將得到廣泛的應(yīng)用和推廣。