文／高崇暉·哈特貝爾金屬成型技術(shù)（上海）有限公司

多工位高速熱鍛工藝設(shè)計(jì)與模具技術(shù)

文／高崇暉·哈特貝爾金屬成型技術(shù)（上海）有限公司

高速熱鐓鍛機(jī)是一種臥式多工位高速精密熱鍛設(shè)備，以瑞士哈特貝爾金屬成型設(shè)備公司（HATEBUR）的AMP50-9為典型代表，其鍛造工藝具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、鍛件精度高及自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，主要用于大批量生產(chǎn)汽車鍛件、軸承鍛件和緊固件鍛件的生產(chǎn)。長(zhǎng)棒料經(jīng)過(guò)感應(yīng)加熱、剪切下料、多工位成形及沖孔或切邊后出料，機(jī)械手在工位之間傳送工件，集成化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上料、成形及出料的自動(dòng)化，既提高了鍛件質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，又降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、改善了勞動(dòng)環(huán)境，特別適合鍛件的大批量生產(chǎn)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

圖1 HATEBUR AMP50-9高速鐓鍛機(jī)生產(chǎn)線

AMP50-9高速熱鍛生產(chǎn)線如圖1 所示，包括上料架、中頻感應(yīng)加熱爐、高速鐓鍛機(jī)及傳送帶等，共有上料、加熱、送料、剪切、多工位成形、出料等工序，生產(chǎn)的鍛件最大直徑為φ108mm，單件最大重量達(dá)2kg，生產(chǎn)速度為每分鐘60～100件。

圖2 高速鐓鍛工藝生產(chǎn)的典型鍛件

多工位高速熱鍛生產(chǎn)的部分典型鍛件如圖2所示，其主要工藝特點(diǎn)有：⑴鍛件精度高，加工余量、公差和拔模斜度較??；⑵鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性好，排除了手工操作可能產(chǎn)生的誤差；⑶材料利用率高，基本采用無(wú)飛邊閉式模鍛，使用長(zhǎng)棒料剪切下料，僅產(chǎn)生沖孔連皮和料頭等廢料；⑷自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上料和出料，僅需人工進(jìn)行棒料補(bǔ)給、質(zhì)量檢查、更換模具和鍛件轉(zhuǎn)運(yùn)工作；⑸生產(chǎn)效率高，正常8小時(shí)高速生產(chǎn)的班產(chǎn)量可達(dá)3萬(wàn)多件；⑹模具成本低，模具采用組合式設(shè)計(jì)，按照不同功能選擇不同材料和加工工藝，高速生產(chǎn)中易損件接觸工件時(shí)間短、冷卻充分，使用壽命高。

長(zhǎng)棒料加熱后經(jīng)送料輪傳送至剪切工位進(jìn)行熱剪切下料（圖3），移動(dòng)刀快速運(yùn)動(dòng)和固定刀共同作用剪切料段并將其傳送至第一工位，通過(guò)多個(gè)工位鍛造成形（圖4）。第一工位可采用模外鐓粗或模內(nèi)預(yù)成形。第二工位進(jìn)行預(yù)鍛成形，根據(jù)終鍛件的形狀進(jìn)行體積分配，以便后續(xù)成形。第三工位進(jìn)行終鍛成形，材料變形量較大，所需的成形力也較大。第四工位進(jìn)行沖孔或切邊。

圖3 自動(dòng)送料

圖4 多工位成形

鍛件圖和工藝設(shè)計(jì)

在工藝和模具開(kāi)發(fā)流程中，首先對(duì)零件進(jìn)行可行性分析，然后根據(jù)高速鐓鍛機(jī)的設(shè)備特性和多工位熱鍛工藝特點(diǎn)進(jìn)行鍛件圖和工藝設(shè)計(jì)。如圖5所示的齒輪零件，對(duì)各加工面按照技術(shù)要求選擇加工工藝，齒輪形狀精度要求比較高需進(jìn)行機(jī)加工，在其他加工面添加機(jī)加工余量，非加工面直接鍛造成形，齒形之間的部分添加鍛造余量塊并添加拔模斜度，在滿足尺寸要求的情況下盡可能取較大的鍛造圓角和鍛造公差，獲得的鍛件模型如圖6所示。

鍛件圖完成后進(jìn)行鍛造工藝設(shè)計(jì)，采用熱剪切下料，共有四個(gè)成形工位，常用的工序?yàn)殓叴?、預(yù)成形、終鍛和沖孔或切邊。

首先，根據(jù)鍛件的冷態(tài)尺寸和收縮率得出工件的熱態(tài)尺寸，收縮率一般按照鍛件材料類型和最大外徑尺寸確定。根據(jù)內(nèi)孔的尺寸確定合理的沖孔連皮厚度，在材料利用率和模具壽命之間找到平衡點(diǎn)，這樣就可以計(jì)算確定第三工位的終鍛件的尺寸。

第二工位預(yù)成形的設(shè)計(jì)原則是進(jìn)行材料體積分配。在第三工位成形時(shí)工件易于定位，材料可以多向流動(dòng)充滿各個(gè)區(qū)域，避免因體積分配不均產(chǎn)生毛刺或大圓角。同時(shí)，合理的預(yù)成形形狀可以降低鍛造成形力、提高模具壽命。這是一項(xiàng)較依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)的工作，通過(guò)使用有限元模擬軟件也可以大幅提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。

此鍛件形狀不太復(fù)雜，第一工位進(jìn)行模外鐓粗去除氧化皮，同時(shí)也簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)、節(jié)約了模具成本。終鍛件的體積即為毛坯體積，棒料的高徑比應(yīng)控制在合理范圍之內(nèi)，熱態(tài)剪切下料會(huì)產(chǎn)生輕微塌角和微小的剪切毛刺，在鐓粗時(shí)通過(guò)材料變形進(jìn)行修正，得到較為規(guī)則的鼓形。如果高徑比過(guò)小，鐓粗的壓下量不足以修正剪切變形的塌角，造成材料分配在端面兩側(cè)不均勻，從而影響鍛件的成形質(zhì)量。而如果高徑比過(guò)大，在高速的成形過(guò)程中因壓下量較大易造成材料失穩(wěn)而產(chǎn)生中間彎曲或折疊。

最后，確定第四工位沖孔凸模和凹模的尺寸，合理的沖孔間隙避免產(chǎn)生毛刺或大面積撕裂帶。經(jīng)過(guò)上述步驟，設(shè)計(jì)完成的工藝如圖7所示。

圖5 齒輪零件模型

圖6 齒輪毛坯鍛件模型

模具設(shè)計(jì)

高速鐓鍛機(jī)采用臥式布置的整體模座，凹模座固定在床身上，凸模座用液壓螺母鎖定于主滑塊上，在承受工件劇烈塑性變形時(shí)保持良好的剛性和對(duì)中精度。模具結(jié)構(gòu)采用組合式設(shè)計(jì)，根據(jù)部件的功能不同可分為三類：送料部件、通用件和易損件。

送料部件是指把加熱后棒料傳送到剪切工位的部件，主要包括送料輪、導(dǎo)向襯套、ESA襯套等。對(duì)于這些部件來(lái)說(shuō)，應(yīng)建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以盡量減少使用不同規(guī)格的棒料。

圖7 鍛造工藝設(shè)計(jì)

通用件是指不直接接觸高溫工件主要起固定、支撐及導(dǎo)向作用的模具部件，如模套、襯套、墊塊、固定環(huán)等，這類部件可采用冷作模具鋼制造，熱處理后達(dá)到較高的硬度，因而較少磨損和破壞、使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

易損件是模具的核心部件，指直接接觸高溫工件的凸模、夾持芯桿、凹模和凹模頂桿以及剪切棒料的固定刀板和移動(dòng)刀板等部件。它們不但與高溫工件直接接觸而且在成形時(shí)承受很高的壓力，因而更易磨損或破壞，材料一般選用熱作模具鋼或高速鋼，制造工藝要求也較復(fù)雜，有時(shí)還需進(jìn)行表面處理，以提高表面硬度和耐磨性。

齒輪毛坯鍛件的模具設(shè)計(jì)三維圖如圖8所示，左側(cè)為剪切工位，向右依次為第一工位至第四工位。剪切工位的部件宜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)不同棒料規(guī)格可選用相應(yīng)規(guī)格的部件。

圖8 齒輪毛坯鍛件模具三維圖

第一工位采用模外鐓粗，鐓粗可去除氧化皮、保持工件熱量、節(jié)省模具成本，但是鐓粗后工件尺寸不容易精確控制；模內(nèi)預(yù)成形可實(shí)現(xiàn)更為合理的材料體積分配和精確的控制外形尺寸，不利因素為不易除去氧化皮及模具成本較高，具體可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。

第二工位模內(nèi)預(yù)成形，夾持芯桿和凹模頂出器共同頂住第一工位傳送來(lái)的自由鐓粗后的工件，機(jī)械手張開(kāi)退回，凸模將工件頂入凹模成形，成形結(jié)束凹模頂出器將工件頂出凹模。

第三工位是終鍛，一般而言此工位成形力最大，合理的模具和工藝設(shè)計(jì)可以降低成形力、提升工藝穩(wěn)定性和提高模具壽命。此外，如果因?yàn)楣ぜ螤畹纫蛩貙?dǎo)致易粘附凸模，可選擇剛性卸料或其他措施，在凸模退回時(shí)保證將工件留在凹模內(nèi)，由凹模頂出器頂出工件。

第四工位模外沖孔，沖孔連皮進(jìn)入凹模內(nèi)的落料孔掉落至廢料口，沖孔后鍛件從凹模前部掉落，進(jìn)入不同的傳送帶槽出料，實(shí)現(xiàn)了鍛件和廢料的自動(dòng)分選。

在高速熱鍛成形中，模具易損件需承受高速?zèng)_擊、高溫、激冷相互作用，惡劣的使用工況對(duì)模具材料本身和制造工藝都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，承受沖擊的部件如果選材不當(dāng)、原材料質(zhì)量不佳或熱處理硬度太高，容易出現(xiàn)裂紋失效，如果冷卻不充分或表面處理質(zhì)量不佳容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋或磨損，或者出現(xiàn)工件粘附凸模的情況。然而，水平布局的多工位模具比立式鍛造工藝有著先天的優(yōu)勢(shì)，冷卻水可以避開(kāi)工件直接往下噴淋冷卻凸模，凸模探頭在探測(cè)工件是否粘凸模的同時(shí)也從下方噴冷卻水；凹模頂出器設(shè)有中心出水孔，在頂出工件的同時(shí)噴水冷卻凹模模腔和自身冷卻。實(shí)際上，易損件接觸高溫工件時(shí)間很短再加上強(qiáng)力噴淋冷卻，工作溫度遠(yuǎn)低于立式熱鍛機(jī)的模具溫度，因而獲得更高的使用壽命。

精確、穩(wěn)定可靠的傳送系統(tǒng)為高速鍛造生產(chǎn)提供了保障，圖9所示為生產(chǎn)線上配備的一套上下開(kāi)合的工件傳送系統(tǒng)，共有3對(duì)機(jī)械手，成形結(jié)束后凹模頂出器將工件頂入閉合的機(jī)械手，機(jī)械手穩(wěn)固的夾持工件傳送至下一工位，然后由安裝在系統(tǒng)內(nèi)的夾持芯桿和凹模頂桿共同頂住工件，機(jī)械手打開(kāi)返回前一工位等候夾取下一個(gè)工件。機(jī)械手鉗指的形狀和寬度根據(jù)工件的尺寸確定，機(jī)械手的張開(kāi)和閉合時(shí)間通過(guò)設(shè)備的行程時(shí)間曲線圖來(lái)計(jì)算確定。

圖9 傳送機(jī)械手

結(jié)束語(yǔ)

多工位高速熱鍛工藝是一種高度集成化和自動(dòng)化的先進(jìn)鍛造技術(shù)，在一次行程內(nèi)完成各個(gè)工位的同時(shí)成形，精確可靠的機(jī)械手系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工位之間的工件自動(dòng)快速傳送，所生產(chǎn)的鍛件加工余量和公差小、質(zhì)量穩(wěn)定，且具有很高的生產(chǎn)效率，是一種既經(jīng)濟(jì)又節(jié)能的生產(chǎn)方式，尤其適合鍛件的大批量生產(chǎn)，已在精密汽車鍛件和軸承毛坯鍛件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)代化精密鍛造技術(shù)發(fā)展的重要方向。