電動(dòng)螺旋壓力機(jī)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用

李瑞霞，熊曉紅，馮 儀

（華中科技大學(xué)武漢新威奇科技有限公司，湖北武漢430074）

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用

李瑞霞，熊曉紅，馮 儀

（華中科技大學(xué)武漢新威奇科技有限公司，湖北武漢430074）

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)具有能量可控，鍛件精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種材料的精密鍛造。本文在分析電動(dòng)螺旋壓力機(jī)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了基于電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的四種自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線組成方案。分析了已投入實(shí)際生產(chǎn)的自動(dòng)氣門生產(chǎn)線和自動(dòng)齒輪鍛造生產(chǎn)線的應(yīng)用情況。均取得良好應(yīng)用效果。

機(jī)械制造自動(dòng)化；模鍛；電動(dòng)螺旋壓力機(jī)；機(jī)器人

1 引言[1][2]

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)模鍛生產(chǎn)中，仍有相當(dāng)數(shù)量企業(yè)在使用相對(duì)落后的、國外已經(jīng)淘汰的摩擦壓力機(jī)。在摩擦壓力機(jī)的使用中，由于能量不能精確控制，也沒有配置打擊力顯示，加之很多用戶和設(shè)備制造商對(duì)螺旋壓力機(jī)的力能曲線沒有足夠的認(rèn)識(shí)，所以在很多情況下摩擦壓力機(jī)都處于超載運(yùn)行狀態(tài)，常常造成機(jī)身、螺桿等機(jī)械部分損壞。

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化和質(zhì)量的不斷提高，還要面臨環(huán)保和勞動(dòng)成本上升的巨大壓力，要想提高企業(yè)競爭力，必須使用先進(jìn)的設(shè)備和工藝，這為國產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展提供了新的契機(jī)。當(dāng)前精密模鍛生產(chǎn)中的新型設(shè)備——電動(dòng)螺旋壓力機(jī)在性能及可靠性方面取得了很大進(jìn)步，具有運(yùn)行噪聲小、打擊效率高、能準(zhǔn)確控制其打擊能量等特點(diǎn)，因而在摩托車、汽車、高鐵和航空航天等制造行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

鍛造車間的勞動(dòng)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高，追求并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是每一個(gè)鍛造企業(yè)的迫切需要。全自動(dòng)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)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(dòng)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(jī)會(huì)。

2 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的原理和特點(diǎn)[3]

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)目前主要有兩種傳動(dòng)形式：

①電機(jī)轉(zhuǎn)子與螺桿連為一體的電機(jī)直接傳動(dòng)形式，如德國萬家頓公司45000kN以下產(chǎn)品、日本木夏本機(jī)工公司150DS型產(chǎn)品和華中科技大學(xué)20世紀(jì)80年代初研制成功的JD58-100型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。這一方案的特點(diǎn)是傳動(dòng)環(huán)節(jié)少，但需設(shè)計(jì)低速、大扭矩專用電機(jī)，螺桿導(dǎo)套磨損后會(huì)影響電機(jī)的氣隙，電機(jī)出現(xiàn)故障維修困難。

②電機(jī)經(jīng)齒輪或皮帶帶動(dòng)飛輪螺桿的電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)形式。萬家頓公司PZS系列45000kN～320000kN產(chǎn)品、拉斯科公司產(chǎn)品和木夏本機(jī)工公司500ZES型產(chǎn)品采用這一方案，其中木夏本機(jī)工采用皮帶傳動(dòng)方式，而萬家頓和拉斯科采用更加高效的齒輪傳動(dòng)方式。這一方案的特點(diǎn)是專用電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較小，可以設(shè)計(jì)少數(shù)幾種專用電機(jī)系列供不同噸位壓力機(jī)使用，電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，更換方便，維護(hù)簡單；同時(shí)，螺桿導(dǎo)套磨損后不會(huì)影響電機(jī)性能。

華中科技大學(xué)武漢新威奇科技有限公司在深入研究各種傳動(dòng)形式的具體特點(diǎn)后，最終決定在J58K系列數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)方式，將基于矢量控制技術(shù)的永磁交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均成功應(yīng)用于電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上。其結(jié)構(gòu)原理見圖1所示。

相同規(guī)格的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)相隔180°對(duì)稱地固定在機(jī)身頂部，使飛輪受力均衡，以避免螺桿導(dǎo)套（銅套）產(chǎn)生偏磨。小齒輪強(qiáng)度高且重量輕，慣量不到同樣尺寸鋼齒輪的1/5，這樣可以保證電機(jī)軸在頻繁的正反轉(zhuǎn)沖擊中受損最小，壽命最長；另外，小齒輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸采用摩擦聯(lián)接，通過摩擦打滑安全保險(xiǎn)裝置可保證打擊力超載時(shí)小齒輪可以打滑，進(jìn)一步有效的保護(hù)電機(jī)。

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，用戶只要在人機(jī)界面上設(shè)置好打擊行程和打擊能量，其他計(jì)算和控制由壓力機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成。

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)與傳統(tǒng)摩擦壓力機(jī)比較有以下優(yōu)點(diǎn)：由于打擊能量能精確控制，產(chǎn)品的一致性好，偏差小；模具壽命提高，熱鍛模壽命一般在4000～6000件（國外模具壽命在10000～15000件，采用電動(dòng)螺旋壓力機(jī)是主要原因之一）；電耗降低，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)比摩擦壓力機(jī)省電30%以上。

3 全自動(dòng)鍛造線的組成形式

一般鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線工藝流程：精密下料—棒料自動(dòng)分揀排序—中頻加熱—自動(dòng)上料—壓力機(jī)（沖床）預(yù)鍛—自動(dòng)上料—壓力機(jī)終鍛—自動(dòng)下料—沖床切邊、沖孔，整形。自動(dòng)生產(chǎn)線的工作過程全部受生產(chǎn)線總控系統(tǒng)控制。圓棒毛坯倒入自動(dòng)分揀排序機(jī)構(gòu)后排隊(duì)送入中頻爐，加熱出來后通過下料滑道送至取料點(diǎn)，一號(hào)機(jī)器人取料后送至壓力機(jī)（沖床）預(yù)鍛點(diǎn)，完成預(yù)鍛后，由機(jī)器人取料并送至壓力機(jī)終鍛點(diǎn)（機(jī)器人第一時(shí)間回到中頻爐取料點(diǎn)取料并送至預(yù)鍛點(diǎn)，如此周而復(fù)始，循環(huán)運(yùn)行），完成終鍛后，由二號(hào)機(jī)器人從終鍛點(diǎn)下料并送至沖床切邊點(diǎn)（切邊、沖孔、整形），完成切邊后仍由二號(hào)機(jī)器人下料并送至產(chǎn)品料斗（二號(hào)機(jī)器人在第一時(shí)間回到終鍛點(diǎn)下料，如此周而復(fù)始，循環(huán)運(yùn)行）。機(jī)器人下料后控制噴墨機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成潤滑及冷卻模具等操作。

根據(jù)鍛造工藝和機(jī)器人配置情況可分為以下幾種模式：

（1）一臺(tái)機(jī)器人方案

用于以下兩種鍛造情況：一種是單壓力機(jī)工作，加熱后的棒料從中頻爐的滑道下落到取料點(diǎn)，機(jī)器人取料送到壓力機(jī)，壓力機(jī)鍛打成形后，機(jī)器人取出鍛件送至產(chǎn)品料斗，完成一次工作節(jié)拍。另一種是雙壓力機(jī)工作方式，即一臺(tái)用于預(yù)鍛，另一臺(tái)用于終鍛，如圖2所示?？恳慌_(tái)機(jī)器人完成在兩臺(tái)壓力機(jī)中的上下料及轉(zhuǎn)運(yùn)工作。在此工作模式下，機(jī)器人要完成的動(dòng)作較多，導(dǎo)致整條自動(dòng)線工作節(jié)拍較低，一般為2～4min-1。

（2）兩臺(tái)機(jī)器人方案

最為典型的一種配置方式。一般的模鍛工藝是棒料加熱后，先在沖床（或錘）上開坯，再在壓力機(jī)上鍛打成形，最后在沖床上切飛邊或沖孔。其設(shè)備布置如圖3所示。一號(hào)機(jī)器人負(fù)責(zé)從中頻爐取熱料，送到?jīng)_床開坯后，再送到壓力機(jī)上鍛打，成形完成后由二號(hào)機(jī)器人取出，送至另一臺(tái)沖床切飛邊，再由二號(hào)機(jī)器人取出，放到產(chǎn)品料斗，完成一次工作流程。整條自動(dòng)線工作節(jié)拍一般為6～7min-1。

（3）三臺(tái)機(jī)器人方案[5]

為了提高生產(chǎn)效率，在雙壓力機(jī)工作情況下，配置三臺(tái)機(jī)器人，如圖4所示。每臺(tái)機(jī)器人只進(jìn)行取料和送料兩個(gè)動(dòng)作，節(jié)省壓力機(jī)等待時(shí)間。整條自動(dòng)線工作節(jié)拍可到10 min-1左右。

（4）機(jī)器人步進(jìn)方案[5]

在多模膛鍛造的情況下，用戶希望在一臺(tái)壓力機(jī)上同時(shí)完成開坯、預(yù)段和終鍛三個(gè)工序，既節(jié)省設(shè)備投資，又可保證工作效率。在此種工作模式下，采用機(jī)器人步進(jìn)方式。最關(guān)鍵的是在機(jī)器人手腕上安裝四套夾鉗，其配置如圖5所示。機(jī)器人配備一套通用夾爪，帶4個(gè)夾鉗，能同時(shí)抓取4個(gè)零件，用于三工位級(jí)進(jìn)生產(chǎn)。機(jī)器人在模具內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間約為2～3s。其工作過程模擬如圖6所示。

（5）自動(dòng)噴墨裝置

電動(dòng)螺旋壓力機(jī)周邊典型的自動(dòng)化外部設(shè)備包括有自動(dòng)上、下料裝置和自動(dòng)噴石墨裝置等。出于保護(hù)模具和鍛造成形后便于脫模的目的，噴石墨也是模鍛件生產(chǎn)中的必要環(huán)節(jié)，如果能使用自動(dòng)噴石墨裝置，必將大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，且保證該操作的一致性和均勻性。圖7（推車機(jī)構(gòu)）和圖8（側(cè)裝機(jī)構(gòu)）所示即為J58K系列數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上所使用的自動(dòng)噴石墨裝置。該自動(dòng)噴石墨裝置采用氣動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)，由混合石墨、水和氣的壓力容器，氣動(dòng)馬達(dá)，直線氣缸和平面噴頭等主要元件組成。每次壓力機(jī)滑塊鍛打工件完畢回程超過一定高度時(shí)，噴頭自動(dòng)進(jìn)入上下模腔之間，噴射石墨水達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后自動(dòng)退回?？捎呻姎饪刂葡到y(tǒng)對(duì)噴涂時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，使噴涂更加均勻。

4 應(yīng)用

（1）全自動(dòng)氣門生產(chǎn)線[4]

該氣門自動(dòng)化鍛造線以J58K-160型數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)為核心設(shè)備，輔以4臺(tái)數(shù)控電鐓機(jī)組成。該自動(dòng)化機(jī)組使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)取料和上料操作，采用自制下料裝置實(shí)現(xiàn)下料操作，如圖9所示。該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了從上料、電鐓、測溫控溫、終鍛至下料的全自動(dòng)化，原來需要3～4名操作工負(fù)責(zé)的鍛造生產(chǎn)線現(xiàn)在只需要1名操作工負(fù)責(zé)監(jiān)控和質(zhì)檢即可，在減少勞動(dòng)力和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，帶來的是產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)品一致性的提高。據(jù)用戶統(tǒng)計(jì)，該生產(chǎn)線氣門鍛件尺寸精度和幾何形狀的一致性大大提高，鍛件合格率將近100%，特別是氣門總長的偏差由原來的0～4.0mm減小到了±0.25mm，減少了3～4道粗加工和半精加工工序。

（2）全自動(dòng)齒輪鍛造生產(chǎn)線

國內(nèi)第一條采用電動(dòng)螺旋壓力機(jī)的全自動(dòng)齒輪鍛造生產(chǎn)線在2009年底投入生產(chǎn)。該生產(chǎn)線由中頻加熱爐、10000kN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、6300kN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、自動(dòng)噴墨裝置、上下料機(jī)器人和其他輔助設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)從原料加熱、上料、粗鍛、噴墨、鍛件移動(dòng)、精鍛、下料等過程的無人化操作，如圖10所示。其中的電動(dòng)螺旋壓力機(jī)選用華中科技大學(xué)武漢新威奇科技有限公司的產(chǎn)品，上下料采用ABB公司6自由度工業(yè)機(jī)器人。隨著該全自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線的成功生產(chǎn)，將對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善我國模鍛生產(chǎn)環(huán)境具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)論

雖然電動(dòng)螺旋壓力機(jī)自動(dòng)生產(chǎn)線比摩擦壓力機(jī)一次性設(shè)備投資要大，但綜合考慮人工成本、能耗、維護(hù)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，為提高企業(yè)競爭力，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)及其自動(dòng)線將得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

[1]孫友松，李明亮，魏 航，等.螺旋壓力機(jī)發(fā)展綜述[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（2）：18-21.

[2]朱元?jiǎng)?，欒新?常用模鍛設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)及應(yīng)用發(fā)展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（5）:22-26.

[3]熊曉紅，李軍超，馮 儀，黃樹槐.CNC電動(dòng)螺旋壓力機(jī)[J].鍛壓技術(shù)，2007，（5）：110-114.

[4]馮 儀，黃樹槐.全自動(dòng)CNC電鐓機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].鍛壓技術(shù)，2008，（5）：138-143.

[5]PAS/CN ABB Engineering（Shanghai）Ltd.鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)，2011-1.

Research and development on automated forging line based on electric screw press

LI Ruixia，XIONG Xiaohong，F(xiàn)ENG Yi
（Huazhong University of Science and Technology,Wuhan New Wish Technology Co.，Ltd.,Wuhan 430074,Hubei China）

The four types of automated forging line based on electric screw press have been introduced in the text by analysis of the structure and characteristics of the electric screw press.The application situation of automated forging line for valve and gear has been analyzed,which gains a good effect.

Die forging；Electric screw press；Robot

TG315.9

B

1672－0121(2011)04－0016－04

2011-04-02

李瑞霞（1964-），女，副教授，從事材料加工控制技術(shù)的教學(xué)與研究