盤(pán)式轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)工藝

文/杜立東，劉作樂(lè)，成希鋒·中國(guó)重汽集團(tuán)（香港）有限公司濟(jì)南鑄鍛中心

盤(pán)式轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)工藝

文/杜立東，劉作樂(lè)，成希鋒·中國(guó)重汽集團(tuán)（香港）有限公司濟(jì)南鑄鍛中心

杜立東，工程師，主要從事鍛造技改技措項(xiàng)目的策劃、論證、組織實(shí)施管理工作，全程參與了引進(jìn)德國(guó)西馬克梅爾公司KP12500MP8000熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線項(xiàng)目。

目前，我國(guó)制造業(yè)面臨著勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性短缺及勞動(dòng)成本上升，低成本優(yōu)勢(shì)正在逐步減弱，人口紅利正在逐漸消失等問(wèn)題。隨著人口紅利逐漸消失和“劉易斯拐點(diǎn)”的跨越，企業(yè)從依靠資本和勞動(dòng)的投入轉(zhuǎn)向依靠全要素生產(chǎn)率的提高，增長(zhǎng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)變到依靠技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)率提高的基礎(chǔ)上。如何面對(duì)人口紅利消失造成的成本變化，怎樣使之轉(zhuǎn)換為企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的新機(jī)遇是擺在中國(guó)制造業(yè)企業(yè)面前的一道新課題。

鍛造是一個(gè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣的行業(yè)，為了解放勞動(dòng)力、節(jié)約能源，各企業(yè)為了提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率，對(duì)鍛造自動(dòng)化進(jìn)行過(guò)各種探索。轉(zhuǎn)向節(jié)作為重型載重汽車(chē)前橋的核心部件之一，對(duì)車(chē)輛的安全行駛有著至關(guān)重要的作用。

我公司自主研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盤(pán)式制動(dòng)器用轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯鍛造，相比STR鼓式制動(dòng)器用轉(zhuǎn)向節(jié)，由于其結(jié)構(gòu)要求安裝制動(dòng)盤(pán)，整體鍛造外形復(fù)雜，復(fù)雜系數(shù)小于0.08，鍛造成形難度大，所需變形力大。原有STR轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯的鍛造設(shè)備—MP63MN熱模鍛壓力機(jī)無(wú)法滿足新型盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造毛坯整體鍛造要求，只能采取分體鍛造方式，鍛造毛坯分別機(jī)加工后再組裝在一起。加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低下，造成了人財(cái)物資源的浪費(fèi)。

為了解決盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯整體鍛造能力，降低生產(chǎn)成本，中國(guó)重汽從西馬克引進(jìn)了MP80MN曲柄連桿熱模鍛壓力機(jī)鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)行了積極的嘗試。本文將從工藝與裝備角度詳細(xì)介紹一下盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)精密鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線。

轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝

鑒于德國(guó)西馬克梅爾公司工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備整合的能力，我公司在引進(jìn)鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線的同時(shí)，一并讓該公司開(kāi)發(fā)了盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)的整體鍛造工藝。試生產(chǎn)階段，我們又根據(jù)以前生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)轉(zhuǎn)向節(jié)的特點(diǎn)，調(diào)整了西馬克為我們?cè)O(shè)計(jì)的工藝，設(shè)計(jì)了鍛造盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造新工藝。該新工藝目前已經(jīng)投入使用，鍛后毛坯符合鋼制模鍛件標(biāo)準(zhǔn)—尺寸公差(DIN EN 10243-1）。

該轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→制坯→擠壓預(yù)鍛→終鍛→切邊、校正→鍛件冷卻。

盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)的整體鍛造過(guò)程如圖1所示。

圖1 整體轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造過(guò)程

工藝特點(diǎn)

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其毛坯鍛造一直是具有代表性的叉類(lèi)件，早期毛坯的鍛造工藝主要由劈叉、拔桿、預(yù)鍛、終鍛等工序組成。整體盤(pán)式轉(zhuǎn)向節(jié)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線鍛造工藝具有以下特點(diǎn)：

⑴采用預(yù)成形制坯工藝，減少了鍛件在主機(jī)80MN熱模鍛壓力機(jī)上的生產(chǎn)工序，提高了80MN熱模鍛壓力機(jī)的生產(chǎn)效率。

⑵整體鍛造水平成形困難。從鍛造毛坯角度講，整體式的鍛造毛坯都屬于復(fù)雜系數(shù)高的具有長(zhǎng)軸線并帶有叉形的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，整體轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭盤(pán)水平投影最大直徑比分體鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)多46mm，復(fù)雜系數(shù)減少了0.01到S4級(jí)的0.08。設(shè)計(jì)既要保證桿部成形，又要保證叉桿充滿，故采用數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了預(yù)成形制坯、閉式擠壓預(yù)鍛、終鍛的鍛造工藝并取得成功。實(shí)際鍛后毛坯符合鋼制模鍛件標(biāo)準(zhǔn)—尺寸公差(DIN EN 10243-1）。

⑶鍛造、切邊模座采用八面導(dǎo)板導(dǎo)向，避免了早期模座導(dǎo)柱導(dǎo)套受熱后位置精度的變化造成導(dǎo)向精度下降的問(wèn)題。

⑷在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，采用切邊校正復(fù)合模熱鍛件切邊抱切工藝，切邊時(shí)鍛件放置到下凸模上保持不動(dòng)，滑塊下行到一定高度時(shí)，上下凸模將鍛件抱緊，起到了校正作用，避免了切邊時(shí)盤(pán)面的變形；滑塊繼續(xù)下行，將毛邊切斷。切邊校正工序一次完成。提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

⑸考慮將來(lái)產(chǎn)品將大量采用非調(diào)質(zhì)鋼生產(chǎn)，根據(jù)非調(diào)質(zhì)鋼鍛后冷卻工藝的需要，預(yù)留了改進(jìn)冷卻線的空間，保證鍛件的冷卻速度和質(zhì)量。

生產(chǎn)線上的主輔設(shè)備

MP80MN熱模鍛壓力機(jī)

圖2所示的MP80MN熱模鍛壓力機(jī)由4塊主機(jī)機(jī)架組成，由預(yù)應(yīng)力拉桿把緊。該壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是剛性好，滑塊和工作臺(tái)平面尺寸大，連同上下頂料裝置可實(shí)現(xiàn)多工位，便于實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)線的自動(dòng)化。該設(shè)備鍛造鍛件精度高，配備了機(jī)器人及整線連線技術(shù)，適合高效率生產(chǎn)大批量連續(xù)模鍛件。為提高產(chǎn)品切換效率，配備了快速換模系統(tǒng)。

圖2 MP80MN熱模鍛壓力機(jī)

10MN閉式雙點(diǎn)預(yù)成形壓力機(jī)

根據(jù)工藝需要選用10MN閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)用于完成鍛件的預(yù)成形工序，如圖3所示。由于使用了預(yù)鍛壓力機(jī)，減少了鍛件在主機(jī)80MN熱模鍛壓力機(jī)上的生產(chǎn)工序，提高了80MN熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)效率。

圖3 10MN閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)

該設(shè)備采用閉式雙點(diǎn)，抗偏載能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)精度高；鋼板整體焊接機(jī)身，剛性好，機(jī)身垂直剛度好、角變形小，寬臺(tái)面，可布置三工位，模具結(jié)構(gòu)合理，能夠承受強(qiáng)烈震動(dòng)。八面導(dǎo)軌調(diào)整方便，導(dǎo)向精度高，抗偏載能力強(qiáng)，剛性好。制動(dòng)器設(shè)循環(huán)水冷卻，采用閉式系統(tǒng)，以延長(zhǎng)摩擦塊壽命。動(dòng)態(tài)平衡器可減少運(yùn)動(dòng)沖擊，工作平穩(wěn)。下頂料為液壓頂料，具有高度保持功能，高保時(shí)間可以根據(jù)工藝設(shè)定。

中頻感應(yīng)加熱設(shè)備

生產(chǎn)線材料加熱設(shè)備根據(jù)產(chǎn)品工藝要求和生產(chǎn)節(jié)拍，選定3400kW中頻感應(yīng)加熱爐作為加熱設(shè)備，如圖4所示。該設(shè)備感應(yīng)加熱速度快，加熱溫度可控，設(shè)備在線圈的出料端配有熱坯料快速抽取裝置用來(lái)快速抽取坯料以減小沿坯料長(zhǎng)度方向上的不良溫度梯度。設(shè)備系統(tǒng)通過(guò)光電開(kāi)關(guān)粘料檢測(cè)，在出現(xiàn)粘料時(shí)，系統(tǒng)將坯料移出線圈，尾部采用氣缸驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)擋板，處理粘料使之符合工藝要求。符合工藝要求的加熱坯料由快速出料裝置抽出，由溫度分選裝置將加熱合格棒料、過(guò)熱坯料、低溫坯料分別分選到對(duì)應(yīng)存放區(qū)域。

圖4 3400kW中頻感應(yīng)加熱爐

10MN閉式雙點(diǎn)切邊壓力機(jī)

根據(jù)工藝需要選用10MN閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)用于完成鍛件的切邊、校正工序，為提高產(chǎn)品切換效率，單獨(dú)配備快速換工裝系統(tǒng)。該設(shè)備特點(diǎn)與10MN閉式雙點(diǎn)預(yù)成形壓力機(jī)相同，在此不再贅述。

輔助設(shè)備機(jī)器人

為保證工藝順利實(shí)施，產(chǎn)品質(zhì)量水平穩(wěn)定，設(shè)備穩(wěn)定可靠，環(huán)境安全整潔，MP80MN熱模鍛壓力機(jī)、切邊校正機(jī)配備快速換模系統(tǒng)提高工裝更換效率。生產(chǎn)線末端配備鍛件快速冷卻裝置和毛邊輸送裝置，鍛后鍛件毛坯及毛邊及時(shí)輸送到車(chē)間外轉(zhuǎn)運(yùn)。主機(jī)配備獨(dú)立除塵系統(tǒng)、模具預(yù)熱爐及模具翻轉(zhuǎn)裝置。工藝設(shè)備循環(huán)軟水均采用閉式塔雙循環(huán)系統(tǒng)。為了保障安全生產(chǎn)秩序，生產(chǎn)線全線防護(hù)網(wǎng)封閉，關(guān)鍵工序設(shè)有抽檢窗口。

為了提高生產(chǎn)效率和提升自動(dòng)化水平，保證生產(chǎn)線具備柔性，該生產(chǎn)線配備8臺(tái)KUKA6關(guān)節(jié)機(jī)器人用于不同工序之間工件的傳送和模具噴淋潤(rùn)滑，這些機(jī)器人是保證生產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行生產(chǎn)出合格鍛件毛坯的重要保障。MP80MN熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線上機(jī)器人的工作主要有：

機(jī)器人R1從電爐來(lái)料工位取出工件毛坯，送入制坯機(jī)工位1后復(fù)位。機(jī)器人R2將工件從制坯機(jī)工位1移送到工位2，制坯完成后，再把工件從工位2移送到支架1后復(fù)位。機(jī)器人R3從支架1取工件，放入鍛壓機(jī)工位1，完成后復(fù)位。機(jī)器人R4在鍛壓機(jī)內(nèi)將工件從工位1移送到工位2后復(fù)位。機(jī)器人R5從工位2將工件移送到機(jī)器人R6的夾具中，完成后復(fù)位。機(jī)器人R6將夾具中的工件放入切邊機(jī)工位，完成后復(fù)位。噴淋潤(rùn)滑機(jī)器人R7按照要求完成模具表面噴淋潤(rùn)滑，完成后復(fù)位。機(jī)器人R8從切邊機(jī)取工件，放入成品輸送線，再取出毛邊放入廢料輸送線，完成后復(fù)位。

由于該生產(chǎn)線采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行工件傳送，因此具備較好的柔性，既可滿足轉(zhuǎn)向節(jié)單一品種大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)要求，在更換模具和部分機(jī)器人夾鉗以及部分輔助工具后，也可進(jìn)行不同品種、不同批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。這對(duì)于現(xiàn)代企業(yè)所強(qiáng)調(diào)的柔性化和訂單化生產(chǎn)十分有利。

自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線面臨的問(wèn)題

目前，我國(guó)對(duì)于自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的使用還處于學(xué)習(xí)探索階段，使用過(guò)程也是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題的過(guò)程，經(jīng)過(guò)一年多的生產(chǎn)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線需要解決和逐步完善以下問(wèn)題：

⑴工藝方面。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，鍛造模具壽命不超過(guò)3000件。由于金屬流動(dòng)劇烈，坯料單次變形量大，模具擋墻部位磨損、龜裂嚴(yán)重，模具生產(chǎn)幾百件后就需要修磨拋光保養(yǎng)，達(dá)到3000件左右時(shí)，就必須下廠返修。如何完善工藝或換用紅硬性高的模具材料降低模具變形、提高模具壽命是今后我公司、鋼廠、模具生產(chǎn)單位共同的目標(biāo)。

鍛造過(guò)程中鍛造模具溫升快，模具溫度達(dá)到300℃左右時(shí)，石墨附著效果開(kāi)始不穩(wěn)定，達(dá)到350℃以上時(shí)，石墨附著效果就很差了，出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象，無(wú)法自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)，易導(dǎo)致機(jī)器人進(jìn)入模具區(qū)時(shí)，鍛件脫落砸傷卡爪或機(jī)器人，同時(shí)降低模具壽命并造成生產(chǎn)線中間工序甩料，廢品率上升。雖然加大噴淋潤(rùn)滑劑量能改善冷卻效果，但也容易在下模型腔殘存石墨液體，易在鍛造時(shí)形成氣阻，導(dǎo)致坯料不能充滿型腔。怎樣降低模具升溫速度，提高生產(chǎn)線效率，同時(shí)保證模具壽命，我們還需在改進(jìn)工藝或選擇高溫下強(qiáng)附著力石墨潤(rùn)滑劑等方面進(jìn)行積極的嘗試和探索。

⑵設(shè)備使用。一般鍛造生產(chǎn)線是單個(gè)設(shè)備的松散型合作生產(chǎn)，自動(dòng)化生產(chǎn)的特征為典型的系統(tǒng)化、合成化。自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線中，任何一個(gè)單機(jī)開(kāi)機(jī)率都會(huì)直接影響整線的開(kāi)工率。我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)裝備與國(guó)外進(jìn)口設(shè)備的開(kāi)機(jī)率存在一定差距，國(guó)內(nèi)機(jī)械制造整體水平與國(guó)際先進(jìn)水平存在著差距，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的故障成為制約整線開(kāi)機(jī)率的重要因素。

⑶綜合保障要求。自動(dòng)化生產(chǎn)批量大，效率高。自動(dòng)化生產(chǎn)上相關(guān)生產(chǎn)要素多，并且對(duì)這些要素都有很高的要求，單個(gè)輔助要素的問(wèn)題可能影響整條自動(dòng)線的開(kāi)機(jī)率。

⑷人員要求。隨著鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)整條生產(chǎn)線參與人員專業(yè)素質(zhì)的要求也在相應(yīng)提高。為了提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)場(chǎng)人員需熟悉鍛造工藝，具有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、處理問(wèn)題的能力。目前，我公司該自動(dòng)化生產(chǎn)線所在車(chē)間人員90%以上具有本科學(xué)歷。

結(jié)束語(yǔ)

本條生產(chǎn)線的引入，大幅提高了熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線在技術(shù)裝備、產(chǎn)品種類(lèi)和質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模和管理水平等方面的水平，縮短了與國(guó)外先進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)線的差距。本文介紹的重型汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器轉(zhuǎn)向節(jié)毛坯的自動(dòng)鍛造技術(shù)和裝備，具有設(shè)備起點(diǎn)高、工藝先進(jìn)、生產(chǎn)線柔性好、整線生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，年生產(chǎn)能力可達(dá)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造毛坯45萬(wàn)件。該生產(chǎn)線的建成投產(chǎn)，對(duì)于打破國(guó)外壟斷、提升我國(guó)大噸位熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線的裝備水平有重要意義，為應(yīng)對(duì)人口紅利逐漸消失、人員成本提升迅速做出了積極嘗試。