熱精鍛工藝及其裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（下）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學(xué)

熱精鍛工藝及其裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（下）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學(xué)

《熱精鍛工藝及其裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（上）》見《鍛造與沖壓》2015年第1期

熱精鍛模具的發(fā)展趨勢

實現(xiàn)復(fù)雜零件閉式精鍛的可分凹模模具

可分凹模模具裝置由合模機構(gòu)與可更換的凸、凹模鑲塊組成。合模機構(gòu)的功能是將壓力機滑塊的垂直運動轉(zhuǎn)換為可分凹模的閉合壓緊與張開，因此，合模機構(gòu)的設(shè)計制造是可分凹模模具裝置的關(guān)鍵。

根據(jù)鍛件的形狀特點，可分凹模有三種基本形式，即水平可分凹模、垂直可分凹模和混合可分可模，如圖11所示。

高承載緊湊型組合凹模（模具輕量化）

針對冷溫?zé)衢]式精鍛型腔凹模底部為實心或小孔的結(jié)構(gòu)特點，分別提出非均勻過盈和階梯式預(yù)緊抗應(yīng)力松馳的組合凹模新結(jié)構(gòu)（圖12），使閉式精鍛凹模壽命顯著提高。

例如，當(dāng)氣門熱精鍛凹模材料采用鋼結(jié)硬質(zhì)合金時，其使用壽命超過170000件，單個氣門鍛件的模具費用由原來的0.15元減少至0.04元。

圖11 可分凹模的基本形式

圖12 高承載緊湊型精鍛凹模

圖13 直錐齒輪溫?zé)峋懓寄AD/CAM過程示意圖

模具數(shù)字化設(shè)計制造與修復(fù)（CAD/CAM）技術(shù)

直齒輪溫?zé)峋懓寄?shù)字化設(shè)計與制造及CAD/ CAM技術(shù)（圖13）。其基本過程為：齒輪三維造型→關(guān)聯(lián)設(shè)計模具，生成NC代碼→數(shù)控加工→直錐齒輪精鍛凹模。

熱精鍛設(shè)備的發(fā)展趨勢

近十多年來，汽車特別是轎車制造工業(yè)的迅速發(fā)展和精密塑性成形技術(shù)的不斷完善，極大地促進了專用精鍛機械壓力機和精鍛液壓機的研制與應(yīng)用。

肘桿式多工位機械壓力機

日本“小松”公司研制出用于閉塞溫冷精鍛的肘桿式機械壓力機L1C-L型系列，公稱壓力為1600～1800kN，采用先進的多連桿（廣義肘桿）傳動機構(gòu)，公稱壓力行程達到25mm（通用機械壓力機僅有5～10mm）。同時配備有振動上料機、自動傳送機構(gòu)、快速換模裝置、自動潤滑系統(tǒng)、步進式機械手等自動化裝備，構(gòu)成全自動化生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率最快可達到20件/min。主要用于溫冷精鍛生產(chǎn)轎車差速器行星齒輪、半軸齒輪、等速萬向節(jié)星形套、三銷軸和十字軸等零件。

精鍛液壓機

日本你期待股份有限公司開發(fā)的計算機控制的三缸液壓機其主要組成部分為：主體結(jié)構(gòu)（主滑塊、內(nèi)滑塊、床滑塊）；液壓傳動系統(tǒng)；電氣控制系統(tǒng)（主操作臺、輔助操作臺、功率顯示板）；計算機（建立成形情況的圖像顯示和數(shù)據(jù)記錄）；伺服控制；帶速比調(diào)節(jié)的成套模具裝置等。這種全液壓閉式模鍛壓力機內(nèi)滑塊加壓速度為20mm/s左右，主要用于十字軸及錐齒輪等的閉式冷精鍛或閉式半溫鍛。

日本三菱重工研制的微機控制的全液壓閉式模鍛壓力機采用上下沖頭對擠，其型號為MCF450和MCF1100，相應(yīng)最大壓力為4.5MN和11MN。

華中科技大學(xué)與湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司及黃石華力鍛壓機床有限公司合作，研制出將肘桿式機械壓力機的框架機身、加長滑塊及精密導(dǎo)向裝置，與快速空程、慢速壓制的液壓傳動系統(tǒng)相結(jié)合，并可實現(xiàn)快慢轉(zhuǎn)模準(zhǔn)確控制的新型精鍛液壓機。

已開發(fā)出YK34J型單動、雙動、三動和多向模鍛液壓機，其噸位為5000～20000kN的系列產(chǎn)品，其空程速度為300～400mm/s，模鍛壓制速度為20～40mm/s，根據(jù)黑色金屬和高強度輕合金的材料特性，合理配置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，通過多家企業(yè)使用表明，能很好地滿足結(jié)構(gòu)鋼和高強鋁合金零件閉式精鍛的生產(chǎn)要求。其優(yōu)點是：工藝適用范圍廣，具有較高的生產(chǎn)效率，主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)達到或接近國外同類精鍛液壓機先進水平，其價格僅為進口的1/3，具有較強的市場競爭力。

電動螺旋壓力機

電動螺旋壓力機的工作原理是電機經(jīng)小齒輪、大齒輪（飛輪）帶動與飛輪緊固為一體的螺桿作旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)的螺桿帶動螺母及與其緊固為一體的滑塊作上下往復(fù)直線運動，實現(xiàn)鍛造功能。當(dāng)電機達到打擊能里所要求的轉(zhuǎn)速時，利用大齒輪儲存的動能作功，使鍛件成形。大齒輪釋放能里后，電機立即帶動大齒輪反轉(zhuǎn)，返回一定轉(zhuǎn)角后，電機進入制動狀態(tài)，滑塊回到預(yù)先設(shè)置的位置。圖14為武漢新威奇科技有限公司與湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司共同設(shè)計制造的2500t電動螺旋壓力機。

電動螺旋壓力機的特點：同摩擦壓力機相比，節(jié)省驅(qū)動電能30%；通過能里預(yù)選裝置實現(xiàn)打擊能里的準(zhǔn)確控制，有利于提高模鍛工藝的穩(wěn)定性和模具壽命；滑塊無固定下死點，能方便調(diào)節(jié)滑塊行程高度，工藝應(yīng)用面寬；采用變頻系統(tǒng)，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；采用加長滑塊，導(dǎo)向精度高，抗偏載能力強，適合于多工位精鍛；主機結(jié)構(gòu)簡單，操作與維護方便。

圖14 JK58-2500電動螺旋壓力機

圖15 反擠模具結(jié)構(gòu)及潤滑系統(tǒng)

熱精鍛潤滑劑與潤滑技術(shù)的發(fā)展趨勢

潤滑劑

傳統(tǒng)的熱鍛潤滑劑普遍采用水劑石墨，這種潤滑劑于1979年開始研制，1981年開始使用，是一種比較理想的潤滑劑。但存在造成環(huán)境污染，對于鋁合金熱鍛在鍛件表面形成一層黑色石墨層，既影響鍛件表面質(zhì)里，又很難去掉等問題。近年來，有研究單位將石墨顆粒細化為約1μm的超微潤滑劑，潤滑和脫模效果更好，并有利于提高模具壽命；為了避免污染，國外已研制出非石墨潤滑劑，其性能接近水劑石墨，國內(nèi)進行了同樣的研究并取得類似效果。

潤滑技術(shù)的發(fā)展趨勢

⑴模具內(nèi)外潤滑冷卻相結(jié)合。

圖15為四工序溫擠模具中的反擠壓模具單元結(jié)構(gòu)，由圖可看出，凹模下面和凸模外面均安裝有潤滑冷卻系統(tǒng)，下面的系統(tǒng)是實現(xiàn)凹模模膛的內(nèi)部潤滑與冷卻，上面的系統(tǒng)是實現(xiàn)反擠凸模的潤滑與冷卻，系統(tǒng)與整條生產(chǎn)線統(tǒng)一控制，速度快，效果好。

⑵自動化噴涂潤滑。

圖16 自動噴涂裝置

武漢新威奇科技有限公司研制成的自動化潤滑與冷卻的噴涂裝置，如圖16所示。它是實現(xiàn)鍛造自動化特別是使用機器人組成從取料、鍛打和卸件全自動化生產(chǎn)線必備的輔助設(shè)備。圖16a和圖16b所示即為J58K系列數(shù)控電動螺旋壓力機上所使用的自動噴石墨裝置。該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。壓力機滑塊每次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，噴射水劑石墨達到設(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。經(jīng)使用表明可有效提高鍛件質(zhì)里和模具壽命。

⑶沐浴浸泡式潤滑與冷卻。

這種方法主要用在電動螺旋壓力機上進行齒輪坯等餅類鍛件的閉式模鍛，模鍛時，含有潤滑和防銹作用的乳化液不斷從壓力機側(cè)面注入凹模模膛，模鍛時鍛件完全泡在乳化液中，模膛中的乳化液起到冷卻潤滑作用后從模膛下面的出口流出經(jīng)過濾后回收到水箱循環(huán)使用。因為冷卻潤滑效果好，模具壽命可達到20萬件。

熱精鍛自動化生產(chǎn)線

建立自動化生產(chǎn)線的必要條件

1）工藝穩(wěn)定性好；2）模具使用壽命長；3）設(shè)備精度高，運行穩(wěn)定；4）上、下料及傳輸機構(gòu)剛性好，動作準(zhǔn)確；5）控制系統(tǒng)功能齊全，工作可靠。

典型應(yīng)用實例

⑴氣門熱精鍛自動化生產(chǎn)線。

華中科技大學(xué)與武漢新威奇科技有限公司同馬勒三環(huán)氣門驅(qū)動（湖北）有限公司合作，自2006年起已建立了8條全自動化生產(chǎn)線，每條線由4臺數(shù)控電鐓機、1臺J58K型數(shù)控電動螺旋壓力機及1臺機器人和進出料裝置所組成。所建生產(chǎn)線同德國馬勒公司的生產(chǎn)線相比：由4臺機器人減為1臺機器人；同由手工操作以2臺電鐓機與1臺摩擦壓力機組成的開式模鍛生產(chǎn)工藝相比，廢品率由2%～5%降到0.5%以下；材料利用率提高12%以上，減少機加工工序4道，模具壽命顯著提高。

⑵汽車直錐齒輪溫精鍛自動化生產(chǎn)線。

青島三星精鍛齒輪有限公司同武漢新威奇科技有限公司及華中科技大學(xué)合作，于2009～2010年間在國內(nèi)首次建成3條重型汽車半軸齒輪和行星齒輪全自動化精密模鍛生產(chǎn)線。其中，第一條自動化生產(chǎn)線如圖17所示。

圖17 直錐齒輪溫鍛自動化生產(chǎn)線

直錐齒輪溫鍛自動化生產(chǎn)線同傳統(tǒng)的以摩擦壓力機為模鍛設(shè)備和手工操作的開式熱鍛生產(chǎn)線比較，有如下優(yōu)點：

1）節(jié)能節(jié)材效果好。節(jié)約螺旋壓力機驅(qū)動電能30%，節(jié)約坯料加熱電能35%以上，以某半軸齒輪為例，該齒輪質(zhì)里為3kg，坯料僅3.1kg，其材料利用達到97%，其提高幅度超過15%；2）齒輪鍛件精度及內(nèi)部質(zhì)里的一致性好；3）模具壽命提高1倍以上；4）在每臺螺旋壓力機頂部的正反兩側(cè)都安裝有強力抽風(fēng)管道，最后匯集到一條主管道通到車間外，每次潤滑后產(chǎn)生的水劑石墨蒸汽基本被抽到室外，車間內(nèi)空氣干凈，地面清潔，環(huán)境大為改善。