自動(dòng)輥鍛機(jī)在汽車連接臂鍛造成形工藝中的應(yīng)用

文/李偉，魏永彬·山東千里馬鍛壓自動(dòng)化設(shè)備有限公司

自動(dòng)輥鍛機(jī)在汽車連接臂鍛造成形工藝中的應(yīng)用

文/李偉，魏永彬·山東千里馬鍛壓自動(dòng)化設(shè)備有限公司

作為典型的高危、高溫行業(yè)，鍛造行業(yè)工人工作環(huán)境惡劣，而利用空氣錘自由鍛進(jìn)行制坯，在實(shí)際生產(chǎn)中環(huán)境尤為惡劣。同時(shí)自由鍛制坯對(duì)鍛造工人技能要求較高，自由鍛制坯產(chǎn)品一致性較差，材料浪費(fèi)嚴(yán)重，大大限制了材料利用率與工藝穩(wěn)定性。隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，人力資源成為制約鍛造行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要影響因素。

自動(dòng)輥鍛制坯可以有效的降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，嚴(yán)格保證毛坯的一致性，從而達(dá)到提高材料利用率與工藝穩(wěn)定性的目的，同時(shí)降低了人力資源成本。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始研究輥鍛機(jī)與輥鍛工藝，但由于價(jià)格因素與工藝服務(wù)等問題的制約，自動(dòng)化輥鍛制坯工藝在我國(guó)并未得到大規(guī)模推廣，中小型企業(yè)自動(dòng)輥鍛制坯工藝應(yīng)用較少。

結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)比分析了市場(chǎng)現(xiàn)有輥鍛機(jī)的特點(diǎn)，我公司獨(dú)立設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了符合當(dāng)前行業(yè)需求的自動(dòng)輥鍛機(jī)；并對(duì)汽車連桿、轉(zhuǎn)向臂、曲軸、前軸及五金工具等典型長(zhǎng)軸類件的輥鍛制坯工藝進(jìn)行了研究與開發(fā)。本文以汽車連接臂為研究對(duì)象，介紹了自動(dòng)輥鍛機(jī)在汽車連接臂鍛造成形當(dāng)中的應(yīng)用，優(yōu)化了原有鍛造成形工藝，材料利用率提高10%以上，提升了產(chǎn)品質(zhì)量與工藝穩(wěn)定性。

圖1 連接臂鍛件圖

工藝分析

圖1為連接臂鍛件圖，從圖中可以看出，該工件為典型兩桿三頭復(fù)雜直長(zhǎng)軸鍛件，沿軸向方向截面變化劇烈，終鍛前坯料分配難度系數(shù)較大。其原有鍛造成形工藝為：空氣錘制坯——螺旋壓力機(jī)終鍛——沖床切邊校正。該工藝過程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)兩桿三頭坯料合理分配，對(duì)空氣錘操作工熟練程度要求較高，空氣錘制坯耗費(fèi)20s時(shí)間，且存在5%的廢品率，工人技術(shù)程度、加工時(shí)間及廢品率成為制約該產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。圖2為連接臂自由鍛制坯圖，從圖中可以看出，經(jīng)過空氣錘制坯，坯料基本符合兩桿三頭的結(jié)構(gòu)要求，但坯料表面凹凸不平，中間桿部方形截面四角為尖角，增大了終鍛折疊裂紋風(fēng)險(xiǎn)；并且自由鍛制坯下料重量大，材料利用率僅70%，在浪費(fèi)資源能源的同時(shí)，也加大了終鍛成形金屬變形程度，對(duì)終鍛模具壽命有一定的不良影響。

圖2 連接臂自由鍛制坯圖

圖3 千里馬ZGD270全自動(dòng)輥鍛機(jī)

為批量生產(chǎn)該連接臂類鍛件，采用圖3中千里馬ZGD270全自動(dòng)輥鍛機(jī)，該機(jī)配備了自動(dòng)喂料機(jī)械手與成形機(jī)械手，該設(shè)備工藝參數(shù)如表1所示。

表1 千里馬ZGD全自動(dòng)輥鍛機(jī)

工藝設(shè)計(jì)

通過對(duì)該鍛件進(jìn)行分析，結(jié)合塑性成形理論，在保證工藝穩(wěn)定性的前提下，盡可能提高材料利用率，首先設(shè)計(jì)出圖4所示的連接臂的輥鍛毛坯圖。

通過工藝分析與工藝計(jì)算，確定輥鍛道次及各道次孔型形狀，建立如圖5所示的四道次輥鍛模幾何模型。

輥鍛變形過程金屬流動(dòng)復(fù)雜，各道次間不同孔型與各區(qū)段長(zhǎng)度匹配困難，純理論計(jì)算通常難以得到完全符合要求的輥鍛毛坯，實(shí)際生產(chǎn)過程中往往需要經(jīng)過調(diào)試才能得到完全符合要求的輥鍛毛坯。為減少調(diào)試次數(shù)，準(zhǔn)確得到目標(biāo)所需輥鍛毛坯，可以借助有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)輥鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過本人提出的“分段式”輥鍛模設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行局部分段設(shè)計(jì),通過有限元數(shù)值模擬驗(yàn)證其充滿情況,再結(jié)合理論計(jì)算得出其縱向尺寸,最后整體對(duì)輥鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬,逐步修正其縱向尺寸的匹配。輥鍛模型得到充分驗(yàn)證后，進(jìn)行CNC加工。通過該方法，可以將復(fù)雜的調(diào)試過程簡(jiǎn)單化，在數(shù)值模型中對(duì)輥鍛模完成絕大部分修正，在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試中，僅有少量修正工作，這能大大節(jié)省調(diào)試時(shí)間，節(jié)約資源、能源。

圖4 連接臂的輥鍛毛坯圖

圖5 四道次輥鍛幾何模型

數(shù)值模擬與生產(chǎn)試驗(yàn)

將修正后的輥鍛模數(shù)值模型導(dǎo)入有限元數(shù)值模擬軟件中，對(duì)輥鍛、終鍛成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以充分預(yù)測(cè)金屬的流動(dòng)，分析其成形過程中會(huì)出現(xiàn)的缺陷，該連接臂輥鍛毛坯及終鍛成形效果如圖6所示，從圖中可以看出，輥鍛毛坯材料分布與終鍛件材料分布一致，大小頭部及中間凸起材料均得到了合理分配，鍛件飛邊分布均勻，達(dá)到了預(yù)期效果。

將CNC加工后的模具裝到ZGD270輥鍛機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，由圖可見，輥鍛件表面光滑，無(wú)折疊、毛刺及不規(guī)律凸起。終鍛試驗(yàn)后，模具充滿情況良好，輥鍛、終鍛生產(chǎn)試驗(yàn)如圖8所示，與數(shù)值模擬結(jié)果一致，充分驗(yàn)證了有限元數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

通過輥鍛制坯工藝，材料利用率達(dá)到了82%，同時(shí)輥鍛毛坯一致性非常好，大大降低了因毛坯不一致造成的報(bào)廢。

圖6 輥鍛、終鍛有限元模擬結(jié)果

該設(shè)備投入生產(chǎn)一年來，已生產(chǎn)該型號(hào)連接臂50萬(wàn)件，節(jié)約材料高達(dá)100噸，同時(shí)減少了高薪的空氣錘工，所創(chuàng)造效益已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該設(shè)備投資成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。該鍛件采用空氣錘制坯每班次僅1800支，采用全自動(dòng)輥鍛機(jī)后，每班次高達(dá)4000支，充分發(fā)揮了鍛壓主機(jī)及鍛壓生產(chǎn)線的能力，大幅度提高了生產(chǎn)效率。

圖7 輥鍛、終鍛生產(chǎn)試驗(yàn)

結(jié)語(yǔ)

ZGD270全自動(dòng)輥鍛機(jī)在該長(zhǎng)軸類鍛件輥鍛制坯中具有傳統(tǒng)工藝不可比擬的優(yōu)勢(shì)：輥鍛毛坯均勻可控，一致性好，節(jié)能節(jié)材；工作效率高，生產(chǎn)節(jié)拍為6s/件，充分發(fā)揮鍛壓主機(jī)的工作潛能；實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，減少了人工干預(yù)，降低了對(duì)空氣錘工的依賴，節(jié)省大量人力物力。