鍛造裝備與工藝之簡析

文/黨軍,張平平·陜西法士特汽車傳動集團有限公司

鍛造裝備與工藝之簡析

文/黨軍,張平平·陜西法士特汽車傳動集團有限公司

本文結(jié)合公司所用的各種鍛壓設(shè)備及其適用的鍛造工藝方法，對各個設(shè)備的工藝特點進(jìn)行分析。

21世紀(jì)的鍛造行業(yè)對具有高柔性和高效率的數(shù)控化、自動化的鍛壓設(shè)備呈現(xiàn)需求旺盛的態(tài)勢。鍛造設(shè)備及工藝技術(shù)的改進(jìn)和革新使得高質(zhì)量鍛件的生產(chǎn)更為經(jīng)濟，迅捷。本文結(jié)合法士特公司目前使用設(shè)備論述了模鍛錘、機械壓力機、螺旋壓力機、平鍛機、輾環(huán)機和楔橫軋等設(shè)備的使用特性和應(yīng)用范圍，及相應(yīng)設(shè)備的工藝特點和工藝原理，鍛件質(zhì)量控制系統(tǒng)、鍛件缺陷及其防止、檢驗內(nèi)容和方法。

曲柄熱模鍛自動壓力機

⑴高速高性能曲柄鍛造壓力機特別適合大批量鍛件的自動化生產(chǎn)，它的機架和驅(qū)動系統(tǒng)專為高負(fù)載和精密生產(chǎn)而設(shè)計。壓力機臺面寬，承載力大，特別適合多工位鍛造。壓力機設(shè)備采用工控機，設(shè)備的所有功能，通過操作面板實現(xiàn)操控，大量使用PLC編程控制器，將所有控制功能集成化，從而實現(xiàn)設(shè)備的菜單化管理，主要包括滑塊閉合高度調(diào)整、頂出器頂出高度調(diào)整、以及自動化控制系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)定?？梢詫崟r監(jiān)控打擊力，頂出器頂出量，頂出噸位，脫模劑噴涂量等參數(shù)。具有故障診斷報警等功能，使設(shè)備故障維修，設(shè)備維護更加便捷。設(shè)備還包括許多輔助裝置，如自動上料、感應(yīng)加熱及料溫自動分選系統(tǒng)、工件傳送和成品輸送裝置、噴淋潤滑系統(tǒng)以及換模裝置，使壓力機能夠高效地滿足和適應(yīng)各種生產(chǎn)任務(wù)。目前法士特所用曲柄鍛造壓力機傳動系統(tǒng)采用濕式離合器和制動器，設(shè)備噪聲小，傳動效率高。多軸控制系統(tǒng)的液壓頂出裝置和伺服電機控制的步進(jìn)梁傳送裝置使設(shè)備的工作節(jié)拍快，工件傳輸更加穩(wěn)定，效率高，頻率快。該鍛造生產(chǎn)線可以生產(chǎn)各種齒輪件和法蘭件，生產(chǎn)率為15～25件/分鐘，采用五工位無飛邊鍛造生產(chǎn)工藝。該種設(shè)備速度快，可將鍛件接觸模具的時間減少到最低限度，從而提高了模具的壽命，此外，還延長了用于進(jìn)行模具冷卻和零件傳輸?shù)臅r間。熱模鍛自動壓力機如圖1所示。

圖1 熱模鍛自動壓力機

⑵熱模鍛自動壓力機工作的高效性必須靠成熟、穩(wěn)定的工藝來保證。①原材料的重量和端面必須符合機床要求，確保鍛件生產(chǎn)時不出現(xiàn)充不滿和出毛刺的現(xiàn)象；②鍛件在鍛造過程中利用頂桿定位或者利用外圓定位兩種方式運行；③機床的上下頂桿對鍛件的頂出和卡爪的夾取必須要有保持功能；④高效自動的潤滑裝置必須保證模具穩(wěn)定在許可的范圍內(nèi)。熱模鍛自動壓力機模具簡圖如圖2所示。

圖2 熱模鍛自動壓力機模具簡圖

高能螺旋壓力機

⑴高能電動螺旋壓力機目前主要是兩種傳動形式：一是電機的轉(zhuǎn)子與螺桿連為一體的電機直接傳動形式，目前公司使用的是武漢新威奇630t高能螺旋壓力機，該種設(shè)備傳動環(huán)節(jié)少，但須設(shè)計低速、大扭矩專用電機，螺桿導(dǎo)套磨損后會影響電機的氣隙：二是電機經(jīng)齒輪或皮帶帶動飛輪螺桿的電機機械傳動形式。目前公司精鍛齒環(huán)線是采用的日本的榎本機工公司的600t高能螺旋壓力機，這種設(shè)備的特點是專用電機轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較小，電機出現(xiàn)故障時，更換方便，維護簡單；同時，螺桿導(dǎo)套磨損后不會影響電機性能。電動螺旋壓力機的突出優(yōu)點是自動化程度高，用戶只要在人機界面上設(shè)置好打擊行程和打擊能量，其他計算和控制只要交給壓力機控制系統(tǒng)自動完成即可。

自動生產(chǎn)線的工作過程全部受生產(chǎn)線總控系統(tǒng)控制。毛坯倒入自動分揀排序機構(gòu)后排隊送入中頻爐，加熱出來后通過氣缸推入滑道送至取料點，機器人取料后送至壓力機進(jìn)行鍛造，鍛造后由取料裝置取料并送至余熱傳送帶，噴霧潤滑機構(gòu)自動完成潤滑及冷卻等操作，如此周而復(fù)始，循環(huán)運行。然后進(jìn)行后續(xù)切邊、冷精整和沖孔等后續(xù)工序。

⑵自動噴墨裝置。電動螺旋壓力機周邊還有重要的自動潤滑冷卻裝置。出于保護模具和鍛造成形后便于脫模的目的，自動潤滑冷卻裝置也是模鍛件生產(chǎn)中的必要環(huán)節(jié)，如果能使用自動潤滑裝置，必將大大減輕工人的勞動強度，且保證該操作的一致性和均勻性。每次壓力機滑塊鍛打工件完畢回程超過一定高度時，噴頭自動進(jìn)入上下模腔之間，噴射石墨水達(dá)到設(shè)定的時間后自動退回，整個過程由電氣控制系統(tǒng)對噴涂時間、范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，使噴涂更加均勻。

⑶電動螺旋壓力機精密齒形鍛造工藝要點。目前該種設(shè)備采用的主要是熱精鍛加冷精整復(fù)合工藝，目前公司使用的電動螺旋壓力機主要的工藝路線為：精密下料→坯料自動分揀排序→中頻加熱→自動上料→壓力機鍛造→自動下料→沖床切邊→冷精鍛→沖孔。精鍛齒環(huán)如圖3所示。因為熱精鍛變形抗力低、塑性好，容易成形比較復(fù)雜的工件。為保證齒輪熱精鍛工件的表面質(zhì)量，必須采用少、無氧化加熱，減少工件在鍛造工序間的停留時間，防止工件在空氣中暴露時間長而表面過度氧化，同時保證工件的鍛造溫度。冷精整鍛造時是在室溫下進(jìn)行的精密鍛造工藝。冷精鍛工藝具有如下特點：鍛造溫度為室溫，不氧化；工件形狀與尺寸易控制；冷鍛件力學(xué)性能好，表面光滑，精度高。為保證工件的精度，冷精鍛一般均采用帶導(dǎo)柱導(dǎo)套模架。坯料在冷鍛時要產(chǎn)生變形和加工硬化，使鍛模承受高的荷載，因此，需要使用高強度的鍛模和采用防止磨損和粘結(jié)的硬質(zhì)潤滑膜處理方法。自動噴霧裝置如圖4所示。另外，為防止坯料裂紋，需要同時進(jìn)行中間退火以保證需要的變形能力。為保持良好的潤滑狀態(tài)，可對坯料進(jìn)行磷化處理。

圖3 精鍛齒環(huán)

圖4 自動噴霧裝置

圖5 數(shù)控電液錘

數(shù)控模鍛電液錘鍛造生產(chǎn)線

數(shù)控電液錘采用進(jìn)油打擊原理，打擊過程可實現(xiàn)PC控制，能夠精確控制打擊能量、打擊次數(shù)、兩次打擊之間間歇時間等工作參數(shù)。該設(shè)備還具備參數(shù)儲存，故障報警及自動診斷等功能。數(shù)控電液錘如圖5所示。

電液錘能量利用率高，錘頭導(dǎo)向精度好，抗偏載能力強，操作安全可靠，鍛件質(zhì)量基本不受工人操作水平的影響。與熱模鍛壓力機相比，電液錘使用靈活方便，投資較低，尤其適合中小批量鍛件的生產(chǎn)。鍛件沿高度方向的尺寸精度較高，沿水平方向的尺寸精度由鍛模精度保證。但因數(shù)控模鍛電液錘打擊能量比較大，鍛件打靠階段必須控制鍛件厚度，在此階段如果使用重錘打擊，容易造成鍛件徑向方向因為打擊力過大，模具彈性變形，導(dǎo)致鍛件徑向直徑超差現(xiàn)象存在，所以打靠階段必須設(shè)置錘鍛打能量，確保鍛件尺寸的一致性。操控界面如圖6所示。

圖6 操控界面

楔橫軋精密軋制

楔橫軋設(shè)備的工作原理是將加熱后的棒材送入兩個同向旋轉(zhuǎn)的帶有楔形凸起的模具中間，棒材在模具的帶動下，作與模具反向的回轉(zhuǎn)運動，同時材料發(fā)生徑向壓縮和軸向延伸變形，從而成形階梯軸類零件。楔橫軋機制坯可獲得高精度鍛造毛坯，具有節(jié)能、節(jié)材、生產(chǎn)率高、模具壽命長等優(yōu)點，并可實現(xiàn)軋制過程的自動化，是替代空氣錘制坯的換代工藝和設(shè)備。與同屬連續(xù)回轉(zhuǎn)成形工藝的輥鍛技術(shù)相比，楔橫軋機具有設(shè)備成本低的優(yōu)點。

目前我公司主要使用楔橫軋機軋制軸類件。該生產(chǎn)線附帶自動上料裝置，在半自動單次工作模式下，楔橫軋機的動作受料溫分選系統(tǒng)的控制：當(dāng)溫度正常的坯料落入楔橫軋機送料位置后，由接近開關(guān)檢測有料并發(fā)訊，推料氣缸自動推動毛坯動作循環(huán)。軋制成形后的坯料依靠重力落入輸送機，并被輸送到下一工步。楔橫軋軋制的軸類件如圖7所示。

楔橫軋模具必須遵循以下設(shè)計原則：⑴對稱原則；⑵減小料頭原則；⑶防拉細(xì)原則；⑷盡量減少軋齊；⑸防軸向竄動及二層臺；⑹防疏松原則；⑺減少二次起楔原則。一般軸件都是非對稱的，為避免軸件在軋制過程中兩側(cè)受力不均引起軸件軸向竄動或因軸件兩邊旋轉(zhuǎn)速度不一致而扭曲，對較短的軸件，可通過一軋兩件或多件實現(xiàn)對稱軋制。

圖7 楔橫軋軋制的軸類件

精密輾環(huán)生產(chǎn)線

⑴輾環(huán)生產(chǎn)線主要針對的是薄壁大孔件的，法士特公司同步器需要大量的齒環(huán)，我們將630t鍛壓機制坯，250立式輾環(huán)機輾壓組成精密輾環(huán)線，實現(xiàn)精密閉式輾環(huán)件的生產(chǎn)，成形后的環(huán)件加工余量小，輾出外部倒角及凹槽，且環(huán)件無毛刺。

圖8 輾壓工藝

⑵輾壓工藝分析。齒套的精密輾壓原理是：在液壓力的作用下，輾壓輪和芯輥使毛坯產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，使環(huán)件壁厚減小，內(nèi)孔增大，來滿足所需要的形狀和尺寸，其實質(zhì)是金屬鐓粗與延伸變形，輾壓工藝如圖8所示。所謂精密閉式輾壓是采用閉式孔型結(jié)構(gòu)，使整個環(huán)件的截面輪廓封閉在孔型內(nèi)部，易充滿且端面質(zhì)量好。精密輾壓的實質(zhì)是外圓圓角、溝道及密封槽均能在輾壓中成形。

其中輾環(huán)環(huán)件軋制用毛坯的合理設(shè)計是成形的關(guān)鍵，根據(jù)體積不變原理和軸向金屬體積流動量，確定軋制用毛坯的形狀尺寸以及軋制變形程度。

設(shè)計技巧：①設(shè)計時在上下端面添加β角度，可根據(jù)軋制毛坯外徑的大小選取：1°≤β≤3°。可有效防止輾壓過程中內(nèi)孔出飛刺。②模擬時確保毛坯上端面未充起圓角R的范圍在：3mm≤R≤6mm。圓角過大，環(huán)件充滿性不好；圓角過小容易出飛刺，甚至在輾壓過程中產(chǎn)生飛刺折疊在環(huán)件上，造成毛坯報廢。設(shè)計技巧圖如圖9所示。③設(shè)計保證厚度尺寸與環(huán)件熱尺寸一致，使環(huán)件僅存在徑向變形，端面質(zhì)量好，不易出現(xiàn)端面凹陷等缺陷。精密輾環(huán)生產(chǎn)線如圖10所示。

圖9 設(shè)計技巧圖

圖10 精密輾環(huán)生產(chǎn)線

結(jié)論

以上所述的鍛造設(shè)備和工藝設(shè)計要點只是我們在日常使用過程中遇到的一些問題簡述，因為公司主要生產(chǎn)的是齒輪件、軸類件和法蘭件，日常所見難免有局限性，國內(nèi)同行必然有更好的設(shè)備和工藝配合可行性，希望共同討論提高鍛造設(shè)備和工藝的共同進(jìn)步。