淺談鍛造件自動(dòng)生產(chǎn)線搭配方案

文/余紹虎，楊柳，孟衛(wèi)校，徐宏亮·金豐（中國）機(jī)械工業(yè)有限公司沖壓裝備研究院

我國現(xiàn)已成為世界汽車最大消費(fèi)市場和生產(chǎn)國，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，需要提高產(chǎn)能與質(zhì)量，需要先進(jìn)、高效、柔性的自動(dòng)化生產(chǎn)裝備。隨著科技的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的多方位發(fā)展越發(fā)迅速，生存周期也越來越短，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的市場競爭趨于白熱化。作為鍛壓機(jī)從業(yè)者必須要以高質(zhì)量、低價(jià)格、高技術(shù)含量為產(chǎn)品的研發(fā)目標(biāo)，方能拔得頭籌。以現(xiàn)在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)工藝和制造流程來進(jìn)行改善，尋求一個(gè)最優(yōu)的生產(chǎn)方案來評估搭配設(shè)備投資與生產(chǎn)流程工藝編排，打造自己的核心生產(chǎn)工藝技術(shù)，以滿足市場競爭的需求。冷、溫間鍛造成形技術(shù)作為高強(qiáng)度零部件的生產(chǎn)工藝最有優(yōu)勢，對提高企業(yè)核心技術(shù)競爭力，有效降低高技術(shù)含量產(chǎn)品的成本非常重要。同時(shí)，一次成形加工漸漸取代粗切削機(jī)床加工，傳統(tǒng)加工工藝轉(zhuǎn)為綠色節(jié)能型鍛造加工勢在必行。

適合冷、溫間鍛造零件

汽車的零部件中很多適合冷、溫間鍛造，圖1中變形量比較大的小尺寸鍛造零件，比較適合采用冷、溫鍛制造生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。鍛造零件在經(jīng)過塑性形變后，還保持一定程度上的物理力學(xué)性能。

鍛造壓力機(jī)與鍛造工藝的關(guān)系

鍛造壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特性

⑴壓力機(jī)能力有三大特點(diǎn)。

對代表性的冷、溫間鍛造零件開展研究表明，要鍛造精度合格率高的零件，首先需要了解鍛造壓力機(jī)的能力、行程扭矩與工作必要能量等三大主要因素及壓力機(jī)的精度特點(diǎn)，方能鍛造出尺寸優(yōu)良與高精度的零件制品，可參考圖2所示。

圖1 代表性的冷、溫間鍛造零件

圖2 壓力機(jī)行程能力曲線圖

⑵壓力機(jī)的精度特點(diǎn)與鍛壓零件精度的相互關(guān)聯(lián)性。

壓力機(jī)本身的精度，決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，高精度的壓力機(jī)能生產(chǎn)優(yōu)良的產(chǎn)品，相反精度較差的壓力機(jī)其生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率很低。壓力機(jī)的精度通常分為：空載狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)精度和鍛造狀態(tài)時(shí)的動(dòng)態(tài)精度。圖3所示為壓力機(jī)主要的靜態(tài)精度分類。

圖3 壓力機(jī)主要考慮的靜態(tài)精度分類

1）壓力機(jī)平行度為滑塊與工作臺(tái)面之間的平行度精度，如果此精度不良，鍛造生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生零件尺寸與精度不佳。

2）工作臺(tái)面或者滑塊底面的平面度誤差如果很大，比如內(nèi)凹時(shí)，會(huì)導(dǎo)致零件平面度不良，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成模具損壞或者變形。

3）另外還有滑塊中心線與工作臺(tái)面之間的垂直度精度影響也很大。當(dāng)中心線偏斜時(shí)，上凸模與下凹模中心偏斜，在長形狀零件進(jìn)行擠壓加工時(shí)會(huì)發(fā)生形狀精度不佳。

冷、溫間鍛造如果工藝技術(shù)和鍛造設(shè)備的精度控制良好，其制造零件精度不遜色于機(jī)床切削加工。冷、溫間鍛造加工精度一般分類如下：

1）鍛造模具的尺寸精度直接影響制品精度

一般先通過評核零件與使用模具之間的尺寸偏差范圍大小，再通過校正修配模具的精度。模具通常的最大校正精度上下浮動(dòng)0.03mm左右。

2）壓力機(jī)鍛造狀態(tài)的動(dòng)態(tài)精度也影響零件的精度。

壓力機(jī)滑塊底面在下死點(diǎn)位置的精度，通常稱為下死點(diǎn)穩(wěn)定度。由于彈性變形的存在，此精度有時(shí)變化很大，直接影響沖壓零件的底部厚度、凸邊厚度等尺寸精度。

3）鍛造模具的合模精度同樣影響鍛造零件精度。

模具的上下模通常會(huì)設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，比如導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，以此來保持合模精度。如果導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不夠牢固，精度很差，勢必會(huì)使模具合模時(shí)產(chǎn)生偏斜，從而造成鍛造零件偏斜、中心不對中、彎曲等現(xiàn)象發(fā)生。

對鍛造零件的尺寸和形狀精度造成影響的總體而言有：坯件材料成分缺陷、形狀誤差大、硬度整體不同、熱處理工藝；壓力機(jī)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度；鍛造模具沖頭部的磨損、凸凹部的合模、中心修配精度；潤滑所采用的方式和成形綜合外界條件等。尤其是鍛造壓力機(jī)的精度影響最為重要，優(yōu)化和改善壓力機(jī)的精度，方能保證和提高鍛造零件的精度，做到鍛造成形的穩(wěn)定。

冷、溫間鍛造加工工藝的必要工作能量

不同的鍛壓產(chǎn)品其形狀都各不相同，需要根據(jù)其形狀確定相應(yīng)的成形工藝，并根據(jù)工藝方法來搭配合適的鍛造壓力機(jī)。第一步要了解鍛造零件每一種成形的必要工作能量特點(diǎn)。比如，鐓粗、壓印工藝成形初期負(fù)載較輕，到下死點(diǎn)附近負(fù)載最大；鍛細(xì)工藝成形初期負(fù)載大，到下死點(diǎn)附近負(fù)載最大；正擠壓或正反復(fù)合擠壓成形初期負(fù)載最大，往后負(fù)載會(huì)逐漸減??；反擠壓成形初期負(fù)載最大，并維持一定。目前來看，鍛造零件的成形基本為以上所述工藝的組合，皆可以此為選擇搭配鍛造壓力機(jī)的參考準(zhǔn)則。

如何選用適用的鍛造壓力機(jī)

冷、溫間鍛造的工藝技術(shù)

冷間鍛造工藝是指金屬坯件在不經(jīng)過加熱，直接在常溫狀態(tài)下成形的一種制造工藝。由于物體加熱后隨著溫度的下降會(huì)發(fā)生熱脹冷縮，其尺寸精度肯定會(huì)發(fā)生變化。而冷間鍛造沒有經(jīng)過加熱就成形，其產(chǎn)品的尺寸精度相對來說比溫間鍛造產(chǎn)品更優(yōu)，它的物理硬化性能也要比溫間鍛造產(chǎn)品佳。汽車的核心運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零件一般采用冷間鍛造，這些零件要求高精度，高的核心技術(shù)價(jià)值成形工藝。這些產(chǎn)品的精度通常受鍛造模具尺寸精度、鍛造壓力機(jī)鍛造時(shí)的動(dòng)態(tài)精度、鍛造模具合模精度等因素影響。

溫間鍛造工藝是指金屬坯件加熱至低于其本身的再結(jié)晶溫度時(shí)，再進(jìn)行鍛造成形作業(yè)。金屬坯件經(jīng)過加熱再冷卻以后，其物理硬化性能會(huì)逐漸降低，主要因素是內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)在高溫加熱時(shí)有所改變受損，這是溫間鍛造制造工藝需要考慮的。所以對于變形量比較大而體積較小的鍛造工件，更適合采用溫間鍛造工藝技術(shù)來鍛造生產(chǎn)。讓鍛件在物理硬化性能受很小影響的同時(shí)又能發(fā)生塑性變形，滿足成形需求。

溫間鍛造工藝技術(shù)的原理基礎(chǔ)是：金屬坯件在加熱到變形抗力降到只有原來三分之一時(shí)有利于進(jìn)行塑形變形，但硬化性能還沒有產(chǎn)生較大改變。根據(jù)這一理論表述，加熱溫度控制在150℃～900℃之間，基本上僅需要一次塑性變形就能完成，達(dá)到溫間鍛造一次成形的工藝技術(shù)要求。

隨著鍛造工藝技術(shù)的改進(jìn)發(fā)展，溫間鍛造成形工藝得到越來越多的應(yīng)用，尤其在汽車行業(yè)鍛造零件的制造工藝改良上。圖4為多方向擠壓鍛造模具配合我公司KT系列曲軸肘節(jié)式壓力機(jī)溫間鍛造成形工藝的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)例。

綜合以上冷、溫間鍛造工藝的特點(diǎn)，可以將各類型鍛件與鍛造工藝搭配成形的零件精度歸納如下：對于形狀不是很復(fù)雜的零件選用冷鍛工藝，在常溫下進(jìn)行鍛造，坯件變形抗力大，成形工位數(shù)多，成品零件表面粗糙度小于6s，其精度范圍0.025～0.1；對于形狀很復(fù)雜或較復(fù)雜的零件選用溫鍛工藝，在150℃～900℃的溫度下進(jìn)行鍛造，坯件變形抗力較小，成形工位數(shù)少，成品零件表面粗糙度小于9s，其精度范圍0.05～0.2。

選配適合的鍛造壓力機(jī)

我公司制造的KT系列250～1000t曲軸肘節(jié)式冷溫間鍛造壓力機(jī)，可多工位連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，適用于小齒輪、長軸套等擠壓成形， 采用自動(dòng)化生產(chǎn)方式，相比單一工程，生產(chǎn)效率提升3倍。其加工效率高，能滿足產(chǎn)品高質(zhì)量及高精密的技術(shù)要求，在未來的鍛造生產(chǎn)行業(yè)將起到舉足輕重的作用。

圖5為肘節(jié)式連桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其連桿比采用運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)曲線，隨著下死點(diǎn)的接近，滑塊之運(yùn)動(dòng)速度會(huì)明顯減緩，下死點(diǎn)附近150°～210°范圍內(nèi)滑塊處于下死點(diǎn)位置，而210°后滑塊又快速回升。圖6為肘節(jié)式機(jī)構(gòu)滑塊運(yùn)動(dòng)曲線圖。

圖4 溫間鍛造工藝實(shí)例

圖5 曲軸肘節(jié)式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

冷、溫間鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線規(guī)劃簡述

以單臺(tái)鍛造壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線規(guī)劃為例，其自動(dòng)化生產(chǎn)線一般由料架、矯正機(jī)、棒料切割機(jī)、鍛造壓力機(jī)、外圍自動(dòng)化設(shè)備組成。圖7為自動(dòng)化生產(chǎn)規(guī)劃線展示圖。

圖6 肘節(jié)式鍛造壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)曲線

圖7 自動(dòng)化生產(chǎn)線規(guī)劃圖

鍛造工藝外圍搭配

新型鍛造模具開發(fā)

傳統(tǒng)鍛造模具為一體模腔，其凸模為一個(gè)整體，凹模也是整體結(jié)構(gòu)，鍛造合模時(shí)成形的鍛件邊料較多，需要進(jìn)行后續(xù)加工方能滿足制作要求。而新型的鍛造模具技術(shù)，為無毛邊料的鍛造工藝，節(jié)省下料重量與加工，近十年來在國外各式各樣之復(fù)動(dòng)化鍛造模塊陸續(xù)被開發(fā)出來。

圖8為新型鍛造工藝模具的原理示意圖，每一個(gè)坐標(biāo)方向沖頭都是以相同速度相向擠入模腔成形，從而形成三個(gè)軸向正反方向運(yùn)動(dòng)成形的鍛造模式。在鍛造成形的過程中，上下模在壓力機(jī)的上下部機(jī)械頂料機(jī)構(gòu)的支撐下，一直處于合模狀態(tài)，所以坯件始終是在密閉模腔中鍛造擠壓成形的，因此可以鍛造出無毛邊料的鍛件。為了配合進(jìn)行鍛造驗(yàn)證，我公司開發(fā)了KT-400肘節(jié)式鍛造壓力機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。鍛造結(jié)果表明此模具的設(shè)計(jì)方案可行，可滿足三個(gè)工位模具進(jìn)行鍛造，下部頂料機(jī)構(gòu)可提供30噸的支撐力，壓機(jī)精度小于JIS 1級，運(yùn)行穩(wěn)定，噪聲值＜78dB。目前已經(jīng)全面推廣，對多軸類的鍛件、內(nèi)輪鍛件、十字軸鍛件等品質(zhì)、精度有大大的提升，進(jìn)一步增強(qiáng)了鍛壓設(shè)備及鍛造工藝技術(shù)的市場競爭力。

圖8 新型模具原理示意

前工程處理設(shè)備

在進(jìn)行溫間鍛造之前，鍛造坯件需要進(jìn)行前工程的處理，主要包括加熱處理和表面處理。加熱處理設(shè)備主要有高周波感應(yīng)加熱爐（圖9），可以將坯料加熱至成形所需要的溫度。在溫間鍛造時(shí)，鍛件在發(fā)生塑性變形的同時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力也有所提高。此時(shí)必須先將坯件進(jìn)行退火處理，以降低其內(nèi)部應(yīng)力，然后方可進(jìn)行后續(xù)加工。

圖9 高周波感應(yīng)加熱爐

在進(jìn)行鍛造時(shí)，模具與鍛件之間有相對運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，這對鍛造加工是不利的。所以就需要表面處理設(shè)備在冷間鍛造前進(jìn)行坯件的表面處理，以降低坯件的表面摩擦阻力。其原理就是降低鍛造時(shí)鍛件與模具之間的摩擦系數(shù)，從而降低模具的磨損，增加其使用壽命，提升了冷間鍛造工藝的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而且對于鍛造產(chǎn)品來說，它的尺寸外形精度大大提高，鍛造時(shí)坯件材料的流動(dòng)速度有所提高，鍛件表面更加平整、光滑、勻稱，為后續(xù)的加工工序奠定了良好的基礎(chǔ)條件。另外除了進(jìn)行表面處理外，還可以在進(jìn)行鍛造時(shí)配合使用潤滑液，更好的減小摩擦阻力，讓塑性變形的效果更佳。

結(jié)論

鍛造工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如機(jī)械性能好，生產(chǎn)效率和材料利用率高等，特別適合于大批量生產(chǎn)，而且可以作為最終產(chǎn)品的制造工藝，在交通運(yùn)輸車輛、航空航天和機(jī)床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。本自動(dòng)化生產(chǎn)搭配方案在投入市場后，根據(jù)客戶反映，市場情況以及前沿技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步開展技術(shù)改進(jìn)，降低成本，提高產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性，增強(qiáng)鍛造設(shè)備及鍛造工藝技術(shù)的市場競爭力。而對于鍛造生產(chǎn)線的搭配，只要根據(jù)鍛件特點(diǎn)，結(jié)合鍛造壓力機(jī)的性能及精度特點(diǎn)，選用適合的鍛造工藝方式，并選配適當(dāng)?shù)耐鈬詣?dòng)化設(shè)備，就能構(gòu)建高效率、高性能的鍛件自動(dòng)化生產(chǎn)線。這對鍛造工藝技術(shù)的發(fā)展，也將起到革命性的改變。