溫精鍛直傘錐齒輪自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線研制

黃廷波，李旭東，左玉成，葛曉明

（江蘇飛船股份有限公司,江蘇 泰州 225516）

目前，多數(shù)齒輪鍛造企業(yè)面臨人工成本增長及招工難的雙重壓力，傳統(tǒng)的手工操作鍛造生產(chǎn)線已愈來愈不被接受。未來鍛造企業(yè)想提供具有競爭力的產(chǎn)品，無論是從質(zhì)量或成本角度考慮，鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)都是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2011 年，李瑞霞等對(duì)電動(dòng)螺旋壓力機(jī)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線進(jìn)行了研究與應(yīng)用，提出了四種鍛造線組成方案[1]。2013 年，金林奎提出了齒輪精鍛生產(chǎn)過程中的若干建議[2]。2014 年，田凱以“豐田生產(chǎn)方式”為指導(dǎo)排布了一條齒輪毛坯精鍛生產(chǎn)線，提高了公司的齒輪鍛造生產(chǎn)效率，保證了鍛件質(zhì)量，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。2017 年，王云飛等結(jié)合國內(nèi)外鍛造行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了零件質(zhì)量的在線監(jiān)測、反饋及調(diào)整的閉環(huán)控制，并形成了精鍛的智能化生產(chǎn)過程[4]。

同傳統(tǒng)溫精鍛直傘錐齒輪手工生產(chǎn)線相比：①手工線一般需要6～8 人，自動(dòng)化生產(chǎn)線至多2 人就完全滿足生產(chǎn)，大幅降低了人力需求；②自動(dòng)線生產(chǎn)中機(jī)器人的運(yùn)用，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，很大程度上改善了員工的作業(yè)環(huán)境；③自動(dòng)化生產(chǎn)過程中中頻加熱溫度控制精準(zhǔn)，鍛造節(jié)拍穩(wěn)定，基本消除人為操作因素對(duì)鍛造產(chǎn)品的影響，鍛坯質(zhì)量穩(wěn)定提高；④與切削加工相比，生產(chǎn)效率提高200 倍左右，材料利用率大約提高40%，批量生產(chǎn)成本大約降低30%[5]。

1 齒輪鍛造工藝及鍛造生產(chǎn)線布局

本文介紹的直傘錐齒輪為汽車差速器零部件，屬低碳合金鋼類材料，其溫鍛正常加熱溫度范圍在800～850℃。直傘錐齒輪溫精鍛：其鍛件的齒形為凈成形，基本接近冷鍛齒輪成形精度。與冷鍛成型工藝相比,其無坯料退火及表面磷皂化潤滑處理工步，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)流轉(zhuǎn)周期3～4 天，符合當(dāng)前綠色制造的理念。

一條完整的溫精鍛自動(dòng)線要實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，過程中需要解決很多問題。下面以某主機(jī)廠客戶的半軸齒輪溫精鍛為示例，淺析生產(chǎn)過程中遇到的一些狀況及解決方法，齒輪零件圖如圖1 所示。

圖1 齒輪零件圖

該齒輪鍛造采用閉式無飛邊鍛造工藝，一火兩鍛精鍛成形，鍛坯形狀如圖2 所示。該齒輪鍛造生產(chǎn)線布局如圖3 所示，鍛造設(shè)備是2 臺(tái)630t 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，并配備自動(dòng)上料系統(tǒng)+中頻加熱爐+3 臺(tái)機(jī)器人+石墨噴涂系統(tǒng)。生產(chǎn)工藝流程為：下料—平頭、倒角—加熱—預(yù)涂石墨—加熱—預(yù)鍛—終鍛—控制冷卻—噴丸—機(jī)加工—熱處理—精加工—清洗、包裝。其中預(yù)涂石墨可有效控制原材料表面氧化和脫碳，提高鍛坯表面質(zhì)量。

圖2 齒輪鍛坯圖

圖3 齒輪鍛造生產(chǎn)線布局圖

2 齒輪鍛造生產(chǎn)線的持續(xù)改進(jìn)

下面將鍛造生產(chǎn)線遇到的一些狀況及解決方法敘述如下。

（1）分模時(shí)，鍛坯不能保證始終停留在下模內(nèi)，方便機(jī)器人取料。該類壓機(jī)一般采用液壓上頂料結(jié)構(gòu)，但液壓上打料機(jī)構(gòu)具有液壓“遲滯性”特點(diǎn)，導(dǎo)致分模時(shí)，鍛坯要等到滑塊回程到一定的高度時(shí)，鍛坯才會(huì)與上模完全脫開，以致鍛坯不能保證始終留在下模內(nèi)方便機(jī)械手正常取料，一旦此問題出現(xiàn)，就會(huì)有下面兩種情況之一發(fā)生：①機(jī)器人會(huì)夾空，導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)；②機(jī)器人夾偏，造成串齒精鍛，精鍛鍛坯直接報(bào)廢。

所以在實(shí)際中須設(shè)計(jì)彈性蓄能上頂料機(jī)構(gòu)，確保鍛造過程中滑塊回程時(shí)鍛坯始終留在下模內(nèi)，方便機(jī)器人取料。一般采用氮?dú)鈴椈苫虻螐椈深惖膹椥孕钅苌享斄涎b置。

（2）鍛坯偏心。該齒輪在鍛造中，由于材料的各向異性以及潤滑條件的差異、模具導(dǎo)向剛性偏低，鍛坯單邊偏心錯(cuò)移量達(dá)到了0.4mm～0.5mm，鍛坯加工面存在加工余量不足的風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是導(dǎo)向裝置的有效導(dǎo)程偏小，未能完全起到導(dǎo)向作用。后來重新調(diào)整導(dǎo)向裝置的導(dǎo)程尺寸，保證坯料在受壓變形前有效導(dǎo)程大于5mm，通過此改善，鍛坯的單邊偏心錯(cuò)移量完全控制在0.15mm 以內(nèi)。

（3）鍛造過程中，預(yù)鍛、終鍛齒形模松動(dòng)，相對(duì)應(yīng)齒的位置發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。鍛造中設(shè)備振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過程中模具松動(dòng)，使調(diào)試好的預(yù)鍛、終鍛齒模對(duì)應(yīng)齒位置發(fā)生軸向旋轉(zhuǎn)偏移，導(dǎo)致預(yù)鍛坯竄齒，精鍛件報(bào)廢。經(jīng)分析改進(jìn)后，在模架上增加定位鍵設(shè)置，有效的預(yù)防了模具松動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)。

（4）模具壽命低，換模頻繁。目前，齒輪熱鍛模具壽命普遍不高，像該生產(chǎn)線模具壽命約10000 件。通過與高校合作試驗(yàn)，對(duì)模具表面進(jìn)行PVD（物理氣相沉積技術(shù)）涂層處理（見圖4），模具壽命已提高到28000～30000 件，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，大大延長了模具的壽命、提高了生產(chǎn)線的效率，該技術(shù)在我司已進(jìn)入到批量應(yīng)用階段。

圖4 模具表面PVD 涂層處理

（5）換模調(diào)試過程復(fù)雜。每次更換新模具，需反復(fù)調(diào)整預(yù)鍛、終鍛模對(duì)應(yīng)齒的位置，調(diào)試時(shí)間一般會(huì)有120min，改進(jìn)后，在預(yù)鍛、終鍛齒模上設(shè)計(jì)出加工基準(zhǔn)和鍵槽，直接裝模后能有效保證預(yù)鍛模與終鍛模齒形完全對(duì)位，換模時(shí)間完全控制在40min 以內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)快速換模。

3 結(jié)論

綜上所述，我公司對(duì)溫精鍛錐齒輪自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，解決了生產(chǎn)線調(diào)試過程中遇到的諸多技術(shù)難題。通過這些問題的解決，齒輪鍛件質(zhì)量得到有效控制，生產(chǎn)成本顯著下降，保障了齒輪精鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線的流暢運(yùn)行。該生產(chǎn)線的成功建設(shè)，將發(fā)揮積極的同行示范效應(yīng)，具有重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。