前軸鍛造模具再制造技術(shù)裝備應(yīng)用

文/梁聰明，胡波，劉志敏·東風(fēng)商用車有限公司，湖北神力鍛造有限責(zé)任公司

胡澤啟，秦訓(xùn)鵬 ·武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室

馬亞平，陳林·北京歐德楷模科技有限公司

近年來公司在前軸鍛造及后加工業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，在國內(nèi)市場乃至國外市場都有一定的競爭力。在響應(yīng)國家節(jié)能降耗政策的同時，公司在生產(chǎn)工藝、原材料、能源利用方面不斷的努力。為增強公司的競爭力，除了通過生產(chǎn)工藝帶來的優(yōu)勢，使得在節(jié)省原材料及降低動能消耗方面必須通過先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)來完成。在創(chuàng)新引領(lǐng)、技術(shù)領(lǐng)先的戰(zhàn)略目標(biāo)的驅(qū)動下，實現(xiàn)基于全生命周期的熱鍛模具延壽降費技術(shù)研究，改善萬噸級熱鍛模具壽命提升，為公司節(jié)材、降耗、提質(zhì)、增效、降本方面再添新力，為類似模具壽命提升再創(chuàng)技術(shù)、裝備新啟程。

前軸熱鍛模具使用及修復(fù)現(xiàn)狀

前軸鍛造模具是大批量生產(chǎn)前軸鍛件必備的工藝裝備，是金屬材料發(fā)生塑性變形的關(guān)鍵工藝裝備。由于熱鍛模具在工作過程中受熱不均，模具瞬時溫度高于模具材料回火溫度，使得模具在不斷回火、升溫、降溫的狀態(tài)下工作，此外，模具還會受到短時周期性機(jī)械力的作用，再加上模具潤滑不良、鍛件塑性變形差異等因素，模具服役壽命較短。

作為國內(nèi)汽車鍛件行業(yè)骨干企業(yè)，公司擁有國內(nèi)較先進(jìn)、自動化程度較高的12500 噸熱模鍛生產(chǎn)線，生產(chǎn)的汽車前軸、曲軸等大型復(fù)雜鍛件重量在70 ～140kg，目前實際生產(chǎn)中新熱鍛模具平均壽命僅2600 件左右，約為國外平均壽命的1/3 ～2/3，導(dǎo)致熱鍛模具費用占鍛件成本高達(dá)20%～30%以上。實踐表明模具材料的鍛造特性是導(dǎo)致模具失效的主要原因之一。即：模具材料要有較高的力學(xué)性能、良好的回火性能、耐疲勞性能、好的淬透性能，其主要失效形式復(fù)雜多樣，以模具塌陷、磨損為主要失效特征。

熱鍛模具修復(fù)主要采用減材降面和增材修復(fù)兩種方法：減材修復(fù)時，通過銑削加工方法將失效型面整體降低15 ～30mm 后加工出新的型腔，實現(xiàn)翻新再使用，材料利用率低,可修復(fù)次數(shù)少，除少數(shù)小型熱鍛模具外，現(xiàn)已不適用大型熱鍛模具的修復(fù)使用。采用增材修復(fù)時，先清理掉表面失效層，在模具失效區(qū)域堆積一定厚度的材料進(jìn)行尺寸恢復(fù)，經(jīng)機(jī)加工得到工作型面，可實現(xiàn)模具母材的重復(fù)利用。目前國內(nèi)外大鍛件熱鍛模具修復(fù)與再制造主要采用半自動MAG堆焊的方式進(jìn)行，作業(yè)環(huán)境受弧光輻射、焊接煙塵、有害氣體、高頻電磁波、熱輻射、噪聲等影響，工作人員需在(400 ～500)℃保溫條件下長時間作業(yè)，環(huán)境惡劣、勞動強度大。

材料利用率方面，以某前軸鍛造模具為例，鍛件重量96.5kg，模具重量約2108kg，模具失效區(qū)域清理后模具重約2045kg，清理模具材料約45kg，人工焊接時，需進(jìn)行注滿整塊模具型面區(qū)域，理論填充材料114kg(圖1)，實際填充材料144kg，人工焊接材料利用率80%，單塊模具的焊材消耗為成形鍛件的1.2 倍左右，其中50%的焊接材料在模具加工過程中被數(shù)控加工掉，其中20%的焊材屬焊接浪費。人工焊接過程工藝參數(shù)不受控，導(dǎo)致焊后表面以及硬度一致性差，其人為因素會造成焊縫質(zhì)量不良，一般的手工操作不良率在20%左右，無法通過熱處理進(jìn)行減緩，這樣的使用條件已不能適應(yīng)前軸鍛造模具高質(zhì)量、低成本、短周期的制造要求，也嚴(yán)重制約著企業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)的發(fā)展。

圖1 模擬填充材料

技術(shù)方案規(guī)劃

通過引進(jìn)熱鍛模具自動化三維增材焊接再制造技術(shù)，將傳統(tǒng)的半自動MAG 堆焊方式和目前先進(jìn)的增材制造技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)、自動化技術(shù)等進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)技術(shù)升級，在失效模具型腔上自動化的堆焊填充焊接材料，以離散堆積、仿形的方式恢復(fù)其尺寸和機(jī)械性能，然后進(jìn)行一定的后處理即可投入再使用。與傳統(tǒng)人工滿焊修復(fù)相比，該自動化模具焊接技術(shù)將工人從繁重的勞動中解放出來，仿形修復(fù)，加工余量小，可提高材料利用率，節(jié)省焊材、機(jī)加工工時、刀具消耗、能源消耗等，且24 小時作業(yè)，修復(fù)效率大幅度提高，機(jī)器作業(yè)，修復(fù)質(zhì)量一致性好，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊后模具壽命大幅度提高且穩(wěn)定。

采用三維掃描技術(shù)、自動化技術(shù)、數(shù)字制造裝備技術(shù)、安環(huán)工程構(gòu)建模具自動化修復(fù)系統(tǒng)集成裝備，實現(xiàn)鍛造模具失效缺損區(qū)域的建模，修復(fù)材料填充，材料的精確分配，焊接過程的自動化控制，系統(tǒng)的自動化啟停、中斷等功能。焊接過程中，只需少量工人進(jìn)行外圍監(jiān)測、故障處理、工藝調(diào)整等，人工干預(yù)程度較低。模具焊接過程中，會產(chǎn)生大量的煙塵、弧光等污染，對現(xiàn)場工作人員存在一定的危害，且對環(huán)境質(zhì)量具有不良影響，該集成裝備需具備煙塵的吸收、處理功能，避免對外直接排放；且應(yīng)對弧光進(jìn)行隔離，避免對工人造成傷害；此外，該套系統(tǒng)應(yīng)該配備安全門、工作狀態(tài)指示燈等，降低人機(jī)交叉作業(yè)的安全風(fēng)險。

以模具的自動化仿形修復(fù)再制造為著眼點，配套焊接再制造編程軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)失效缺損區(qū)域填充材料的焊接策略和路徑規(guī)劃，實現(xiàn)缺損區(qū)域的離散堆積，仿形填充。

增材再制造技術(shù)應(yīng)用

隨著3D 打印技術(shù)、增材焊接技術(shù)(圖2)的發(fā)展，模具從傳統(tǒng)的減材修復(fù)向手工增材焊接技術(shù)發(fā)展。通過近10 年的焊接技術(shù)、三維掃描技術(shù)、軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，前軸模具的自動化增材焊接再制造技術(shù)逐漸凸顯起來，尤其是三維仿形焊接的應(yīng)用更加符合生產(chǎn)實際，并逐步進(jìn)入了汽車鍛件模具修復(fù)領(lǐng)域，展現(xiàn)出其獨有的優(yōu)勢，即工藝穩(wěn)定、材料利用率高、通過對焊接材料的特性改性，實現(xiàn)了模具修復(fù)的仿形焊接，降低了焊接缺陷、節(jié)約了材料成本，縮短了生產(chǎn)周期，改善了員工作業(yè)環(huán)境，促進(jìn)了模具的循環(huán)利用，真正實現(xiàn)了從材料到制造環(huán)節(jié)，從人員作業(yè)環(huán)境改善到提升職業(yè)健康水平的綠色制造。

圖2 3D 打印技術(shù)、增材焊接技術(shù)

以上述手工焊接前軸鍛造模具進(jìn)行三維仿形焊接制造技術(shù)應(yīng)用為例，首先對模具失效區(qū)域進(jìn)行碳弧氣刨處理，清除模具裂紋，主要過程與人工焊接工藝一致，清理模具材料約50kg。

其次，對失效模具進(jìn)行探傷檢測，其主要目的是發(fā)現(xiàn)潛在裂紋，以消除焊接過程及焊后模具出現(xiàn)異常開裂等影響模具使用及壽命的潛在因素。

第三，通過三維掃描技術(shù)對失效模具進(jìn)行三維掃描，其主要目的就是三維重構(gòu)，數(shù)字化設(shè)計，并通過三維軟件獲得可編輯的三維模型。在三維數(shù)字化設(shè)計過程中，除了獲得失效模具的三維模型外，需通過三維軟件對掃描后的三維模型進(jìn)行布爾運算獲得需要焊接填充的三維模型(一般按8mm 焊接量設(shè)計)，在此基礎(chǔ)上采用三維軟件對模型進(jìn)行處理，把深而窄的型腔區(qū)域進(jìn)行處理，獲得較為精準(zhǔn)且符合焊接要求的三維模型。

第四，利用焊接編程軟件對填充區(qū)域的三維模型進(jìn)行焊接分層設(shè)計、焊接策略及路徑規(guī)劃、并設(shè)置焊槍姿態(tài)以防止焊槍碰撞，最終輸出可用于機(jī)器人執(zhí)行的程序代碼，代碼輸入自動化焊接裝備執(zhí)行焊接任務(wù)，實現(xiàn)模具三維仿形焊接。流程圖見圖3。

圖3 加工流程圖

焊接工藝過程中選擇使用直徑2.4mm 的藥芯焊絲，干伸長可調(diào)節(jié)為(24 ～28.8)mm，以保證焊接效率。工藝過程采用保護(hù)氣體比例：82%Ar 和18%CO2混合氣體，氣體流量保持(20 ～25)L/min，實現(xiàn)大參數(shù)下產(chǎn)生高效率的噴射過渡，使焊接開始階段熔滴接近于焊絲的尺寸，隨著電流的升高，熔滴逐漸變得細(xì)小，減少飛濺。焊接電流采用(460 ～650)A，電壓(28～34)V，在焊接電壓和焊接電流穩(wěn)定的情況下，焊接速度選擇(5.5 ～7)mm/s，焊接寬度(6 ～10)mm，每層焊接厚度3.5mm，輪廓與內(nèi)徑間距2mm，改善金屬流淌，使焊渣浮于鐵水之上，以滿足焊縫足夠的熱量，消除因焊接速度過快時，焊道變窄，熔深和余高變小、焊縫溝槽、渣坑等焊接缺陷。

通過上述模具三維仿形焊接的技術(shù)應(yīng)用，此次模具焊接突破了以往人工注滿焊接方法的記錄，焊接工藝過程充分體現(xiàn)了三維掃描技術(shù)、模具設(shè)計數(shù)字化技術(shù)、焊接編程技術(shù)、自動化技術(shù)等對模具修復(fù)過程的重要性。通過對焊材消耗、焊接時間的統(tǒng)計分析可知，理論填充材料89kg，較人工焊接減少約22%，機(jī)器人焊接材料消耗約106kg，材料利用率提升5%，整體材料消耗較過去提升約22%，通過此工藝及裝備技術(shù)的引進(jìn)應(yīng)用可有效節(jié)約焊材15%，機(jī)加工金屬去除率30%，刀具費用節(jié)約10%，減少了人員直接從事焊接作業(yè)時間70%。材料消耗對比綜合數(shù)據(jù)見表1。

表1 材料消耗對比

增材再制造裝備發(fā)展應(yīng)用

焊接增材再制造技術(shù)的引進(jìn)發(fā)展，結(jié)合公司現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢以及公司近10 年的焊接技術(shù)的儲備，本著實際可行、科學(xué)配置、經(jīng)濟(jì)技術(shù)融合，實現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)的裝備集成技術(shù)，公司調(diào)研了近10 年模具增材再制造技術(shù)采用人工作業(yè)的優(yōu)缺點，即：工藝參數(shù)、作業(yè)環(huán)境、勞動強度等，在本裝備發(fā)展應(yīng)用方面，首先對作業(yè)環(huán)境和工藝參數(shù)方面進(jìn)行矩陣分析，焊接電源可滿足環(huán)境溫度40℃時，焊接電流(550 ～650)A工況下，連續(xù)工作時間可達(dá)到17 小時，當(dāng)環(huán)境溫度持續(xù)升高時，電流在滿足650A 工況時，電源的故障率頻發(fā)，造成生產(chǎn)等待、停滯時長占比約15%，甚至電源主板燒損，維修周期增加。

為解決此類現(xiàn)象的發(fā)生，通過如下兩個方案進(jìn)行解決，其一，將焊接電源置于通風(fēng)效果良好作業(yè)區(qū)域外，并配置制冷設(shè)備。其二，根據(jù)公司作業(yè)現(xiàn)場實際及焊接工藝參數(shù)的設(shè)定要求，配置可在環(huán)境溫度40℃時，焊接電流滿足工藝要求的工況下，可向上冗余20%的焊接電流，即滿足750A 工況下可實現(xiàn)24 小時不間斷工作，有效減少因環(huán)境溫度持續(xù)升高帶來的電源故障及因負(fù)荷增加造成的電源主板燒損的現(xiàn)象。

針對上述兩個方案，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行的要求下，首先此裝備(圖4)在焊接裝備方面主要硬件采用50 ～1000A 全數(shù)字化多功能焊接電源、6 自由度串聯(lián)機(jī)器人、1000A 高負(fù)載機(jī)器人專用水冷焊槍、工業(yè)級強制冷卻水箱、高扭矩送絲機(jī)、具備移動小車的焊接保溫平臺。其次，用于規(guī)避在作業(yè)過程中對人及物帶來安全和職業(yè)健康風(fēng)險所需要的焊接工區(qū)防護(hù)裝備，即由除塵設(shè)備、具備聲光報警裝置及弧光防護(hù)的安全圍欄集成。安全防護(hù)方面，安裝安全圍欄與整個弧焊工作站進(jìn)行通訊，具備焊接作業(yè)的開始、暫停、急停操作開關(guān)。設(shè)置維修安全門及焊接作業(yè)操作安全門。焊接過程中有弧光防護(hù)及煙塵、粉塵等有害物質(zhì)的收集除塵裝置，配置與焊接有關(guān)的安全警示標(biāo)識牌及聲光報警系統(tǒng)。

圖4 集成裝備

結(jié)束語

本集成裝備充分考慮的機(jī)器人、焊接電源方面的匹配要求，做到能源效率優(yōu)化、最經(jīng)濟(jì)的低耗材損耗，又把人員、設(shè)備等的安全作為本裝置不可或缺的重要安全保障，最終形成了最優(yōu)的裝備集成。目前技術(shù)及裝備的引進(jìn)及發(fā)展，通過技術(shù)分析調(diào)研、工藝方案制定、模擬試驗線建設(shè)、工藝試驗展開四個階段，初步實現(xiàn)了預(yù)定經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，后期將對整套工藝技術(shù)裝備，進(jìn)行可持續(xù)、優(yōu)化創(chuàng)新，來提升模具再制造水平，拓展模具再制造使用范圍。