半輪體電動螺旋壓力機全自動鍛造整體解決方案的研究與應用

文/熊曉紅，馮儀，曹超，郝思，陳志林·武漢新威奇科技有限公司

半輪體電動螺旋壓力機全自動鍛造整體解決方案的研究與應用

文/熊曉紅，馮儀，曹超，郝思，陳志林·武漢新威奇科技有限公司

我國鍛造行業廠家眾多，但與國外相比較，大多數設備落后，效率低下。目前國內主要的模鍛設備仍然是一次性投資較少的摩擦壓力機。隨著產品結構的變化和質量的不斷提高，鍛造企業要想提高企業競爭力，必須使用先進的設備和工藝。

鍛造車間的勞動環境惡劣、勞動強度高，追求并實現自動化生產是每一個鍛造企業的目標。全自動鍛造生產線的開發與應用在產品一致性、節約勞動成本和提升精密模鍛企業現代化生產水平方面為鍛造企業提供了跨越式發展的機會。本文以工程機械中半輪體的精密鍛造為例，從工藝設計、模具設計及模擬、鍛造及輔助自動化單元配置等方面，提出了基于電動螺旋壓力機的自動化鍛造生產線整體解決方案。

電動螺旋壓力機的原理和特點

目前國內使用的模鍛設備主要有鍛錘、液壓機、機械壓力機和螺旋壓力機等類型。它們各有特點，鍛錘每次打擊能量較小，打擊速度快，特別適合長桿類零件多次打擊成形；液壓模鍛機由于可在較長行程內保持一定壓力，適合較大變形量零件成形和溫、冷擠壓成形；熱模鍛機械壓力機行程次數高，抗偏載能力強，適合批量大的多模膛(3～5個模膛)零件鍛造；螺旋壓力機是一種定能量的加工設備，兼有鍛錘和熱模鍛壓力機的雙重特性，沒有固定的下死點，是目前國內生產模鍛件大量采用的裝備。

螺旋壓力機分為摩擦壓力機、高能離合器式螺旋壓力機和電動螺旋壓力機等類型。電動螺旋壓力機因具有運行時噪聲小，打擊效率高，并能準確控制其打擊能量等特點，在摩托車、汽車、高速鐵路機車和航空航天等制造行業得到了廣泛應用，是一種性價比較高，具有發展潛力的精密模鍛設備。

電動螺旋壓力機采用雙電機驅動的齒輪傳動方式，其結構原理圖如圖1所示。

圖1 J58K系列數控電動螺旋壓力機結構原理圖

電機經小齒輪帶動飛輪和螺桿加速旋轉，通過螺旋副將螺桿的旋轉運動轉化為滑塊的上下往復運動。接收到打擊命令后，電機由靜止狀態啟動，通過齒輪傳動帶動滑塊加速下行，當達到預先設置的打擊能量時，利用飛輪儲存的動能做功，使制件成形。飛輪釋放能量后，電機立即反轉，帶動滑塊返回至一定高度后，進入制動狀態，使得滑塊回到預先設定的打擊行程位置。

電動螺旋壓力機的突出優點是自動化程度高，用戶只要在人機界面上設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自動完成即可。

半輪體自動鍛造生產線整體解決方案

自動線要求

用戶產品：與節距為135mm/154mm/175mm/ 190mm/216mm鏈軌節配合的支重輪半輪體和托鏈輪半輪體共11種產品。

圖2 支重輪半輪體示意圖

用戶需求：配有多個鍛造機器人，可實現上料、送料、鍛造、模具噴霧冷卻潤滑、工件及廢料移出各環節在全自動模式下運行，包括快速模鍛的電動螺旋壓力機成套設備，成套模具設計、制造，電動螺旋壓力機與加熱爐、鐓粗及沖孔切邊壓力機的成線及聯機全自動化生產，模具自動噴淋潤滑冷卻系統和自動快速換模系統。

制定鍛造成形工藝

根據產品外形、重量、材料等參數，結合理論計算(成形模擬等)、已有經驗(實際案例等)及用戶要求(成本、產量和節拍等)，設計鍛造成形工藝如下。

⑴整體設計思路。零件圖→鍛件圖→確定鍛件體積→下料→加熱→鐓粗→預鍛→終鍛工藝→切邊、沖孔。

⑵成形工藝。下料→中頻感應加熱→鐓粗→預鍛→終鍛→沖孔切邊→熱處理調質→拋丸清理氧化皮。

⑶對鐓粗工藝、預鍛工藝、終鍛工藝進行計算機成形模擬。其中終鍛工藝模擬結果如圖3所示。

圖3 終鍛工藝模擬

⑷成形工步簡圖如圖4所示。

模具設計

鍛造模具由模架及兩個模具單元所組成，模架由上模板、下模板、上墊板、下墊板、導柱導套、限位塊及頂出裝置所組成；兩個模具單元分別為預鍛模和終鍛模，預鍛模和終鍛模相對于壓力機工作臺面的中心左、右非對稱分布；預鍛模和終鍛模均采用雙層預應力組合結構，兩個組合凹模外圈即預應力圈外徑和兩個固定模套尺寸相同；上模均為凸模，預鍛凸模和終鍛凸模除前端工作部分尺寸不同外，其余尺寸及固定方式相同。

圖4 成形工步簡圖

⑴預鍛模和終鍛模均采用預應力組合結構，凸、凹模磨損超差或其他形式失效后，只需更換凸、凹模鑲塊，這樣可節約價格昂貴的模具材料，有利于降低模具費用。

⑵組合凹模預應力圈與凸、凹模固定套設計成尺寸相同的結構，便于制造和使用維修。

⑶在模架左、右兩邊設置限位塊，一是確保鍛件尺寸的一致性；二是吸收壓力機在模鍛時的多余能量，有利于提高模具使用壽命。

⑷預鍛→終鍛按自左向右的順序排布，操作流程最短，有利于提高生產效率。

通過模具上的導柱導套和預鍛凸、凹模與終鍛凸、凹模的同軸度達到φ0.3～0.4mm，確保鍛件的內外同軸度達到φ0.5mm。

自動線總體組成

基于以上分析，半輪體電動螺旋壓力機自動鍛造生產線由感應加熱爐、鐓粗壓力機、25MN電動螺旋壓力機、自動噴石墨裝置、3臺ABB機器人和切邊壓力機組成，其布置示意圖如圖5所示。

圖5 半輪體自動鍛造生產線布置示意圖

棒料由中頻爐加熱至1100～1200℃后經下料滑道到達取料點，紅外測溫儀測量棒料溫度，如不在許可范圍，則料斗機關動作將料廢棄或由1#機器人取料送至廢棄點；若棒料溫度合格，則1#機器人取料送至鐓粗壓力機。鐓粗壓力機完成鐓粗動作后，自動噴氣去氧化皮，同時另一紅外測溫儀檢測鍛坯溫度，不合格則1#機器人取出鍛坯送至廢棄點；測溫合格則1#機器人取出鍛坯送至電動螺旋壓力機預鍛點。

1#機器人放料后退出至螺旋壓力機安全區域時啟動打擊命令，螺旋壓力機開始第一工步打擊，完成預鍛。壓力機滑塊提升回程時，頂料系統頂出工件；2#機器人取料送至電動螺旋壓力機終鍛點，同時自動噴石墨裝置完成對預鍛模的潤滑和冷卻，螺旋壓力機開始第二工步打擊，完成終鍛，壓力機滑塊提升回程時，頂料系統頂出工件。

2#機器人取料送至切邊壓力機，同時自動噴石墨裝置完成對終鍛模的潤滑和冷卻，切邊壓力機完成沖孔和切邊后，由3#機器人取出并放置到下料傳送帶，完成一個產品的鍛造周期，如此周而復始，循環運行。

自動化線的生產節拍主要取決于機器人的取料和送料時間以及各壓機的動作時間，每分鐘可生產鍛件3～4件。

圖6 自動換模裝置示意圖

⑴自動換模系統。

由液壓鎖緊裝置、U形升降導軌、導軌支架、換模小車和電控系統等組成，其示意圖如圖6所示。該裝置可實現模架的整體移出、送進、鎖緊及定位等動作，減輕人工換模勞動強度，節省換模時間。

圖7 全自動鍛造生產線

⑵自動噴石墨裝置。

模具潤滑是模鍛件生產中的必要環節，自動噴石墨裝置可起到保護模具和鍛造成形后便于脫模的作用，大大減輕工人的勞動強度，且保證潤滑操作的一致性和均勻性。自動噴石墨裝置采用氣動原理實現，由混合石墨、水和氣的壓力容器，氣動馬達，直線氣缸和平面噴頭等主要元件組成。每次壓力機滑塊鍛打工件完畢回程超過一定高度時，噴頭自動進入上、下模腔之間，噴射石墨水達到設定的時間后自動退回。可由電氣控制系統對噴涂時間進行調節，使噴涂更加均勻。

實際應用

該自動化鍛造線以J58K-2500型數控電動螺旋壓力機為核心設備，輔以3臺ABB機器人組成，如圖7所示。該生產線實現了從上料、測溫、預鍛、終鍛、切邊至下料的全自動化，原來需要5～6名操作工負責的鍛造生產線現在只需要1名操作工負責監控和質檢即可，在減少勞動力和減輕勞動強度的同時，帶來的是產品質量以及產品一致性的提高。對改善模鍛生產環境具有重要現實意義。

結束語

雖然國內基于機器人上下料的鍛造自動生產線才剛起步，用戶對其穩定性和適應性的認識還有待增強，且一次性設備投資較大，但綜合考慮人工成本、能耗、維護和產品質量等因素，從長期發展和國外發展趨勢來看，電動螺旋壓力機及其自動線將得到廣泛的應用和推廣。