先進鍛造技術(shù)的研究與應(yīng)用

文/蔣鵬·精密成形國家工程研究中心

先進鍛造技術(shù)的研究與應(yīng)用

文/蔣鵬·精密成形國家工程研究中心

先進鍛造技術(shù)應(yīng)以基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需要的精密成形零件的市場需求為導(dǎo)向，開發(fā)節(jié)能節(jié)材、具有工業(yè)實用價值的金屬塑性精密成形加工技術(shù)（包括工藝、關(guān)鍵設(shè)備、自動控制系統(tǒng)以及計算機應(yīng)用），重視新技術(shù)應(yīng)用，加強工程化推廣，為提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境、推動行業(yè)的技術(shù)進步服務(wù)。

鍛造是一門古老的金屬成形技術(shù)，這門技術(shù)已經(jīng)存在幾千年了，并且還將繼續(xù)存在下去。從最早傳統(tǒng)的手工人力鍛造發(fā)展到近現(xiàn)代用各種類型的鍛壓機械進行鍛造生產(chǎn)，從單一的自由鍛工藝發(fā)展到現(xiàn)在以模鍛為主，各種具有特色的鍛造工藝并存，從人工操作到越來越多的自動化生產(chǎn)，鍛造技術(shù)一直在不斷地進步。本文介紹精密成形國家工程研究中心部分先進鍛造技術(shù)的研究與應(yīng)用情況。

工藝技術(shù)

最初輥鍛機只是用來制坯的，后來開發(fā)出了用于汽車前軸的精密輥鍛工藝，這種工藝對輥鍛機的要求比較高，相比制坯用的輥鍛機來說對力和能的要求都更高一些。這個工藝專門設(shè)計了輥鍛機，原來使用的是930mm輥鍛機，后來改進設(shè)計成1000mm，降低了轉(zhuǎn)速，增加了扭矩，電機、飛輪加大。精密輥鍛后坯料的一部分已經(jīng)成形，對模鍛設(shè)備打擊力的要求也就降低了，這樣可以在小噸位的模鍛設(shè)備上生產(chǎn)汽車前軸。國內(nèi)目前大約有30條這樣的生產(chǎn)線在生產(chǎn)汽車前軸，現(xiàn)在精密輥鍛＋模鍛的生產(chǎn)工藝已經(jīng)成為了國內(nèi)汽車前軸生產(chǎn)的主流工藝。類似的工藝也用在鉤尾框鍛件的生產(chǎn)上（圖1）。

圖1 用精密輥鍛工藝生產(chǎn)鐵路火車鉤尾框

精密鍛造的狹義概念就是指鍛后有些地方不加工或者基本不加工，當時大多指的是一些齒類件，但隨著社會的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，現(xiàn)在精密鍛造的含義也在擴大，廣義精密鍛造指的就是整個鍛造過程的精密化。精密鍛造是鍛造的一個發(fā)展趨勢，從自由鍛到模鍛，就是一個尺寸精化的過程。

曲軸鍛件的模鍛斜度一般在1.5°左右（如果在錘上模鍛的話，其模鍛斜度一般在7°左右），這樣機加工的余量就減小了很多。要實現(xiàn)精密鍛造，非常重要的一點就是提高裝備水平。裝備水平提高了，可以更好地促進鍛件精度的提高。

鋁合金以其密度小、比強度高、加工性好等優(yōu)點在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，為了達到節(jié)能減重的效果，美、歐、日等發(fā)達國家和地區(qū)都在不斷加大對鋁合金鍛造材料及其工藝的研發(fā)力度，國內(nèi)未來也應(yīng)該將鋁合金鍛造技術(shù)作為一項核心技術(shù)來重點研究，圖2為工程中心在國內(nèi)某工廠的自動化鍛造生產(chǎn)線上開發(fā)的鋁合金控制臂鍛件。

圖2 用鍛造工藝生產(chǎn)出的高檔轎車用鋁合金控制臂

裝備技術(shù)

J55系列離合器式螺旋壓力機

離合器式螺旋壓力機（圖3）適合配置在中、大批量連續(xù)生產(chǎn)線，實現(xiàn)高精度、高效率、節(jié)能節(jié)材生產(chǎn)，模具壽命長，是適合實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的通 用鍛壓設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，特點如下：

⑴飛輪速度降低12.5%即可輸出最大能量，鍛件成形速度在0.5m/s；采用變頻驅(qū)動后，此成形速度可在0.25～0.6m/s之間調(diào)整，便于成形各種合金鍛件，此優(yōu)點其他螺旋壓力機都不具備。

⑵油壓離合器行程雙重控制打擊力，可像鍛錘一樣反復(fù)打擊，輕重控制靈活。

⑶高的成形能量。標注的公稱能量是可輸出到工件的變形能量，約為同規(guī)格其他類型螺旋壓力機的兩倍（其他類型壓力機標注的公稱能量均為運動部分總能量，考慮到效率，只有大約65%可以輸出到鍛件上）。

⑷導(dǎo)向長度大，剛性強，具有抗傾斜剛性很強的圓柱導(dǎo)向和X形導(dǎo)軌輔助導(dǎo)向雙重導(dǎo)向，可以多工位鍛打坯料。

⑸滑塊可利用行程長。無固定下死點，在滑塊2/3的行程內(nèi)均可發(fā)揮最大打擊力和最大打擊能量，可以靈活調(diào)整模具，小行程、大能量可以提高生產(chǎn)效率，延長模具壽命。

圖3 離合器式螺旋壓力機自動生產(chǎn)線

表1 離合器式螺旋壓力機主要技術(shù)參數(shù)

⑹生產(chǎn)效率高，模具壽命長。與其他各種螺旋壓力機相比，滑塊加速快、鍛件變形速度快，滑塊行程次數(shù)高；打擊過程短，悶?zāi)r間短于其他各種螺旋壓力機和熱模鍛壓機。

⑺上下頂出器可設(shè)置即時頂出，縮短鍛件滯模時間。

⑻主電機功率小、整機裝機功率小、節(jié)能高效。與同規(guī)格其他各種螺旋壓力機相比，由于飛輪大，飛輪儲能模式更合理，所以裝機功率最小，工作時電流最小。

⑼在多工位生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)。在多工位輕重打擊連續(xù)生產(chǎn)時，沒有電動螺旋壓力機中、小能量打擊時制動飛輪減速或低速下行調(diào)節(jié)能量導(dǎo)致能量大量浪費、動作慢等缺點；由于打擊后螺桿、滑塊與飛輪脫開，不僅滑塊回程快，而且制動滑塊和螺桿浪費的能量小，沒有電動螺旋壓力機和其他螺旋壓力機打擊后滑塊加速回程造成的回程電流沖擊大，制動飛輪造成大量能量浪費等缺點。

⑽自動化程度高。計算機控制可以預(yù)選打擊力、打擊行程、編程多工位鍛打，自動顯示故障。

ZGD系列自動輥鍛機

ZGD系列自動輥鍛機（圖4），是在引進EUMUCO公司技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷優(yōu)化改進發(fā)展而成的系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品與機電所配套提供的成形輥鍛、制坯輥鍛工藝、模具及聯(lián)線技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機、能源、手工工具等行業(yè)。特別是在汽車前軸、連桿和汽輪機葉片等零件的生產(chǎn)中，已經(jīng)建成的幾十條生產(chǎn)線產(chǎn)生了很大的經(jīng)濟效益和社會效益，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

圖4 自動輥鍛機

表2 自動輥鍛機主要技術(shù)參數(shù)

D46系列楔橫軋

楔橫軋是高效精密成形階梯軸類鍛件的先進成形方法，生產(chǎn)效率是模鍛的2～5倍，材料利用率提高10%～35%，模具壽命提高10倍以上，是軸類鍛件成形與復(fù)雜鍛件預(yù)制坯的先進工藝。在汽車變速箱軸類件、連桿、曲軸預(yù)制坯上得到廣泛的應(yīng)用。已經(jīng)在國內(nèi)建成多條生產(chǎn)線并向美國、韓國等國家出口（圖5）主要技術(shù)參數(shù)見表3。整體式高剛度精密楔橫軋機具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)整方便、適用于自動化鍛造生產(chǎn)線等優(yōu)點，屬于達到國際先進水平的新型鍛壓設(shè)備。

圖5 出口韓國的D46-80X700楔橫軋自動生產(chǎn)線

表3 楔橫軋機主要技術(shù)參數(shù)

自動化技術(shù)

根據(jù)產(chǎn)品工藝的需求將鍛造生產(chǎn)所需的設(shè)備有機結(jié)合在一起，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的連續(xù)性和高效率，所構(gòu)成的完整的生產(chǎn)流程就是鍛造生產(chǎn)線。目前國外部分發(fā)達國家已經(jīng)實現(xiàn)了鍛造生產(chǎn)線的全線自動化，但許多生產(chǎn)線仍處于半自動化狀態(tài)，即主要工序仍需要人工干預(yù)。

相比國外的鍛造技術(shù)，國內(nèi)的鍛造生產(chǎn)還大都處于半機械、半人工的生產(chǎn)狀態(tài)，小鍛件的中轉(zhuǎn)搬運基本上都由人工實現(xiàn)，大鍛件的中轉(zhuǎn)搬運由機械手實現(xiàn)，設(shè)備和機械手之間的信號傳遞采取點對點的方式，靠人工判斷進行操作，生產(chǎn)效率低下、依賴工人經(jīng)驗等造成了產(chǎn)品難以走向國際市場。因此，實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)線自動化是提升國內(nèi)鍛造產(chǎn)品質(zhì)量，增強國際市場競爭力的有效方法。

傳統(tǒng)的鍛造生產(chǎn)線采用的是點對點的控制方式，這也是我國大部分現(xiàn)有生產(chǎn)線所采用的控制方式。這種控制方式下，設(shè)備之間的信號傳遞是類似串聯(lián)的一種方式，由于只能實現(xiàn)點與點之間的銜接，每個設(shè)備只與其相關(guān)的相鄰設(shè)備發(fā)生信號交換，因此一旦生產(chǎn)線中某設(shè)備出現(xiàn)故障，故障信號無法發(fā)送給與之不直接相關(guān)的設(shè)備，則這些設(shè)備依然按照預(yù)定程序運行，勢必會造成整條生產(chǎn)線的混亂，甚至發(fā)生嚴重事故。因此，這種點對點的控制方式已經(jīng)逐步被淘汰。

要建設(shè)鍛造自動化生產(chǎn)線必須采用更新的控制技術(shù)，即現(xiàn)場總線控制技術(shù)。與傳統(tǒng)的點對點的控制方法相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢。

現(xiàn)場總線控制技術(shù)是涵蓋了控制信號和安全信號為一體的控制技術(shù)，系統(tǒng)采用兩層總線結(jié)構(gòu)，工業(yè)以太網(wǎng)為上層網(wǎng)，PROFIBUS-DP（或PROFINET）為下層網(wǎng)，此外單獨設(shè)置安全總線，專門處理安全信號。只有在生產(chǎn)線中所有設(shè)備信號和安全信號均處于正常情況，生產(chǎn)線才能正常生產(chǎn)，一旦有任何意外發(fā)生，總控將通知各設(shè)備急停，并啟動相應(yīng)處理程序進行處理，意外處理完畢后再恢復(fù)啟動。對于總線控制技術(shù)而言，能夠正確判斷生產(chǎn)線的故障是保證生產(chǎn)能夠順利進行的關(guān)鍵，也就是說，一旦生產(chǎn)出現(xiàn)問題，總控必須能夠在第一時間識別這個問題，并做出相應(yīng)的判斷和處理。

在鍛造過程中，材料性能波動、材料尺寸波動、模具型腔的變化、機械設(shè)備狀況的變化（油溫、氣壓、摩擦系數(shù)、運動間隙）、鍛件和模具溫度的變化以及模具潤滑的情況，都會對金屬流動產(chǎn)生影響，導(dǎo)致飛邊的形狀、大小難以控制，嚴重的會出現(xiàn)粘模現(xiàn)象，最終導(dǎo)致機器人抓取不準或無法正常放入下模腔，自動化生產(chǎn)很難正常進行。針對上述現(xiàn)象，更要充分發(fā)揮智能制造感知、決策、執(zhí)行的核心理念。在鍛造生產(chǎn)線上安裝各種智能感知傳感器，例如對粘模或鍛件未能放入下模腔，采用激光對射傳感器，對鍛件位置偏移采用圖像對比技術(shù)，對模具型腔的變化采用二維激光掃描技術(shù)，對鍛件和模具溫度實時檢測，對輥鍛機、壓力機重要成形設(shè)備的輸出能量和打擊力實時采樣記錄。

開發(fā)鍛造專家決策系統(tǒng)，傳感器通過總線系統(tǒng)將感知到的信息和數(shù)據(jù)上傳給綜合數(shù)據(jù)庫，經(jīng)由推理機和解釋器分析出故障點，從知識庫中索取由鍛造工藝、設(shè)備及自動化專家所提供的故障解決方案。將所做決策經(jīng)由現(xiàn)場總線發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)，并將推理結(jié)果同時反饋給專家。

采用基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，可以使生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化控制。但生產(chǎn)管理仍然是人工作業(yè)；局部優(yōu)化了，全局不優(yōu)，制約了生產(chǎn)效率和效益的進一步提升。另一方面，很多企業(yè)都在建設(shè)ERP系統(tǒng)，隨著企業(yè)信息化工作的不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)ERP系統(tǒng)不能解決企業(yè)復(fù)雜生產(chǎn)管理問題，而且，沒有實時的生產(chǎn)過程信息，ERP系統(tǒng)如同空中樓閣，也不能很好運行，達不到企業(yè)資源優(yōu)化的目標。上層信息化系統(tǒng)與下層自動化系統(tǒng)出現(xiàn)了一個很大的鴻溝。

MES系統(tǒng)是面向企業(yè)生產(chǎn)管理的新一代信息系統(tǒng)。它以提高生產(chǎn)效率，減低生產(chǎn)成本、縮短交貨期，改善客戶服務(wù)為目標，運用計算機網(wǎng)絡(luò)把各個自動化孤島連接起來，運用信息化手段管理和優(yōu)化全局生產(chǎn)流程，實現(xiàn)從產(chǎn)品定單開始、直到產(chǎn)品交付的整個生產(chǎn)管理流程自動化。有了MES系統(tǒng)，企業(yè)可以實現(xiàn)生產(chǎn)全線自動化；有了MES系統(tǒng)，下層自動化系統(tǒng)與上層ERP系統(tǒng)就能實現(xiàn)無縫集成。MES系統(tǒng)是企業(yè)信息化系統(tǒng)不可缺少的組成部分，將為我國企業(yè)信息化水平提高，企業(yè)整體運行效率的提升發(fā)揮巨大作用。

結(jié)束語

精密成形國家工程研究中心目前由北京機電研究所鍛壓工程技術(shù)中心、先進制造技術(shù)與裝備研究中心兩個主要業(yè)務(wù)部門組成，已經(jīng)成為集研發(fā)、制造、生產(chǎn)為一體的專業(yè)技術(shù)研究、開發(fā)和推廣機構(gòu)，在熱模鍛成形技術(shù)、流動控制成形技術(shù)、回轉(zhuǎn)成形技術(shù)、等溫鍛造技術(shù)、閉塞鍛造技術(shù)、金屬擠壓技術(shù)、模具制造技術(shù)等領(lǐng)域取得的研究成果在全國推廣應(yīng)用，效果良好。中心對鍛壓設(shè)備及自動化控制、鍛壓自動化成套技術(shù)等行業(yè)非標裝備設(shè)計制造等方面也進行了深入研究，開發(fā)的輥鍛機、楔橫軋機、離合器式螺旋壓力機、熱模鍛壓力機、冷擺輾機、鍛造自動生產(chǎn)線集成控制等產(chǎn)品，達到或接近國際先進水平，不僅在國內(nèi)批量生產(chǎn)，還出口到了世界多個國家和地區(qū)，得到用戶的廣泛好評。