帶頸對焊連接法蘭熱模鍛成形及自動化生產線

文／董云龍，劉允良，潘文東，王政通，牛余兵·伊萊特能源裝備股份有限公司

帶頸對焊連接法蘭熱模鍛成形及自動化生產工藝，是一種高效、低耗、低勞動強度的成形技術，在小法蘭鍛件實際生產中，具有重要意義。最初的小法蘭生產靠煤炭加熱，空氣錘加模具成形，人工操作效率低，而且鍛件各部位余量粗放。隨著設備及生產能力的提升，天然氣爐加熱，摩擦壓力機或電動螺旋壓力機鍛造成形，但仍然存在人工操作效率偏低的問題，余量控制雖有所改善，但產品定位靠人工放置，產品一致性差。

近期，依公司發展要求，對小法蘭產品的生產方式做出大膽的調整，通過SolidWorks、Deform軟件模擬，數據分析，圓盤鋸下料，中頻爐加熱，電動螺旋壓力機預鍛、成形，閉式單點壓力機落料，過程靠機械手轉序，利用余熱等溫正火，形成一條自動化生產線。減少人工，提高效率，降低材料消耗，實現自動化，為后續加工提供了有利條件。

工藝分析

帶頸對焊連接法蘭結構分析

由圖1 可以看出，產品分為盤部、頸部和內孔三部分，因此產品的成形要考慮這三部分的難度：盤部難點在內孔的最終成形，不允許出現塌角；頸部控制難點在頸口，防止塌角；內孔控制難點在連皮厚度控制與能否順利脫模。

圖1 帶頸對焊連接法蘭模型

成形步驟分析

由產品結構分析，成形前需要分料預鍛，成形后需要將內孔連皮沖掉，因此，鍛件的成形可分為預鍛、成形、沖孔三步。

定位分析

如果預鍛分步，需要在預鍛模具間考慮定位，預鍛轉成形模具需要精確定位，成形轉至沖孔也需要定位。定位越簡單，則步驟間因定位造成的尺寸誤差疊加越少，最終成形毛坯越接近理論尺寸。

機械手轉序夾持可行性分析

機械手需準確夾持住每道工序鍛打后的毛坯，因此每步鍛打后毛坯高度都要高出下模上平面，方可保證機械手準確夾持。

時間節拍分析

加熱爐升溫時間、預鍛及轉序時間、成形及轉序時間、沖連皮及轉序時間，根據每道工序耗時對比，找出工序中最長時間作為節拍，調節剩余工序時間。

變形過程模擬分析

利用SolidWorks 三維軟件，參考《模具設計手冊》將預鍛、成形、沖孔三工步模具及毛坯圖畫出，裝配后生成.stl 格式保存。將轉化格式后的裝配件導入Deform 模擬軟件，設置參數，變形過程模擬如圖2 所示。

圖2 變形過程模擬

對變形過程、設備能力、尺寸、熱處理后性能及組織等數據梳理分析，變形過程走料均勻，無折傷、無缺料問題；設備2500t 完全滿足數據分析中2100t 要求，盤厚與總高尺寸比理論要求大1mm，不用減料，可以作為后期模具膨脹的調整量；整個過程金屬流線完好，且金屬變形大，有足夠的鍛造比，性能滿足客戶要求。

工藝方案設計

成品尺寸如圖3 所示，凈重6.3kg，根據《模具設計手冊》，在成品基礎加雙邊3mm 余量，雙邊4°拔模斜度保證出模順暢，連皮厚度控制在10mm，用SolidWorks 三維軟件計算重8.2kg，加沖料與燒損后下料9.5kg。

圖3 成品尺寸

通過前期對工藝分析、模擬分析，設計出合理的工藝方案。

下料工序優化

在以往的鍛造模式中，下料通常采用半自動和全自動帶鋸床，鋸條磨損嚴重，毛坯尺寸一致性差，且效率較低。自動化圓盤鋸相對普通鋸切設備：自動化程度高，可實現自行上料、鋸切、下料；一致性好，尺寸公差可控制在±0.2mm 以內，且鋸切面光潔度非常好；效率高，就φ100mm 圓鋼鋸切時間對比，在保證鋸條正常使用壽命的前提下，普通帶鋸床一個鋸口需要300s，圓盤鋸只需要30s，顯而易見，效率提高10 倍。

加熱工序優化

中頻加熱是少無氧化加熱的方法之一，加熱效率高，速度快，適合大批量生產。中頻加熱采用自動上料機構，代替人工；加熱溫度采用紅外檢測三路自動篩選，經篩選后坯料溫度穩定，同時爐膛內多處測溫控制閉環，通過輸入出爐溫度，中頻爐功率自動調整，保證坯料溫度穩定，為后續鍛造自動化提供條件。

鍛造工藝優化

坯料鐓粗配高壓氣路吹除機構，保證加熱時產生的氧化皮清除徹底，同時由于提高一次鍛造比，經過鐓粗、預鍛和終鍛后，金屬的流線基本與鍛件的輪廓一致，大大提高了鍛件的性能。

實際生產過程與模擬

利用SolidWorks畫出裝配圖，然后導入到Deform模擬軟件，對設計方案進行驗證與改善。這樣能節省試模成本，在模具投入前期，提前發現模具及成形方案存在的問題，大大縮短開發周期。模擬內容：成形情況，有無折疊或填充不滿等缺陷；鍛造需要的設備能量；鍛件應力在模具使用范圍內，讓模具不至于過快失效。成形過程模擬如圖4 所示，滿足設計要求。

圖4 成形過程模擬

由圖5 可以看出，料從加熱爐出來后，由第一臺機器人取料送至第一臺電動螺旋壓力機進行預鍛，清除氧化皮的同時為成形做準備；預鍛完成后，由第一臺機器人抓取送至中轉臺，然后第二臺機器人抓取預鍛坯，轉送至第二臺電動螺旋壓力機終鍛成形；成形后第二臺機器人抓取終鍛坯，轉送至閉式單點沖床將連皮沖掉；最后將毛坯取下放至滑道，滑至毛坯臨時存放臺，如此循環生產。模具潤滑與冷卻采用自動噴霧裝置，按照生產節拍保證模具壽命，同時提高了產品表面質量。用機器人搬運代替人工搬運，惡劣的環境條件下，保證工人安全作業，大大降低了勞動強度與勞動成本，提高效率和過程質量。

圖5 現場設備和機器人布局

采用無飛邊閉式模鍛，各部尺寸控制嚴格，后續機加工在效率以及刀片使用量都有顯著的改善。利用先進的技術設備降低成本，功率可控的中頻加熱爐，能量可控的電動螺旋壓力機，位置及動作可控的機器人，保證了每一環節穩定可靠，大大降低了勞動強度，同時還保證了產品的一致性，產品合格率達到99.8%以上。終鍛載荷、溫度場及鍛造金屬流向見圖6。

圖6 終鍛載荷、溫度場及鍛造金屬流向

綜合效益

⑴材料節約：圓盤鋸鋸切下料，省去因普通鋸床鋸斜造成額外多加余料；中頻爐感應加熱，降低燒損；采用無飛邊閉式模鍛，加工余量大大降低，三方面原因讓我們原材料使用量大大降低。

⑵節能降耗：因下料減少，使得多余坯料加熱能源消耗相應減少；因余量減小，后續機加工刀片使用量大大減少，同時加工效率大大提高。

⑶質量提高：圓盤鋸下料，保證每塊料的重量一致性，機器人代替人工，過程穩定性更高。

結束語

隨著科學技術飛速發展，傳統鍛造行業的裝備與技術隨之不斷提升。類似上述法蘭類產品，最初生產方式為夾板錘或空氣錘鍛造，純人工操作鍛件余量大，工人勞動強度大且危險系數高，生產效率低，鍛件成材率低；隨著鍛造設備被快鍛壓機或摩擦壓力機替代，閉式模鍛產品余量控制能力得到顯著提高，此時的經濟效益已經得到明顯改善，但由于設備配合精度不足，模鍛飛邊較大。

現在我公司配置的整條模鍛生產線，只需要工人拆裝模具，檢查產品質量，工人勞動強度大幅度降低；運用模擬技術進行工藝模具驗證，有效降低開發成本，機器人轉序定位，大大提高過程質量，從下料到鍛造完成基本實現自動化，提高了企業核心競爭力，獲得較高的效益，是傳統產業轉型升級的典型案例。