汽車半軸臥式雙頭鐓鍛自動化伺服數控鍛造生產線

文／司宗青，孫桂榮·蘇州虹逸重工科技有限公司

目前，汽車半軸大多采用加熱→預鐓→擺輾的方式生產，一條生產線需要大約5 ～6人或布置多臺機器人，生產成本高、效率低、能耗高、噪聲大、占地面積大，同時人工操作半軸部分會出現不平整、端面飛邊、毛刺、夾層以及半軸法蘭盤端幾何尺寸不一，加工余量大等問題，針對以上產生的問題，我公司系統開發了汽車半軸臥式雙頭鐓鍛自動化伺服數控鍛造生產線。

設備用途特點與組成部分

汽車半軸臥式雙頭鐓鍛自動化伺服數控鍛造生產線布置見圖1，可實現汽車半軸兩端同時熱擠壓、鐓鍛與擺輾壓制為一體的高效一次成形自動化生產，同時也可對管材、棒料兩端高效多次熱擠壓、鐓粗成形，能專門滿足汽車半軸、車橋、傳動軸以及火車車輛輪軸等零部件一次精準高效成形。

圖1 生產線布置圖

生產工藝流程介紹

將成捆原料由行車吊到全自動金屬圓盤鋸床的進料架，原料被自動切割并分檢到上料攤鋪儲料臺，上料攤鋪儲料臺有可調節斜坡導軌與工件定位等裝置，便于步進梁進料機構的精準抓取工件；獨立的步進梁進料機構對工件一端對點，步進式驅動工件徑向輸送，工件到位后，兩側的四孔位中頻感應加熱爐由底部小車拖動，對工件兩端同時遞進式加熱；加熱到1150℃后，將工件輸送到雙動雙工位兩向伺服鐓粗機模具中；工件被自動夾緊后，鐓粗機同時對工件兩端鐓鍛成形，如鍛造比大時，可用換模機構切換模具實現對工件二次鐓粗；步進梁出料機構自動托出工件到步進梁中，噴冷卻水與石墨乳對模具進行冷卻與潤滑；工件在步進梁出料機構一端對點后徑向輸送到位，一端兩孔位補溫爐軸向運動，對工件一端遞進式加熱補溫；在步進梁出料機構上把工件再次加熱到1150℃，由六軸關節機器人夾持工件輸送到臥式擺輾機1#，進行工件一端法蘭盤擺輾成形，同時關節機器人接著夾持第二件工件輸送到臥式擺輾機2#，進行工件一端法蘭盤擺輾成形；六軸關節機器人夾持工件依次分別從臥式擺輾機1#和臥式擺輾機2#中取出工件，噴冷卻水與石墨乳分別對兩機模具冷卻與潤滑；六軸關節機器人取出工件到碼垛料筐進行有序碼垛，六軸關節機器人能判斷料垛中工件高度并自行調節高度和旋轉工件擺放方向(法蘭盤朝向外)，在換垛時始終有一件備用空碼垛框，碼垛料框滿之后自行通知人工叉車更換碼垛框；另外，室外冷卻塔保證四孔位中頻感應加熱爐和兩孔位補溫爐以及鐓粗機動力站、擺輾機動力站中的加熱爐和壓機動力站保持正常工作。法蘭盤半軸工藝流程見圖2，法蘭盤半軸實物見圖3。

圖2 半軸生產工藝流程

圖3 法蘭盤半軸實物

技術創新與關鍵點

⑴各設備均有獨立控制的PLC，可與總自動化連線PLC 和各種智能傳感器、控制開關通過Profibus 總線通訊。上位監控機與自動化聯線PLC，如壓力機、鋸床、機器人等設備之間的互鎖信號采用工業以太網通過Profibus 總線的方式進行連接與數據交換，對整線設備進行監控。實時檢測運行狀態：系統能直觀、實時、準確地顯示整線監控對象的工作狀態及運行參數，并能進行相應的操作。

⑵全自動金屬圓盤鋸床的床身為高剛性機體鑄造結構，專為管棒料精密切斷設計。高剛性、高精度主軸齒輪箱配合齒隙消除機構，使進刀穩定，大幅提高刀具壽命；原帶鋸床每片可鋸切棒材3 ～5m2，現圓盤鋸每片可鋸切棒材25 ～30m2，修模后可鋸切棒材13 ～15m2；一鍵啟動，對話式觸摸輸入，操作簡單快捷；每齒進給量為0.05 ～0.1mm，鋸料長度誤差在0.2mm，伺服進刀與送料系統切割精準；鋸斷時間8s，送料時間10s，總時間為18s，切削速度是傳統鋸床的5 倍。主軸轉速有無極調速功能，可同時鋸切多種長度的棒料，且具有檢查長度和分檢料頭的功能。此外，圓盤鋸配有吹氣加霧化式切削油去除鐵屑。

切割夾鉗采用國際流行三點式萬能夾持牢固可靠，不同材料外形無需更換夾持裝置；配置有準干式鋸片潤滑冷卻裝置，提高鋸片使用壽命；采用可調節高剛性鋸片穩定器，完全防止了圓鋸片的振顫、偏擺，鋸切精度高；設備符合JB/T 3364.2-3-2011 圓鋸床《精度》《技術條件》、JB/T 3866.2-2011《圓鋸床主軸端連接尺寸》、GB 16454-2008《金屬鋸床安全防護技術要求》等國家行業標準。

⑶四孔位中頻感應加熱爐與兩孔位補溫爐采用中頻感應加熱，進料采用不銹鋼線性導軌并且由位移編碼器控制，可適應不同加熱長度并且可精準控制加熱長度要求。溫控系統由紅外測溫系統、PLC 可編程控制器、數字化采樣模塊及人機界面控制系統組成。其中兩孔位補溫爐采用蘑菇頭仿形感應加熱，具有降耗節能優點。

⑷步進梁進料機構與步進梁出料機構均采用步進方式驅動工件徑向輸送，每次行程距離相等，此機構制造成本低、運行可靠、精度高、便于維護保養，特別適合鍛造管類和圓棒料類產品。

⑸雙動雙工位兩向伺服鐓粗機具有獨立的液壓控制系統及電氣操作按鈕，液壓控制系統采用二通插裝閥集成系統。整機具有集成數顯操作按鈕站，用來控制整機的動作。該機設有調整、手動、半自動三種工藝動作，工作壓力、工作行程均可在規定的范圍內無極數字化調整，并可實現“定程”“定壓”兩種工藝動作。主機機身總圖如圖4 所示。

圖4 主機機身總圖

1)原汽車半軸生產需多臺設備，只能一端加工好之后再加工另一端。使用雙動雙工位兩向伺服鐓粗機，在四孔位中頻感應加熱爐與步進梁進料機構作用下使工件兩端同時加熱后，直接到雙動雙工位兩向伺服鐓粗機進行兩端同時鐓粗(花鍵、蘑菇頭)，并且兩端均含有自動換模機構可進行二次鐓粗(因鍛造比大)，效率是之前2 倍以上。雙動雙工位兩向伺服鐓粗機左右兩側同時鐓粗，兩擠壓滑塊(鐓桿)壓制時要求等速等距運行，同步精度±0.20mm。左右兩側滑塊動力系統、控制系統均為各自獨立，便于調節控制。兩擠壓滑塊的同步控制采用伺服比例控制系統及等容積原理，實現速度及壓力雙閉環的控制，從而實現滑塊同步壓制精度。壓力控制采用伺服電機油泵組壓力控制系統，顯示精度達到±0.1MPa。行程檢測采用位移傳感器控制，顯示精度達到±0.1mm。模具采用內外水循環冷卻，冷卻效果好；同時具備自動噴石墨乳，提高了模具壽命；換模平穩精度高。

2)兩側模套滑塊中均含有換模機構，換模機構中的導向采用多面導軌相結合的結構。換模機構中設有換工位定位機構，采用兩側面V 形錐面定位發訊系統，保證擠壓滑塊(鐓桿)、模套滑塊中心、上下模座與主機中心同軸度誤差在合理范圍之內。換模機構錐面左右定位發訊后，換模機構中的滑板兩側夾緊模具啟動預緊自鎖裝置，使換位滑板與模套滑塊面緊密準確無誤貼合到位，安全與主機互鎖。

3)油泵電機組均采用伺服控制，并配有壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、觸摸屏等，另外，油泵采用高低壓結合的一機多油泵形式(一個伺服電機帶多個油泵)，可實現滑塊快速回程，節能高效。

⑹1#和2#臥式擺輾機為相同機型，見圖5。此生產線選擇兩臺的原因一是可以提高工作效率(大于2 倍)，主要是提高模具冷卻時間，延長模具壽命；二是在換模或換軸承等保養時，可始終有一臺隨時正常使用。擺輾機共用一臺動力站，但是液壓系統閥體與電氣控制系統各自獨立，便于各主機調試控制、維護保養。

圖5 臥式擺輾機結構圖

1)臥式擺輾機與傳統的壓力成形相比具有壓力小(僅為傳統壓力成形的1/10 ～1/5)，能耗大大降低，具有成形金屬流線性好、質量高、鍛造變形均勻、切削加工少、省料節能等優點。

2)液壓馬達具有柔性擺輾鍛造性，有利于保護設備零部件，避免悶車和軸承損壞，同時減少工件與模具接觸時間，無沖擊，模具受力小，提高了模具使用壽命。

3)油泵電機組選用與兩臺鐓粗機相同型號的伺服控制系統，便于后期備件儲備與維護保養。

4)滑塊主軸為斜楔式四角“X”形加大接觸面可調導軌，導軌間隙可調；導向精度持續性好，抗偏載能力強，導軌面配有自動加油潤滑，耐磨性能良好，使用壽命長。

5)擋料機構定位準確，同時模具中具備頂出料功能，利于自動化機器人抓取。

⑺庫卡六軸關節機器人采用獨立的液壓抓手，保證在運轉中夾持力足夠。機器人從出料攤鋪臺中取料分別到1#與2#臥式擺輾機中進行工件擺輾成形，然后分別取出工件整齊排列碼垛。機器人解決了此處動作復雜、危險性高、工作效率低、勞動強度大的問題以及完成了自動上下料系統的集成、通訊等數字化需要。

⑻室外冷卻塔是封閉式水冷卻器結合噴淋冷卻塔和風冷卻器的特點，當環境溫度低于被冷卻水使用溫度時直接采用風冷換熱；當環境溫度高于被冷卻水使用溫度時，采用霧化+濕蒸發實現汽化潛熱的作用，從而使被冷卻水溫度接近于環境溫度。空氣與水通過盤管熱交換，并不直接接觸，避免了管路的結垢和堵塞問題。

⑼設備層采用集中中央CPU+Profibus DP總線通訊的控制結構。監控管理層采用工業以太網協議，實現數據的快速傳遞。監控顯示屏與自動化聯線PLC采用Profibus 總線方式連接。各種智能傳感器與相應的PLC 通過Profibus 總線通訊。機器人控制系統配置標準的以太網接口，供編程使用。上位監控機與自動化整線PLC 采用工業以太網方式通訊，對整線設備進行監控。系統能直觀、實時、正確地顯示整線的監控對象的工作狀態及運行參數，并能進行相應的操作。

⑽安全圍欄符合國家安全生產方面的相關法規、以確保生產過程上的安全。所有的門均安裝有安全開關及按鈕盒，通過安全鎖與系統聯鎖，并且按鈕盒上設有復位按鈕和急停按鈕，報警由聲光報警器完成。

結束語

此汽車半軸生產線已經過調試、驗收，現已穩定生產，經驗證，當前生產線工作人員由原5 ～6 人減少到1 ～2 人，并且勞動強度大大降低；電耗降低在30%以上；石墨等用量也有一定幅度的減少；鍛件質量穩定可靠。

中國自古就被稱為“衣冠上國、禮儀之邦”。曲裾深衣、鳳冠霞帔、長袍馬褂……在古代，各時期的服飾究竟是什么樣子？中國古代的服飾受中庸之道的影響很深。孔子認為，服飾應既不過于突出，也不能過于簡陋，要適中，這樣才符合禮儀。

中國傳統服飾講求一種包藏卻又不局限人體的若即若離的含蓄美，于恬淡之中給人一種平和、內斂之感。