電動螺旋壓力機自動鍛造生產線的研究與應用

李瑞霞，熊曉紅，馮 儀

（華中科技大學武漢新威奇科技有限公司，湖北武漢430074）

電動螺旋壓力機自動鍛造生產線的研究與應用

李瑞霞，熊曉紅，馮 儀

（華中科技大學武漢新威奇科技有限公司，湖北武漢430074）

電動螺旋壓力機具有能量可控，鍛件精度高等優點，廣泛應用于各種材料的精密鍛造。本文在分析電動螺旋壓力機結構和特點的基礎上，提出了基于電動螺旋壓力機的四種自動鍛造生產線組成方案。分析了已投入實際生產的自動氣門生產線和自動齒輪鍛造生產線的應用情況。均取得良好應用效果。

機械制造自動化；模鍛；電動螺旋壓力機；機器人

1 引言[1][2]

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，國內模鍛生產中，仍有相當數量企業在使用相對落后的、國外已經淘汰的摩擦壓力機。在摩擦壓力機的使用中，由于能量不能精確控制，也沒有配置打擊力顯示，加之很多用戶和設備制造商對螺旋壓力機的力能曲線沒有足夠的認識，所以在很多情況下摩擦壓力機都處于超載運行狀態，常常造成機身、螺桿等機械部分損壞。

隨著產品結構的變化和質量的不斷提高，還要面臨環保和勞動成本上升的巨大壓力，要想提高企業競爭力，必須使用先進的設備和工藝，這為國產設備的發展提供了新的契機。當前精密模鍛生產中的新型設備——電動螺旋壓力機在性能及可靠性方面取得了很大進步，具有運行噪聲小、打擊效率高、能準確控制其打擊能量等特點，因而在摩托車、汽車、高鐵和航空航天等制造行業得到了廣泛應用。

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迫切需要。全自動電動螺旋壓力機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。

2 電動螺旋壓力機的原理和特點[3]

電動螺旋壓力機目前主要有兩種傳動形式：

①電機轉子與螺桿連為一體的電機直接傳動形式，如德國萬家頓公司45000kN以下產品、日本木夏本機工公司150DS型產品和華中科技大學20世紀80年代初研制成功的JD58-100型電動螺旋壓力機。這一方案的特點是傳動環節少，但需設計低速、大扭矩專用電機，螺桿導套磨損后會影響電機的氣隙，電機出現故障維修困難。

②電機經齒輪或皮帶帶動飛輪螺桿的電機機械傳動形式。萬家頓公司PZS系列45000kN～320000kN產品、拉斯科公司產品和木夏本機工公司500ZES型產品采用這一方案，其中木夏本機工采用皮帶傳動方式，而萬家頓和拉斯科采用更加高效的齒輪傳動方式。這一方案的特點是專用電機轉速較高，轉矩較小，可以設計少數幾種專用電機系列供不同噸位壓力機使用，電機出現故障時，更換方便，維護簡單；同時，螺桿導套磨損后不會影響電機性能。

華中科技大學武漢新威奇科技有限公司在深入研究各種傳動形式的具體特點后，最終決定在J58K系列數控電動螺旋壓力機上采用雙電機驅動的齒輪傳動方式，將基于矢量控制技術的永磁交流伺服電機驅動系統和基于直接轉矩控制技術的交流異步電機驅動系統均成功應用于電動螺旋壓力機上。其結構原理見圖1所示。

相同規格的兩臺電動機相隔180°對稱地固定在機身頂部，使飛輪受力均衡，以避免螺桿導套（銅套）產生偏磨。小齒輪強度高且重量輕，慣量不到同樣尺寸鋼齒輪的1/5，這樣可以保證電機軸在頻繁的正反轉沖擊中受損最小，壽命最長；另外，小齒輪與驅動電機軸采用摩擦聯接，通過摩擦打滑安全保險裝置可保證打擊力超載時小齒輪可以打滑，進一步有效的保護電機。

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，其他計算和控制由壓力機控制系統自動完成。

電動螺旋壓力機與傳統摩擦壓力機比較有以下優點：由于打擊能量能精確控制，產品的一致性好，偏差??；模具壽命提高，熱鍛模壽命一般在4000～6000件（國外模具壽命在10000～15000件，采用電動螺旋壓力機是主要原因之一）；電耗降低，據現場統計，電動螺旋壓力機比摩擦壓力機省電30%以上。

3 全自動鍛造線的組成形式

一般鍛造自動生產線工藝流程：精密下料—棒料自動分揀排序—中頻加熱—自動上料—壓力機（沖床）預鍛—自動上料—壓力機終鍛—自動下料—沖床切邊、沖孔，整形。自動生產線的工作過程全部受生產線總控系統控制。圓棒毛坯倒入自動分揀排序機構后排隊送入中頻爐，加熱出來后通過下料滑道送至取料點，一號機器人取料后送至壓力機（沖床）預鍛點，完成預鍛后，由機器人取料并送至壓力機終鍛點（機器人第一時間回到中頻爐取料點取料并送至預鍛點，如此周而復始，循環運行），完成終鍛后，由二號機器人從終鍛點下料并送至沖床切邊點（切邊、沖孔、整形），完成切邊后仍由二號機器人下料并送至產品料斗（二號機器人在第一時間回到終鍛點下料，如此周而復始，循環運行）。機器人下料后控制噴墨機構自動完成潤滑及冷卻模具等操作。

根據鍛造工藝和機器人配置情況可分為以下幾種模式：

（1）一臺機器人方案

用于以下兩種鍛造情況：一種是單壓力機工作，加熱后的棒料從中頻爐的滑道下落到取料點，機器人取料送到壓力機，壓力機鍛打成形后，機器人取出鍛件送至產品料斗，完成一次工作節拍。另一種是雙壓力機工作方式，即一臺用于預鍛，另一臺用于終鍛，如圖2所示?？恳慌_機器人完成在兩臺壓力機中的上下料及轉運工作。在此工作模式下，機器人要完成的動作較多，導致整條自動線工作節拍較低，一般為2～4min-1。

（2）兩臺機器人方案

最為典型的一種配置方式。一般的模鍛工藝是棒料加熱后，先在沖床（或錘）上開坯，再在壓力機上鍛打成形，最后在沖床上切飛邊或沖孔。其設備布置如圖3所示。一號機器人負責從中頻爐取熱料，送到沖床開坯后，再送到壓力機上鍛打，成形完成后由二號機器人取出，送至另一臺沖床切飛邊，再由二號機器人取出，放到產品料斗，完成一次工作流程。整條自動線工作節拍一般為6～7min-1。

（3）三臺機器人方案[5]

為了提高生產效率，在雙壓力機工作情況下，配置三臺機器人，如圖4所示。每臺機器人只進行取料和送料兩個動作，節省壓力機等待時間。整條自動線工作節拍可到10 min-1左右。

（4）機器人步進方案[5]

在多模膛鍛造的情況下，用戶希望在一臺壓力機上同時完成開坯、預段和終鍛三個工序，既節省設備投資，又可保證工作效率。在此種工作模式下，采用機器人步進方式。最關鍵的是在機器人手腕上安裝四套夾鉗，其配置如圖5所示。機器人配備一套通用夾爪，帶4個夾鉗，能同時抓取4個零件，用于三工位級進生產。機器人在模具內運動的時間約為2～3s。其工作過程模擬如圖6所示。

（5）自動噴墨裝置

電動螺旋壓力機周邊典型的自動化外部設備包括有自動上、下料裝置和自動噴石墨裝置等。出于保護模具和鍛造成形后便于脫模的目的，噴石墨也是模鍛件生產中的必要環節，如果能使用自動噴石墨裝置，必將大大減輕工人的勞動強度，且保證該操作的一致性和均勻性。圖7（推車機構）和圖8（側裝機構）所示即為J58K系列數控電動螺旋壓力機上所使用的自動噴石墨裝置。該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?？捎呻姎饪刂葡到y對噴涂時間進行調節，使噴涂更加均勻。

4 應用

（1）全自動氣門生產線[4]

該氣門自動化鍛造線以J58K-160型數控電動螺旋壓力機為核心設備，輔以4臺數控電鐓機組成。該自動化機組使用機器人實現取料和上料操作，采用自制下料裝置實現下料操作，如圖9所示。該生產線實現了從上料、電鐓、測溫控溫、終鍛至下料的全自動化，原來需要3～4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。據用戶統計，該生產線氣門鍛件尺寸精度和幾何形狀的一致性大大提高，鍛件合格率將近100%，特別是氣門總長的偏差由原來的0～4.0mm減小到了±0.25mm，減少了3～4道粗加工和半精加工工序。

（2）全自動齒輪鍛造生產線

國內第一條采用電動螺旋壓力機的全自動齒輪鍛造生產線在2009年底投入生產。該生產線由中頻加熱爐、10000kN電動螺旋壓力機、6300kN電動螺旋壓力機、自動噴墨裝置、上下料機器人和其他輔助設備組成。實現從原料加熱、上料、粗鍛、噴墨、鍛件移動、精鍛、下料等過程的無人化操作，如圖10所示。其中的電動螺旋壓力機選用華中科技大學武漢新威奇科技有限公司的產品，上下料采用ABB公司6自由度工業機器人。隨著該全自動鍛造生產線的成功生產，將對提高產品質量，改善我國模鍛生產環境具有重要現實意義。

5 結論

雖然電動螺旋壓力機自動生產線比摩擦壓力機一次性設備投資要大，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，為提高企業競爭力，電動螺旋壓力機及其自動線將得到廣泛的應用和推廣。

[1]孫友松，李明亮，魏 航，等.螺旋壓力機發展綜述[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（2）：18-21.

[2]朱元勝，欒新民.常用模鍛設備的結構性能特點及應用發展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42（5）:22-26.

[3]熊曉紅，李軍超，馮 儀，黃樹槐.CNC電動螺旋壓力機[J].鍛壓技術，2007，（5）：110-114.

[4]馮 儀，黃樹槐.全自動CNC電鐓機控制系統的研究[J].鍛壓技術，2008，（5）：138-143.

[5]PAS/CN ABB Engineering（Shanghai）Ltd.鍛造自動化生產線技術，2011-1.

Research and development on automated forging line based on electric screw press

LI Ruixia，XIONG Xiaohong，FENG Yi
（Huazhong University of Science and Technology,Wuhan New Wish Technology Co.，Ltd.,Wuhan 430074,Hubei China）

The four types of automated forging line based on electric screw press have been introduced in the text by analysis of the structure and characteristics of the electric screw press.The application situation of automated forging line for valve and gear has been analyzed,which gains a good effect.

Die forging；Electric screw press；Robot

TG315.9

B

1672－0121(2011)04－0016－04

2011-04-02

李瑞霞（1964-），女，副教授，從事材料加工控制技術的教學與研究