金屬零件加工一體化集約生產線的研制

王仲玨，孫 剛

（安徽工程大學，蕪湖 241000）

金屬零件加工一體化集約生產線的研制

王仲玨，孫 剛

（安徽工程大學，蕪湖 241000）

該生產線用于制造各類、各種形式系列齒輪、輪轂、齒套、襯套、環圈、實心軸、空心軸等回轉體零件。該生產線流程和功能由雙體變頻式中頻感應電爐+虹吸管裝置+連續鑄造結晶器＋機械手、推桿式溜槽、集物倉等輔助裝置實現金屬熔煉、鑄坯凝固的連續鑄造→感應加熱鑄坯→多工位柔性沖壓制坯→數控碾擠、碾鍛→柔性精整→可控氣氛熱處理等組成。

金屬零件；一體化集約加工；生產線

金屬零件加工一體化集約生產線的系列化開發可滿足各類齒輪箱、變速箱等各種零件的制造，在金屬零件機械加工領域，其工藝適應性的加工范圍可達75%左右。

金屬零件加工采用集熔煉、鑄造、加熱鑄坯、預鍛碾坯、數控碾鍛、精整和可調氣氛熱處理為一體的加工生產線制造同類零件，與傳統金屬切削加工相比，材料可節省40%以上；能源可節省50%以上；人工費用可節省70%以上；并明顯降低了勞動強度和改善了作業環境。

該項目的主要創新點：

（1）由雙體變頻式中頻感應電爐+虹吸管裝置+連續鑄造結晶器＋機械手、推桿式溜槽、集物倉等輔助裝置實現金屬熔煉、鑄坯凝固的連續鑄造，取代傳統采用棒材下料、冷料裝爐升溫至1100℃左右的費料、費時、費工、耗能的毛坯制作工藝；

（2）采用機械手送料，在鐓粗、成坯和沖孔等3工位的鍛機上實現在封閉凹模內通過沖頭單向或對向擠壓金屬一次成形，獲得無飛邊、分料均勻的鍛件。采用閉式鍛造鍛件，可提供精確碾制成型的預制坯；其模具設計采用通用模架，通用外?？蚣澳Ｐ緸樘鎿Q件的柔性標準化模具設計方案；

（3）碾壓輪材料的選擇和工作表面形態及尺寸設計最為重要，其芯軸和信號控制輪的裝配精度要求較高，它們之間的運動程序和運動軌跡的調整采用PLC+零件圖形輸入軟件和依據零件的設計圖形采用自動監控零件成形軌跡軟件實現（如，北京組態王軟件或多位德國西門子軟件）；

（4）以“數控代替人控”,用數控技術來完成多工位多單元方向的控制，同時在鍛壓模具上，應用模具的連續成型設計原理，進行連續多工位的鍛壓成形加工，使之成形面不加工或僅0.30mm～0.50mm的后序加工量。

1 生產線整體設計

（1）由雙體變頻式中頻感應電爐、虹吸器和連續鑄造結晶器組成熔煉、連續鑄坯裝置。

該裝置在熔煉和凝固過程中100%的利用了電能，所研發的虹吸器使高純凈金屬液流入連續鑄造結晶器完成凝固并被定制尺寸后，沿推桿式流槽運動至取料部，實現了無料損作業，充分利用鑄造余熱完成鑄坯的后續加熱。

（2）電加熱紅外線測溫的中頻加熱爐。

中頻電加熱升溫快，爐溫易于調節控制，棒料表面氧化和脫碳小，便于實現機械化和自動化操作；紅外線測溫具有精度高，測溫下限低、響應時間短的先進快速測溫優點。

（3）閉式多工位壓力機預制碾鍛坯。

閉式鍛造是在封閉凹模內通過沖頭單向或對向擠壓金屬一次成形，以獲得無飛邊、分料均勻的鍛件。采用閉式鍛造，提供了精確碾制成型的預制坯。

模具的設計原理。以通用模具設計原理為基礎，以通用模架、通用外?？蚣澳Ｐ緸樘鎿Q件的柔性標準化模具設計方案，實現了單機臺、多品種快速反應能力的柔性通用標準化模具的方案設計。

（4）數字化程控精密碾鍛機成型加工鍛坯。

數字化程控技術精密成型溫碾鍛生產流程為鍛壓回轉成型的一種特殊制造工藝，它的成型原理為碾壓輪（動力輪）與芯軸輥旋轉中心軸平行，碾環動力輪旋轉通過它與環形坯件之間的摩擦力帶動芯軸轉動，同時動力輪與芯軸之間的中心距逐漸縮小，直至變形結束，經碾鍛變形的工件，截面積和徑向厚度都減少，環形件外徑和孔徑都相應地增加。實現產品的碾制成型。

數字化程控技術精密成型精度控制為項目研制技術的關鍵，通過對數控精密碾鍛專機設備的碾鍛壓下力傳動部件結構設計及伺服電機、伺服驅動器、定位模塊、人機對話、采用觸摸屏輸入模式數控系統設計的機床數控系統、多軸多工位碾鍛專機生產線研制，突破了這項精密碾鍛生產的碾壓行業共性關鍵技術。

高級邏輯程序控制器PLC的應用，發揮了其開關量邏輯控制、運動控制、過程控制、數據處理等先進功能。

（5）精整工件。

（6）可控氣氛熱處理工件。

2 數控精密碾鍛專機設備的研制

2.1 碾鍛壓下力傳動部件結構設計

傳統的碾鍛壓力裝置一般采用壓縮空氣裝置或液壓裝置?？紤]目前國產液壓裝置部件質量不穩定、造價高、不利于維修，還有就是數控元件在專機上難以相容，因此，應自行研制精密傳動杠桿裝置。通過配比數控電機、變速箱，設計聯動精密傳動杠桿作軸向直線運動，實現碾鍛壓下力可通過數控電機運轉速比來調整軸向壓力，使之適應力傳動部件結構設計。

2.2 碾鍛專機設備的數控系統設計

數控系統采用伺服電機、伺服驅動器定位模式，人機對話采用觸摸屏輸入模式。

日本三菱HC—SFS伺服和MR—T2S，定位模塊QD75Pi—QD75P6，按機型需求訂購。

數控系統主要控制同步性和反復定位精度，針對碾鍛各種結構形狀產品過程中對各時間段的速度控制，碾壓比控制，碾壓時間設定等精度要求，應完成從單軸伺服到6軸伺服。

數控技術應方便操作工的編程難度，根據不同形狀產品，只要選擇 A1、A2、A3、A4 等，觸摸屏就可顯示出各項數據。

編程原理。把工件碾壓厚度的尺寸換算成絲米數字，例1mm分為100絲米，如坯外徑120mm，孔40mm，單邊厚度為40mm，產品單邊厚度為10mm，碾壓距離為30mm，觸摸屏顯示數字是3000絲米，3000絲米是碾壓距離，當走完了3000絲米時就是工件尺寸。為達到精確的3000絲米，在編程時先計算杠桿力距、減速比，測試機械加工精度的運行間隙，換算成伺服的旋轉轉數，通過試機測試后，進行微修正，最終達到碾壓距離和數字同步。

對多軸數控設備，例TRH4型五軸連動碾壓機，擬用一臺主機與其它二臺形成同步，另二臺形成另二個單元，計算好運行時間。用延時電源指揮另一單元運行，當運行軌跡到一定位置時，通過接近開關電源信號指揮另一單元的運行，而達到整個機組精確運行的要求。

3 柔性通用標準化模具的設計

3.1 模具設計原理

該模具以通用模架，通用外?？蚣澳Ｐ緸樘鎿Q件的柔性標準化模具設計方案，實現了單機臺多品種快速反應能力的柔性通用標準化模具的設計。

通過對其專利模具的設計原理，延伸到精密碾鍛柔性標準模具研制開發過程中。

考慮在碾鍛成型模具設計工藝上，其精密碾鍛為后工序數控成型，有數控運動控制單元模塊和操作終端解決，對于前工序預成型來講，要求解決的是準確的預成型精度及模具柔性標準化程度，為此擬通過二維設計和工藝經驗數據的對比排列、數據分析，得到研制沖壓模具的合理性。并同時進行實驗對比，分析求證后再用于模具設計和生產實踐上，以確保準確的預成型精度要求。

3.2 柔性通用標準化模具的設計工藝方案

延伸引用了通用模架、通用外模框及模芯為替換件的柔性標準化工藝方案，這樣就加快了對產品的快速反應能力，縮短了產品的生產周期。

3.3 技術實現與展望

為實現精密碾鍛件成形技術深層次開發，以汽車同步器精密碾鍛件產品加工為工藝突破口，應用數字化程控精密碾鍛成形技術。圖1為轎車空調器傳動三角帶輪精密碾鍛件和數控精密傳動同步器齒輪碾鍛件。

對于復雜零件的成形，大多采用多工步成形。每一道工步都對最終鍛件的精度有影響。因此應該對整個成形過程的變形規律和產品精度預測進行研究。

研究精密成形工藝，尤其是模具設計，應針對預熱的模具與坯料之間的溫度差較大和在加工過程中模具溫度變化較大,同時還與模具的冷卻、潤滑狀況有關的因素及在不同的時間由于熱脹冷縮而造成模具各部分的尺寸也有所差異，影響成形件的尺寸精度等情況，展開溫度場、應力場的仿真研究，設計動態過程變形小的模具用于生產精密鍛件。

4 技術路線、設備設計與選型

4.1 技術路線

工藝加工流程圖見圖2。

4.2 設備方案

4.2.1 熔煉設備

德國ABP大功率快速中頻感應熔煉爐。該感應爐采用當今世界上最先進的熔化處理器PRODAPT—MD，通過雙供電制實現一套二爐體的熔煉與保溫的切換；通過快捷的電源變頻處理實現100%的電能利用和具有能消除非諧波的24脈沖轉爐系統。

4.2.2 連續鑄造結晶器

利用虹吸器裝置將金屬液引入結晶器，在水冷條件下進行鑄坯的結晶凝固，并在專門設計的結晶腔完成定制尺寸鑄坯后，被擠進溜槽。

4.2.3 中頻加熱設備

采用中頻電源加熱鑄坯到所要求的溫度，為保證鑄坯的加熱均勻性，可設置加熱速度和保溫時間等工藝參數。本設備采用紅外多探點測溫并配置自動監控儀。進料口的集料點裝置機器人接受進料指令配合動作。

4.2.4 鍛造設備

采用多工位(例如墩粗、成型、沖孔等)作業，其中成型模依據零件的形態及工藝特性考慮模塊的柔性裝配組合，在實現整體成型的同時，保證其預成型壞的沖壓精度和彈性變形的限度。

4.2.5 碾擠設備

碾鍛工藝原理見圖3。碾壓輪材料的選擇和工作面形態及尺寸設計最為重要，其芯軸和信號控制輪的裝配精度要求較高，其運動程序和運動軌跡的調整應采用PLC+零件圖形輸入軟件和依據零件的設計圖形采用自動監控零件成形軌跡軟件實現。

4.2.6 精整設備

振動消除應力后，采用雙模板鑲嵌貼面方法對碾鍛零件進行精整。

4.2.7 熱處理設備

根據零件組織和力學性能的要求，設計零件熱處理制度，通常選擇在可控氣氛的電阻式熱處理爐進行。

4.2.8 系列設備成線方案

（1）將各種零件按種類、形態特征、尺寸大小分別組線。

（2）對金屬零件加工一體化集約生產線實行分段運行，以熔煉+連續鑄造+感應加熱及其后續工序分別建立2套獨立的PLC系統。

（3）PLC系統采用LED大屏幕顯示，并對各自系統內的主要工藝參數實施動態顯示和監控。

[1]胡亞民等.鍛造工藝過程及模具設計[M].北京：北京大學出版社，2006,97～117.

[2]李亞敏等.螺旋錐齒輪擺輾工藝研究[J].鍛壓技術，2009(6)24～27.

[3]吳樹財.滾動軸承套圈碾擴工藝冷卻裝置設計及研制[D].大連：大連交通大學,2003.17～29.

Developing of Integrated Intensive Production Line of Metal Parts Processing

WANG ZhongJue,SUN Gang
(Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,Anhui China)

This production line is used for the manufacture of various types,all forms of series of rotational parts of gears,hubs,gear sleeves,bushs,ring-loops,solid shafts,hollow shafts,etc,of which processes and functions are composed of catamaran-type MF induction furnace,Siphon device,continuous casting die,manipulator,assistant devices as pusher-type chute,a set of material bin etc for realization of metal melting,solidification of castings in continuous casting,induction heating,multi-position progressive flexible punching press,CNC squeezing and forging,flexible finishing,atmosphere controlled heat treatment.

Metal parts;Integrated intensive processing;Production line

TG249.9;

A；

1006－9658（2012）02－0025-4

安徽省教育廳自然基金重點項目k01061、k01078

2012－01－05

稿件編號：1201－004

王仲玨（1952－），男，教授，碩士生導師，主要從事材料工程和成型技術的研究