齒輪熱模鍛壓力機自動化生產線

文/黨軍，李養娟·陜西法士特齒輪傳動集團公司

齒輪熱模鍛壓力機自動化生產線

文/黨軍，李養娟·陜西法士特齒輪傳動集團公司

國內自動化生產線的發展

隨著我國勞動力結構性短缺和勞動成本的上升，以及越來越高的環保要求，制造業低成本的優勢正在逐漸減弱。企業必須從依靠資源和勞動的投入轉向提高生產效率。對于鍛造行業而言，鍛造車間的勞動環境惡劣、勞動強度高，為了解放勞動力、節約能源，追求并實現自動化生產是每一個鍛造企業的迫切需求。

國內的全自動鍛造生產線因極大地降低了工人勞動強度、工作環境好、鍛件質量高，而越來越受到鍛造企業的青睞。我公司結合實際情況，引進的主要為多工位熱模鍛壓力機自動化生產線，包括自動送料裝置、步進梁、自動模具冷卻潤滑及自動快速換模系統等，實現了鍛造的多工位自動化。

本文從工藝與裝備的角度對我公司引進的齒輪件精密鍛造自動化生產線進行歸納和總結，詳細介紹了鍛造自動化生產線的工藝流程。齒輪件的鍛造工藝流程為：高速剪床精密下料→棒料自動分揀排序→中頻感應爐加熱→自動上料→糾料→鐓粗→預鍛→終鍛→沖孔校平→余熱正火。

自動化生產線的工藝特點

自動線鍛造出的齒輪件因為是逐步變形，所以鍛件金屬流線均勻、金相組織均勻、晶粒適中。齒輪采取閉式鍛造，鍛件不會產生飛邊，因此在外圓齒部金屬纖維不會被切斷，有利于提高齒輪壽命。

齒輪鍛造過程中增加了糾料工步，整形坯料端面的同時，能有效去除氧化皮。同時模具冷卻潤滑理想，加以高壓空氣吹掃氧化皮，鍛造工序完成后鍛件氧化皮殘余少、無氧化皮墊坑等缺陷。后續緊跟余熱正火工藝，避免鍛件二次氧化和表面脫碳，使鍛件表面質量完全能達到各種OEM配套要求，鍛件的非加工面完全能滿足工藝要求。

齒輪在工作時處于高速旋轉的運動狀態，所以齒輪動平衡要求非常高，目前我公司要求鍛件平面度不允許超過0.7mm。在熱模鍛自動線上，滑塊導軌以“X”形布置，可以補償所有熱脹量，導軌長度設計得足夠長，保證了滑塊的高剛性和精密導向，這些硬件的配置，確保鍛件平面度在0.2mm左右。

在保證產品質量的同時，采用沖孔碟簧壓緊結構，在沖孔的過程中，鍛件放置在凸模下不動，滑塊下行時碟簧作用于頂出器將鍛件壓緊保持不動，在沖孔的過程中起到校正作用，保證沖孔切邊時鍛件不變形，提高鍛件質量，降低生產成本。鍛后鍛件采取余熱正火工藝，降低了能耗，減少了鍛件表層脫碳，同時減少了物流周轉的工作量。

生產線上的主要設備

熱模鍛壓力機自動線

熱模鍛壓力機自動化生產線（圖1）由自動上下送料裝置、步進梁傳輸裝置、多工位鍛造模座、快速換模小車、自動潤滑冷卻噴霧裝置和鍛件輸出裝置組成，集機械、光電控制、液壓、材料、網絡化控制等技術于一體，采用了多工位閉式鍛造模具技術，提高了材料利用率和成形精度；一體化的模具自動潤滑冷卻系統，可以實現模具的清掃、潤滑和冷卻功能，提高了模具壽命；采用了三維步進梁機械手、模具模架快速更換和裝夾技術。適合高效率、大批量生產模鍛件，對批量大的產品可提高生產效率，穩定產品質量，每分鐘有15～25件的生產節拍。從自動上料到鍛造、模具潤滑冷卻和鍛件傳輸全部由設備自動完成，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，據我們現場統計，自動生產線鍛件厚度尺寸偏差可以減小到0.2mm左右。

圖1 熱模鍛壓力機自動線

整個自動生產線的噴霧潤滑采用無色環保脫模劑，由電磁閥按操作面板控制配比濃度和噴灑時間，做到隨用隨配比，嚴防脫模劑失效對鍛件質量產生影響；同時因濃度可以隨機調整，確保脫模劑的精確使用，降低了鍛件生產成本。壓力機底部為隔而固彈性減振裝置，對機床和操作工的身體危害降到最低。

中頻感應加熱裝置

每條自動線生產的產品根據工藝要求和生產節拍的不同選擇不同規格的加熱爐，使加熱爐感應加熱速度和壓力機生產頻率相匹配，加熱溫度可以根據工件材質進行調整。為了適應不同直徑毛坯的加熱要求，感應加熱線圈部件采用了快換接頭，可實現不同規格線圈之間的快速更換。同時加熱溫度必須保證有負反饋的功能，加熱爐可以根據客觀因素對加熱溫度的影響自動調整補償電壓，保證工件加熱溫度在工藝許可的范圍內波動。

加熱爐必須配有兩套分選裝置，第一套重量分選器位于加熱爐的入爐口位置，確保進入加熱爐的坯料均是滿足要求的坯料；第二套溫度分選裝置位于加熱爐出口位置，靠紅外測溫儀將低溫坯料和過熱、過燒坯料及時與溫度合格坯料分出，確保輸入熱模鍛壓力機的坯料都是合格的。

余熱正火熱處理爐

因為鍛造自動生產線的節奏非常快，所以鍛后輸出的毛坯溫度在1000℃左右，此時鍛件仍處于奧氏體狀態，我們通過可調速傳輸裝置控制冷卻速度，使鍛件在可控的溫度范圍內通過傳送裝置進入等溫爐中保溫，使鍛件內部組織發生轉變，從而獲得符合要求的硬度，以及均勻的鐵素體和珠光體組織。

鍛件在鍛后傳輸過程中，其入爐溫度是控制鍛件余熱正火質量的關鍵參數，將等溫溫度設定在珠光體轉變溫度范圍內(630℃左右），要求鍛件終鍛后在傳送裝置上不能重疊，通過調整傳送帶轉速來控制鍛件的入爐溫度，在等溫正火爐內保溫90min即可使組織和硬度達到工藝要求。鍛件采用鍛造余熱正火減少了二次奧氏體加熱消耗的大量能源，提高了生產效率，鍛件余熱正火后表面光亮、氧化皮薄，后續拋丸清理時間較等溫正火節約2/3。圖2為余熱處理正火爐。

圖2 余熱處理正火爐

面臨的問題及解決辦法

坯料問題及解決辦法

由于自動線在生產過程中處于高速運轉，每個生產設備所需坯料靠鋸床遠不能滿足生產要求，所以必須借助高速精密剪床提供坯料。高速精密剪床在下料過程中由于其工藝特性，會存在坯料端面壓扁不平整和端面傾角大的缺陷，在生產中會影響鍛件質量。自動線完全依靠伺服電機驅動步進梁傳輸或者機器人傳輸，生產過程中如果坯料端面有缺陷，容易使鍛件出現偏斜，造成鍛件填充不均勻和產生薄厚不均勻的缺陷。由于模具型腔比較復雜，鍛件傳輸過程中步進梁快速放置的鍛件位置容易變動，導致鍛件成形不均勻甚至產生折疊。目前解決坯料問題的方法有第一道增加糾料工步和頂桿定位法兩種。

第一道工序增加糾料工步，保證坯料經過第一道工序后棒料鼓形均勻，端面平整。采用外圓定位法和頂桿定位法保證傳輸過程中鍛件在正確的位置。外圓定位法可以保證每工步鍛件外徑都比較接近，相差1～3mm左右，鍛件靠重力和出模角可以自己找正，確保每次鍛造前鍛件能準確定位。目前俄羅斯伏龍涅什自動線和德國西馬克歐姆科（西馬克梅爾）自動線均采取該傳輸定位的方法。

頂桿定位法要求機床在機床頂桿頂出后有液壓或者氣動保持頂桿高度功能和步進梁卡爪一側作為徑向定位基準的功能。鍛件傳輸時機械手從上工位頂桿將鍛件取走，同時頂桿回位，然后步進梁傳輸至下一工位，放置在已經頂出的下頂桿上，上模頂桿借助氣動壓力將鍛件壓緊在下模頂桿，直至下模頂桿完全回位，上模頂桿撤走。此種方法可以保證每工步傳輸平穩，定位準確。目前我公司使用的米勒萬家頓（舒勒）生產線采取的就是該傳輸定位方式。

模具壽命的提高

由于自動線生產效率每分鐘高達15～25件，對模具壽命要求極高，如果模具壽命不能達到一個班的生產周期，會嚴重影響自動線的高效率。我們開始引進自動線時，模具壽命從700件提高到兩千多件，經歷2年多的摸索，到目前每套模具至少可生產7000件。模具壽命的提高主要有以下3個因素。

⑴設計采用PRO/E、UG等三維軟件將工裝圖和鍛件圖開發變成3D的直接建模，其次，DEFORM、QFORM、FORGE、VeraCAD等CAE鍛造模擬技術、有限元技術的廣泛應用，使設計人員在計算機中完成產品設計的優化及修訂工作，減少試模的時間，縮短了產品的開發周期，然后根據現場試鍛情況，調整模具設計，找到最佳定型模具。圖3是DEFORM模擬的三個過程圖。

圖3 DEFORM模擬的三個過程圖

⑵使用新型模具材料，并配合合理的真空爐滲碳熱處理和模具表面滲氮工藝。

⑶模具潤滑直接影響模具壽命，如果機床冷卻能力不能控制住模具升溫，生產300～400件產品模具就升溫到600℃左右，在此溫度下脫模劑附著性很差，模具材料達到紅硬性臨界點，模具便容易退火打塌報廢。

所以在高節奏生產的情況下必須注意模具升溫情況，目前有兩種方法解決模具溫升過快導致的模具報廢問題：①在隔工位生產時，每個間隙進行水冷，迅速降低模具溫度，使在高節奏，大批量生產時確保模具溫度在一個合適的范圍；②如果生產為滿工位運行，可以使用稀配比和高溫靜潤性好的脫模劑，這種脫模劑在模具高溫時仍有優秀的靜潤性，可以在500℃確保正常生產。

高素質的員工

因為自動化生產線上一個點會牽動全部，所以生產線上所配備的操作人員必須對鍛造工藝、設備控制和機械、電氣部分非常熟悉、精通，能快速對出現的故障做出準確判定和處置，確保設備能運轉好、保養好和使用好。

結束語

熱模鍛壓力機自動線的引進，解決了我公司鍛造產能瓶頸的問題，提高了鍛件產量和質量，同時減輕了鍛造操作工體力勞動的強度，現場工作環境得到很大改善，具有節能、節材、效率高、產品精度高、質量好等優點，是替代傳統鍛造生產設備的換代產品。在整個中國勞動力紅利下降和制造業升級換代的大背景下，相信多工位熱模鍛壓力機自動線將得到廣泛的應用和推廣。