齒輪熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線

文/黨軍，李養(yǎng)娟·陜西法士特齒輪傳動(dòng)集團(tuán)公司

齒輪熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線

文/黨軍，李養(yǎng)娟·陜西法士特齒輪傳動(dòng)集團(tuán)公司

國(guó)內(nèi)自動(dòng)化生產(chǎn)線的發(fā)展

隨著我國(guó)勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性短缺和勞動(dòng)成本的上升，以及越來(lái)越高的環(huán)保要求，制造業(yè)低成本的優(yōu)勢(shì)正在逐漸減弱。企業(yè)必須從依靠資源和勞動(dòng)的投入轉(zhuǎn)向提高生產(chǎn)效率。對(duì)于鍛造行業(yè)而言，鍛造車(chē)間的勞動(dòng)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度高，為了解放勞動(dòng)力、節(jié)約能源，追求并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是每一個(gè)鍛造企業(yè)的迫切需求。

國(guó)內(nèi)的全自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線因極大地降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、工作環(huán)境好、鍛件質(zhì)量高，而越來(lái)越受到鍛造企業(yè)的青睞。我公司結(jié)合實(shí)際情況，引進(jìn)的主要為多工位熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線，包括自動(dòng)送料裝置、步進(jìn)梁、自動(dòng)模具冷卻潤(rùn)滑及自動(dòng)快速換模系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了鍛造的多工位自動(dòng)化。

本文從工藝與裝備的角度對(duì)我公司引進(jìn)的齒輪件精密鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行歸納和總結(jié)，詳細(xì)介紹了鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)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(dòng)分揀排序→中頻感應(yīng)爐加熱→自動(dòng)上料→糾料→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→沖孔校平→余熱正火。

自動(dòng)化生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)

自動(dòng)線鍛造出的齒輪件因?yàn)槭侵鸩阶冃危藻懠饘倭骶€均勻、金相組織均勻、晶粒適中。齒輪采取閉式鍛造，鍛件不會(huì)產(chǎn)生飛邊，因此在外圓齒部金屬纖維不會(huì)被切斷，有利于提高齒輪壽命。

齒輪鍛造過(guò)程中增加了糾料工步，整形坯料端面的同時(shí)，能有效去除氧化皮。同時(shí)模具冷卻潤(rùn)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(wú)氧化皮墊坑等缺陷。后續(xù)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(zhì)量完全能達(dá)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(shí)處于高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以齒輪動(dòng)平衡要求非常高，目前我公司要求鍛件平面度不允許超過(guò)0.7mm。在熱模鍛自動(dòng)線上，滑塊導(dǎo)軌以“X”形布置，可以補(bǔ)償所有熱脹量，導(dǎo)軌長(zhǎng)度設(shè)計(jì)得足夠長(zhǎng)，保證了滑塊的高剛性和精密導(dǎo)向，這些硬件的配置，確保鍛件平面度在0.2mm左右。

在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，采用沖孔碟簧壓緊結(jié)構(gòu)，在沖孔的過(guò)程中，鍛件放置在凸模下不動(dòng)，滑塊下行時(shí)碟簧作用于頂出器將鍛件壓緊保持不動(dòng)，在沖孔的過(guò)程中起到校正作用，保證沖孔切邊時(shí)鍛件不變形，提高鍛件質(zhì)量，降低生產(chǎn)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(shí)減少了物流周轉(zhuǎn)的工作量。

生產(chǎn)線上的主要設(shè)備

熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)線

熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線（圖1）由自動(dòng)上下送料裝置、步進(jìn)梁傳輸裝置、多工位鍛造模座、快速換模小車(chē)、自動(dòng)潤(rùn)滑冷卻噴霧裝置和鍛件輸出裝置組成，集機(jī)械、光電控制、液壓、材料、網(wǎng)絡(luò)化控制等技術(shù)于一體，采用了多工位閉式鍛造模具技術(shù)，提高了材料利用率和成形精度；一體化的模具自動(dòng)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)模具的清掃、潤(rùn)滑和冷卻功能，提高了模具壽命；采用了三維步進(jìn)梁機(jī)械手、模具模架快速更換和裝夾技術(shù)。適合高效率、大批量生產(chǎn)模鍛件，對(duì)批量大的產(chǎn)品可提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，每分鐘有15～25件的生產(chǎn)節(jié)拍。從自動(dòng)上料到鍛造、模具潤(rùn)滑冷卻和鍛件傳輸全部由設(shè)備自動(dòng)完成，在減少勞動(dòng)力和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，帶來(lái)的是產(chǎn)品質(zhì)量以及產(chǎn)品一致性的提高，據(jù)我們現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)生產(chǎn)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(jī)自動(dòng)線

整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的噴霧潤(rùn)滑采用無(wú)色環(huán)保脫模劑，由電磁閥按操作面板控制配比濃度和噴灑時(shí)間，做到隨用隨配比，嚴(yán)防脫模劑失效對(duì)鍛件質(zhì)量產(chǎn)生影響；同時(shí)因濃度可以隨機(jī)調(diào)整，確保脫模劑的精確使用，降低了鍛件生產(chǎn)成本。壓力機(jī)底部為隔而固彈性減振裝置，對(duì)機(jī)床和操作工的身體危害降到最低。

中頻感應(yīng)加熱裝置

每條自動(dòng)線生產(chǎn)的產(chǎn)品根據(jù)工藝要求和生產(chǎn)節(jié)拍的不同選擇不同規(guī)格的加熱爐，使加熱爐感應(yīng)加熱速度和壓力機(jī)生產(chǎn)頻率相匹配，加熱溫度可以根據(jù)工件材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。為了適應(yīng)不同直徑毛坯的加熱要求，感應(yīng)加熱線圈部件采用了快換接頭，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格線圈之間的快速更換。同時(shí)加熱溫度必須保證有負(fù)反饋的功能，加熱爐可以根據(jù)客觀因素對(duì)加熱溫度的影響自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償電壓，保證工件加熱溫度在工藝許可的范圍內(nèi)波動(dòng)。

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(jìn)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(cè)溫儀將低溫坯料和過(guò)熱、過(guò)燒坯料及時(shí)與溫度合格坯料分出，確保輸入熱模鍛壓力機(jī)的坯料都是合格的。

余熱正火熱處理爐

因?yàn)殄懺熳詣?dòng)生產(chǎn)線的節(jié)奏非常快，所以鍛后輸出的毛坯溫度在1000℃左右，此時(shí)鍛件仍處于奧氏體狀態(tài)，我們通過(guò)可調(diào)速傳輸裝置控制冷卻速度，使鍛件在可控的溫度范圍內(nèi)通過(guò)傳送裝置進(jìn)入等溫爐中保溫，使鍛件內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)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(guò)程中，其入爐溫度是控制鍛件余熱正火質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，將等溫溫度設(shè)定在珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)(630℃左右），要求鍛件終鍛后在傳送裝置上不能重疊，通過(guò)調(diào)整傳送帶轉(zhuǎn)速來(lái)控制鍛件的入爐溫度，在等溫正火爐內(nèi)保溫90min即可使組織和硬度達(dá)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(chǎn)效率，鍛件余熱正火后表面光亮、氧化皮薄，后續(xù)拋丸清理時(shí)間較等溫正火節(jié)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(wèn)題及解決辦法

坯料問(wèn)題及解決辦法

由于自動(dòng)線在生產(chǎn)過(guò)程中處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，每個(gè)生產(chǎn)設(shè)備所需坯料靠鋸床遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)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(guò)程中由于其工藝特性，會(huì)存在坯料端面壓扁不平整和端面傾角大的缺陷，在生產(chǎn)中會(huì)影響鍛件質(zhì)量。自動(dòng)線完全依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)梁傳輸或者機(jī)器人傳輸，生產(chǎn)過(guò)程中如果坯料端面有缺陷，容易使鍛件出現(xiàn)偏斜，造成鍛件填充不均勻和產(chǎn)生薄厚不均勻的缺陷。由于模具型腔比較復(fù)雜，鍛件傳輸過(guò)程中步進(jìn)梁快速放置的鍛件位置容易變動(dòng)，導(dǎo)致鍛件成形不均勻甚至產(chǎn)生折疊。目前解決坯料問(wèn)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(jīng)過(guò)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(guò)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(zhǔn)確定位。目前俄羅斯伏龍涅什自動(dòng)線和德國(guó)西馬克歐姆科（西馬克梅爾）自動(dòng)線均采取該傳輸定位的方法。

頂桿定位法要求機(jī)床在機(jī)床頂桿頂出后有液壓或者氣動(dòng)保持頂桿高度功能和步進(jìn)梁卡爪一側(cè)作為徑向定位基準(zhǔn)的功能。鍛件傳輸時(shí)機(jī)械手從上工位頂桿將鍛件取走，同時(shí)頂桿回位，然后步進(jìn)梁傳輸至下一工位，放置在已經(jīng)頂出的下頂桿上，上模頂桿借助氣動(dòng)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(wěn)，定位準(zhǔn)確。目前我公司使用的米勒萬(wàn)家頓（舒勒）生產(chǎn)線采取的就是該傳輸定位方式。

模具壽命的提高

由于自動(dòng)線生產(chǎn)效率每分鐘高達(dá)15～25件，對(duì)模具壽命要求極高，如果模具壽命不能達(dá)到一個(gè)班的生產(chǎn)周期，會(huì)嚴(yán)重影響自動(dòng)線的高效率。我們開(kāi)始引進(jìn)自動(dòng)線時(shí)，模具壽命從700件提高到兩千多件，經(jīng)歷2年多的摸索，到目前每套模具至少可生產(chǎn)7000件。模具壽命的提高主要有以下3個(gè)因素。

⑴設(shè)計(jì)采用PRO/E、UG等三維軟件將工裝圖和鍛件圖開(kāi)發(fā)變成3D的直接建模，其次，DEFORM、QFORM、FORGE、VeraCAD等CAE鍛造模擬技術(shù)、有限元技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)中完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化及修訂工作，減少試模的時(shí)間，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試鍛情況，調(diào)整模具設(shè)計(jì)，找到最佳定型模具。圖3是DEFORM模擬的三個(gè)過(guò)程圖。

圖3 DEFORM模擬的三個(gè)過(guò)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(rùn)滑直接影響模具壽命，如果機(jī)床冷卻能力不能控制住模具升溫，生產(chǎn)300～400件產(chǎn)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(dá)到紅硬性臨界點(diǎn)，模具便容易退火打塌報(bào)廢。

所以在高節(jié)奏生產(chǎn)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(guò)快導(dǎo)致的模具報(bào)廢問(wèn)題：①在隔工位生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)間隙進(jìn)行水冷，迅速降低模具溫度，使在高節(jié)奏，大批量生產(chǎn)時(shí)確保模具溫度在一個(gè)合適的范圍；②如果生產(chǎn)為滿工位運(yùn)行，可以使用稀配比和高溫靜潤(rùn)性好的脫模劑，這種脫模劑在模具高溫時(shí)仍有優(yōu)秀的靜潤(rùn)性，可以在500℃確保正常生產(chǎn)。

高素質(zhì)的員工

因?yàn)樽詣?dòng)化生產(chǎn)線上一個(gè)點(diǎn)會(huì)牽動(dòng)全部，所以生產(chǎn)線上所配備的操作人員必須對(duì)鍛造工藝、設(shè)備控制和機(jī)械、電氣部分非常熟悉、精通，能快速對(duì)出現(xiàn)的故障做出準(zhǔn)確判定和處置，確保設(shè)備能運(yùn)轉(zhuǎn)好、保養(yǎng)好和使用好。

結(jié)束語(yǔ)

熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)線的引進(jìn)，解決了我公司鍛造產(chǎn)能瓶頸的問(wèn)題，提高了鍛件產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)減輕了鍛造操作工體力勞動(dòng)的強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境得到很大改善，具有節(jié)能、節(jié)材、效率高、產(chǎn)品精度高、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，是替代傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)設(shè)備的換代產(chǎn)品。在整個(gè)中國(guó)勞動(dòng)力紅利下降和制造業(yè)升級(jí)換代的大背景下，相信多工位熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)線將得到廣泛的應(yīng)用和推廣。