先進鍛造技術的研究與應用

文/蔣鵬·精密成形國家工程研究中心

先進鍛造技術的研究與應用

文/蔣鵬·精密成形國家工程研究中心

先進鍛造技術應以基礎產業和高技術產業所需要的精密成形零件的市場需求為導向，開發節能節材、具有工業實用價值的金屬塑性精密成形加工技術（包括工藝、關鍵設備、自動控制系統以及計算機應用），重視新技術應用，加強工程化推廣，為提高勞動生產率、降低勞動強度、改善作業環境、推動行業的技術進步服務。

鍛造是一門古老的金屬成形技術，這門技術已經存在幾千年了，并且還將繼續存在下去。從最早傳統的手工人力鍛造發展到近現代用各種類型的鍛壓機械進行鍛造生產，從單一的自由鍛工藝發展到現在以模鍛為主，各種具有特色的鍛造工藝并存，從人工操作到越來越多的自動化生產，鍛造技術一直在不斷地進步。本文介紹精密成形國家工程研究中心部分先進鍛造技術的研究與應用情況。

工藝技術

最初輥鍛機只是用來制坯的，后來開發出了用于汽車前軸的精密輥鍛工藝，這種工藝對輥鍛機的要求比較高，相比制坯用的輥鍛機來說對力和能的要求都更高一些。這個工藝專門設計了輥鍛機，原來使用的是930mm輥鍛機，后來改進設計成1000mm，降低了轉速，增加了扭矩，電機、飛輪加大。精密輥鍛后坯料的一部分已經成形，對模鍛設備打擊力的要求也就降低了，這樣可以在小噸位的模鍛設備上生產汽車前軸。國內目前大約有30條這樣的生產線在生產汽車前軸，現在精密輥鍛＋模鍛的生產工藝已經成為了國內汽車前軸生產的主流工藝。類似的工藝也用在鉤尾框鍛件的生產上（圖1）。

圖1 用精密輥鍛工藝生產鐵路火車鉤尾框

精密鍛造的狹義概念就是指鍛后有些地方不加工或者基本不加工，當時大多指的是一些齒類件，但隨著社會的發展和技術水平的提高，現在精密鍛造的含義也在擴大，廣義精密鍛造指的就是整個鍛造過程的精密化。精密鍛造是鍛造的一個發展趨勢，從自由鍛到模鍛，就是一個尺寸精化的過程。

曲軸鍛件的模鍛斜度一般在1.5°左右（如果在錘上模鍛的話，其模鍛斜度一般在7°左右），這樣機加工的余量就減小了很多。要實現精密鍛造，非常重要的一點就是提高裝備水平。裝備水平提高了，可以更好地促進鍛件精度的提高。

鋁合金以其密度小、比強度高、加工性好等優點在各個領域都得到了廣泛的應用，為了達到節能減重的效果，美、歐、日等發達國家和地區都在不斷加大對鋁合金鍛造材料及其工藝的研發力度，國內未來也應該將鋁合金鍛造技術作為一項核心技術來重點研究，圖2為工程中心在國內某工廠的自動化鍛造生產線上開發的鋁合金控制臂鍛件。

圖2 用鍛造工藝生產出的高檔轎車用鋁合金控制臂

裝備技術

J55系列離合器式螺旋壓力機

離合器式螺旋壓力機（圖3）適合配置在中、大批量連續生產線，實現高精度、高效率、節能節材生產，模具壽命長，是適合實現自動化生產的通 用鍛壓設備，其主要技術參數見表1，特點如下：

⑴飛輪速度降低12.5%即可輸出最大能量，鍛件成形速度在0.5m/s；采用變頻驅動后，此成形速度可在0.25～0.6m/s之間調整，便于成形各種合金鍛件，此優點其他螺旋壓力機都不具備。

⑵油壓離合器行程雙重控制打擊力，可像鍛錘一樣反復打擊，輕重控制靈活。

⑶高的成形能量。標注的公稱能量是可輸出到工件的變形能量，約為同規格其他類型螺旋壓力機的兩倍（其他類型壓力機標注的公稱能量均為運動部分總能量，考慮到效率，只有大約65%可以輸出到鍛件上）。

⑷導向長度大，剛性強，具有抗傾斜剛性很強的圓柱導向和X形導軌輔助導向雙重導向，可以多工位鍛打坯料。

⑸滑塊可利用行程長。無固定下死點，在滑塊2/3的行程內均可發揮最大打擊力和最大打擊能量，可以靈活調整模具，小行程、大能量可以提高生產效率，延長模具壽命。

圖3 離合器式螺旋壓力機自動生產線

表1 離合器式螺旋壓力機主要技術參數

⑹生產效率高，模具壽命長。與其他各種螺旋壓力機相比，滑塊加速快、鍛件變形速度快，滑塊行程次數高；打擊過程短，悶模時間短于其他各種螺旋壓力機和熱模鍛壓機。

⑺上下頂出器可設置即時頂出，縮短鍛件滯模時間。

⑻主電機功率小、整機裝機功率小、節能高效。與同規格其他各種螺旋壓力機相比，由于飛輪大，飛輪儲能模式更合理，所以裝機功率最小，工作時電流最小。

⑼在多工位生產線連續生產。在多工位輕重打擊連續生產時，沒有電動螺旋壓力機中、小能量打擊時制動飛輪減速或低速下行調節能量導致能量大量浪費、動作慢等缺點；由于打擊后螺桿、滑塊與飛輪脫開，不僅滑塊回程快，而且制動滑塊和螺桿浪費的能量小，沒有電動螺旋壓力機和其他螺旋壓力機打擊后滑塊加速回程造成的回程電流沖擊大，制動飛輪造成大量能量浪費等缺點。

⑽自動化程度高。計算機控制可以預選打擊力、打擊行程、編程多工位鍛打，自動顯示故障。

ZGD系列自動輥鍛機

ZGD系列自動輥鍛機（圖4），是在引進EUMUCO公司技術的基礎上，經過不斷優化改進發展而成的系列產品。該產品與機電所配套提供的成形輥鍛、制坯輥鍛工藝、模具及聯線技術，可廣泛應用于汽車、拖拉機、能源、手工工具等行業。特別是在汽車前軸、連桿和汽輪機葉片等零件的生產中，已經建成的幾十條生產線產生了很大的經濟效益和社會效益，主要技術參數見表2。

圖4 自動輥鍛機

表2 自動輥鍛機主要技術參數

D46系列楔橫軋

楔橫軋是高效精密成形階梯軸類鍛件的先進成形方法，生產效率是模鍛的2～5倍，材料利用率提高10%～35%，模具壽命提高10倍以上，是軸類鍛件成形與復雜鍛件預制坯的先進工藝。在汽車變速箱軸類件、連桿、曲軸預制坯上得到廣泛的應用。已經在國內建成多條生產線并向美國、韓國等國家出口（圖5）主要技術參數見表3。整體式高剛度精密楔橫軋機具有結構緊湊、調整方便、適用于自動化鍛造生產線等優點，屬于達到國際先進水平的新型鍛壓設備。

圖5 出口韓國的D46-80X700楔橫軋自動生產線

表3 楔橫軋機主要技術參數

自動化技術

根據產品工藝的需求將鍛造生產所需的設備有機結合在一起，實現產品生產的連續性和高效率，所構成的完整的生產流程就是鍛造生產線。目前國外部分發達國家已經實現了鍛造生產線的全線自動化，但許多生產線仍處于半自動化狀態，即主要工序仍需要人工干預。

相比國外的鍛造技術，國內的鍛造生產還大都處于半機械、半人工的生產狀態，小鍛件的中轉搬運基本上都由人工實現，大鍛件的中轉搬運由機械手實現，設備和機械手之間的信號傳遞采取點對點的方式，靠人工判斷進行操作，生產效率低下、依賴工人經驗等造成了產品難以走向國際市場。因此，實現鍛造生產線自動化是提升國內鍛造產品質量，增強國際市場競爭力的有效方法。

傳統的鍛造生產線采用的是點對點的控制方式，這也是我國大部分現有生產線所采用的控制方式。這種控制方式下，設備之間的信號傳遞是類似串聯的一種方式，由于只能實現點與點之間的銜接，每個設備只與其相關的相鄰設備發生信號交換，因此一旦生產線中某設備出現故障，故障信號無法發送給與之不直接相關的設備，則這些設備依然按照預定程序運行，勢必會造成整條生產線的混亂，甚至發生嚴重事故。因此，這種點對點的控制方式已經逐步被淘汰。

要建設鍛造自動化生產線必須采用更新的控制技術，即現場總線控制技術。與傳統的點對點的控制方法相比，現場總線控制系統具有無可比擬的優勢。

現場總線控制技術是涵蓋了控制信號和安全信號為一體的控制技術，系統采用兩層總線結構，工業以太網為上層網，PROFIBUS-DP（或PROFINET）為下層網，此外單獨設置安全總線，專門處理安全信號。只有在生產線中所有設備信號和安全信號均處于正常情況，生產線才能正常生產，一旦有任何意外發生，總控將通知各設備急停，并啟動相應處理程序進行處理，意外處理完畢后再恢復啟動。對于總線控制技術而言，能夠正確判斷生產線的故障是保證生產能夠順利進行的關鍵，也就是說，一旦生產出現問題，總控必須能夠在第一時間識別這個問題，并做出相應的判斷和處理。

在鍛造過程中，材料性能波動、材料尺寸波動、模具型腔的變化、機械設備狀況的變化（油溫、氣壓、摩擦系數、運動間隙）、鍛件和模具溫度的變化以及模具潤滑的情況，都會對金屬流動產生影響，導致飛邊的形狀、大小難以控制，嚴重的會出現粘?，F象，最終導致機器人抓取不準或無法正常放入下模腔，自動化生產很難正常進行。針對上述現象，更要充分發揮智能制造感知、決策、執行的核心理念。在鍛造生產線上安裝各種智能感知傳感器，例如對粘?；蝈懠茨芊湃胂履Ｇ?，采用激光對射傳感器，對鍛件位置偏移采用圖像對比技術，對模具型腔的變化采用二維激光掃描技術，對鍛件和模具溫度實時檢測，對輥鍛機、壓力機重要成形設備的輸出能量和打擊力實時采樣記錄。

開發鍛造專家決策系統，傳感器通過總線系統將感知到的信息和數據上傳給綜合數據庫，經由推理機和解釋器分析出故障點，從知識庫中索取由鍛造工藝、設備及自動化專家所提供的故障解決方案。將所做決策經由現場總線發給執行機構，并將推理結果同時反饋給專家。

采用基于現場總線的控制系統，可以使生產過程實現自動化控制。但生產管理仍然是人工作業；局部優化了，全局不優，制約了生產效率和效益的進一步提升。另一方面，很多企業都在建設ERP系統，隨著企業信息化工作的不斷深入，我們發現ERP系統不能解決企業復雜生產管理問題，而且，沒有實時的生產過程信息，ERP系統如同空中樓閣，也不能很好運行，達不到企業資源優化的目標。上層信息化系統與下層自動化系統出現了一個很大的鴻溝。

MES系統是面向企業生產管理的新一代信息系統。它以提高生產效率，減低生產成本、縮短交貨期，改善客戶服務為目標，運用計算機網絡把各個自動化孤島連接起來，運用信息化手段管理和優化全局生產流程，實現從產品定單開始、直到產品交付的整個生產管理流程自動化。有了MES系統，企業可以實現生產全線自動化；有了MES系統，下層自動化系統與上層ERP系統就能實現無縫集成。MES系統是企業信息化系統不可缺少的組成部分，將為我國企業信息化水平提高，企業整體運行效率的提升發揮巨大作用。

結束語

精密成形國家工程研究中心目前由北京機電研究所鍛壓工程技術中心、先進制造技術與裝備研究中心兩個主要業務部門組成，已經成為集研發、制造、生產為一體的專業技術研究、開發和推廣機構，在熱模鍛成形技術、流動控制成形技術、回轉成形技術、等溫鍛造技術、閉塞鍛造技術、金屬擠壓技術、模具制造技術等領域取得的研究成果在全國推廣應用，效果良好。中心對鍛壓設備及自動化控制、鍛壓自動化成套技術等行業非標裝備設計制造等方面也進行了深入研究，開發的輥鍛機、楔橫軋機、離合器式螺旋壓力機、熱模鍛壓力機、冷擺輾機、鍛造自動生產線集成控制等產品，達到或接近國際先進水平，不僅在國內批量生產，還出口到了世界多個國家和地區，得到用戶的廣泛好評。