自動輥鍛機在汽車連接臂鍛造成形工藝中的應用

文/李偉，魏永彬·山東千里馬鍛壓自動化設備有限公司

自動輥鍛機在汽車連接臂鍛造成形工藝中的應用

文/李偉，魏永彬·山東千里馬鍛壓自動化設備有限公司

作為典型的高危、高溫行業，鍛造行業工人工作環境惡劣，而利用空氣錘自由鍛進行制坯，在實際生產中環境尤為惡劣。同時自由鍛制坯對鍛造工人技能要求較高，自由鍛制坯產品一致性較差，材料浪費嚴重，大大限制了材料利用率與工藝穩定性。隨著工業化進程的推進，人力資源成為制約鍛造行業發展的一個重要影響因素。

自動輥鍛制坯可以有效的降低工人勞動強度，嚴格保證毛坯的一致性，從而達到提高材料利用率與工藝穩定性的目的，同時降低了人力資源成本。我國從20世紀60年代開始研究輥鍛機與輥鍛工藝，但由于價格因素與工藝服務等問題的制約，自動化輥鍛制坯工藝在我國并未得到大規模推廣，中小型企業自動輥鍛制坯工藝應用較少。

結合實際情況，對比分析了市場現有輥鍛機的特點，我公司獨立設計、生產了符合當前行業需求的自動輥鍛機；并對汽車連桿、轉向臂、曲軸、前軸及五金工具等典型長軸類件的輥鍛制坯工藝進行了研究與開發。本文以汽車連接臂為研究對象，介紹了自動輥鍛機在汽車連接臂鍛造成形當中的應用，優化了原有鍛造成形工藝，材料利用率提高10%以上，提升了產品質量與工藝穩定性。

圖1 連接臂鍛件圖

工藝分析

圖1為連接臂鍛件圖，從圖中可以看出，該工件為典型兩桿三頭復雜直長軸鍛件，沿軸向方向截面變化劇烈，終鍛前坯料分配難度系數較大。其原有鍛造成形工藝為：空氣錘制坯——螺旋壓力機終鍛——沖床切邊校正。該工藝過程中，為實現對兩桿三頭坯料合理分配，對空氣錘操作工熟練程度要求較高，空氣錘制坯耗費20s時間，且存在5%的廢品率，工人技術程度、加工時間及廢品率成為制約該產品大批量生產的關鍵因素。圖2為連接臂自由鍛制坯圖，從圖中可以看出，經過空氣錘制坯，坯料基本符合兩桿三頭的結構要求，但坯料表面凹凸不平，中間桿部方形截面四角為尖角，增大了終鍛折疊裂紋風險；并且自由鍛制坯下料重量大，材料利用率僅70%，在浪費資源能源的同時，也加大了終鍛成形金屬變形程度，對終鍛模具壽命有一定的不良影響。

圖2 連接臂自由鍛制坯圖

圖3 千里馬ZGD270全自動輥鍛機

為批量生產該連接臂類鍛件，采用圖3中千里馬ZGD270全自動輥鍛機，該機配備了自動喂料機械手與成形機械手，該設備工藝參數如表1所示。

表1 千里馬ZGD全自動輥鍛機

工藝設計

通過對該鍛件進行分析，結合塑性成形理論，在保證工藝穩定性的前提下，盡可能提高材料利用率，首先設計出圖4所示的連接臂的輥鍛毛坯圖。

通過工藝分析與工藝計算，確定輥鍛道次及各道次孔型形狀，建立如圖5所示的四道次輥鍛模幾何模型。

輥鍛變形過程金屬流動復雜，各道次間不同孔型與各區段長度匹配困難，純理論計算通常難以得到完全符合要求的輥鍛毛坯，實際生產過程中往往需要經過調試才能得到完全符合要求的輥鍛毛坯。為減少調試次數，準確得到目標所需輥鍛毛坯，可以借助有限元數值模擬技術對輥鍛過程進行數值模擬，通過本人提出的“分段式”輥鍛模設計方法對其進行局部分段設計,通過有限元數值模擬驗證其充滿情況,再結合理論計算得出其縱向尺寸,最后整體對輥鍛過程進行數值模擬,逐步修正其縱向尺寸的匹配。輥鍛模型得到充分驗證后，進行CNC加工。通過該方法，可以將復雜的調試過程簡單化，在數值模型中對輥鍛模完成絕大部分修正，在實際生產調試中，僅有少量修正工作，這能大大節省調試時間，節約資源、能源。

圖4 連接臂的輥鍛毛坯圖

圖5 四道次輥鍛幾何模型

數值模擬與生產試驗

將修正后的輥鍛模數值模型導入有限元數值模擬軟件中，對輥鍛、終鍛成形過程進行數值模擬，可以充分預測金屬的流動，分析其成形過程中會出現的缺陷，該連接臂輥鍛毛坯及終鍛成形效果如圖6所示，從圖中可以看出，輥鍛毛坯材料分布與終鍛件材料分布一致，大小頭部及中間凸起材料均得到了合理分配，鍛件飛邊分布均勻，達到了預期效果。

將CNC加工后的模具裝到ZGD270輥鍛機上進行生產試驗，試驗結果如圖7所示，由圖可見，輥鍛件表面光滑，無折疊、毛刺及不規律凸起。終鍛試驗后，模具充滿情況良好，輥鍛、終鍛生產試驗如圖8所示，與數值模擬結果一致，充分驗證了有限元數值模型的準確性。

通過輥鍛制坯工藝，材料利用率達到了82%，同時輥鍛毛坯一致性非常好，大大降低了因毛坯不一致造成的報廢。

圖6 輥鍛、終鍛有限元模擬結果

該設備投入生產一年來，已生產該型號連接臂50萬件，節約材料高達100噸，同時減少了高薪的空氣錘工，所創造效益已遠遠超出該設備投資成本，取得了良好的經濟效果。該鍛件采用空氣錘制坯每班次僅1800支，采用全自動輥鍛機后，每班次高達4000支，充分發揮了鍛壓主機及鍛壓生產線的能力，大幅度提高了生產效率。

圖7 輥鍛、終鍛生產試驗

結語

ZGD270全自動輥鍛機在該長軸類鍛件輥鍛制坯中具有傳統工藝不可比擬的優勢：輥鍛毛坯均勻可控，一致性好，節能節材；工作效率高，生產節拍為6s/件，充分發揮鍛壓主機的工作潛能；實現了自動化，減少了人工干預，降低了對空氣錘工的依賴，節省大量人力物力。