異形件多工位一次成型技術的研究及應用

唐志文

摘 要：本文針對異型件采用沖床分序擠壓工藝存在：工序復雜、工裝模具多、制造周期長、效率低、成本高、質量不穩定等問題，開發了多工位冷成型機及相關設備，使沖床分序擠壓縮減為冷鐓一道工序，達到提升效率、優化工藝流程、縮短制造周期、提高勞動生產率、降低勞動強度、降低制造成本、提高產品質量。

關鍵詞：異型件；多工位；一次成型；新工藝；新裝備

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0103-07

Abstract： This article in view of special-shaped parts adopt punch step by step extrusion process is complex working procedure、a large number of tooling、long manufacturing cycle、low efficiency、high cost、unstable quality， Multi station cold forming machine and related equipment was developed， Punch step by step extrusion process reduced to cold heading a process， So as to improve production efficiency、optimize process flow、shorten manufacturing cycle、improve labor productivity、reduce labor intensity of workers、reduce manufacturing cost、improve product quality.

Key Words： special-shaped parts；multi station；one time forming；new techniques；new equipment

1 引言

車輪內螺母系列為東風商用車公司重載主力車型：東風大力神、天龍、天錦專用零件，是連接汽車車輪輪轂和輪輻關鍵零件。

汽車車輪內螺母俗稱杯帽，因規格大、成型復雜，精度高，建廠四十多年來一直采用沖床分序擠壓工藝，僅冷成型就達9道工序。由于市場競爭愈加激烈，用戶對產品質量、交貨期、價格的要求越來越高，原產品存在工序多、工裝模具多、制造周期長、勞動生產率低、成本高、質量不穩定等問題，已不能滿足市場要求，成為公司效率、效益的瓶頸。為此，公司根據現有產品加工方式及市場需求，為了效率提升而下達了本課題。

因投入大，技術要求高，目前，該產品在同行業絕大多數還是采用沖床分序擠壓或烘打后再切削加工。

為搶占市場先機，提高行業競爭力，有必要開發出新工藝、新裝備，提升緊固件研發制造水平。

2 原分序擠壓狀況

杯帽產品圖見圖1。其原材料用ML20Cr，￠27.5，采用6米長左右棒材，冷成型前，材料需經退火、磷化、冷拔處理。

2.1 分序擠壓工藝

該產品所有工藝流程為：剪料→整形→清洗→退火→磷化→預成形→擠孔→縮徑→滾光→車切頸部及外圓→攻螺紋→清洗→吹內螺紋鐵屑→滾螺紋→熱處理→電鍍，共16道工序。

其中，前9道工序達到鐓擠成型目的，見圖2，因該工件結構復雜，鐓鍛力大，現有設備只能采用沖床分序擠壓落后工藝，相應配置設備如下：

1、剪料——閉式單點壓力機JA31-160A

2、整形——金屬擠壓機J87-250

3、清洗——螺旋清洗機52225

4、退火——井式滲碳爐JT-105

5、磷化——磷化自動線

6、預成形——金屬擠壓機J87-400

7、擠孔——金屬擠壓機J87-250

8、縮徑——閉式單點壓力機J31-100

9、滾光——滾光機8720

2.2 存在的問題

從分序擠壓工藝流程及裝備配置來看，存在問題如下：

1）OEE值僅45%左右，效率低；

2）擠壓機多數產于70年代，精度差，生產的零件孔偏心，質量不穩定；

3）設備老化結構落后，故障率高，維護成本高；

4）作業人員全手工操作，勞動強度大；

5）沖床作業存在安全風險，極易發生人員傷害；

6）工序多，設備運行、模具、工裝、物流、人工等綜合成本高。

2.3 解決措施

針對以上存在的問題，我們究其原因主要是工序多，設備老化，自動化程度低造成，因此，我們淘汰原分序加工老式工藝裝備，開發了大規格多工位冷成型機及相關輔助設施，使分序加工縮減為一道工序，從而提升效率，降低成本，提高產品質量。

3 一次鐓擠成型工藝

多工位冷成型機是一種可以完成少無切削的冷鐓、冷擠工作，將盤圓線材按設計要求通過模具加工成一定形狀零件的高效率自動化鍛壓設備。有3～8工位，用于生產螺帽類零件、螺栓類零件、套筒、非標異型件，具有精度高、效率高、高穩定性、高可靠性，材料利用率高等特性，可加工形狀復雜而其它方法又難以完成的零件，直接使用盤圓線材，單機設備上多工位一次成型。特別是近幾年來，隨著大噸位多工位冷成型機（螺帽M27以上）的投入使用，使原有分序加工簡化成一次鐓擠成型成為可能。

目前，我公司分序擠壓或工序外委的產品主要有杯帽、法蘭面螺母K2000、緊固前制動鼓和輪轂螺母，下面以杯帽為例介紹其加工工藝。

該設備采用冷鐓方式將盤圓線材多工位自動鐓制一次成型所需的尺寸，即將原來分序擠壓前9道工序縮減為冷鐓一道工序。

盤圓線材首先由設備主機送料前端配置的盤料臥式開卷機自動開卷、校直，校直后送入主機送料部位，經過輥輪傳動進料，到位后，剪切機構的切料刀桿將剪斷的料段送到第一工位，依次整平、整形、預成形、成形、擠孔、終成形六個工位一機完成。見圖3，每個工位的工件由機床張閉式夾鉗自動傳送。

4 一次鐓擠成型系列新裝備

開發了多工位冷成型機、自動狀態監控系統、盤料臥式開卷機、手持式盤圓線材料頭校直機、盤圓線材料頭自動倒角機等新裝備，提高裝備水平滿足新工藝要求，提升效率；另外，還改造了油煙凈化裝置，使所有的冷成型機油煙集中回收處理，達標排放。現做重點介紹。

4.1 多工位冷成型機

4.1.1 多工位冷成型機概要

開發了多工位冷成型機，完成盤圓線材到毛坯一次鐓擠成型。該設備屬非標設備，用于非標異型冷鐓零件的生產，如螺帽類零件最大可鐓制標準M27螺帽，即對邊尺寸41mm，它采用大料小變形的冷成形工藝，因而質量較好，配備自動安全檢出裝置，可自動檢測出夾鉗轉送、陽、陰模頂出、潤滑、機床過載、油量控制、氣壓系統、短料等機器主要機構工作狀態及故障顯示，主電機配置進口變頻器，PLC控制系統，可實現機器生產速度的無級調速，配陽模頂出機構，可滿足特殊零件的生產需求，該機有一個切斷工位和六個成形工位，從線材到制件毛坯全部自動化連續一次成型。

4.1.2 設備主要技術參數

1）工位數：6個（不包括切料工位）；

2）最大切料直徑：φ41mm；

3）最大切料長度：90mm；

4）最大陽模頂出長度：50mm；

5）最大凹模頂出長度：80mm；

6）設備總鍛造噸位：7800KN；

7）最高生產率：55pcs/min；

4.1.3 設備結構及工作原理

該設備由床身、主傳動、滑塊、制動器、送料機構、切斷機構、夾鉗機構、凸模頂出機構、凹模頂出機構、潤滑系統、冷卻系統、氣動系統、電氣控制系統等組成。見圖4。

本機工作原理：本機器由電動機通過二級皮帶傳動帶動曲軸工作，曲軸回轉驅動主滑塊作往復運動完成鐓鍛工作，曲軸一端偏心盤驅動大拉桿帶動切斷凸輪板往復運動，完成切料、夾鉗傳動工作，曲軸飛輪一端偏心盤驅動大拉桿帶動頂出擺架擺動，完成凹模頂出工作，伺服馬達驅動帶動減速機齒輪單獨完成送料。

4.1.3.1 凸模頂出機構

該機在滑塊部位還增加了凸模頂出機構，見圖4中①，以滿足特殊零件的生產，凸模頂出機構包括連桿、小拉桿、凸輪、擺叉、頂出桿等。

頂出連桿固定在主滑塊大連桿上，它隨著主滑塊大連桿的運動而擺動，從而驅動小拉桿、凸輪、擺叉擺動，推動頂出桿頂出凸模中的零件。

4.1.3.2 夾鉗機構

其夾鉗機構負責坯料轉送工作，見圖4中②，它由移動凸輪、連桿、鉗架、鉗體、扇形齒輪、定齒輪等組成。

鉗架由兩個鉸鏈聯接，切斷機構與夾鉗機構動力都來自切斷凸輪板的往復運動，它推動連桿、鉗架前后擺動，鉗架上有6把夾鉗，每把鉗體頂端分別裝有扇形齒輪，與它嚙合的定齒輪固定在床身支座上，鉗架擺動時，6把夾鉗做180度翻轉運動；當不安裝扇形齒輪時，該鉗體就不翻轉，夾鉗做圓弧平移運動。

遇特殊工件，需夾鉗張開時，在夾鉗對應滑塊的位置上裝有開鉗器，開鉗器設置錐度，鉗體處設置斜面，通過撞擊方式使夾鉗張開，彈簧自動復位。實現了每把夾鉗獨立調整功能。

4.1.3.3 送料機構

該機器采用獨特的伺服電機驅動送料機構，相比傳統的滾柱式超越離合器、楔塊式超越離合器、棘輪棘爪式離合器它有著操作方便、快捷、精準等優勢。

送料機構由伺服電機、減速器、齒輪、送料輪等組成，見圖5。

送料輪由兩個平行的上送料輪1和下送料輪3組成。下送料輪固定，上送料輪、主軸整體裝在四方滑座上，可以上下活動，通過螺絲調節它與下送料輪之間的距離，兩個下送料輪軸上的齒輪4都與過橋齒輪5嚙合，工作時伺服電機帶動減速器齒輪6旋轉，從而帶動齒輪5、4、2轉動，驅動兩個送料輪轉動，送料輪的圓弧凹槽靠摩擦力將線材送入切料模孔內。伺服電機由設備PLC控制，其信號由固定在設備上的傳感器發出，調整送料長短時，只需調整操作面板上的參數值即可。

4.1.3.4 潤滑系統

本機主要是集中壓力潤滑。該潤滑系統在底座上有單獨油箱和電動齒輪泵，用來潤滑軸承和各機構主要滑動部分，在油箱中有油面指示器，當油面過低時設備斷電停機，此時應向油箱中補充加油。

尤其是曲軸滑塊部位還增加了潤滑溫控報警裝置，起安全保護作用，該裝置包括溫度傳感器及溫控表，見圖6。

在曲軸連桿銅套、銅瓦的4個點加裝了溫度傳感器及溫控表，定時顯示4個點的溫度，當某處潤滑異常時，溫度升高，一旦超過儀表設定上限值（50℃），機床報警停機，及時處理，排除故障，以防設備事故的發生。

4.1.4 設備的特點

多工位冷成型機替代沖床分序擠壓使用后，其優點表現在：

1）盤圓線材相比棒料，材料利用率提高15%；

2）實現自動化，大大降低工人勞動強度；

3）設備安全防護裝置齊全，減輕了噪音及人身意外傷害；

4）縮短生產工序，減少了設備投入、中間工序物流運輸及人工成本；

5）設備配置工作狀態及故障顯示，避免不良品的發生；

6）分序擠壓采用石墨拌機油潤滑易堵塞油路，而多工位冷成型機采用稀油潤滑、冷卻，不會堵塞油路；

7）OEE達63%，相比原來提高18%。

4.2 自動狀態監控系統

開發了冷成型機在線監控設備，選用德國Brankamp eco 600-6自動狀態監控系統，它可以保護設備模具，提高生產效率，減少廢品，節約設備維修費用和操作人員培訓時間，提高產品質量，保證產品100%合格率，同時具有好壞產品不停機分選功能和在線監控可視化效果。

它由6支傳感器、1塊監控儀表組成。傳感器分別安裝在冷成型機6個工位的陽模墊板上，實時采集每個工位的鐓鍛力數據即受力曲線，進行分析、檢測、控制，見圖7。

監控系統主要功能：

1）保護機器：鐓鍛力的檢測用于設備過載保護和任何微小誤差發現功能，在造成設備損害前監測系統會立即發現；

2）保護模具：模具的變形（沖頭磨損、殘缺、開裂）或安裝不到位等，避免模具受損，延長使用壽命；

3）確保產品質量：100%在線全過程監測，出現不合格產品會分選，出現短料會自動停機；

4）提高生產效率：減少停機時間，提高生產效率；

5）降低維修成本：通過監測設備可監控設備和模具破損；

6）節約人力成本：全自動控制，操作簡單易學；

7）輔助調機：操作人員可以根據Brankamp存儲信息輔助調機；

8）控制原材料質量：不合格原材料可以通過設備力的變化鑒定；

9）提高企業管理水平：Brankamp Factory M 管理軟件和強大的生產數據存儲和分析功能；

10）可以對工廠設備運行和生產數據進行統一管理并可提供日月季度報表；

4.3 盤料臥式開卷機

盤料臥式開卷機用于盤圓線材的自動開卷、校直，它主要由床身、主傳動、料筒、壓料輪、校直輪組成。圖8是盤料臥式開卷機工作原理示意圖，大盤料通常由鋼帶扎緊，自重約2噸，直徑1300mm，操作工首先將材料吊到開卷機的料筒上，用斷線鉗剪斷鋼帶，用手持式盤圓線材料頭校直機將料頭校直，再塞入壓料輪，上壓料輪氣缸通氣下移將材料壓緊，啟動按鈕，主傳動減速機通過鏈輪傳動驅動上壓料輪逆時針旋轉將材料送入校直輪校直，最后送進設備主機的送料機構。

4.4 手持式盤圓線材料頭校直機

手持式盤圓線材料頭校直機用于盤料料頭部分的自動校直。盤料臥式開卷機中壓料輪與校直輪之間有一定的間距，彎曲的盤圓線材料頭需扳直大于此間距長度后才能送入開卷機。對于材料直徑小于25mm，用套管套住料頭人工扳直容易實現；但對于材料直徑較大，如￠25～40mm，人工扳直效率低，勞動強度大。

外采手提式液壓校直機雖可滿足要求，但它存在體積大，價格高，受溫度變化影響大，易泄漏，功率大，能耗高等問題。為此開發了一種新型手持式盤圓線材料頭校直機設備，采用氣液增壓原理，達到“出力大，速度快，精度高，壽命長，價格低，無泄漏，節能源”等優點。

該設備以純氣壓作為動力源，利用增壓器大小活塞截面積之比及帕斯卡能源守衡原理，將低氣壓提高數十倍供應油壓缸，油壓缸伸出時的推力迫使圓鋼彎曲校直。與傳統的純液壓彎曲校直方式相比，更節能、更環保、更經濟。

該設備已申報實用新型專利并被國家專利局授權，專利號：ZL201420105986.4。

4.5 盤圓線材料頭自動倒角機

盤圓線材料頭自動倒角機用于盤料料頭部分的自動倒角。盤圓線材開卷校直后，料頭端面不夠平整，還不能直接送入設備主機，因而在開卷臥式料架前端還設有砂輪切割機切除料頭，以達到端面平整的目的，砂輪切割后的斷面會產生毛邊或毛刺，不便于材料輸送到設備主機割料模孔內，傳統做法是手工修銼的方式去除毛刺，對于直徑在￠25～40mm大規格材料來說，采用人工方式既費時又費力。因而，開發了自動倒角機。

該倒角機采用氣缸驅動，刀片旋轉車削的方式，對盤圓線材料頭外圓實現自動倒角，改變了傳統人工用銼刀修銼的方式，從而降低工人勞動強度，提高生產效率。

該設備已申報實用新型專利并被國家專利局授權，專利號：ZL201620787483.9。

4.6 油煙凈化裝置

設備原有油煙處理效果：冷成型機產生的油煙很大，由于通風系統設計缺陷，油煙收集裝置采用濾袋式結構不合理、易堵塞，濾袋更換頻繁，維護成本高，通風效果差，導致煙氣超標排放，員工勞動條件差。

開發了新型油煙凈化器，選用旋風式油煙處理系統，它采用多管油霧旋風分離器收集油霧，旋風分離器上部為油霧凝聚器，填充有促進油霧凝聚的填料，當油霧進入之后會凝聚成較大的油滴，旋風塔內安裝有多只子旋風，油霧自上部凝聚后均勻進入子旋風內，油霧在子旋風內高速旋轉，將油霧顆粒拋至旋風壁凝聚，從而將油霧去除。回收的油可循環使用，有效解決了油煙的收集處理問題，見圖9，達到以下效果：

a、作業環境油煙符合GBZ2-2002《工作場所有害因素職業接觸限值》標準。

b、油煙凈化后排放標準：符合GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》，排放氣體中顆粒物最高允許排放速率為一級2.1kg/h，且最高允許排放濃度應≤20mg/m3。

5 效果與經濟效益

該項目實施一年來，我們從技術性、經濟性進行了分析，效果明顯，可以從以下幾方面說明：

5.1 國內外同類技術比較

從表中1看出，本項目研究成果與國外同類技術相當，且某些輔助工具或后序工藝更優，達到了國際先進水平。

5.2 直接經濟效益

自2016年該項目實施以來，經統計，杯帽縮減工序后及收回的外委零件，年降成本達345.96萬元，經濟效益明顯。

5.3 間接效益

1、效率提升

本項目由分序加工縮減為一道工序，現代自動化裝備替代原有老式裝備，OEE提升18%，勞動生產率提高，產能增加，也為開拓外部市場創造了有利條件。

2、節能

縮減工序后，淘汰十多臺效率低、能耗高的設備，維持運轉的能源消耗明顯降低。

3、環保

一方面冷成型機產生的煙霧通過新型油煙凈化器的集中處理達標排放，解決了對作業人員的傷害，大大改善了作業環境；另一方面，淘汰沖床分序擠壓設備后，噪音由95分貝降到85分貝以下，夜間噪音擾民現象得到遏制，環保價值巨大。

4、安全本質化

本項目實現了各工序自動化，避免了沖床手工操作，有利于操作人員的安全，降低了人員的勞動強度。

5、物流優化

重新規劃螺帽車間設備平面布置，優化各工序流轉線路，努力做到物流成本最低。

6、品質提升

本項目精簡工序且用自動化裝備替代了手工加工方式，消除了人為因素可能造成的風險，進而提高產品質量。

6 結束語

通過開發大規格多工位冷成型機，淘汰原分序加工設備，使分序加工縮減為一道工序，從而提升效率，降低成本，提高產品質量。隨著市場競爭日益激烈，客戶的要求越來越高，大規格高強度螺母和異型件等精密鍛件的應用也將越來越多，其推廣應用前景廣闊。對于提升我公司異型件研發能力和制造水平，擴大市場占有率也具有重要意義。

參考文獻：

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