軸類鍛件錐形臺程序鍛造

文／李建輝，馬丁·中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司

我國的自由鍛造生產線長期以來一直處于半機械、半人工的生產狀態，鍛造過程中的尺寸控制目前仍主要靠人工進行判斷操作，尤其是對于軸類鍛件錐形臺的生產。這種鍛造方式生產效率低下，依賴人工經驗難以保證錐形臺尺寸的穩定控制，無法符合標準要求，并且由于受人工操作影響，錐面斜度控制難度高，錐臺輥頸存在明顯錘坑，表面質量差，見圖1。因此本文通過分析討論軸類鍛件錐形臺程序鍛造在生產過程中的控制方法，來提高錐形臺錐度控制、表面質量及各部尺寸的控制水平。

圖1 人工控制鍛造的錐形臺表面質量差

程序鍛造工藝方案設計

為實現支承輥產品錐臺部位的程序鍛造，使錐面斜度達到工藝要求的同時降低生產時間，提高工作效率。我們首先根據現場實際生產情況，利用我公司的80MN 油壓機和125t 操作機，深度還原操作者手動操作壓機及操作機時的錐臺鍛造過程，總結出最優的鍛造參數并制定錐形臺程序鍛造方案。

獲得最優的鍛造參數

我們根據需鍛造的錐形臺斜度、長度要求，利用現有1000mm寬的上平砧邊部的過渡圓弧將錐臺部位劃分為多個等長的小臺階，通過壓下量的漸變控制和操作機特定的旋轉步角使直徑由大到小漸變。壓下量按照臺階個數及直徑落差計算，每完成一個小臺階的鍛造，根據每次行走步長動作的完成來判定壓下量的變化(操作機每行走一個小臺階長度，壓下量自動增加相應數值)。對于錐度不大于6°的錐形臺鍛造，我們采用一級壓力進行精整鍛造。

程序鍛造方案設計

根據以上方案編制PLC 程序和WinCC 程序，壓機和操作機在PLC 程序中設置2 種工作制(壓機優先和操作機優先)，每種工作制又分為2 種工作模式，半自動和聯動工作模式，半自動工作模式是指壓力機自動、操作機手動；聯動工作模式是指壓力機和操作機在自動工況下的聯動，即在上位機系統道次表中根據工藝要求輸入鍛件的相關數據，壓機活動橫梁的動作控制，操作機的行走、旋轉、提升動作值。為保證錐形臺鍛造過程中每錘壓下量的精確控制，并提高壓機動作頻次保證生產效率，我們優先選擇壓力機優先的工作制和聯動工作模式。

聯動工作模式中分單道次和多道次操作，單道次執行時壓力機和操作機根據輸入的數據完成壓下、回程，操作機的行走、旋轉和提升等動作，由于錐形臺的鍛造過程較為復雜，單道次難以完成錐形臺的整體鍛造，因此采用多道次操作。

多道次操作即為多個單道次的組合，我們根據錐形臺工藝要求長度平均劃分若干個小臺階。每個臺階對應一道次數據，每道次結束前，壓力機和操作機需要對鍛件重新定位，鍛件需要進給及旋轉。此時壓力機根據當前道次的輸入值提升到附加回程位，操作機旋轉、行走和提升到目標位，等待下一道次開始信號，當下一道次的命令值為1 時，執行下一道的操作。

在錐形臺程序鍛造的WinCC 程序中，增加人工輸入錐臺斜度值，該值與PLC 采用以太網通訊，在PLC 道次程序中編制每道次壓下量及回程量計算公式。利用操作機行走信號觸發壓下量和回程量：當操作機沒有行走動作時，壓力機的壓下量和回程量根據道次數據表中的要求進行操作；當操作機有行走動作時，壓機的壓下量和回程量根據錐臺斜度值在PLC 程序中自動增加相應數值，并且將增加后的值自動傳輸至道次數據表中，保證多個小臺階的連續鍛造，從而實現錐形臺整體的程序鍛造。

錐形臺程序鍛造測試過程

為保證錐形臺程序鍛造效果，測試共分為兩個階段。

第一階段：程序空試模擬動作驗證

空試程序設計為使用1 級壓力進行鍛造，模擬鍛造錐形臺長度為1045mm，大頭直徑φ1025mm，小頭直徑φ885mm，錐度為3.84°。程序運行過程正常，但用時約11 分30 秒，用時較長，分析認為由于程序設置的錘頭提升高度不變，沒有隨著壓下量變化而變化，導致鍛造后期錘頭空走行程較大，造成單次壓下時間變長(鍛造開始時，單次鍛造時間為3s，鍛造至10 分50 秒即最后一周時，單次鍛造時間為7s)，另外多道次的執行，在道次轉換期間，空走動作較多，浪費時間。

針對上述問題，及時進行了程序修改，增加了錐臺控制按鈕，通過添加固定的錐臺增量，在操作機每次后退行走完成后，錘頭下降4mm，從而保證鍛造的連續性，取消道次間的空走，提高鍛造效率。

再次安排空試，模擬鍛造尺寸同上次試驗，程序運行過程正常。鍛造過中程錘頭高度隨著臺階遞減，有效節省了空壓行程，單次鍛造時間平均為3.5 秒，共計用時8 分15 秒，效率提升明顯。

第二階段：產品熱試階段

⑴第一支產品情況。

安排對第一支產品字端錐形臺進行程序鍛造，非字端進行人工控制鍛造，兩端錐形臺尺寸一致，長度為1065mm，大頭直徑φ1005mm，小頭直徑φ845mm，錐度4.31°，使用1 級壓力進行鍛造，每次旋轉角度為45°，行走步長為60mm，鍛造9分45 秒完成，過程正常。鍛后熱處理冷卻后經確認非字端錐形臺各部尺寸，大徑φ1010mm，小徑φ848mm，總長1070mm，錐度為4.34°，計算毛重為6210kg，工藝毛重6050kg，超重率2.64%，超重率較低且表面質量控制良好，見圖2，明顯優于人工控制的非字端錐臺(錐度3.95°，計算毛重6560kg，超重率8.43%)。

圖2 第一支錐形臺程序鍛造表面質量

⑵后續跟蹤46 支產品情況。

后續又繼續跟蹤記錄了46 支產品，主要是驗證程序穩定性和持續推行錐形臺程序鍛造功能的全面使用。結果顯示程序運行穩定，生產效率滿足生產要求，經此階段抽查檢測28 支交檢產品的錐臺部位錐度，錐度均控制在工藝標準要求的±0.1°范圍內，有效降低了此部位的超重率。表1 為同一尺寸產品錐形臺部位自使用程序鍛造以來，較前期人工控制時超重率水平的對比情況。由表1 可以看出，此類產品的錐形臺部位的超重率由手動操作控制的7.81%降低至由程序鍛造控制的2.53%，顯著提高了支承輥產品的凈毛比水平。

表1 錐形臺部位前后超重率情況對比

結束語

本文以實現軸類鍛件錐形臺程序鍛造為目的，通過跟蹤人工操作時軸類鍛件錐形臺的鍛造過程，總結獲得最優的鍛造參數，形成程序鍛造中的變量參數，編制PLC 程序和WinCC程序，固化形成了軸類鍛件錐形臺程序鍛造工藝及其在生產制造過程中的控制方法。所鍛造的錐形臺錐度控制、表面質量、各部尺寸均符合標準要求，有效降低了毛坯余量，超重率明顯降低，節省了原材料成本。