文／黨軍·寶雞法士特齒輪有限責(zé)任公司

鍛造自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)因素的探討

文／黨軍·寶雞法士特齒輪有限責(zé)任公司

目前鍛造企業(yè)面臨著行業(yè)競(jìng)爭激烈、產(chǎn)能過剩、勞動(dòng)力成本不斷上升、一線操作人員嚴(yán)重匱乏等諸多問題。伴隨著工業(yè)4.0的到來，工業(yè)正從以機(jī)器為特征的傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)代，向著以自動(dòng)化、信息化、智能化為特征的技術(shù)時(shí)代邁進(jìn)。

鍛壓技術(shù)有向以下幾個(gè)方面發(fā)展的趨勢(shì)：⑴鍛壓設(shè)備自動(dòng)化；⑵高速化、復(fù)合化相結(jié)合，提高加工效率；⑶充分運(yùn)用IT技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、制造。自動(dòng)化設(shè)備機(jī)器人、步進(jìn)梁和單梁自動(dòng)化廣泛應(yīng)用于鍛造生產(chǎn)不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還可以提高實(shí)用性、靈活性、產(chǎn)品質(zhì)量和流程穩(wěn)定性，同時(shí)減輕操作人負(fù)擔(dān)，降低產(chǎn)品成本。提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低人力成本。整條鍛造生產(chǎn)線的設(shè)備順序動(dòng)作，安全可靠，且節(jié)拍可調(diào)。

采用PC控制連線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從振動(dòng)上料、感應(yīng)加熱、料溫分選到鍛造自動(dòng)化。

鍛造坯料的準(zhǔn)備

下料精度是熱模鍛壓力機(jī)閉式鍛造成功的前提，如果下料精度無法保證，將直接影響鍛件的精度，如果有嚴(yán)重超上差的坯料混入，很可能造成設(shè)備悶車或者模具損壞。閉式鍛造工藝需嚴(yán)格控制下料重量及端面質(zhì)量兩個(gè)指標(biāo)：一般重量公差需控制在±0.5%，同時(shí)需要核算下料公差引起鍛件高度值變化不得大于鍛件高度公差的25%，否則需壓縮重量公差。坯料的端面傾角需盡可能減小，一般需控制在2°之內(nèi)，對(duì)于批量生產(chǎn)，一般采用精密剪切或高精度鋸切機(jī)。這些機(jī)床均配備自動(dòng)稱重系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)反饋調(diào)整機(jī)床的下料長度。另外，還有一些自動(dòng)分裝裝置可選用，可以將合適批量分選為上、中、下三種，根據(jù)模具的磨損情況分別使用。

坯料加熱系統(tǒng)

坯料重量、溫度100%控制，這是坯料加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵，感應(yīng)加熱爐爐口設(shè)有自動(dòng)稱重系統(tǒng)，分選合格料和不合格料，確保進(jìn)入加熱爐內(nèi)的料都為符合工藝要求的合格料，感應(yīng)加熱料出口處安裝有引料裝置和料溫自動(dòng)分選系統(tǒng)。料溫自動(dòng)分選系統(tǒng)由紅外測(cè)溫儀、料溫分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)和出料滑道組成。出料滑道分為三路：正常料道、過燒料道和欠溫料道。

根據(jù)鍛件材料的不同，可確定相應(yīng)的始鍛溫度范圍，并將溫度上、下臨界值輸入到控制系統(tǒng)內(nèi)。若紅外測(cè)溫儀測(cè)出的料溫高于上臨界值過燒，料溫分選執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)過燒料道使毛坯進(jìn)入廢料箱。若料溫低于下臨界值，則毛坯欠溫，執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)欠溫料道使毛坯進(jìn)入回收箱?；厥障鋬?nèi)的毛坯可再次加熱使用。只有料溫介于上、下臨界值之間的毛坯，才能通過正常料道輸送到后續(xù)工位。整個(gè)料溫分選過程是自動(dòng)完成的，嚴(yán)格的料溫控制措施為確保鍛造質(zhì)量提供了可靠的保障。圖1所示為坯料分選裝置及設(shè)置界面。

圖1 坯料分選裝置及設(shè)置界面

模具的潤滑

為了更好的脫模和提高模具壽命，目前采用白色水溶性脫模劑為鍛造潤滑劑，配比比例為1∶9，這種潤滑劑有很好的脫模和冷卻效果，并且采用專用的潤滑冷卻設(shè)備，該設(shè)備可以保證潤滑液噴涂的均勻性和有效性。有效地避免了粘模情況的發(fā)生，降低了模具的損耗，有效提高了模具壽命。

因?yàn)殄懺熳詣?dòng)生產(chǎn)線快節(jié)奏的生產(chǎn)，模具溫升比較快。生產(chǎn)中必須靠足夠的水量冷卻模具，這樣就容易產(chǎn)生鍛件成形時(shí)憋氣和模具內(nèi)積水，兩種情況都容易造成鍛件充不滿甚至損壞模具，所以模具冷卻潤滑在達(dá)到控制模具溫度要求的同時(shí)，排水水路也一定要通暢，特別防止氧化皮的堵塞等問題。圖2所示為帶有排水槽和排氣孔的模具。

圖2 帶有排水槽和排氣孔的模具

模具設(shè)計(jì)思路

鍛造工藝的設(shè)計(jì)，首先從鍛造圖出發(fā)，想象幾種可能的鍛造變形工序。對(duì)各變形工序的材料流動(dòng)以及所需噸位進(jìn)行分析后，通過模具設(shè)計(jì)、制模、試模、修模等過程最后應(yīng)用于生產(chǎn)。盡管鍛件的形狀千姿百態(tài)，但通過總結(jié)也不難發(fā)現(xiàn)最后的形狀是由一些規(guī)則的變形樣式組合得到的。這些變形樣式可歸類為端面矯正（對(duì)于剪床下料）正擠壓、反擠壓、鐓粗、閉式鍛造、穿孔、各種精整加工以及上述簡單加工方法的組合。

分體模具設(shè)計(jì)

模具在加強(qiáng)熱處理和模具材料提升的前提下，在工藝設(shè)計(jì)方面相應(yīng)改進(jìn)，將容易磨損的部分、圓角要求較小導(dǎo)致殘余應(yīng)力大的模具部分做成小法蘭結(jié)構(gòu)可直接替換，不需要重做整個(gè)模具鑲塊，這樣就大大減少了模具費(fèi)用方面的損失。為保證鑲塊的穩(wěn)定性，沖頭和鑲塊采用過盈配合，并且沖頭和內(nèi)孔采用數(shù)控模具加工，在最大程度上增加模具精度，避免配合偏差。圖3所示為分體式模具設(shè)計(jì)。

式中,p(f*|y,X,X*,θ)是兩個(gè)高斯分布乘積的積分,因此,p(f*|y,X,X*,θ)也服從高斯分布:

圖3 分體式模具設(shè)計(jì)

鐓粗模設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的問題

⑴氧化皮清理問題。

氧化皮粘入鍛件，不僅使模具壽命降低，也使鍛件表面質(zhì)量降低，對(duì)于有些表面要求很高的鍛件，如果機(jī)床安裝空間允許，可在常規(guī)的鐓粗前增加“預(yù)鐓粗工序”，只需將坯料鐓粗15%～25%，就可有效去除氧化皮，然后進(jìn)行鐓粗。

⑵鍛件定位問題。

如果無法定位，將使坯料與模具無法保證同軸，鍛件一邊將無法充滿，另一側(cè)將出飛刺。模具設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮坯料的本身定位，還要考慮鐓粗后進(jìn)入下工序模具的定位，對(duì)于帶輪轂的齒輪鍛件，可考慮采用齒輪底部臺(tái)階作為定位基準(zhǔn)，對(duì)于法蘭類零件，采用成形鐓粗時(shí)以法蘭臺(tái)階作為基準(zhǔn)。

預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模設(shè)計(jì)是閉式鍛造的關(guān)鍵，必須考慮坯料的合理分配。預(yù)鍛模坯料形狀需要深思熟慮，保證在終鍛時(shí)，最好以鐓粗成形為主，忌諱終鍛時(shí)金屬的劇烈流動(dòng)。對(duì)于一些難以充填的尖角，通過預(yù)鍛形狀的優(yōu)化，減小終鍛的變形，最理想的截面形狀應(yīng)該是：①放入終鍛模腔時(shí)定位可靠；②保證在終鍛時(shí)，分模線部位盡可能最后充滿；③具有補(bǔ)償“因溫度不均勻”或“前工序放料偏”而造成的坯料偏斜功能，這樣就要求預(yù)鍛采用閉式型腔，而預(yù)鍛工步不能完全充滿。

圖4 預(yù)鍛模膛的設(shè)計(jì)

終鍛模的設(shè)計(jì)

⑴為了保證鍛件的同軸度，模架必須有導(dǎo)柱導(dǎo)套，模具的上下模設(shè)計(jì)為自導(dǎo)向的圓形鎖扣結(jié)構(gòu)。

⑵采用組合式分體結(jié)構(gòu)。比如沖頭與凸模設(shè)計(jì)為分體，下模采用預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可節(jié)省材料，提高壽命、快速更換。

⑶與預(yù)鍛一樣，下模設(shè)計(jì)頂出，上模不設(shè)計(jì)頂出。為了保證終鍛時(shí)不粘上模，除了對(duì)上下模拔模角進(jìn)行必要的調(diào)整外，有些復(fù)雜的深型腔模具，可在上模的凹模上，采用特殊的“碟簧微動(dòng)機(jī)構(gòu)”，依靠碟簧的微動(dòng)（1～2mm）頂出，保證不粘上模；頂出力及頂出的碟簧組數(shù)可根據(jù)鍛件情況靈活調(diào)整。

⑷鍛造工藝有限元分析。鍛造工藝數(shù)值模擬技術(shù)是一種較為先進(jìn)的成形工藝分析與優(yōu)化技術(shù)，能使工藝設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)可靠性和準(zhǔn)確性。使用Pro/ E5.0進(jìn)行了鍛件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v10.1進(jìn)行工藝的數(shù)值模擬，確保投入試制之前工藝方案的可靠性，使成形工藝參數(shù)趨于最優(yōu)化。

圖5 預(yù)終鍛模具成形模擬

圖6 所示為深型腔法蘭件產(chǎn)品的模擬過程，通過模擬，我們找出一種模具最佳的模具設(shè)計(jì)方案。

圖6 法蘭盤模擬過程

圖7 步進(jìn)梁卡爪結(jié)構(gòu)圖

鍛件的傳輸需要考慮的模具設(shè)計(jì)

目前自動(dòng)化使用最多的就是機(jī)械手和步進(jìn)梁傳輸，無論怎樣傳輸，都要保證鍛件定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，特別是步進(jìn)梁的卡抓，最好保持一側(cè)的卡爪是固定的，另一側(cè)卡爪安裝彈簧可以活動(dòng)，這樣既可以保證鍛件不被卡傷，同時(shí)對(duì)設(shè)備也是一種保護(hù)。

步進(jìn)梁傳輸方式的主要故障是鍛件傳輸?shù)牟环€(wěn)定，容易出現(xiàn)掉料和鍛件偏斜的問題，坯料偏斜導(dǎo)致卡爪左右受力不均，或者接觸點(diǎn)不穩(wěn)便會(huì)導(dǎo)致卡爪報(bào)警停機(jī)或者放置位置不能放到理想的位置。卡爪受力不均報(bào)警的問題可通過控制坯料端面斜度來解決；放不到理想位置的問題可通過增加糾料工序或者增加坯料定位槽來實(shí)現(xiàn)坯料的精準(zhǔn)定位。

結(jié)束語

未來鍛壓工藝將向提高鍛壓件的內(nèi)在質(zhì)量、發(fā)展精密鍛造和研制生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度更高的鍛壓設(shè)備和鍛壓生產(chǎn)線、發(fā)展柔性鍛壓成形系統(tǒng)、發(fā)展新型鍛壓材料和鍛壓加工方法等方面發(fā)展。以上我們提到的工藝方案和改進(jìn)只是我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)遇到的一些問題的簡述，不能做到非常全面和最好，在此僅為同行提供借鑒。經(jīng)過我們十來年的鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線的使用得出經(jīng)驗(yàn)：如果設(shè)計(jì)合理，便可發(fā)揮它強(qiáng)大的生產(chǎn)力。如果配合優(yōu)化的鍛壓工藝設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線便可以發(fā)揮它高產(chǎn)、低耗的特性生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的鍛件，是提高材料利用率、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低能源消耗的最重要的措施和方向。