文／金魏，仲太生·揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司

HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)全自動(dòng)鍛造的成套裝備與技術(shù)

文／金魏，仲太生·揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司

在“十二五”汽車工業(yè)發(fā)展規(guī)劃意見(jiàn)中，對(duì)汽車行業(yè)提出了提高自主創(chuàng)新能力，掌握關(guān)鍵零部件核心技術(shù)，提高節(jié)能、環(huán)保和安全技術(shù)水平等要求；同時(shí)，“機(jī)械基礎(chǔ)零部件”之一的轎車三代輪轂軸承，也是我國(guó)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)業(yè)振興及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要發(fā)展方向。

作為汽車關(guān)鍵零部件的轎車用第三代輪轂軸承單元，輪轂軸承本體、輪轂法蘭、高強(qiáng)度螺栓等采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸承單元功能和ABS防抱死系統(tǒng)高度集成，具有預(yù)調(diào)游隙、終身潤(rùn)滑、密封可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、拆裝方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為轎車輪轂軸承的更新?lián)Q代產(chǎn)品。但是，受制于我國(guó)鍛造行業(yè)的發(fā)展，本生產(chǎn)線交付之前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有中國(guó)鍛造企業(yè)采用中國(guó)自己生產(chǎn)的熱模鍛壓力機(jī)為鍛造主機(jī)，并配置多工位精密模具模架和伺服步進(jìn)式機(jī)械手，多工位自動(dòng)化鍛造完成轎車用第三代輪轂軸承單元內(nèi)外圈的精密熱鍛。

本成套裝備與技術(shù)，將以轎車用第三代輪轂軸承單元內(nèi)、外圈鍛件為工藝對(duì)象，以新型HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)為鍛造主機(jī)，采用多工位精密熱鍛成形工藝，研制全自動(dòng)模具模架快速更換和模具自動(dòng)潤(rùn)滑冷卻裝置，并選配伺服步進(jìn)式機(jī)械手等，組成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效精密自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線，完成轎車用第三代輪轂軸承內(nèi)、外圈的全自動(dòng)高效精密鍛造。

HFP2500t新型熱模鍛壓力機(jī)的研制

圖1 HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)外形圖

在德國(guó)引進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合多工位精密熱鍛的工藝特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外機(jī)械式壓力機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的最新趨勢(shì)，進(jìn)行了極大的技術(shù)改進(jìn)和品質(zhì)提升。在標(biāo)準(zhǔn)2500t熱模鍛壓力機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上，工作臺(tái)面左右寬度加大到1500mm，可以適應(yīng)輪轂軸承單元內(nèi)外圈5個(gè)鍛造工位的排布；并創(chuàng)造性的研制了齒形導(dǎo)向的閘塊式離合器和制動(dòng)器，提高離合器制動(dòng)器動(dòng)作精度和結(jié)合性能，并適當(dāng)加大離合制動(dòng)扭矩，機(jī)床的振動(dòng)和噪聲極大減小；還優(yōu)化設(shè)計(jì)了高協(xié)調(diào)性上下頂出系統(tǒng)、高柔性封閉高度調(diào)整系統(tǒng)、機(jī)械式防連沖安全機(jī)構(gòu)等。圖1為 HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)外形圖。

圖2 內(nèi)圈5工位鍛造工步圖

輪轂軸承內(nèi)、外圈多工位精密熱鍛工藝研究

內(nèi)圈閉式無(wú)飛邊精密熱鍛工藝的研究

⑴工步圖設(shè)計(jì)。

轎車用第三代輪轂軸承內(nèi)圈工件一般為回轉(zhuǎn)體軸對(duì)稱零件，部分產(chǎn)品在法蘭背面均布設(shè)計(jì)加強(qiáng)凸臺(tái)，并且法蘭直徑一般不超過(guò)φ150mm，重量一般不超過(guò)3.5kg，該工件采用閉式無(wú)飛邊鍛造工藝，其5工位鍛造工步如圖2所示。

圖2中從左往右依次為：下料，鐓粗，預(yù)成形，預(yù)鍛，終鍛，沖孔，在熱模鍛壓機(jī)上同時(shí)完成5個(gè)工步的鍛造；圖中工件的下料重量為2.696kg，沖孔后連皮廢料重量為0.076kg，鍛件材料利用率為97.2%。

⑵ Deform 3D工藝分析過(guò)程。

通過(guò)上述工藝設(shè)計(jì)、工步圖繪制，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用Deform 3D模擬軟件進(jìn)行CAE工藝仿真分析，研究變形趨勢(shì)、鍛造力能和模具狀態(tài)等。分析過(guò)程如圖3、圖4所示。

圖3 內(nèi)圈工藝模擬仿真分析過(guò)程

圖4 內(nèi)圈工件鍛造力分析

圖5 內(nèi)圈工件實(shí)際5工步鍛造過(guò)程

圖6 外圈5工位鍛造工步圖

⑶實(shí)際鍛造結(jié)果。

圖5所示為內(nèi)圈5個(gè)鍛造工步照片，從鍛件外形來(lái)看，充滿狀況良好且周圈均勻一致，凸模和凹模間隙之間的豎向毛刺也控制在0.5mm以內(nèi)。在下料過(guò)程中精確控制棒料重量和端面尺寸，并且嚴(yán)格控制鍛造溫度，工件的尺寸偏差較小，鍛件厚度一致性較高，壓力機(jī)配備的噸位計(jì)顯示的實(shí)際鍛造噸位也比較穩(wěn)定，如某下料重量3.26kg、外徑φ151mm的輪轂軸承內(nèi)圈5工位加起來(lái)的鍛造力基本上穩(wěn)定在1970t左右，且偏差不超過(guò)50t。

圖7 外圈工藝模擬仿真分析過(guò)程

圖8 外圈工件鍛造力分析

圖9 外圈工件實(shí)際5工步鍛造過(guò)程

外圈開(kāi)式小飛邊精密熱鍛工藝的研究

⑴工步圖設(shè)計(jì)。

轎車用第三代輪轂軸承外圈工件的基本形狀一般為回轉(zhuǎn)體加異形法蘭，異形法蘭主要有三角狀、水滴狀和四角弧形凸臺(tái)狀等，其法蘭最大對(duì)邊尺寸一般不超過(guò)120mm，重量一般不超過(guò)2.5kg，該工件采用開(kāi)式小飛邊鍛造工藝，其5工位鍛造工步圖如圖6所示。

圖6中從左往右依次是：下料，拍扁，預(yù)鍛，終鍛，沖孔，切邊，5個(gè)鍛造工位同時(shí)在熱模鍛壓力機(jī)上完成；圖中所示的工件下料重量為2.15kg，沖孔、切邊后的鍛件凈重為1.65kg，鍛件材料利用率為76.8%。

⑵ Deform 3D工藝分析過(guò)程。

通過(guò)上述工藝設(shè)計(jì)、工步圖繪制，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用Deform 3D模擬軟件進(jìn)行CAE工藝仿真分析，研究變形趨勢(shì)、鍛造力能和模具狀態(tài)等。分析過(guò)程如圖7、圖8所示。

⑶實(shí)際鍛造結(jié)果。

圖9所示為外圈5個(gè)鍛造工步照片，從鍛件外形來(lái)看，充滿狀況良好且周圈基本均勻一致。并且由于精確控制下料重量和端面尺寸，嚴(yán)格控制鍛造溫度，工件的尺寸偏差較小，厚度基本一致，壓力機(jī)配備的噸位計(jì)顯示的實(shí)際鍛造噸位也比較穩(wěn)定，如對(duì)邊尺寸約120mm的三角形法蘭輪轂軸承外圈5工位加起來(lái)的鍛造力基本上穩(wěn)定在1550t左右，且偏差不超過(guò)50t。

模具模架的設(shè)計(jì)和制造

通過(guò)綜合鍛造成形理論設(shè)計(jì)，以及Deform軟件模擬仿真分析，設(shè)計(jì)了多工位精密鍛造工藝，并依據(jù)多工位鍛造工步圖，設(shè)計(jì)了精密鍛造模具；還結(jié)合熱模鍛壓力機(jī)的模具空間，以及模具模架快速更換的機(jī)械接口，設(shè)計(jì)了多工位精密鍛造模架（圖10）；并且采用高端精密加工設(shè)備保證模具和模架的加工制造精度；模具和模架采用模塊化設(shè)計(jì)，更換模具或調(diào)整產(chǎn)品時(shí)只需要更換少數(shù)幾個(gè)模芯，模具的返修也可以通過(guò)等高墊塊配模實(shí)現(xiàn)多次沉降修模。

圖10 多工位精密鍛造模具和模架

3T型設(shè)置的全自動(dòng)模具模架快速更換裝置的研制

熱鍛模具的壽命較短，一般為3000～10000次左右，因此經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí)的工作，模具需要拆卸下來(lái)修整或更換；而熱模鍛壓力機(jī)上一般會(huì)裝配3～5套模具來(lái)完成多工位鍛造，如果需要將預(yù)鍛和終鍛等4～6個(gè)模芯從壓力機(jī)內(nèi)部逐個(gè)拆卸再重新裝配，一般需要2～4個(gè)小時(shí)才能完成，而且工人操作也極不方便。因此，在熱模鍛壓力機(jī)全自動(dòng)生產(chǎn)線中，還可以配備全自動(dòng)快速換模裝置，節(jié)省換模時(shí)間，提高產(chǎn)品切換效率，提高設(shè)備有效開(kāi)動(dòng)率，提高產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率最大化。

本生產(chǎn)線中，在壓力機(jī)內(nèi)部的工作墊板內(nèi)設(shè)置有模架液壓頂升裝置和模架液壓快速夾持裝置；在壓力機(jī)前方或后側(cè)約3m處，設(shè)置有T型全自動(dòng)快速換模中心（圖11）：包括一臺(tái)自動(dòng)換模臺(tái)車，液壓升降換模平臺(tái)，左右兩個(gè)模架庫(kù)，移動(dòng)伸縮升降換模臂等?？梢酝瓿蓚溆媚＜艿哪Ｐ靖鼡Q，并儲(chǔ)存2套備用模架；液壓升降換模平臺(tái)具備液壓托舉、液壓起吊上模座等功能；液壓升降換模平臺(tái)立柱上設(shè)置的三段移動(dòng)伸縮升降換模臂，可以輔助拆裝模芯；兩個(gè)模架庫(kù)在液壓升降換模平臺(tái)左右兩側(cè)各一個(gè)，用于儲(chǔ)存?zhèn)溆媚＜芑蚋鼡Q模架時(shí)周轉(zhuǎn)使用。該全自動(dòng)模具模架快速更換裝置具備獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)和操作站，以便工人在自動(dòng)線工作時(shí)修整模具，實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)外換模。

圖11 液壓升降換模平臺(tái)T型設(shè)置的全自動(dòng)模具模架快速更換裝置

模具自動(dòng)潤(rùn)滑冷卻裝置的研究

為了對(duì)模具進(jìn)行定點(diǎn)定量精確噴霧冷卻潤(rùn)滑，降低模具溫度，并在模具型腔表面涂覆鍛造潤(rùn)滑劑，在步進(jìn)式機(jī)械手前步進(jìn)橫梁上設(shè)置有移動(dòng)噴嘴，并由機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)提供信號(hào)控制噴霧的啟動(dòng)和停止，可在機(jī)械手夾起工件后的移動(dòng)過(guò)程中，慢速運(yùn)動(dòng)或中間停止時(shí)對(duì)上下模具型腔進(jìn)行噴霧冷卻潤(rùn)滑，機(jī)械手臂上設(shè)置有5組噴嘴，可對(duì)5個(gè)工位的上下模具同步進(jìn)行噴霧潤(rùn)滑和冷卻（包括鐓粗、沖孔和切邊工位）。

在預(yù)鍛和終鍛工位附近，通過(guò)模架及模筒內(nèi)部的預(yù)制管路，設(shè)置有固定式斜向噴霧噴嘴，在機(jī)械手夾持工件行走過(guò)程中，對(duì)預(yù)鍛和終鍛模芯進(jìn)行噴霧冷卻潤(rùn)滑，保證沖頭側(cè)面及凹模深處和側(cè)面能夠均勻附著潤(rùn)滑劑，且沖頭能夠快速冷卻下來(lái)。

生產(chǎn)線連線設(shè)計(jì)

根據(jù)車間設(shè)備排布、工藝需求及客戶實(shí)際技術(shù)要求，將生產(chǎn)線從左往右依次排開(kāi)，上料輸送帶及自動(dòng)中頻加熱爐位于壓力機(jī)左側(cè)，快速換模裝置放置在壓力機(jī)后側(cè)，整個(gè)車間中，還設(shè)計(jì)了車間自動(dòng)化物流，鍛件送出鍛造區(qū)域后，通過(guò)地下輸送帶直接送至熱處理區(qū)域，如圖12、圖13所示。

結(jié)束語(yǔ)

HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)轎車用第三代輪轂軸承單元內(nèi)外圈自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線，可以完成內(nèi)、外圈這兩種配對(duì)零件的自動(dòng)化多工位鍛造，整條生產(chǎn)線中只需要2～3名操作工人，且工人只進(jìn)行生產(chǎn)線安全巡視及產(chǎn)品巡檢等，其生產(chǎn)效率可達(dá)15件/分鐘，單班產(chǎn)量可達(dá)6000件，主體模具壽命也超過(guò)6000件，可以大幅提升鍛件質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)能減排。

在我國(guó)鍛造行業(yè)中，批量較大的差速器傘齒輪、變速箱直斜齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、等速萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)凸緣等汽車鍛件，工程機(jī)械的鏈軌節(jié)、支重輪、托舉輪，機(jī)械工業(yè)上的滾動(dòng)軸承套圈等鍛造領(lǐng)域，也都需要高精、高效、高環(huán)境友好性的全自動(dòng)智能化鍛造中心；本文的技術(shù)成果，可以很好地拓展到其他鍛造領(lǐng)域，推動(dòng)我國(guó)機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖12 HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線方案圖

圖13 HFP2500t熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線實(shí)物圖