文／董云龍，劉允良，潘文東，王政通，牛余兵·伊萊特能源裝備股份有限公司

帶頸對焊連接法蘭熱模鍛成形及自動化生產(chǎn)工藝，是一種高效、低耗、低勞動強度的成形技術(shù)，在小法蘭鍛件實際生產(chǎn)中，具有重要意義。最初的小法蘭生產(chǎn)靠煤炭加熱，空氣錘加模具成形，人工操作效率低，而且鍛件各部位余量粗放。隨著設(shè)備及生產(chǎn)能力的提升，天然氣爐加熱，摩擦壓力機或電動螺旋壓力機鍛造成形，但仍然存在人工操作效率偏低的問題，余量控制雖有所改善，但產(chǎn)品定位靠人工放置，產(chǎn)品一致性差。

近期，依公司發(fā)展要求，對小法蘭產(chǎn)品的生產(chǎn)方式做出大膽的調(diào)整，通過SolidWorks、Deform軟件模擬，數(shù)據(jù)分析，圓盤鋸下料，中頻爐加熱，電動螺旋壓力機預(yù)鍛、成形，閉式單點壓力機落料，過程靠機械手轉(zhuǎn)序，利用余熱等溫正火，形成一條自動化生產(chǎn)線。減少人工，提高效率，降低材料消耗，實現(xiàn)自動化，為后續(xù)加工提供了有利條件。

工藝分析

帶頸對焊連接法蘭結(jié)構(gòu)分析

由圖1 可以看出，產(chǎn)品分為盤部、頸部和內(nèi)孔三部分，因此產(chǎn)品的成形要考慮這三部分的難度：盤部難點在內(nèi)孔的最終成形，不允許出現(xiàn)塌角；頸部控制難點在頸口，防止塌角；內(nèi)孔控制難點在連皮厚度控制與能否順利脫模。

圖1 帶頸對焊連接法蘭模型

成形步驟分析

由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，成形前需要分料預(yù)鍛，成形后需要將內(nèi)孔連皮沖掉，因此，鍛件的成形可分為預(yù)鍛、成形、沖孔三步。

定位分析

如果預(yù)鍛分步，需要在預(yù)鍛模具間考慮定位，預(yù)鍛轉(zhuǎn)成形模具需要精確定位，成形轉(zhuǎn)至沖孔也需要定位。定位越簡單，則步驟間因定位造成的尺寸誤差疊加越少，最終成形毛坯越接近理論尺寸。

機械手轉(zhuǎn)序夾持可行性分析

機械手需準(zhǔn)確夾持住每道工序鍛打后的毛坯，因此每步鍛打后毛坯高度都要高出下模上平面，方可保證機械手準(zhǔn)確夾持。

時間節(jié)拍分析

加熱爐升溫時間、預(yù)鍛及轉(zhuǎn)序時間、成形及轉(zhuǎn)序時間、沖連皮及轉(zhuǎn)序時間，根據(jù)每道工序耗時對比，找出工序中最長時間作為節(jié)拍，調(diào)節(jié)剩余工序時間。

變形過程模擬分析

利用SolidWorks 三維軟件，參考《模具設(shè)計手冊》將預(yù)鍛、成形、沖孔三工步模具及毛坯圖畫出，裝配后生成.stl 格式保存。將轉(zhuǎn)化格式后的裝配件導(dǎo)入Deform 模擬軟件，設(shè)置參數(shù)，變形過程模擬如圖2 所示。

圖2 變形過程模擬

對變形過程、設(shè)備能力、尺寸、熱處理后性能及組織等數(shù)據(jù)梳理分析，變形過程走料均勻，無折傷、無缺料問題；設(shè)備2500t 完全滿足數(shù)據(jù)分析中2100t 要求，盤厚與總高尺寸比理論要求大1mm，不用減料，可以作為后期模具膨脹的調(diào)整量；整個過程金屬流線完好，且金屬變形大，有足夠的鍛造比，性能滿足客戶要求。

工藝方案設(shè)計

成品尺寸如圖3 所示，凈重6.3kg，根據(jù)《模具設(shè)計手冊》，在成品基礎(chǔ)加雙邊3mm 余量，雙邊4°拔模斜度保證出模順暢，連皮厚度控制在10mm，用SolidWorks 三維軟件計算重8.2kg，加沖料與燒損后下料9.5kg。

圖3 成品尺寸

通過前期對工藝分析、模擬分析，設(shè)計出合理的工藝方案。

下料工序優(yōu)化

在以往的鍛造模式中，下料通常采用半自動和全自動帶鋸床，鋸條磨損嚴(yán)重，毛坯尺寸一致性差，且效率較低。自動化圓盤鋸相對普通鋸切設(shè)備：自動化程度高，可實現(xiàn)自行上料、鋸切、下料；一致性好，尺寸公差可控制在±0.2mm 以內(nèi)，且鋸切面光潔度非常好；效率高，就φ100mm 圓鋼鋸切時間對比，在保證鋸條正常使用壽命的前提下，普通帶鋸床一個鋸口需要300s，圓盤鋸只需要30s，顯而易見，效率提高10 倍。

加熱工序優(yōu)化

中頻加熱是少無氧化加熱的方法之一，加熱效率高，速度快，適合大批量生產(chǎn)。中頻加熱采用自動上料機構(gòu)，代替人工；加熱溫度采用紅外檢測三路自動篩選，經(jīng)篩選后坯料溫度穩(wěn)定，同時爐膛內(nèi)多處測溫控制閉環(huán)，通過輸入出爐溫度，中頻爐功率自動調(diào)整，保證坯料溫度穩(wěn)定，為后續(xù)鍛造自動化提供條件。

鍛造工藝優(yōu)化

坯料鐓粗配高壓氣路吹除機構(gòu)，保證加熱時產(chǎn)生的氧化皮清除徹底，同時由于提高一次鍛造比，經(jīng)過鐓粗、預(yù)鍛和終鍛后，金屬的流線基本與鍛件的輪廓一致，大大提高了鍛件的性能。

實際生產(chǎn)過程與模擬

利用SolidWorks畫出裝配圖，然后導(dǎo)入到Deform模擬軟件，對設(shè)計方案進行驗證與改善。這樣能節(jié)省試模成本，在模具投入前期，提前發(fā)現(xiàn)模具及成形方案存在的問題，大大縮短開發(fā)周期。模擬內(nèi)容：成形情況，有無折疊或填充不滿等缺陷；鍛造需要的設(shè)備能量；鍛件應(yīng)力在模具使用范圍內(nèi)，讓模具不至于過快失效。成形過程模擬如圖4 所示，滿足設(shè)計要求。

圖4 成形過程模擬

由圖5 可以看出，料從加熱爐出來后，由第一臺機器人取料送至第一臺電動螺旋壓力機進行預(yù)鍛，清除氧化皮的同時為成形做準(zhǔn)備；預(yù)鍛完成后，由第一臺機器人抓取送至中轉(zhuǎn)臺，然后第二臺機器人抓取預(yù)鍛坯，轉(zhuǎn)送至第二臺電動螺旋壓力機終鍛成形；成形后第二臺機器人抓取終鍛坯，轉(zhuǎn)送至閉式單點沖床將連皮沖掉；最后將毛坯取下放至滑道，滑至毛坯臨時存放臺，如此循環(huán)生產(chǎn)。模具潤滑與冷卻采用自動噴霧裝置，按照生產(chǎn)節(jié)拍保證模具壽命，同時提高了產(chǎn)品表面質(zhì)量。用機器人搬運代替人工搬運，惡劣的環(huán)境條件下，保證工人安全作業(yè)，大大降低了勞動強度與勞動成本，提高效率和過程質(zhì)量。

圖5 現(xiàn)場設(shè)備和機器人布局

采用無飛邊閉式模鍛，各部尺寸控制嚴(yán)格，后續(xù)機加工在效率以及刀片使用量都有顯著的改善。利用先進的技術(shù)設(shè)備降低成本，功率可控的中頻加熱爐，能量可控的電動螺旋壓力機，位置及動作可控的機器人，保證了每一環(huán)節(jié)穩(wěn)定可靠，大大降低了勞動強度，同時還保證了產(chǎn)品的一致性，產(chǎn)品合格率達到99.8%以上。終鍛載荷、溫度場及鍛造金屬流向見圖6。

圖6 終鍛載荷、溫度場及鍛造金屬流向

綜合效益

⑴材料節(jié)約：圓盤鋸鋸切下料，省去因普通鋸床鋸斜造成額外多加余料；中頻爐感應(yīng)加熱，降低燒損；采用無飛邊閉式模鍛，加工余量大大降低，三方面原因讓我們原材料使用量大大降低。

⑵節(jié)能降耗：因下料減少，使得多余坯料加熱能源消耗相應(yīng)減少；因余量減小，后續(xù)機加工刀片使用量大大減少，同時加工效率大大提高。

⑶質(zhì)量提高：圓盤鋸下料，保證每塊料的重量一致性，機器人代替人工，過程穩(wěn)定性更高。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)鍛造行業(yè)的裝備與技術(shù)隨之不斷提升。類似上述法蘭類產(chǎn)品，最初生產(chǎn)方式為夾板錘或空氣錘鍛造，純?nèi)斯げ僮麇懠嗔看?，工人勞動強度大且危險系數(shù)高，生產(chǎn)效率低，鍛件成材率低；隨著鍛造設(shè)備被快鍛壓機或摩擦壓力機替代，閉式模鍛產(chǎn)品余量控制能力得到顯著提高，此時的經(jīng)濟效益已經(jīng)得到明顯改善，但由于設(shè)備配合精度不足，模鍛飛邊較大。

現(xiàn)在我公司配置的整條模鍛生產(chǎn)線，只需要工人拆裝模具，檢查產(chǎn)品質(zhì)量，工人勞動強度大幅度降低；運用模擬技術(shù)進行工藝模具驗證，有效降低開發(fā)成本，機器人轉(zhuǎn)序定位，大大提高過程質(zhì)量，從下料到鍛造完成基本實現(xiàn)自動化，提高了企業(yè)核心競爭力，獲得較高的效益，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的典型案例。