盘式转向节锻造自动化生产工艺

文/杜立东，刘作乐，成希锋·中国重汽集团（香港）有限公司济南铸锻中心

盘式转向节锻造自动化生产工艺

文/杜立东，刘作乐，成希锋·中国重汽集团（香港）有限公司济南铸锻中心

杜立东，工程师，主要从事锻造技改技措项目的策划、论证、组织实施管理工作，全程参与了引进德国西马克梅尔公司KP12500MP8000热模锻压力机自动锻造生产线项目。

目前，我国制造业面临着劳动力结构性短缺及劳动成本上升，低成本优势正在逐步减弱，人口红利正在逐渐消失等问题。随着人口红利逐渐消失和“刘易斯拐点”的跨越，企业从依靠资本和劳动的投入转向依靠全要素生产率的提高，增长的动力转变到依靠技术进步和生产率提高的基础上。如何面对人口红利消失造成的成本变化，怎样使之转换为企业产业升级的新机遇是摆在中国制造业企业面前的一道新课题。

锻造是一个劳动强度大、工作环境恶劣的行业，为了解放劳动力、节约能源，各企业为了提高产品品质和生产效率，对锻造自动化进行过各种探索。转向节作为重型载重汽车前桥的核心部件之一，对车辆的安全行驶有着至关重要的作用。

我公司自主研发的具有自主知识产权的盘式制动器用转向节毛坯锻造，相比STR鼓式制动器用转向节，由于其结构要求安装制动盘，整体锻造外形复杂，复杂系数小于0.08，锻造成形难度大，所需变形力大。原有STR转向节毛坯的锻造设备—MP63MN热模锻压力机无法满足新型盘式制动器转向节锻造毛坯整体锻造要求，只能采取分体锻造方式，锻造毛坯分别机加工后再组装在一起。加工工艺复杂，生产效率低下，造成了人财物资源的浪费。

为了解决盘式制动器转向节毛坯整体锻造能力，降低生产成本，中国重汽从西马克引进了MP80MN曲柄连杆热模锻压力机锻造自动化生产线，对采用工业机器人进行锻造自动化生产进行了积极的尝试。本文将从工艺与装备角度详细介绍一下盘式制动器转向节精密锻造自动化生产线。

转向节的锻造工艺

鉴于德国西马克梅尔公司工艺设计与设备整合的能力，我公司在引进锻造自动化生产线的同时，一并让该公司开发了盘式制动器转向节的整体锻造工艺。试生产阶段，我们又根据以前生产的经验和我国转向节的特点，调整了西马克为我们设计的工艺，设计了锻造盘式制动器转向节的锻造新工艺。该新工艺目前已经投入使用，锻后毛坯符合钢制模锻件标准—尺寸公差(DIN EN 10243-1）。

该转向节的锻造工艺流程为：中频感应加热→制坯→挤压预锻→终锻→切边、校正→锻件冷却。

盘式制动器转向节的整体锻造过程如图1所示。

图1 整体转向节的锻造过程

工艺特点

转向节是汽车转向系统的关键部件，其毛坯锻造一直是具有代表性的叉类件，早期毛坯的锻造工艺主要由劈叉、拔杆、预锻、终锻等工序组成。整体盘式转向节自动锻造生产线锻造工艺具有以下特点：

⑴采用预成形制坯工艺，减少了锻件在主机80MN热模锻压力机上的生产工序，提高了80MN热模锻压力机的生产效率。

⑵整体锻造水平成形困难。从锻造毛坯角度讲，整体式的锻造毛坯都属于复杂系数高的具有长轴线并带有叉形的结构件产品，整体转向节法兰盘水平投影最大直径比分体锻造转向节多46mm，复杂系数减少了0.01到S4级的0.08。设计既要保证杆部成形，又要保证叉杆充满，故采用数值模拟计算与实际验证结合的设计方法，设计了预成形制坯、闭式挤压预锻、终锻的锻造工艺并取得成功。实际锻后毛坯符合钢制模锻件标准—尺寸公差(DIN EN 10243-1）。

⑶锻造、切边模座采用八面导板导向，避免了早期模座导柱导套受热后位置精度的变化造成导向精度下降的问题。

⑷在保证产品质量的前提下，采用切边校正复合模热锻件切边抱切工艺，切边时锻件放置到下凸模上保持不动，滑块下行到一定高度时，上下凸模将锻件抱紧，起到了校正作用，避免了切边时盘面的变形；滑块继续下行，将毛边切断。切边校正工序一次完成。提高了生产效率，降低了生产成本。

⑸考虑将来产品将大量采用非调质钢生产，根据非调质钢锻后冷却工艺的需要，预留了改进冷却线的空间，保证锻件的冷却速度和质量。

生产线上的主辅设备

MP80MN热模锻压力机

图2所示的MP80MN热模锻压力机由4块主机机架组成，由预应力拉杆把紧。该压力机的优点是刚性好，滑块和工作台平面尺寸大，连同上下顶料装置可实现多工位，便于实现锻造生产线的自动化。该设备锻造锻件精度高，配备了机器人及整线连线技术，适合高效率生产大批量连续模锻件。为提高产品切换效率，配备了快速换模系统。

图2 MP80MN热模锻压力机

10MN闭式双点预成形压力机

根据工艺需要选用10MN闭式双点压力机用于完成锻件的预成形工序，如图3所示。由于使用了预锻压力机，减少了锻件在主机80MN热模锻压力机上的生产工序，提高了80MN热模锻压力机生产效率。

图3 10MN闭式双点压力机

该设备采用闭式双点，抗偏载能力强，运动精度高；钢板整体焊接机身，刚性好，机身垂直刚度好、角变形小，宽台面，可布置三工位，模具结构合理，能够承受强烈震动。八面导轨调整方便，导向精度高，抗偏载能力强，刚性好。制动器设循环水冷却，采用闭式系统，以延长摩擦块寿命。动态平衡器可减少运动冲击，工作平稳。下顶料为液压顶料，具有高度保持功能，高保时间可以根据工艺设定。

中频感应加热设备

生产线材料加热设备根据产品工艺要求和生产节拍，选定3400kW中频感应加热炉作为加热设备，如图4所示。该设备感应加热速度快，加热温度可控，设备在线圈的出料端配有热坯料快速抽取装置用来快速抽取坯料以减小沿坯料长度方向上的不良温度梯度。设备系统通过光电开关粘料检测，在出现粘料时，系统将坯料移出线圈，尾部采用气缸驱动的可移动挡板，处理粘料使之符合工艺要求。符合工艺要求的加热坯料由快速出料装置抽出，由温度分选装置将加热合格棒料、过热坯料、低温坯料分别分选到对应存放区域。

图4 3400kW中频感应加热炉

10MN闭式双点切边压力机

根据工艺需要选用10MN闭式双点压力机用于完成锻件的切边、校正工序，为提高产品切换效率，单独配备快速换工装系统。该设备特点与10MN闭式双点预成形压力机相同，在此不再赘述。

辅助设备机器人

为保证工艺顺利实施，产品质量水平稳定，设备稳定可靠，环境安全整洁，MP80MN热模锻压力机、切边校正机配备快速换模系统提高工装更换效率。生产线末端配备锻件快速冷却装置和毛边输送装置，锻后锻件毛坯及毛边及时输送到车间外转运。主机配备独立除尘系统、模具预热炉及模具翻转装置。工艺设备循环软水均采用闭式塔双循环系统。为了保障安全生产秩序，生产线全线防护网封闭，关键工序设有抽检窗口。

为了提高生产效率和提升自动化水平，保证生产线具备柔性，该生产线配备8台KUKA6关节机器人用于不同工序之间工件的传送和模具喷淋润滑，这些机器人是保证生产线自动化运行生产出合格锻件毛坯的重要保障。MP80MN热模锻压力机生产线上机器人的工作主要有：

机器人R1从电炉来料工位取出工件毛坯，送入制坯机工位1后复位。机器人R2将工件从制坯机工位1移送到工位2，制坯完成后，再把工件从工位2移送到支架1后复位。机器人R3从支架1取工件，放入锻压机工位1，完成后复位。机器人R4在锻压机内将工件从工位1移送到工位2后复位。机器人R5从工位2将工件移送到机器人R6的夹具中，完成后复位。机器人R6将夹具中的工件放入切边机工位，完成后复位。喷淋润滑机器人R7按照要求完成模具表面喷淋润滑，完成后复位。机器人R8从切边机取工件，放入成品输送线，再取出毛边放入废料输送线，完成后复位。

由于该生产线采用多关节机器人进行工件传送，因此具备较好的柔性，既可满足转向节单一品种大批量的自动化生产要求，在更换模具和部分机器人夹钳以及部分辅助工具后，也可进行不同品种、不同批量产品的生产。这对于现代企业所强调的柔性化和订单化生产十分有利。

自动化锻造生产线面临的问题

目前，我国对于自动化锻造生产线的使用还处于学习探索阶段，使用过程也是发现问题解决问题的过程，经过一年多的生产实践，我们发现自动化锻造生产线需要解决和逐步完善以下问题：

⑴工艺方面。实际生产过程中，锻造模具寿命不超过3000件。由于金属流动剧烈，坯料单次变形量大，模具挡墙部位磨损、龟裂严重，模具生产几百件后就需要修磨抛光保养，达到3000件左右时，就必须下厂返修。如何完善工艺或换用红硬性高的模具材料降低模具变形、提高模具寿命是今后我公司、钢厂、模具生产单位共同的目标。

锻造过程中锻造模具温升快，模具温度达到300℃左右时，石墨附着效果开始不稳定，达到350℃以上时，石墨附着效果就很差了，出现粘模现象，无法自动化连续生产，易导致机器人进入模具区时，锻件脱落砸伤卡爪或机器人，同时降低模具寿命并造成生产线中间工序甩料，废品率上升。虽然加大喷淋润滑剂量能改善冷却效果，但也容易在下模型腔残存石墨液体，易在锻造时形成气阻，导致坯料不能充满型腔。怎样降低模具升温速度，提高生产线效率，同时保证模具寿命，我们还需在改进工艺或选择高温下强附着力石墨润滑剂等方面进行积极的尝试和探索。

⑵设备使用。一般锻造生产线是单个设备的松散型合作生产，自动化生产的特征为典型的系统化、合成化。自动化锻造生产线中，任何一个单机开机率都会直接影响整线的开工率。我们在实际生产过程中发现，国产装备与国外进口设备的开机率存在一定差距，国内机械制造整体水平与国际先进水平存在着差距，国产设备的故障成为制约整线开机率的重要因素。

⑶综合保障要求。自动化生产批量大，效率高。自动化生产上相关生产要素多，并且对这些要素都有很高的要求，单个辅助要素的问题可能影响整条自动线的开机率。

⑷人员要求。随着锻造生产线自动化程度的不断提高，对整条生产线参与人员专业素质的要求也在相应提高。为了提高生产效率，现场人员需熟悉锻造工艺，具有发现问题、处理问题的能力。目前，我公司该自动化生产线所在车间人员90%以上具有本科学历。

结束语

本条生产线的引入，大幅提高了热模锻压力机生产线在技术装备、产品种类和质量、生产规模和管理水平等方面的水平，缩短了与国外先进自动化生产线的差距。本文介绍的重型汽车盘式制动器转向节毛坯的自动锻造技术和装备，具有设备起点高、工艺先进、生产线柔性好、整线生产效率高等优点，年生产能力可达转向节锻造毛坯45万件。该生产线的建成投产，对于打破国外垄断、提升我国大吨位热模锻压力机生产线的装备水平有重要意义，为应对人口红利逐渐消失、人员成本提升迅速做出了积极尝试。