半轮体电动螺旋压力机全自动锻造整体解决方案的研究与应用

2015-06-21熊晓红冯仪曹超郝思陈志林武汉新威奇科技有限公司

锻造与冲压 2015年11期

文/熊晓红，冯仪，曹超，郝思，陈志林·武汉新威奇科技有限公司

文/熊晓红，冯仪，曹超，郝思，陈志林·武汉新威奇科技有限公司

我国锻造行业厂家众多，但与国外相比较，大多数设备落后，效率低下。目前国内主要的模锻设备仍然是一次性投资较少的摩擦压力机。随着产品结构的变化和质量的不断提高，锻造企业要想提高企业竞争力，必须使用先进的设备和工艺。

锻造车间的劳动环境恶劣、劳动强度高，追求并实现自动化生产是每一个锻造企业的目标。全自动锻造生产线的开发与应用在产品一致性、节约劳动成本和提升精密模锻企业现代化生产水平方面为锻造企业提供了跨越式发展的机会。本文以工程机械中半轮体的精密锻造为例，从工艺设计、模具设计及模拟、锻造及辅助自动化单元配置等方面，提出了基于电动螺旋压力机的自动化锻造生产线整体解决方案。

电动螺旋压力机的原理和特点

目前国内使用的模锻设备主要有锻锤、液压机、机械压力机和螺旋压力机等类型。它们各有特点，锻锤每次打击能量较小，打击速度快，特别适合长杆类零件多次打击成形；液压模锻机由于可在较长行程内保持一定压力，适合较大变形量零件成形和温、冷挤压成形；热模锻机械压力机行程次数高，抗偏载能力强，适合批量大的多模膛(3～5个模膛)零件锻造；螺旋压力机是一种定能量的加工设备，兼有锻锤和热模锻压力机的双重特性，没有固定的下死点，是目前国内生产模锻件大量采用的装备。

螺旋压力机分为摩擦压力机、高能离合器式螺旋压力机和电动螺旋压力机等类型。电动螺旋压力机因具有运行时噪声小，打击效率高，并能准确控制其打击能量等特点，在摩托车、汽车、高速铁路机车和航空航天等制造行业得到了广泛应用，是一种性价比较高，具有发展潜力的精密模锻设备。

电动螺旋压力机采用双电机驱动的齿轮传动方式，其结构原理图如图1所示。

图1 J58K系列数控电动螺旋压力机结构原理图

电机经小齿轮带动飞轮和螺杆加速旋转，通过螺旋副将螺杆的旋转运动转化为滑块的上下往复运动。接收到打击命令后，电机由静止状态启动，通过齿轮传动带动滑块加速下行，当达到预先设置的打击能量时，利用飞轮储存的动能做功，使制件成形。飞轮释放能量后，电机立即反转，带动滑块返回至一定高度后，进入制动状态，使得滑块回到预先设定的打击行程位置。

电动螺旋压力机的突出优点是自动化程度高，用户只要在人机界面上设置好打击行程和打击能量，其他计算和控制只要交给压力机控制系统自动完成即可。

半轮体自动锻造生产线整体解决方案

自动线要求

用户产品：与节距为135mm/154mm/175mm/ 190mm/216mm链轨节配合的支重轮半轮体和托链轮半轮体共11种产品。

图2 支重轮半轮体示意图

用户需求：配有多个锻造机器人，可实现上料、送料、锻造、模具喷雾冷却润滑、工件及废料移出各环节在全自动模式下运行，包括快速模锻的电动螺旋压力机成套设备，成套模具设计、制造，电动螺旋压力机与加热炉、镦粗及冲孔切边压力机的成线及联机全自动化生产，模具自动喷淋润滑冷却系统和自动快速换模系统。

制定锻造成形工艺

根据产品外形、重量、材料等参数，结合理论计算(成形模拟等)、已有经验(实际案例等)及用户要求(成本、产量和节拍等)，设计锻造成形工艺如下。

⑴整体设计思路。零件图→锻件图→确定锻件体积→下料→加热→镦粗→预锻→终锻工艺→切边、冲孔。

⑵成形工艺。下料→中频感应加热→镦粗→预锻→终锻→冲孔切边→热处理调质→抛丸清理氧化皮。

⑶对镦粗工艺、预锻工艺、终锻工艺进行计算机成形模拟。其中终锻工艺模拟结果如图3所示。

图3 终锻工艺模拟

⑷成形工步简图如图4所示。

模具设计

锻造模具由模架及两个模具单元所组成，模架由上模板、下模板、上垫板、下垫板、导柱导套、限位块及顶出装置所组成；两个模具单元分别为预锻模和终锻模，预锻模和终锻模相对于压力机工作台面的中心左、右非对称分布；预锻模和终锻模均采用双层预应力组合结构，两个组合凹模外圈即预应力圈外径和两个固定模套尺寸相同；上模均为凸模，预锻凸模和终锻凸模除前端工作部分尺寸不同外，其余尺寸及固定方式相同。

图4 成形工步简图

⑴预锻模和终锻模均采用预应力组合结构，凸、凹模磨损超差或其他形式失效后，只需更换凸、凹模镶块，这样可节约价格昂贵的模具材料，有利于降低模具费用。

⑵组合凹模预应力圈与凸、凹模固定套设计成尺寸相同的结构，便于制造和使用维修。

⑶在模架左、右两边设置限位块，一是确保锻件尺寸的一致性；二是吸收压力机在模锻时的多余能量，有利于提高模具使用寿命。

⑷预锻→终锻按自左向右的顺序排布，操作流程最短，有利于提高生产效率。

通过模具上的导柱导套和预锻凸、凹模与终锻凸、凹模的同轴度达到φ0.3～0.4mm，确保锻件的内外同轴度达到φ0.5mm。

自动线总体组成

基于以上分析，半轮体电动螺旋压力机自动锻造生产线由感应加热炉、镦粗压力机、25MN电动螺旋压力机、自动喷石墨装置、3台ABB机器人和切边压力机组成，其布置示意图如图5所示。

图5 半轮体自动锻造生产线布置示意图

棒料由中频炉加热至1100～1200℃后经下料滑道到达取料点，红外测温仪测量棒料温度，如不在许可范围，则料斗机关动作将料废弃或由1#机器人取料送至废弃点；若棒料温度合格，则1#机器人取料送至镦粗压力机。镦粗压力机完成镦粗动作后，自动喷气去氧化皮，同时另一红外测温仪检测锻坯温度，不合格则1#机器人取出锻坯送至废弃点；测温合格则1#机器人取出锻坯送至电动螺旋压力机预锻点。

1#机器人放料后退出至螺旋压力机安全区域时启动打击命令，螺旋压力机开始第一工步打击，完成预锻。压力机滑块提升回程时，顶料系统顶出工件；2#机器人取料送至电动螺旋压力机终锻点，同时自动喷石墨装置完成对预锻模的润滑和冷却，螺旋压力机开始第二工步打击，完成终锻，压力机滑块提升回程时，顶料系统顶出工件。

2#机器人取料送至切边压力机，同时自动喷石墨装置完成对终锻模的润滑和冷却，切边压力机完成冲孔和切边后，由3#机器人取出并放置到下料传送带，完成一个产品的锻造周期，如此周而复始，循环运行。

自动化线的生产节拍主要取决于机器人的取料和送料时间以及各压机的动作时间，每分钟可生产锻件3～4件。

图6 自动换模装置示意图

⑴自动换模系统。

由液压锁紧装置、U形升降导轨、导轨支架、换模小车和电控系统等组成，其示意图如图6所示。该装置可实现模架的整体移出、送进、锁紧及定位等动作，减轻人工换模劳动强度，节省换模时间。

图7 全自动锻造生产线

⑵自动喷石墨装置。

模具润滑是模锻件生产中的必要环节，自动喷石墨装置可起到保护模具和锻造成形后便于脱模的作用，大大减轻工人的劳动强度，且保证润滑操作的一致性和均匀性。自动喷石墨装置采用气动原理实现，由混合石墨、水和气的压力容器，气动马达，直线气缸和平面喷头等主要元件组成。每次压力机滑块锻打工件完毕回程超过一定高度时，喷头自动进入上、下模腔之间，喷射石墨水达到设定的时间后自动退回。可由电气控制系统对喷涂时间进行调节，使喷涂更加均匀。

实际应用

该自动化锻造线以J58K-2500型数控电动螺旋压力机为核心设备，辅以3台ABB机器人组成，如图7所示。该生产线实现了从上料、测温、预锻、终锻、切边至下料的全自动化，原来需要5～6名操作工负责的锻造生产线现在只需要1名操作工负责监控和质检即可，在减少劳动力和减轻劳动强度的同时，带来的是产品质量以及产品一致性的提高。对改善模锻生产环境具有重要现实意义。