齿轮热模锻压力机自动化生产线

文/党军，李养娟·陕西法士特齿轮传动集团公司

齿轮热模锻压力机自动化生产线

文/党军，李养娟·陕西法士特齿轮传动集团公司

国内自动化生产线的发展

随着我国劳动力结构性短缺和劳动成本的上升，以及越来越高的环保要求，制造业低成本的优势正在逐渐减弱。企业必须从依靠资源和劳动的投入转向提高生产效率。对于锻造行业而言，锻造车间的劳动环境恶劣、劳动强度高，为了解放劳动力、节约能源，追求并实现自动化生产是每一个锻造企业的迫切需求。

国内的全自动锻造生产线因极大地降低了工人劳动强度、工作环境好、锻件质量高，而越来越受到锻造企业的青睐。我公司结合实际情况，引进的主要为多工位热模锻压力机自动化生产线，包括自动送料装置、步进梁、自动模具冷却润滑及自动快速换模系统等，实现了锻造的多工位自动化。

本文从工艺与装备的角度对我公司引进的齿轮件精密锻造自动化生产线进行归纳和总结，详细介绍了锻造自动化生产线的工艺流程。齿轮件的锻造工艺流程为：高速剪床精密下料→棒料自动分拣排序→中频感应炉加热→自动上料→纠料→镦粗→预锻→终锻→冲孔校平→余热正火。

自动化生产线的工艺特点

自动线锻造出的齿轮件因为是逐步变形，所以锻件金属流线均匀、金相组织均匀、晶粒适中。齿轮采取闭式锻造，锻件不会产生飞边，因此在外圆齿部金属纤维不会被切断，有利于提高齿轮寿命。

齿轮锻造过程中增加了纠料工步，整形坯料端面的同时，能有效去除氧化皮。同时模具冷却润滑理想，加以高压空气吹扫氧化皮，锻造工序完成后锻件氧化皮残余少、无氧化皮垫坑等缺陷。后续紧跟余热正火工艺，避免锻件二次氧化和表面脱碳，使锻件表面质量完全能达到各种OEM配套要求，锻件的非加工面完全能满足工艺要求。

齿轮在工作时处于高速旋转的运动状态，所以齿轮动平衡要求非常高，目前我公司要求锻件平面度不允许超过0.7mm。在热模锻自动线上，滑块导轨以“X”形布置，可以补偿所有热胀量，导轨长度设计得足够长，保证了滑块的高刚性和精密导向，这些硬件的配置，确保锻件平面度在0.2mm左右。

在保证产品质量的同时，采用冲孔碟簧压紧结构，在冲孔的过程中，锻件放置在凸模下不动，滑块下行时碟簧作用于顶出器将锻件压紧保持不动，在冲孔的过程中起到校正作用，保证冲孔切边时锻件不变形，提高锻件质量，降低生产成本。锻后锻件采取余热正火工艺，降低了能耗，减少了锻件表层脱碳，同时减少了物流周转的工作量。

生产线上的主要设备

热模锻压力机自动线

热模锻压力机自动化生产线（图1）由自动上下送料装置、步进梁传输装置、多工位锻造模座、快速换模小车、自动润滑冷却喷雾装置和锻件输出装置组成，集机械、光电控制、液压、材料、网络化控制等技术于一体，采用了多工位闭式锻造模具技术，提高了材料利用率和成形精度；一体化的模具自动润滑冷却系统，可以实现模具的清扫、润滑和冷却功能，提高了模具寿命；采用了三维步进梁机械手、模具模架快速更换和装夹技术。适合高效率、大批量生产模锻件，对批量大的产品可提高生产效率，稳定产品质量，每分钟有15～25件的生产节拍。从自动上料到锻造、模具润滑冷却和锻件传输全部由设备自动完成，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，据我们现场统计，自动生产线锻件厚度尺寸偏差可以减小到0.2mm左右。

图1 热模锻压力机自动线

整个自动生产线的喷雾润滑采用无色环保脱模剂，由电磁阀按操作面板控制配比浓度和喷洒时间，做到随用随配比，严防脱模剂失效对锻件质量产生影响；同时因浓度可以随机调整，确保脱模剂的精确使用，降低了锻件生产成本。压力机底部为隔而固弹性减振装置，对机床和操作工的身体危害降到最低。

中频感应加热装置

每条自动线生产的产品根据工艺要求和生产节拍的不同选择不同规格的加热炉，使加热炉感应加热速度和压力机生产频率相匹配，加热温度可以根据工件材质进行调整。为了适应不同直径毛坯的加热要求，感应加热线圈部件采用了快换接头，可实现不同规格线圈之间的快速更换。同时加热温度必须保证有负反馈的功能，加热炉可以根据客观因素对加热温度的影响自动调整补偿电压，保证工件加热温度在工艺许可的范围内波动。

加热炉必须配有两套分选装置，第一套重量分选器位于加热炉的入炉口位置，确保进入加热炉的坯料均是满足要求的坯料；第二套温度分选装置位于加热炉出口位置，靠红外测温仪将低温坯料和过热、过烧坯料及时与温度合格坯料分出，确保输入热模锻压力机的坯料都是合格的。

余热正火热处理炉

因为锻造自动生产线的节奏非常快，所以锻后输出的毛坯温度在1000℃左右，此时锻件仍处于奥氏体状态，我们通过可调速传输装置控制冷却速度，使锻件在可控的温度范围内通过传送装置进入等温炉中保温，使锻件内部组织发生转变，从而获得符合要求的硬度，以及均匀的铁素体和珠光体组织。

锻件在锻后传输过程中，其入炉温度是控制锻件余热正火质量的关键参数，将等温温度设定在珠光体转变温度范围内(630℃左右），要求锻件终锻后在传送装置上不能重叠，通过调整传送带转速来控制锻件的入炉温度，在等温正火炉内保温90min即可使组织和硬度达到工艺要求。锻件采用锻造余热正火减少了二次奥氏体加热消耗的大量能源，提高了生产效率，锻件余热正火后表面光亮、氧化皮薄，后续抛丸清理时间较等温正火节约2/3。图2为余热处理正火炉。

图2 余热处理正火炉

面临的问题及解决办法

坯料问题及解决办法

由于自动线在生产过程中处于高速运转，每个生产设备所需坯料靠锯床远不能满足生产要求，所以必须借助高速精密剪床提供坯料。高速精密剪床在下料过程中由于其工艺特性，会存在坯料端面压扁不平整和端面倾角大的缺陷，在生产中会影响锻件质量。自动线完全依靠伺服电机驱动步进梁传输或者机器人传输，生产过程中如果坯料端面有缺陷，容易使锻件出现偏斜，造成锻件填充不均匀和产生薄厚不均匀的缺陷。由于模具型腔比较复杂，锻件传输过程中步进梁快速放置的锻件位置容易变动，导致锻件成形不均匀甚至产生折叠。目前解决坯料问题的方法有第一道增加纠料工步和顶杆定位法两种。

第一道工序增加纠料工步，保证坯料经过第一道工序后棒料鼓形均匀，端面平整。采用外圆定位法和顶杆定位法保证传输过程中锻件在正确的位置。外圆定位法可以保证每工步锻件外径都比较接近，相差1～3mm左右，锻件靠重力和出模角可以自己找正，确保每次锻造前锻件能准确定位。目前俄罗斯伏龙涅什自动线和德国西马克欧姆科（西马克梅尔）自动线均采取该传输定位的方法。

顶杆定位法要求机床在机床顶杆顶出后有液压或者气动保持顶杆高度功能和步进梁卡爪一侧作为径向定位基准的功能。锻件传输时机械手从上工位顶杆将锻件取走，同时顶杆回位，然后步进梁传输至下一工位，放置在已经顶出的下顶杆上，上模顶杆借助气动压力将锻件压紧在下模顶杆，直至下模顶杆完全回位，上模顶杆撤走。此种方法可以保证每工步传输平稳，定位准确。目前我公司使用的米勒万家顿（舒勒）生产线采取的就是该传输定位方式。

模具寿命的提高

由于自动线生产效率每分钟高达15～25件，对模具寿命要求极高，如果模具寿命不能达到一个班的生产周期，会严重影响自动线的高效率。我们开始引进自动线时，模具寿命从700件提高到两千多件，经历2年多的摸索，到目前每套模具至少可生产7000件。模具寿命的提高主要有以下3个因素。

⑴设计采用PRO/E、UG等三维软件将工装图和锻件图开发变成3D的直接建模，其次，DEFORM、QFORM、FORGE、VeraCAD等CAE锻造模拟技术、有限元技术的广泛应用，使设计人员在计算机中完成产品设计的优化及修订工作，减少试模的时间，缩短了产品的开发周期，然后根据现场试锻情况，调整模具设计，找到最佳定型模具。图3是DEFORM模拟的三个过程图。

图3 DEFORM模拟的三个过程图

⑵使用新型模具材料，并配合合理的真空炉渗碳热处理和模具表面渗氮工艺。

⑶模具润滑直接影响模具寿命，如果机床冷却能力不能控制住模具升温，生产300～400件产品模具就升温到600℃左右，在此温度下脱模剂附着性很差，模具材料达到红硬性临界点，模具便容易退火打塌报废。

所以在高节奏生产的情况下必须注意模具升温情况，目前有两种方法解决模具温升过快导致的模具报废问题：①在隔工位生产时，每个间隙进行水冷，迅速降低模具温度，使在高节奏，大批量生产时确保模具温度在一个合适的范围；②如果生产为满工位运行，可以使用稀配比和高温静润性好的脱模剂，这种脱模剂在模具高温时仍有优秀的静润性，可以在500℃确保正常生产。

高素质的员工

因为自动化生产线上一个点会牵动全部，所以生产线上所配备的操作人员必须对锻造工艺、设备控制和机械、电气部分非常熟悉、精通，能快速对出现的故障做出准确判定和处置，确保设备能运转好、保养好和使用好。

结束语

热模锻压力机自动线的引进，解决了我公司锻造产能瓶颈的问题，提高了锻件产量和质量，同时减轻了锻造操作工体力劳动的强度，现场工作环境得到很大改善，具有节能、节材、效率高、产品精度高、质量好等优点，是替代传统锻造生产设备的换代产品。在整个中国劳动力红利下降和制造业升级换代的大背景下，相信多工位热模锻压力机自动线将得到广泛的应用和推广。