HFP2500t热模锻压力机全自动锻造的成套装备与技术

2016-06-21金魏仲太生扬力集团股份有限公司

锻造与冲压 2016年23期

文／金魏，仲太生·扬力集团股份有限公司

文／金魏，仲太生·扬力集团股份有限公司

在“十二五”汽车工业发展规划意见中，对汽车行业提出了提高自主创新能力，掌握关键零部件核心技术，提高节能、环保和安全技术水平等要求；同时，“机械基础零部件”之一的轿车三代轮毂轴承，也是我国机械行业产业振兴及结构优化的重要发展方向。

作为汽车关键零部件的轿车用第三代轮毂轴承单元，轮毂轴承本体、轮毂法兰、高强度螺栓等采用一体化结构设计，轴承单元功能和ABS防抱死系统高度集成，具有预调游隙、终身润滑、密封可靠、结构简单化、拆装方便、安全可靠等优点，目前已经成为轿车轮毂轴承的更新换代产品。但是，受制于我国锻造行业的发展，本生产线交付之前国内还没有中国锻造企业采用中国自己生产的热模锻压力机为锻造主机，并配置多工位精密模具模架和伺服步进式机械手，多工位自动化锻造完成轿车用第三代轮毂轴承单元内外圈的精密热锻。

本成套装备与技术，将以轿车用第三代轮毂轴承单元内、外圈锻件为工艺对象，以新型HFP2500t热模锻压力机为锻造主机，采用多工位精密热锻成形工艺，研制全自动模具模架快速更换和模具自动润滑冷却装置，并选配伺服步进式机械手等，组成具有自主知识产权的高效精密自动化锻造生产线，完成轿车用第三代轮毂轴承内、外圈的全自动高效精密锻造。

HFP2500t新型热模锻压力机的研制

图1 HFP2500t热模锻压力机外形图

在德国引进的技术基础上，结合多工位精密热锻的工艺特点，参考国内外机械式压力机设计和制造技术的最新趋势，进行了极大的技术改进和品质提升。在标准2500t热模锻压力机的技术基础上，工作台面左右宽度加大到1500mm，可以适应轮毂轴承单元内外圈5个锻造工位的排布；并创造性的研制了齿形导向的闸块式离合器和制动器，提高离合器制动器动作精度和结合性能，并适当加大离合制动扭矩，机床的振动和噪声极大减小；还优化设计了高协调性上下顶出系统、高柔性封闭高度调整系统、机械式防连冲安全机构等。图1为 HFP2500t热模锻压力机外形图。

图2 内圈5工位锻造工步图

轮毂轴承内、外圈多工位精密热锻工艺研究

内圈闭式无飞边精密热锻工艺的研究

⑴工步图设计。

轿车用第三代轮毂轴承内圈工件一般为回转体轴对称零件，部分产品在法兰背面均布设计加强凸台，并且法兰直径一般不超过φ150mm，重量一般不超过3.5kg，该工件采用闭式无飞边锻造工艺，其5工位锻造工步如图2所示。

图2中从左往右依次为：下料，镦粗，预成形，预锻，终锻，冲孔，在热模锻压机上同时完成5个工步的锻造；图中工件的下料重量为2.696kg，冲孔后连皮废料重量为0.076kg，锻件材料利用率为97.2%。

⑵ Deform 3D工艺分析过程。

通过上述工艺设计、工步图绘制，结合实际设计经验，采用Deform 3D模拟软件进行CAE工艺仿真分析，研究变形趋势、锻造力能和模具状态等。分析过程如图3、图4所示。

图3 内圈工艺模拟仿真分析过程

图4 内圈工件锻造力分析

图5 内圈工件实际5工步锻造过程

图6 外圈5工位锻造工步图

⑶实际锻造结果。

图5所示为内圈5个锻造工步照片，从锻件外形来看，充满状况良好且周圈均匀一致，凸模和凹模间隙之间的竖向毛刺也控制在0.5mm以内。在下料过程中精确控制棒料重量和端面尺寸，并且严格控制锻造温度，工件的尺寸偏差较小，锻件厚度一致性较高，压力机配备的吨位计显示的实际锻造吨位也比较稳定，如某下料重量3.26kg、外径φ151mm的轮毂轴承内圈5工位加起来的锻造力基本上稳定在1970t左右，且偏差不超过50t。

图7 外圈工艺模拟仿真分析过程

图8 外圈工件锻造力分析

图9 外圈工件实际5工步锻造过程

外圈开式小飞边精密热锻工艺的研究

⑴工步图设计。

轿车用第三代轮毂轴承外圈工件的基本形状一般为回转体加异形法兰，异形法兰主要有三角状、水滴状和四角弧形凸台状等，其法兰最大对边尺寸一般不超过120mm，重量一般不超过2.5kg，该工件采用开式小飞边锻造工艺，其5工位锻造工步图如图6所示。

图6中从左往右依次是：下料，拍扁，预锻，终锻，冲孔，切边，5个锻造工位同时在热模锻压力机上完成；图中所示的工件下料重量为2.15kg，冲孔、切边后的锻件净重为1.65kg，锻件材料利用率为76.8%。

⑵ Deform 3D工艺分析过程。

通过上述工艺设计、工步图绘制，结合实际设计经验，采用Deform 3D模拟软件进行CAE工艺仿真分析，研究变形趋势、锻造力能和模具状态等。分析过程如图7、图8所示。

⑶实际锻造结果。

图9所示为外圈5个锻造工步照片，从锻件外形来看，充满状况良好且周圈基本均匀一致。并且由于精确控制下料重量和端面尺寸，严格控制锻造温度，工件的尺寸偏差较小，厚度基本一致，压力机配备的吨位计显示的实际锻造吨位也比较稳定，如对边尺寸约120mm的三角形法兰轮毂轴承外圈5工位加起来的锻造力基本上稳定在1550t左右，且偏差不超过50t。

模具模架的设计和制造

通过综合锻造成形理论设计，以及Deform软件模拟仿真分析，设计了多工位精密锻造工艺，并依据多工位锻造工步图，设计了精密锻造模具；还结合热模锻压力机的模具空间，以及模具模架快速更换的机械接口，设计了多工位精密锻造模架（图10）；并且采用高端精密加工设备保证模具和模架的加工制造精度；模具和模架采用模块化设计，更换模具或调整产品时只需要更换少数几个模芯，模具的返修也可以通过等高垫块配模实现多次沉降修模。

图10 多工位精密锻造模具和模架

3T型设置的全自动模具模架快速更换装置的研制

热锻模具的寿命较短，一般为3000～10000次左右，因此经过几个小时的工作，模具需要拆卸下来修整或更换；而热模锻压力机上一般会装配3～5套模具来完成多工位锻造，如果需要将预锻和终锻等4～6个模芯从压力机内部逐个拆卸再重新装配，一般需要2～4个小时才能完成，而且工人操作也极不方便。因此，在热模锻压力机全自动生产线中，还可以配备全自动快速换模装置，节省换模时间，提高产品切换效率，提高设备有效开动率，提高产能，实现热模锻压力机生产线的生产效率最大化。

本生产线中，在压力机内部的工作垫板内设置有模架液压顶升装置和模架液压快速夹持装置；在压力机前方或后侧约3m处，设置有T型全自动快速换模中心（图11）：包括一台自动换模台车，液压升降换模平台，左右两个模架库，移动伸缩升降换模臂等。可以完成备用模架的模芯更换，并储存2套备用模架；液压升降换模平台具备液压托举、液压起吊上模座等功能；液压升降换模平台立柱上设置的三段移动伸缩升降换模臂，可以辅助拆装模芯；两个模架库在液压升降换模平台左右两侧各一个，用于储存备用模架或更换模架时周转使用。该全自动模具模架快速更换装置具备独立的PLC控制系统和操作站，以便工人在自动线工作时修整模具，实现压力机外换模。

图11 液压升降换模平台T型设置的全自动模具模架快速更换装置

模具自动润滑冷却装置的研究

为了对模具进行定点定量精确喷雾冷却润滑，降低模具温度，并在模具型腔表面涂覆锻造润滑剂，在步进式机械手前步进横梁上设置有移动喷嘴，并由机械手PLC控制系统提供信号控制喷雾的启动和停止，可在机械手夹起工件后的移动过程中，慢速运动或中间停止时对上下模具型腔进行喷雾冷却润滑，机械手臂上设置有5组喷嘴，可对5个工位的上下模具同步进行喷雾润滑和冷却（包括镦粗、冲孔和切边工位）。

在预锻和终锻工位附近，通过模架及模筒内部的预制管路，设置有固定式斜向喷雾喷嘴，在机械手夹持工件行走过程中，对预锻和终锻模芯进行喷雾冷却润滑，保证冲头侧面及凹模深处和侧面能够均匀附着润滑剂，且冲头能够快速冷却下来。

生产线连线设计

根据车间设备排布、工艺需求及客户实际技术要求，将生产线从左往右依次排开，上料输送带及自动中频加热炉位于压力机左侧，快速换模装置放置在压力机后侧，整个车间中，还设计了车间自动化物流，锻件送出锻造区域后，通过地下输送带直接送至热处理区域，如图12、图13所示。

结束语

HFP2500t热模锻压力机轿车用第三代轮毂轴承单元内外圈自动锻造生产线，可以完成内、外圈这两种配对零件的自动化多工位锻造，整条生产线中只需要2～3名操作工人，且工人只进行生产线安全巡视及产品巡检等，其生产效率可达15件/分钟，单班产量可达6000件，主体模具寿命也超过6000件，可以大幅提升锻件质量，提高生产效率，降低工人劳动强度，节能减排。

在我国锻造行业中，批量较大的差速器伞齿轮、变速箱直斜齿轮、发动机连杆、等速万向节、传动凸缘等汽车锻件，工程机械的链轨节、支重轮、托举轮，机械工业上的滚动轴承套圈等锻造领域，也都需要高精、高效、高环境友好性的全自动智能化锻造中心；本文的技术成果，可以很好地拓展到其他锻造领域，推动我国机械工业的发展，具有可观的经济效益和社会效益。