异形件多工位一次成型技术的研究及应用

唐志文

摘 要：本文针对异型件采用冲床分序挤压工艺存在：工序复杂、工装模具多、制造周期长、效率低、成本高、质量不稳定等问题，开发了多工位冷成型机及相关设备，使冲床分序挤压缩减为冷镦一道工序，达到提升效率、优化工艺流程、缩短制造周期、提高劳动生产率、降低劳动强度、降低制造成本、提高产品质量。

关键词：异型件；多工位；一次成型；新工艺；新装备

中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）04-0103-07

Abstract： This article in view of special-shaped parts adopt punch step by step extrusion process is complex working procedure、a large number of tooling、long manufacturing cycle、low efficiency、high cost、unstable quality， Multi station cold forming machine and related equipment was developed， Punch step by step extrusion process reduced to cold heading a process， So as to improve production efficiency、optimize process flow、shorten manufacturing cycle、improve labor productivity、reduce labor intensity of workers、reduce manufacturing cost、improve product quality.

Key Words： special-shaped parts；multi station；one time forming；new techniques；new equipment

1 引言

车轮内螺母系列为东风商用车公司重载主力车型：东风大力神、天龙、天锦专用零件，是连接汽车车轮轮毂和轮辐关键零件。

汽车车轮内螺母俗称杯帽，因规格大、成型复杂，精度高，建厂四十多年来一直采用冲床分序挤压工艺，仅冷成型就达9道工序。由于市场竞争愈加激烈，用户对产品质量、交货期、价格的要求越来越高，原产品存在工序多、工装模具多、制造周期长、劳动生产率低、成本高、质量不稳定等问题，已不能满足市场要求，成为公司效率、效益的瓶颈。为此，公司根据现有产品加工方式及市场需求，为了效率提升而下达了本课题。

因投入大，技术要求高，目前，该产品在同行业绝大多数还是采用冲床分序挤压或烘打后再切削加工。

为抢占市场先机，提高行业竞争力，有必要开发出新工艺、新装备，提升紧固件研发制造水平。

2 原分序挤压状况

杯帽产品图见图1。其原材料用ML20Cr，￠27.5，采用6米长左右棒材，冷成型前，材料需经退火、磷化、冷拔处理。

2.1 分序挤压工艺

该产品所有工艺流程为：剪料→整形→清洗→退火→磷化→预成形→挤孔→缩径→滚光→车切颈部及外圆→攻螺纹→清洗→吹内螺纹铁屑→滚螺纹→热处理→电镀，共16道工序。

其中，前9道工序达到镦挤成型目的，见图2，因该工件结构复杂，镦锻力大，现有设备只能采用冲床分序挤压落后工艺，相应配置设备如下：

1、剪料——闭式单点压力机JA31-160A

2、整形——金属挤压机J87-250

3、清洗——螺旋清洗机52225

4、退火——井式渗碳炉JT-105

5、磷化——磷化自动线

6、预成形——金属挤压机J87-400

7、挤孔——金属挤压机J87-250

8、缩径——闭式单点压力机J31-100

9、滚光——滚光机8720

2.2 存在的问题

从分序挤压工艺流程及装备配置来看，存在问题如下：

1）OEE值仅45%左右，效率低；

2）挤压机多数产于70年代，精度差，生产的零件孔偏心，质量不稳定；

3）设备老化結构落后，故障率高，维护成本高；

4）作业人员全手工操作，劳动强度大；

5）冲床作业存在安全风险，极易发生人员伤害；

6）工序多，设备运行、模具、工装、物流、人工等综合成本高。

2.3 解决措施

针对以上存在的问题，我们究其原因主要是工序多，设备老化，自动化程度低造成，因此，我们淘汰原分序加工老式工艺装备，开发了大规格多工位冷成型机及相关辅助设施，使分序加工缩减为一道工序，从而提升效率，降低成本，提高产品质量。

3 一次镦挤成型工艺

多工位冷成型机是一种可以完成少无切削的冷镦、冷挤工作，将盘圆线材按设计要求通过模具加工成一定形状零件的高效率自动化锻压设备。有3～8工位，用于生产螺帽类零件、螺栓类零件、套筒、非标异型件，具有精度高、效率高、高稳定性、高可靠性，材料利用率高等特性，可加工形状复杂而其它方法又难以完成的零件，直接使用盘圆线材，单机设备上多工位一次成型。特别是近几年来，随着大吨位多工位冷成型机（螺帽M27以上）的投入使用，使原有分序加工简化成一次镦挤成型成为可能。

目前，我公司分序挤压或工序外委的产品主要有杯帽、法兰面螺母K2000、紧固前制动鼓和轮毂螺母，下面以杯帽为例介绍其加工工艺。

该设备采用冷镦方式将盘圆线材多工位自动镦制一次成型所需的尺寸，即将原来分序挤压前9道工序缩减为冷镦一道工序。

盘圆线材首先由设备主机送料前端配置的盘料卧式开卷机自动开卷、校直，校直后送入主机送料部位，经过辊轮传动进料，到位后，剪切机构的切料刀杆将剪断的料段送到第一工位，依次整平、整形、预成形、成形、挤孔、终成形六个工位一机完成。见图3，每个工位的工件由机床张闭式夹钳自动传送。

4 一次镦挤成型系列新装备

开发了多工位冷成型机、自动状态监控系统、盘料卧式开卷机、手持式盘圆线材料头校直机、盘圆线材料头自动倒角机等新装备，提高装备水平满足新工艺要求，提升效率；另外，还改造了油烟净化装置，使所有的冷成型机油烟集中回收处理，达标排放。现做重点介绍。

4.1 多工位冷成型机

4.1.1 多工位冷成型机概要

开发了多工位冷成型机，完成盘圆线材到毛坯一次镦挤成型。该设备属非标设备，用于非标异型冷镦零件的生产，如螺帽类零件最大可镦制标准M27螺帽，即对边尺寸41mm，它采用大料小变形的冷成形工艺，因而质量较好，配备自动安全检出装置，可自动检测出夹钳转送、阳、阴模顶出、润滑、机床过载、油量控制、气压系统、短料等机器主要机构工作状态及故障显示，主电机配置进口变频器，PLC控制系统，可实现机器生产速度的无级调速，配阳模顶出机构，可满足特殊零件的生产需求，该机有一个切断工位和六个成形工位，从线材到制件毛坯全部自动化连续一次成型。

4.1.2 设备主要技术参数

1）工位数：6个（不包括切料工位）；

2）最大切料直径：φ41mm；

3）最大切料长度：90mm；

4）最大阳模顶出长度：50mm；

5）最大凹模顶出长度：80mm；

6）设备总锻造吨位：7800KN；

7）最高生产率：55pcs/min；

4.1.3 设备结构及工作原理

该设备由床身、主传动、滑块、制动器、送料机构、切断机构、夹钳机构、凸模顶出机构、凹模顶出机构、润滑系统、冷却系统、气动系统、电气控制系统等组成。见图4。

本机工作原理：本机器由电动机通过二级皮带传动带动曲轴工作，曲轴回转驱动主滑块作往复运动完成镦锻工作，曲轴一端偏心盘驱动大拉杆带动切断凸轮板往复运动，完成切料、夹钳传动工作，曲轴飞轮一端偏心盘驱动大拉杆带动顶出摆架摆动，完成凹模顶出工作，伺服马达驱动带动减速机齿轮单独完成送料。

4.1.3.1 凸模顶出机构

该机在滑块部位还增加了凸模顶出机构，见图4中①，以满足特殊零件的生产，凸模顶出机构包括连杆、小拉杆、凸轮、摆叉、顶出杆等。

顶出连杆固定在主滑块大连杆上，它随着主滑块大连杆的运动而摆动，从而驱动小拉杆、凸轮、摆叉摆动，推动顶出杆顶出凸模中的零件。

4.1.3.2 夹钳机构

其夹钳机构负责坯料转送工作，见图4中②，它由移动凸轮、连杆、钳架、钳体、扇形齿轮、定齿轮等组成。

钳架由两个铰链联接，切断机构与夹钳机构动力都来自切断凸轮板的往复运动，它推动连杆、钳架前后摆动，钳架上有6把夹钳，每把钳体顶端分别装有扇形齿轮，与它啮合的定齿轮固定在床身支座上，钳架摆动时，6把夹钳做180度翻转运动；当不安装扇形齿轮时，该钳体就不翻转，夹钳做圆弧平移运动。

遇特殊工件，需夹钳张开时，在夹钳对应滑块的位置上装有开钳器，开钳器设置锥度，钳体处设置斜面，通过撞击方式使夹钳张开，弹簧自动复位。实现了每把夹钳独立调整功能。

4.1.3.3 送料機构

该机器采用独特的伺服电机驱动送料机构，相比传统的滚柱式超越离合器、楔块式超越离合器、棘轮棘爪式离合器它有着操作方便、快捷、精准等优势。

送料机构由伺服电机、减速器、齿轮、送料轮等组成，见图5。

送料轮由两个平行的上送料轮1和下送料轮3组成。下送料轮固定，上送料轮、主轴整体装在四方滑座上，可以上下活动，通过螺丝调节它与下送料轮之间的距离，两个下送料轮轴上的齿轮4都与过桥齿轮5啮合，工作时伺服电机带动减速器齿轮6旋转，从而带动齿轮5、4、2转动，驱动两个送料轮转动，送料轮的圆弧凹槽靠摩擦力将线材送入切料模孔内。伺服电机由设备PLC控制，其信号由固定在设备上的传感器发出，调整送料长短时，只需调整操作面板上的参数值即可。

4.1.3.4 润滑系统

本机主要是集中压力润滑。该润滑系统在底座上有单独油箱和电动齿轮泵，用来润滑轴承和各机构主要滑动部分，在油箱中有油面指示器，当油面过低时设备断电停机，此时应向油箱中补充加油。

尤其是曲轴滑块部位还增加了润滑温控报警装置，起安全保护作用，该装置包括温度传感器及温控表，见图6。

在曲轴连杆铜套、铜瓦的4个点加装了温度传感器及温控表，定时显示4个点的温度，当某处润滑异常时，温度升高，一旦超过仪表设定上限值（50℃），机床报警停机，及时处理，排除故障，以防设备事故的发生。

4.1.4 设备的特点

多工位冷成型机替代冲床分序挤压使用后，其优点表现在：

1）盘圆线材相比棒料，材料利用率提高15%；

2）实现自动化，大大降低工人劳动强度；

3）设备安全防护装置齐全，减轻了噪音及人身意外伤害；

4）缩短生产工序，减少了设备投入、中间工序物流运输及人工成本；

5）设备配置工作状态及故障显示，避免不良品的发生；

6）分序挤压采用石墨拌机油润滑易堵塞油路，而多工位冷成型机采用稀油润滑、冷却，不会堵塞油路；

7）OEE达63%，相比原来提高18%。

4.2 自动状态监控系统

开发了冷成型机在线监控设备，选用德国Brankamp eco 600-6自动状态监控系统，它可以保护设备模具，提高生产效率，减少废品，节约设备维修费用和操作人员培训时间，提高产品质量，保证产品100%合格率，同时具有好坏产品不停机分选功能和在线监控可视化效果。

它由6支传感器、1块监控仪表组成。传感器分别安装在冷成型机6个工位的阳模垫板上，实时采集每个工位的镦锻力数据即受力曲线，进行分析、检测、控制，见图7。

监控系统主要功能：

1）保护机器：镦锻力的检测用于设备过载保护和任何微小误差发现功能，在造成设备损害前监测系统会立即发现；

2）保护模具：模具的变形（冲头磨损、残缺、开裂）或安装不到位等，避免模具受损，延长使用寿命；

3）确保产品质量：100%在线全过程监测，出现不合格产品会分选，出现短料会自动停机；

4）提高生产效率：减少停机时间，提高生产效率；

5）降低维修成本：通过监测设备可监控设备和模具破损；

6）节约人力成本：全自动控制，操作简单易学；

7）辅助调机：操作人员可以根据Brankamp存储信息辅助调机；

8）控制原材料质量：不合格原材料可以通过设备力的变化鉴定；

9）提高企业管理水平：Brankamp Factory M 管理软件和强大的生产数据存储和分析功能；

10）可以对工厂设备运行和生产数据进行统一管理并可提供日月季度报表；

4.3 盘料卧式开卷机

盘料卧式开卷机用于盘圆线材的自动开卷、校直，它主要由床身、主传动、料筒、压料轮、校直轮组成。图8是盘料卧式开卷机工作原理示意图，大盘料通常由钢带扎紧，自重约2吨，直径1300mm，操作工首先将材料吊到开卷机的料筒上，用断线钳剪断钢带，用手持式盘圆线材料头校直机将料头校直，再塞入压料轮，上压料轮气缸通气下移将材料压紧，启动按钮，主传动减速机通过链轮传动驱动上压料轮逆时针旋转将材料送入校直轮校直，最后送进设备主机的送料机构。

4.4 手持式盘圆线材料头校直机

手持式盘圆线材料头校直机用于盘料料头部分的自动校直。盘料卧式开卷机中压料轮与校直轮之间有一定的间距，弯曲的盘圆线材料头需扳直大于此间距长度后才能送入开卷机。对于材料直径小于25mm，用套管套住料头人工扳直容易实现；但对于材料直径较大，如￠25～40mm，人工扳直效率低，劳动强度大。

外采手提式液压校直机虽可满足要求，但它存在体积大，价格高，受温度变化影响大，易泄漏，功率大，能耗高等问题。为此开发了一种新型手持式盘圆线材料头校直机设备，采用气液增压原理，达到“出力大，速度快，精度高，寿命长，价格低，无泄漏，节能源”等优点。

该设备以纯气压作为动力源，利用增压器大小活塞截面积之比及帕斯卡能源守衡原理，将低气压提高数十倍供应油压缸，油压缸伸出时的推力迫使圆钢弯曲校直。与传统的纯液压弯曲校直方式相比，更节能、更环保、更经济。

该设备已申报实用新型专利并被国家专利局授权，专利号：ZL201420105986.4。

4.5 盘圆线材料头自动倒角机

盘圆线材料头自动倒角机用于盘料料头部分的自动倒角。盘圆线材开卷校直后，料头端面不够平整，还不能直接送入设备主机，因而在开卷卧式料架前端还设有砂轮切割机切除料头，以达到端面平整的目的，砂轮切割后的断面会产生毛边或毛刺，不便于材料输送到设备主机割料模孔内，传统做法是手工修锉的方式去除毛刺，对于直径在￠25～40mm大规格材料来说，采用人工方式既费时又费力。因而，开发了自动倒角机。

该倒角机采用气缸驱动，刀片旋转车削的方式，对盘圆线材料头外圆实现自动倒角，改变了传统人工用锉刀修锉的方式，从而降低工人劳动强度，提高生产效率。

该设备已申报实用新型专利并被国家专利局授权，专利号：ZL201620787483.9。

4.6 油烟净化装置

设备原有油烟处理效果：冷成型机产生的油烟很大，由于通风系统设计缺陷，油烟收集装置采用滤袋式结构不合理、易堵塞，滤袋更换频繁，维护成本高，通风效果差，导致烟气超标排放，员工劳动条件差。

开发了新型油烟净化器，选用旋风式油烟处理系统，它采用多管油雾旋风分离器收集油雾，旋风分离器上部为油雾凝聚器，填充有促进油雾凝聚的填料，当油雾进入之后会凝聚成较大的油滴，旋风塔内安装有多只子旋风，油雾自上部凝聚后均匀进入子旋风內，油雾在子旋风内高速旋转，将油雾颗粒抛至旋风壁凝聚，从而将油雾去除。回收的油可循环使用，有效解决了油烟的收集处理问题，见图9，达到以下效果：

a、作业环境油烟符合GBZ2-2002《工作场所有害因素职业接触限值》标准。

b、油烟净化后排放标准：符合GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》，排放气体中颗粒物最高允许排放速率为一级2.1kg/h，且最高允许排放浓度应≤20mg/m3。

5 效果与经济效益

该项目实施一年来，我们从技术性、经济性进行了分析，效果明显，可以从以下几方面说明：

5.1 国内外同类技术比较

从表中1看出，本项目研究成果与国外同类技术相当，且某些辅助工具或后序工艺更优，达到了国际先进水平。

5.2 直接经济效益

自2016年该项目实施以来，经统计，杯帽缩减工序后及收回的外委零件，年降成本达345.96万元，经济效益明显。

5.3 间接效益

1、效率提升

本项目由分序加工缩减为一道工序，现代自动化装备替代原有老式装备，OEE提升18%，劳动生产率提高，产能增加，也为开拓外部市场创造了有利条件。

2、节能

缩减工序后，淘汰十多台效率低、能耗高的设备，维持运转的能源消耗明显降低。

3、环保

一方面冷成型机产生的烟雾通过新型油烟净化器的集中处理达标排放，解决了对作业人员的伤害，大大改善了作业环境；另一方面，淘汰冲床分序挤压设备后，噪音由95分贝降到85分贝以下，夜间噪音扰民现象得到遏制，环保价值巨大。

4、安全本质化

本项目实现了各工序自动化，避免了冲床手工操作，有利于操作人员的安全，降低了人员的劳动强度。

5、物流优化

重新规划螺帽车间设备平面布置，优化各工序流转线路，努力做到物流成本最低。

6、品质提升

本项目精简工序且用自动化装备替代了手工加工方式，消除了人为因素可能造成的风险，进而提高产品质量。

6 结束语

通过开发大规格多工位冷成型机，淘汰原分序加工设备，使分序加工缩减为一道工序，从而提升效率，降低成本，提高产品质量。随着市场竞争日益激烈，客户的要求越来越高，大规格高强度螺母和异型件等精密锻件的应用也将越来越多，其推广应用前景广阔。对于提升我公司异型件研发能力和制造水平，扩大市场占有率也具有重要意义。

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