带颈对焊连接法兰热模锻成形及自动化生产线

文／董云龙，刘允良，潘文东，王政通，牛余兵·伊莱特能源装备股份有限公司

带颈对焊连接法兰热模锻成形及自动化生产工艺，是一种高效、低耗、低劳动强度的成形技术，在小法兰锻件实际生产中，具有重要意义。最初的小法兰生产靠煤炭加热，空气锤加模具成形，人工操作效率低，而且锻件各部位余量粗放。随着设备及生产能力的提升，天然气炉加热，摩擦压力机或电动螺旋压力机锻造成形，但仍然存在人工操作效率偏低的问题，余量控制虽有所改善，但产品定位靠人工放置，产品一致性差。

近期，依公司发展要求，对小法兰产品的生产方式做出大胆的调整，通过SolidWorks、Deform软件模拟，数据分析，圆盘锯下料，中频炉加热，电动螺旋压力机预锻、成形，闭式单点压力机落料，过程靠机械手转序，利用余热等温正火，形成一条自动化生产线。减少人工，提高效率，降低材料消耗，实现自动化，为后续加工提供了有利条件。

工艺分析

带颈对焊连接法兰结构分析

由图1 可以看出，产品分为盘部、颈部和内孔三部分，因此产品的成形要考虑这三部分的难度：盘部难点在内孔的最终成形，不允许出现塌角；颈部控制难点在颈口，防止塌角；内孔控制难点在连皮厚度控制与能否顺利脱模。

图1 带颈对焊连接法兰模型

成形步骤分析

由产品结构分析，成形前需要分料预锻，成形后需要将内孔连皮冲掉，因此，锻件的成形可分为预锻、成形、冲孔三步。

定位分析

如果预锻分步，需要在预锻模具间考虑定位，预锻转成形模具需要精确定位，成形转至冲孔也需要定位。定位越简单，则步骤间因定位造成的尺寸误差叠加越少，最终成形毛坯越接近理论尺寸。

机械手转序夹持可行性分析

机械手需准确夹持住每道工序锻打后的毛坯，因此每步锻打后毛坯高度都要高出下模上平面，方可保证机械手准确夹持。

时间节拍分析

加热炉升温时间、预锻及转序时间、成形及转序时间、冲连皮及转序时间，根据每道工序耗时对比，找出工序中最长时间作为节拍，调节剩余工序时间。

变形过程模拟分析

利用SolidWorks 三维软件，参考《模具设计手册》将预锻、成形、冲孔三工步模具及毛坯图画出，装配后生成.stl 格式保存。将转化格式后的装配件导入Deform 模拟软件，设置参数，变形过程模拟如图2 所示。

图2 变形过程模拟

对变形过程、设备能力、尺寸、热处理后性能及组织等数据梳理分析，变形过程走料均匀，无折伤、无缺料问题；设备2500t 完全满足数据分析中2100t 要求，盘厚与总高尺寸比理论要求大1mm，不用减料，可以作为后期模具膨胀的调整量；整个过程金属流线完好，且金属变形大，有足够的锻造比，性能满足客户要求。

工艺方案设计

成品尺寸如图3 所示，净重6.3kg，根据《模具设计手册》，在成品基础加双边3mm 余量，双边4°拔模斜度保证出模顺畅，连皮厚度控制在10mm，用SolidWorks 三维软件计算重8.2kg，加冲料与烧损后下料9.5kg。

图3 成品尺寸

通过前期对工艺分析、模拟分析，设计出合理的工艺方案。

下料工序优化

在以往的锻造模式中，下料通常采用半自动和全自动带锯床，锯条磨损严重，毛坯尺寸一致性差，且效率较低。自动化圆盘锯相对普通锯切设备：自动化程度高，可实现自行上料、锯切、下料；一致性好，尺寸公差可控制在±0.2mm 以内，且锯切面光洁度非常好；效率高，就φ100mm 圆钢锯切时间对比，在保证锯条正常使用寿命的前提下，普通带锯床一个锯口需要300s，圆盘锯只需要30s，显而易见，效率提高10 倍。

加热工序优化

中频加热是少无氧化加热的方法之一，加热效率高，速度快，适合大批量生产。中频加热采用自动上料机构，代替人工；加热温度采用红外检测三路自动筛选，经筛选后坯料温度稳定，同时炉膛内多处测温控制闭环，通过输入出炉温度，中频炉功率自动调整，保证坯料温度稳定，为后续锻造自动化提供条件。

锻造工艺优化

坯料镦粗配高压气路吹除机构，保证加热时产生的氧化皮清除彻底，同时由于提高一次锻造比，经过镦粗、预锻和终锻后，金属的流线基本与锻件的轮廓一致，大大提高了锻件的性能。

实际生产过程与模拟

利用SolidWorks画出装配图，然后导入到Deform模拟软件，对设计方案进行验证与改善。这样能节省试模成本，在模具投入前期，提前发现模具及成形方案存在的问题，大大缩短开发周期。模拟内容：成形情况，有无折叠或填充不满等缺陷；锻造需要的设备能量；锻件应力在模具使用范围内，让模具不至于过快失效。成形过程模拟如图4 所示，满足设计要求。

图4 成形过程模拟

由图5 可以看出，料从加热炉出来后，由第一台机器人取料送至第一台电动螺旋压力机进行预锻，清除氧化皮的同时为成形做准备；预锻完成后，由第一台机器人抓取送至中转台，然后第二台机器人抓取预锻坯，转送至第二台电动螺旋压力机终锻成形；成形后第二台机器人抓取终锻坯，转送至闭式单点冲床将连皮冲掉；最后将毛坯取下放至滑道，滑至毛坯临时存放台，如此循环生产。模具润滑与冷却采用自动喷雾装置，按照生产节拍保证模具寿命，同时提高了产品表面质量。用机器人搬运代替人工搬运，恶劣的环境条件下，保证工人安全作业，大大降低了劳动强度与劳动成本，提高效率和过程质量。

图5 现场设备和机器人布局

采用无飞边闭式模锻，各部尺寸控制严格，后续机加工在效率以及刀片使用量都有显著的改善。利用先进的技术设备降低成本，功率可控的中频加热炉，能量可控的电动螺旋压力机，位置及动作可控的机器人，保证了每一环节稳定可靠，大大降低了劳动强度，同时还保证了产品的一致性，产品合格率达到99.8%以上。终锻载荷、温度场及锻造金属流向见图6。

图6 终锻载荷、温度场及锻造金属流向

综合效益

⑴材料节约：圆盘锯锯切下料，省去因普通锯床锯斜造成额外多加余料；中频炉感应加热，降低烧损；采用无飞边闭式模锻，加工余量大大降低，三方面原因让我们原材料使用量大大降低。

⑵节能降耗：因下料减少，使得多余坯料加热能源消耗相应减少；因余量减小，后续机加工刀片使用量大大减少，同时加工效率大大提高。

⑶质量提高：圆盘锯下料，保证每块料的重量一致性，机器人代替人工，过程稳定性更高。

结束语

随着科学技术飞速发展，传统锻造行业的装备与技术随之不断提升。类似上述法兰类产品，最初生产方式为夹板锤或空气锤锻造，纯人工操作锻件余量大，工人劳动强度大且危险系数高，生产效率低，锻件成材率低；随着锻造设备被快锻压机或摩擦压力机替代，闭式模锻产品余量控制能力得到显著提高，此时的经济效益已经得到明显改善，但由于设备配合精度不足，模锻飞边较大。

现在我公司配置的整条模锻生产线，只需要工人拆装模具，检查产品质量，工人劳动强度大幅度降低；运用模拟技术进行工艺模具验证，有效降低开发成本，机器人转序定位，大大提高过程质量，从下料到锻造完成基本实现自动化，提高了企业核心竞争力，获得较高的效益，是传统产业转型升级的典型案例。