淺談鍛造件自動生產線搭配方案

2018年11月30日 公司新聞 464 views

我國現已成為世界汽車最大消費市場和生產國,隨著汽車工業的快速發展,需要提高產能與質量,需要先進、高效、柔性的自動化生產裝備。隨著科技的飛速發展,產品的多方位發展越發迅速,生存周期也越來越短,相關產業的市場競爭趨於白熱化。作為鍛壓機從業者必須要以高質量、低價格、高技術含量為產品的研發目標,方能拔得頭籌。以現在傳統的衝壓生產工藝和製造流程來進行改善,尋求一個最優的生產方案來評估搭配設備投資與生產流程工藝編排,打造自己的核心生產工藝技術,以滿足市場競爭的需求。冷、溫間鍛造成形技術作為高強度零部件的生產工藝最有優勢,對提高企業核心技術競爭力,有效降低高技術含量產品的成本非常重要。同時,一次成形加工漸漸取代粗切削機床加工,傳統加工工藝轉為綠色節能型鍛造加工勢在必行。

適合冷、溫間鍛造零件

汽車的零部件中很多適合冷、溫間鍛造,圖1中變形量比較大的小尺寸鍛造零件,比較適合采用冷、溫鍛製造生產工藝生產。鍛造零件在經過塑性形變後,還保持一定程度上的物理力學性能。

鍛造壓力機與鍛造工藝的關係鍛造壓力機的結構特性

⑴壓力機能力有三大特點。

對代表性的冷、溫間鍛造零件開展研究表明,要鍛造精度合格率高的零件,首先需要了解鍛造壓力機的能力、行程扭矩與工作必要能量等三大主要因素及壓力機的精度特點,方能鍛造出尺寸優良與高精度的零件製品,可參考圖2所示。

圖1 代表性的冷、溫間鍛造零件

圖2 壓力機行程能力曲線圖

⑵壓力機的精度特點與鍛壓零件精度的相互關聯性。

壓力機本身的精度,決定了產品的質量,高精度的壓力機能生產優良的產品,相反精度較差的壓力機其生產的產品合格率很低。壓力機的精度通常分為:空載狀態時的靜態精度和鍛造狀態時的動態精度。圖3所示為壓力機主要的靜態精度分類。

圖3 壓力機主要考慮的靜態精度分類

1)壓力機平行度為滑塊與工作台麵之間的平行度精度,如果此精度不良,鍛造生產時會產生零件尺寸與精度不佳。

2)工作台麵或者滑塊底麵的平麵度誤差如果很大,比如內凹時,會導致零件平麵度不良,更嚴重時會造成模具損壞或者變形。

3)另外還有滑塊中心線與工作台麵之間的垂直度精度影響也很大。當中心線偏斜時,上凸模與下凹模中心偏斜,在長形狀零件進行擠壓加工時會發生形狀精度不佳。

冷、溫間鍛造如果工藝技術和鍛造設備的精度控製良好,其製造零件精度不遜色於機床切削加工。冷、溫間鍛造加工精度一般分類如下:

1)鍛造模具的尺寸精度直接影響製品精度。

一般先通過評核零件與使用模具之間的尺寸偏差範圍大小,再通過校正修配模具的精度。模具通常的最大校正精度上下浮動0.03mm左右。

2)壓力機鍛造狀態的動態精度也影響零件的精度。

壓力機滑塊底麵在下死點位置的精度,通常稱為下死點穩定度。由於彈性變形的存在,此精度有時變化很大,直接影響衝壓零件的底部厚度、凸邊厚度等尺寸精度。

3)鍛造模具的合模精度同樣影響鍛造零件精度。

模具的上下模通常會設計導向機構,比如導柱導套結構,以此來保持合模精度。如果導向機構不夠牢固,精度很差,勢必會使模具合模時產生偏斜,從而造成鍛造零件偏斜、中心不對中、彎曲等現象發生。

對鍛造零件的尺寸和形狀精度造成影響的總體而言有:坯件材料成分缺陷、形狀誤差大、硬度整體不同、熱處理工藝;壓力機的靜態精度和動態精度;鍛造模具衝頭部的磨損、凸凹部的合模、中心修配精度;潤滑所采用的方式和成形綜合外界條件等。尤其是鍛造壓力機的精度影響最為重要,優化和改善壓力機的精度,方能保證和提高鍛造零件的精度,做到鍛造成形的穩定。

冷、溫間鍛造加工工藝的必要工作能量

不同的鍛壓產品其形狀都各不相同,需要根據其形狀確定相應的成形工藝,並根據工藝方法來搭配合適的鍛造壓力機。第一步要了解鍛造零件每一種成形的必要工作能量特點。比如,鐓粗、壓印工藝成形初期負載較輕,到下死點附近負載最大;鍛細工藝成形初期負載大,到下死點附近負載最大;正擠壓或正反複合擠壓成形初期負載最大,往後負載會逐漸減小;反擠壓成形初期負載最大,並維持一定。目前來看,鍛造零件的成形基本為以上所述工藝的組合,皆可以此為選擇搭配鍛造壓力機的參考準則。

如何選用適用的鍛造壓力機冷、溫間鍛造的工藝技術

冷間鍛造工藝是指金屬坯件在不經過加熱,直接在常溫狀態下成形的一種製造工藝。由於物體加熱後隨著溫度的下降會發生熱脹冷縮,其尺寸精度肯定會發生變化。而冷間鍛造沒有經過加熱就成形,其產品的尺寸精度相對來說比溫間鍛造產品更優,它的物理硬化性能也要比溫間鍛造產品佳。汽車的核心運動機構零件一般采用冷間鍛造,這些零件要求高精度,高的核心技術價值成形工藝。這些產品的精度通常受鍛造模具尺寸精度、鍛造壓力機鍛造時的動態精度、鍛造模具合模精度等因素影響。

溫間鍛造工藝是指金屬坯件加熱至低於其本身的再結晶溫度時,再進行鍛造成形作業。金屬坯件經過加熱再冷卻以後,其物理硬化性能會逐漸降低,主要因素是內部晶粒結構在高溫加熱時有所改變受損,這是溫間鍛造製造工藝需要考慮的。所以對於變形量比較大而體積較小的鍛造工件,更適合采用溫間鍛造工藝技術來鍛造生產。讓鍛件在物理硬化性能受很小影響的同時又能發生塑性變形,滿足成形需求。

溫間鍛造工藝技術的原理基礎是:金屬坯件在加熱到變形抗力降到隻有原來三分之一時有利於進行塑形變形,但硬化性能還沒有產生較大改變。根據這一理論表述,加熱溫度控製在150℃~900℃之間,基本上僅需要一次塑性變形就能完成,達到溫間鍛造一次成形的工藝技術要求。

隨著鍛造工藝技術的改進發展,溫間鍛造成形工藝得到越來越多的應用,尤其在汽車行業鍛造零件的製造工藝改良上。圖4為多方向擠壓鍛造模具配合我公司KT係列曲軸肘節式壓力機溫間鍛造成形工藝的實際生產實例。

綜合以上冷、溫間鍛造工藝的特點,可以將各類型鍛件與鍛造工藝搭配成形的零件精度歸納如下:對於形狀不是很複雜的零件選用冷鍛工藝,在常溫下進行鍛造,坯件變形抗力大,成形工位數多,成品零件表麵粗糙度小於6s,其精度範圍0.025~0.1;對於形狀很複雜或較複雜的零件選用溫鍛工藝,在150℃~900℃的溫度下進行鍛造,坯件變形抗力較小,成形工位數少,成品零件表麵粗糙度小於9s,其精度範圍0.05~0.2。

選配適合的鍛造壓力機

我公司製造的KT係列250~1000t曲軸肘節式冷溫間鍛造壓力機,可多工位連續自動化生產,適用於小齒輪、長軸套等擠壓成形, 采用自動化生產方式,相比單一工程,生產效率提升3倍。其加工效率高,能滿足產品高質量及高精密的技術要求,在未來的鍛造生產行業將起到舉足輕重的作用。

圖5為肘節式連杆傳動結構,其連杆比采用運動仿真設計,達到最佳運動曲線,隨著下死點的接近,滑塊之運動速度會明顯減緩,下死點附近150°~210°範圍內滑塊處於下死點位置,而210°後滑塊又快速回升。圖6為肘節式機構滑塊運動曲線圖。

圖4 溫間鍛造工藝實例

圖5 曲軸肘節式傳動結構

冷、溫間鍛造自動化生產線規劃簡述

以單台鍛造壓力機自動化生產線規劃為例,其自動化生產線一般由料架、矯正機、棒料切割機、鍛造壓力機、外圍自動化設備組成。圖7為自動化生產規劃線展示圖。

圖6 肘節式鍛造壓力機滑塊運動曲線

圖7 自動化生產線規劃圖

鍛造工藝外圍搭配新型鍛造模具開發

傳統鍛造模具為一體模腔,其凸模為一個整體,凹模也是整體結構,鍛造合模時成形的鍛件邊料較多,需要進行後續加工方能滿足製作要求。而新型的鍛造模具技術,為無毛邊料的鍛造工藝,節省下料重量與加工,近十年來在國外各式各樣之複動化鍛造模塊陸續被開發出來。

圖8為新型鍛造工藝模具的原理示意圖,每一個坐標方向衝頭都是以相同速度相向擠入模腔成形,從而形成三個軸向正反方向運動成形的鍛造模式。在鍛造成形的過程中,上下模在壓力機的上下部機械頂料機構的支撐下,一直處於合模狀態,所以坯件始終是在密閉模腔中鍛造擠壓成形的,因此可以鍛造出無毛邊料的鍛件。為了配合進行鍛造驗證,我公司開發了KT-400肘節式鍛造壓力機進行驗證。鍛造結果表明此模具的設計方案可行,可滿足三個工位模具進行鍛造,下部頂料機構可提供30噸的支撐力,壓機精度小於JIS 1級,運行穩定,噪聲值<78dB。目前已經全麵推廣,對多軸類的鍛件、內輪鍛件、十字軸鍛件等品質、精度有大大的提升,進一步增強了鍛壓設備及鍛造工藝技術的市場競爭力。

圖8 新型模具原理示意

前工程處理設備

在進行溫間鍛造之前,鍛造坯件需要進行前工程的處理,主要包括加熱處理和表麵處理。加熱處理設備主要有高周波感應加熱爐(圖9),可以將坯料加熱至成形所需要的溫度。在溫間鍛造時,鍛件在發生塑性變形的同時,其內部應力也有所提高。此時必須先將坯件進行退火處理,以降低其內部應力,然後方可進行後續加工。

圖9 高周波感應加熱爐

在進行鍛造時,模具與鍛件之間有相對運動,就會產生摩擦阻力,這對鍛造加工是不利的。所以就需要表麵處理設備在冷間鍛造前進行坯件的表麵處理,以降低坯件的表麵摩擦阻力。其原理就是降低鍛造時鍛件與模具之間的摩擦係數,從而降低模具的磨損,增加其使用壽命,提升了冷間鍛造工藝的經濟價值。而且對於鍛造產品來說,它的尺寸外形精度大大提高,鍛造時坯件材料的流動速度有所提高,鍛件表麵更加平整、光滑、勻稱,為後續的加工工序奠定了良好的基礎條件。另外除了進行表麵處理外,還可以在進行鍛造時配合使用潤滑液,更好的減小摩擦阻力,讓塑性變形的效果更佳。

結論

鍛造工藝是一種精密塑性成形技術,具有切削加工無可比擬的優點,如機械性能好,生產效率和材料利用率高等,特別適合於大批量生產,而且可以作為最終產品的製造工藝,在交通運輸車輛、航空航天和機床工業等行業具有廣泛的應用。本自動化生產搭配方案在投入市場後,根據客戶反映,市場情況以及前沿技術的發展,進一步開展技術改進,降低成本,提高產品性能和穩定性,增強鍛造設備及鍛造工藝技術的市場競爭力。而對於鍛造生產線的搭配,隻要根據鍛件特點,結合鍛造壓力機的性能及精度特點,選用適合的鍛造工藝方式,並選配適當的外圍自動化設備,就能構建高效率、高性能的鍛件自動化生產線。這對鍛造工藝技術的發展,也將起到革命性的改變。

作者簡介

餘紹虎,金豐(中國)機械工業有限公司研發部機械設計課課長,主要從事壓力機開發設計,衝壓生產研究等工作,曾主導完成壓力機自動設計程序係統開發,多連杆壓力機結構優化改造等項目。先後獲得4項實用新型專利、3項發明專利。

本文摘自《鍛造與衝壓》雜誌2018.21

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