文／司宗青·蘇州虹逸重工科技有限公司

半軸鍛造目前大多采用加熱—預(yù)鐓—擺輾的單調(diào)方式，人工上下料。這種鍛造方式首先是人工成本高、效率低(特別是大半軸)、勞動強度大、工作環(huán)境差、危險性高；其次是半軸鍛件部分會出現(xiàn)不平整、端面飛邊、毛刺、甚至折疊夾層等鍛造缺陷；最后是半軸法蘭盤端幾何尺寸不一、加工余量大、成本能耗高、且不利于后續(xù)數(shù)控機(jī)加。本文主要介紹一條采用自動化伺服數(shù)控鍛造半軸的生產(chǎn)線。

生產(chǎn)線組成

汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線主要用于汽車半軸的熱輾壓成形自動化生產(chǎn)。此生產(chǎn)線組成設(shè)備主要包括：一臺全自動金屬圓盤鋸床、一套攤鋪儲料臺、三套立式(或斜式)中頻加熱爐、三臺六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人、兩臺除鱗清洗機(jī)、一臺雙動單工位鐓粗機(jī)，一臺雙動雙工位鐓粗機(jī)，一臺臥式擺動輾壓機(jī)、三套石墨乳自動噴淋機(jī)、碼垛桁架機(jī)器人與碼垛筐、安全防護(hù)圍欄、模具以及模具快換機(jī)構(gòu)、一套總線控制設(shè)備的高度集成系統(tǒng)等組成。其汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線布置總圖、三維圖、實物照分別見圖1、圖2、圖3。

圖1 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線布置總圖

圖2 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線三維圖

圖3 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線現(xiàn)場圖

工藝流程

人工將成捆棒料用行車吊入全自動金屬圓盤鋸床中，自動下料分檢到攤鋪儲料臺；攤鋪儲料臺含有輸送與定位等裝置便于1#機(jī)器人抓取，1#機(jī)器人抓取棒料旋轉(zhuǎn)立式放置到花鍵加熱爐中；到溫度后，1#機(jī)器人抓取放到除鱗清洗機(jī)1#去除氧化皮，接著把工件放置到雙動單工位鐓粗機(jī)開始預(yù)鐓花鍵；預(yù)鐓花鍵結(jié)束后，2#機(jī)器人抓取工件旋轉(zhuǎn)調(diào)頭放置到半軸加熱爐中加熱，到溫度后，2#機(jī)器人抓取工件，放置到雙動雙工位鐓粗機(jī)開始預(yù)鐓半軸(蘑菇頭)；預(yù)鐓半軸結(jié)束后，3#機(jī)器人抓取工件放到除鱗清洗機(jī)2#去除氧化皮，接著把工件放置到臥式擺動輾壓機(jī)開始擺輾法蘭盤；擺輾法蘭盤結(jié)束后，3#機(jī)器人抓取工件放置在碼垛臺上，由碼垛桁架機(jī)器人與碼垛筐自動完成工件的碼垛；最后人工取走碼垛筐。整個自動化工作完成(不同工件動作順序均可自行調(diào)整)。汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線的工藝流程圖見圖4。

圖4 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線的工藝流程圖

生產(chǎn)線特點

此自動化線主要用于汽車半軸的熱輾壓成形自動化生產(chǎn)。主要特點：外形美觀、伺服數(shù)顯數(shù)控使人機(jī)可視交換更便捷直觀、節(jié)能降耗、噪聲低、節(jié)省人力、標(biāo)準(zhǔn)通用化、精度高、效率高、自動集成化高、通訊網(wǎng)絡(luò)智能化高等優(yōu)點。且實現(xiàn)了鍛造工件質(zhì)量一致穩(wěn)定性與可靠性，便于后續(xù)數(shù)控機(jī)加。

⑴該生產(chǎn)線中液壓機(jī)具有各自獨立的動力機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)，采用PLC、觸摸屏等自動控制顯示，便于單機(jī)調(diào)試，同時整線設(shè)有總控制操作臺，集中控制操作，觸摸屏可實時監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備的運行狀態(tài)、各種參數(shù)、及時報告設(shè)備故障。

①液壓機(jī)的工作壓力、行程范圍可根據(jù)工藝需要進(jìn)行調(diào)整。工作時滑塊可在行程范圍內(nèi)任意位置停止或急回。同時可實現(xiàn)點動、雙手單次循環(huán)、聯(lián)動三種操作方式。

②油泵電機(jī)組均采用伺服，并設(shè)有壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、觸摸屏等，使整線具有高精度、高可靠性、高效率、低噪聲、低沖擊等特點。另外油泵采用高低壓結(jié)合的雙聯(lián)油泵(即一個伺服電機(jī)帶兩個油泵)可實現(xiàn)滑塊快速回程；同時具有電耗節(jié)能30%以上，系統(tǒng)反應(yīng)周期約0.3ms，以及控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字一體化等優(yōu)點。

③基本參數(shù)：整線設(shè)備總功率約為1750kW(加熱爐1350kW)；節(jié)拍小于等于55 秒/件；切換調(diào)試時間小于等于20 分鐘；工件材料：40Cr、42CrMo；重量5 ～40kg；工件桿長范圍：800 ～1400mm；下料長度0 ～1800mm；材料直徑φ20 ～φ62mm；最大加熱長度600mm；占地面積約為：20m×10m(長×寬)。

⑵自動化連線PLC 與各種智能傳感器和閥體通過Profibus 總線通訊。自動化連線PLC 與壓力機(jī)PLC 之間的互鎖信號通過Profibus 總線的方式進(jìn)行連接，連線PLC 與機(jī)器人控制系統(tǒng)之間通過Profibus 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時機(jī)器人控制系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，供編程使用。自動化系統(tǒng)優(yōu)先選用西門子或其他等效的總線保護(hù)系統(tǒng)。配備完善的安全裝置，實時控制顯示安全區(qū)域狀況，及時發(fā)出聲光報警信號或停機(jī)。

上位監(jiān)控機(jī)與自動化整線PLC 采用工業(yè)以太網(wǎng)方式通訊，對整線設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。實時運行狀態(tài)檢測：系統(tǒng)能直觀、實時、正確地顯示整線的監(jiān)控對象的工作狀態(tài)及運行參數(shù)，并能進(jìn)行相應(yīng)的操作。便于后期網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控，快速維護(hù)保養(yǎng)。

⑶傳統(tǒng)半軸鍛件采用人工上下料，勞動強度大、成本高、效率低、危險性高、成形缺陷、加工余量大等。本生產(chǎn)線半軸鍛造具有以下優(yōu)點：①半軸法蘭盤鍛造變形均勻，金屬流線好、工件質(zhì)量高、穩(wěn)定性強；②現(xiàn)整線只需1 ～2 人巡視與吊運工件，同時大大降低人工勞動強度，提高生產(chǎn)效率(特別適合大半軸)；③無飛邊、毛刺等鍛造缺陷、幾何尺寸穩(wěn)定性強、加工余量小、節(jié)能降耗、自動化程度高，便于實現(xiàn)后續(xù)數(shù)控機(jī)加；④本生產(chǎn)線較常規(guī)鍛壓設(shè)備具有節(jié)能減排、提高模具壽命等特點；⑤鍛造節(jié)奏自動控制，保證始(終)鍛溫度的一致性，確保鍛造工件質(zhì)量一致穩(wěn)定性與尺寸可靠性。

⑷全自動金屬圓盤鋸床75NC 的床身為高剛性基體鑄造結(jié)構(gòu)，專為管棒料精密切斷設(shè)計。高剛性高精度主軸齒輪箱配合齒隙消除機(jī)構(gòu)，使進(jìn)刀穩(wěn)定，大幅提高刀具壽命；原帶鋸床每片可鋸削3 ～5m2，現(xiàn)圓盤鋸每片可鋸削25 ～30m2，修磨后還可鋸削13 ～15m2；一鍵啟動，對話式觸摸輸入，操作簡單快捷；每齒進(jìn)給量為0.05 ～0.1mm，鋸料長度誤差在0.2mm，伺服進(jìn)刀與送料系統(tǒng)切割精準(zhǔn)；鋸斷時間8 秒，送料時間10 秒，總時間為18 秒，所以切削速度是傳統(tǒng)鋸床的5 倍；主軸的轉(zhuǎn)速有無極調(diào)速功能，可同時鋸多種規(guī)格的棒料，且最后一根具有檢查長度和分檢料頭的功能。

切割夾鉗采用三點式萬能夾持方式，不同外形材料無需更換夾持裝置；配置有準(zhǔn)干式鋸片潤滑冷卻裝置，提高鋸片使用壽命；采用可調(diào)節(jié)高剛性鋸片穩(wěn)定器，完全防止了圓鋸片的振顫、偏擺，鋸切精度高；設(shè)備符合JB/T 3364.2-2011《圓鋸床 第二部分：精度檢驗》、JB/T 3364.3-2011《圓鋸床 第三部分：技術(shù)條件》、JB/T 3364.4-2011《圓鋸床主軸端部連接尺寸》、GB 16454-2008《金屬鋸床安全防護(hù)技術(shù)條件》等國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

⑸除鱗清洗機(jī)通過除鱗噴嘴形成扇形高壓水幕，半軸加熱部位通過高壓水幕，氧化皮被切割、急冷收縮，與毛坯脫離。水通過過濾循環(huán)使用，耗電低；整機(jī)采用304 不銹鋼；進(jìn)出口采用整體式焊接，平行度高；維護(hù)簡單方便；整體式罩殼，保護(hù)水泵電機(jī)；相對于常規(guī)除鱗機(jī)流量大，全方位處理氧化皮，降溫少。

⑹庫卡機(jī)器人本體(6 軸獨立關(guān)節(jié)型)在充分了解加熱爐動作及關(guān)節(jié)機(jī)器人運行動作的前提下，完成自動上下料系統(tǒng)的集成、通訊走線及安全防護(hù)，能完全滿足自動上下料系統(tǒng)的要求。夾持棒料采用獨立的液壓手抓，保證在運轉(zhuǎn)中不會因夾持力不夠而出問題。

⑺中頻加熱設(shè)備采用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)及部件，節(jié)能環(huán)保、自動化程度高、方便簡捷、安全可靠、設(shè)備穩(wěn)定、易維護(hù)維修等。同時中頻加熱爐以及整線含有電能能耗的顯示與采集。

①預(yù)鐓前加熱：中頻電源柜與負(fù)載感應(yīng)器采用分體式、多工位結(jié)構(gòu)，獨立式感應(yīng)器組，具備能耗顯示與采集功能。

②設(shè)備加熱頻率與透熱深度、心表溫差有緊密關(guān)系，針對粗細(xì)、長短不同的棒料，可實現(xiàn)使用同一頻率的標(biāo)準(zhǔn)，針對不同工況，進(jìn)行頻率自跟蹤，自適應(yīng)能力，達(dá)到最佳的阻抗匹配，以提高設(shè)備的綜合利用率。

③中頻電源采用全數(shù)字化控制系統(tǒng)，并具有啟動成功率高、抗干擾能力強、運行穩(wěn)定可靠等特點，以提高中頻電源在任何情況下啟動的成功率，避免滿功率啟動或滿載啟動時大電壓或者電流沖擊對設(shè)備主要電氣元器件帶來損壞。

④可實現(xiàn)零壓、帶負(fù)載啟動，啟動成功率為100%。

⑤中頻電源內(nèi)部布局合理，可靠簡潔的線路使設(shè)備操作維修、維護(hù)方便簡單。

⑥中頻電源具有過流、過壓、欠壓、過載、水壓低等保護(hù)與故障自診斷功能。

⑦可根據(jù)負(fù)載的變化匹配。設(shè)備在加熱過程中，常會隨著溫度的變化阻抗增大，輸出功率減小。本套電源控制系統(tǒng)具有自動阻抗調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)負(fù)載的變化自動調(diào)節(jié)阻抗匹配，使電源始終保持高功率輸出。

⑧終鍛前加熱(補溫)：中頻加熱采用機(jī)器人送料和取料。

⑨中頻加熱爐采用立式結(jié)構(gòu)，送料采用步進(jìn)式電機(jī)，長度可調(diào)(程序)。

⑩在爐體半軸加熱(預(yù)鐓蘑菇頭之前)時，另一端花鍵處具有風(fēng)冷裝置，以免在雙動雙工位鐓粗機(jī)鐓粗蘑菇頭時，另一端(花鍵端)變形。

⑻雙動雙工位伺服鐓粗機(jī)適用于鍛造比大，且需要連續(xù)兩次鐓粗成形工藝(也可一次鐓粗成形)。具有一次加熱，在同一臺液壓機(jī)中實現(xiàn)兩次或多次預(yù)鐓(鍛造)的工藝特點。其優(yōu)點是：不受工件鍛造比的約束，能夠一次加熱、鍛造成形；節(jié)約能源；閉式聚料，聚料能力強，模具聚熱減少；提高了生產(chǎn)效率；兩次預(yù)鐓(一次夾緊兩處預(yù)鐓)，保證工件的變形充分且鍛造質(zhì)量好，工件合格率高；便于實現(xiàn)自動化；工位的轉(zhuǎn)換速度平穩(wěn)、定位精度高、使用穩(wěn)定(無反彈)等特點。該設(shè)備具有模具自動冷卻、吹氣、噴石墨等裝置，自動化程度高、穩(wěn)定性好。其雙工位自動換模結(jié)構(gòu)及實物見圖5、圖6。

圖5 雙工位自動換模結(jié)構(gòu)圖

圖6 雙工位自動換模結(jié)構(gòu)實物

①換模推拉油缸由伺服油泵電機(jī)通過二通插裝閥等驅(qū)動，具有壓力、行程數(shù)控數(shù)顯功能，同時具有節(jié)能降噪、精度高等優(yōu)點。

②模具1#和模具2#具有通用性，制造簡單適用，同時便于更換模芯。

③可調(diào)擋鐵機(jī)構(gòu)均布在換模滑塊機(jī)構(gòu)的四角，具有機(jī)械定位的可靠安全性，由碰塊擋鐵、碰塊調(diào)節(jié)塊、碰塊組成，具有可調(diào)后鎖緊功能。

④四套可調(diào)導(dǎo)向?qū)к墮C(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌擋鐵、導(dǎo)軌調(diào)節(jié)塊、導(dǎo)軌、銅導(dǎo)軌板等組合而成。導(dǎo)軌采用四面加長形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，并且導(dǎo)軌間隙均可調(diào)整，對于熱切邊和熱校正時熱輻射不敏感，可保持高的導(dǎo)向精度?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)導(dǎo)軌的高低方向和左右方向保證模具沖桿與模座中心的同軸度，可保證每個導(dǎo)軌面均與導(dǎo)軌板很好的接觸，以提高導(dǎo)軌許用面壓值，并減小摩擦力和提高耐磨度。

⑤兩側(cè)定位中心油缸、錐形沖頭控制機(jī)構(gòu)、定位油缸導(dǎo)軌、錐形凹槽工件結(jié)合，在壓力傳感器以及接近開關(guān)作用下，使模具1#和模具2#之間運動定位精度更高、更可靠穩(wěn)定、安全性更高。

⑥滑塊夾模鎖緊器總共采用8 套，每次在換?；瑝K機(jī)構(gòu)運動時，滑塊夾模鎖緊器都要松開，使得換模滑塊機(jī)構(gòu)與液壓機(jī)滑塊之間有間隙便于移動。同時到位后滑塊夾模鎖緊器要預(yù)緊，保證主機(jī)在壓制工件抖動時，不影響模具1#和模具2#運動精度，不出現(xiàn)損壞模具或影響鍛件同軸度等問題。具有工位轉(zhuǎn)換后使用穩(wěn)定(無反彈)的特點。

⑼采用一臺260t 臥式擺輾機(jī)進(jìn)行法蘭盤終鍛，與傳統(tǒng)的壓力成形相比具有壓力小(1/10 ～1/5)、能耗大大降低、成形金屬流線性好等優(yōu)點。

①液壓馬達(dá)具有柔性擺動輾壓鍛造性，有利保護(hù)設(shè)備零部件；馬達(dá)采用1600ml/r 大排量的曲軸連桿式徑向柱塞液壓馬達(dá)，避免悶車和軸承損壞現(xiàn)象的出現(xiàn)；同時減少工件與模具接觸時間，提高模具使用壽命。

②鍛造變形均勻，金屬流線好，工件質(zhì)量高，可用于少無切削加工，省料節(jié)能。

③油缸系統(tǒng)(壓緊油缸、擺輾油缸)與液壓馬達(dá)系統(tǒng)閥體和油泵電機(jī)組，均為獨立控制系統(tǒng)，便于控制、維護(hù)保養(yǎng)。

④無沖擊，模具受力小，模具壽命長；鍛件無端面飛邊毛刺。

⑤大噸位的壓緊力(315 噸)，保證了分模飛邊的最小化。

⑥主機(jī)前端上下料，操作空間大，便于觀察和機(jī)器人抓取。

⑦改型后的擺輾機(jī)更加便于裝卸模具，并配有模具快換機(jī)構(gòu)。

⑧模具采用大流量低壓水多點冷卻，同時具有自動噴淋石墨乳系統(tǒng)。

⑨伺服油泵電機(jī)組控制采用雙聯(lián)油泵,更加節(jié)能、高效。

⑩水平滑塊采用斜楔式四角“X”形加大接觸面可調(diào)導(dǎo)軌，導(dǎo)軌板采用A3+CuPb10Sn10 復(fù)合材料或銅板，導(dǎo)軌間隙可調(diào)；保證滑塊導(dǎo)向精度，精度保持性好，抗偏載能力強，耐磨性能良好，使用壽命長；滑塊導(dǎo)軌面設(shè)有加油孔自動加油潤滑。

? 擺輾時增設(shè)時間控制器，以免料多，同時擺頭軸承處增設(shè)溫度傳感器。

? 擋料機(jī)構(gòu)要求：擋料時準(zhǔn)確定位且不易損壞，同時具備頂出料功能。

⑽安全防護(hù)圍欄的設(shè)計、制造及控制符合國家安全生產(chǎn)方面的相關(guān)法規(guī)、以確保生產(chǎn)過程上的安全。安全門通過安全鎖(開關(guān))與系統(tǒng)聯(lián)鎖，報警由聲光報警器完成。

結(jié)束語

汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品見圖7。通過對汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計、制造、調(diào)試、驗收等，不僅使我公司的技術(shù)團(tuán)隊更扎實、團(tuán)結(jié)、協(xié)調(diào)，同時使得該線工作人員由原5～6 人，減少到1～2 人，并且勞動強度大大降低；能耗降低至少30%(電耗)、以及石墨用量減少；標(biāo)準(zhǔn)通用化、精度高、智能數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控等特點突出；工件質(zhì)量穩(wěn)定性與可靠性便于后續(xù)數(shù)控機(jī)加。

圖7 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品

作者簡介

司宗青

工程師，主要從事異形軸類、管類零件鐓鍛成形液壓機(jī)及生產(chǎn)線，如汽車半軸自動化生產(chǎn)線、車橋擠壓成形鍛造線、汽車軸管鍛造線、石油鉆桿鐓粗加厚機(jī)、多向鍛造液壓機(jī)、各種模鍛、自由鍛液壓機(jī)以及各種板材成形液壓機(jī)的研發(fā)。

——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第7期

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