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—預鐓—擺輾的單調方式，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)控鍛造半軸的生產線。

生產線組成

汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線主要用于汽車半軸的熱輾壓成形自動化生產。此生產線組成設備主要包括：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、三臺六軸關節(jié)機器人、兩臺除鱗清洗機、一臺雙動單工位鐓粗機，一臺雙動雙工位鐓粗機，一臺臥式擺動輾壓機、三套石墨乳自動噴淋機、碼垛桁架機器人與碼垛筐、安全防護圍欄、模具以及模具快換機構、一套總線控制設備的高度集成系統(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)控鍛造生產線布置總圖

圖2 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線三維圖

圖3 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線現(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#機器人抓取，1#機器人抓取棒料旋轉立式放置到花鍵加熱爐中；到溫度后，1#機器人抓取放到除鱗清洗機1#去除氧化皮，接著把工件放置到雙動單工位鐓粗機開始預鐓花鍵；預鐓花鍵結束后，2#機器人抓取工件旋轉調頭放置到半軸加熱爐中加熱，到溫度后，2#機器人抓取工件，放置到雙動雙工位鐓粗機開始預鐓半軸(蘑菇頭)；預鐓半軸結束后，3#機器人抓取工件放到除鱗清洗機2#去除氧化皮，接著把工件放置到臥式擺動輾壓機開始擺輾法蘭盤；擺輾法蘭盤結束后，3#機器人抓取工件放置在碼垛臺上，由碼垛桁架機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整)。汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線的工藝流程圖見圖4。

圖4 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線的工藝流程圖

生產線特點

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

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

①液壓機的工作壓力、行程范圍可根據(jù)工藝需要進行調整。工作時滑塊可在行程范圍內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油泵電機組均采用伺服，并設有壓力傳感器、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合的雙聯(lián)油泵(即一個伺服電機帶兩個油泵)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)：整線設備總功率約為1750kW(加熱爐1350kW)；節(jié)拍小于等于55 秒/件；切換調試時間小于等于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PLC 之間的互鎖信號通過Profibus 總線的方式進行連接，連線PLC 與機器人控制系統(tǒng)之間通過Profibus 總線進行數(shù)據(jù)交換。同時機器人控制系統(tǒng)配置標準的以太網接口，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。

上位監(jiān)控機與自動化整線PLC 采用工業(yè)以太網方式通訊，對整線設備進行監(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)，并能進行相應的操作。便于后期網絡遠程操控，快速維護保養(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)控機加；④本生產線較常規(guī)鍛壓設備具有節(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構，專為管棒料精密切斷設計。高剛性高精度主軸齒輪箱配合齒隙消除機構，使進刀穩(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；每齒進給量為0.05 ～0.1mm，鋸料長度誤差在0.2mm，伺服進刀與送料系統(tǒng)切割精準；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；主軸的轉速有無極調速功能，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；配置有準干式鋸片潤滑冷卻裝置，提高鋸片使用壽命；采用可調節(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《金屬鋸床安全防護技術條件》等國家行業(yè)標準。

⑸除鱗清洗機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；整機采用304 不銹鋼；進出口采用整體式焊接，平行度高；維護簡單方便；整體式罩殼，保護水泵電機；相對于常規(guī)除鱗機流量大，全方位處理氧化皮，降溫少。

⑹庫卡機器人本體(6 軸獨立關節(jié)型)在充分了解加熱爐動作及關節(jié)機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，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，保證在運轉中不會因夾持力不夠而出問題。

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

①預鐓前加熱：中頻電源柜與負載感應器采用分體式、多工位結構，獨立式感應器組，具備能耗顯示與采集功能。

②設備加熱頻率與透熱深度、心表溫差有緊密關系，針對粗細、長短不同的棒料，可實現(xiàn)使用同一頻率的標準，針對不同工況，進行頻率自跟蹤，自適應能力，達到最佳的阻抗匹配，以提高設備的綜合利用率。

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備主要電氣元器件帶來損壞。

④可實現(xiàn)零壓、帶負載啟動，啟動成功率為100%。

⑤中頻電源內部布局合理，可靠簡潔的線路使設備操作維修、維護方便簡單。

⑥中頻電源具有過流、過壓、欠壓、過載、水壓低等保護與故障自診斷功能。

⑦可根據(jù)負載的變化匹配。設備在加熱過程中，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)具有自動阻抗調節(jié)功能，可根據(jù)負載的變化自動調節(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)：中頻加熱采用機器人送料和取料。

⑨中頻加熱爐采用立式結構，送料采用步進式電機，長度可調(程序)。

⑩在爐體半軸加熱(預鐓蘑菇頭之前)時，另一端花鍵處具有風冷裝置，以免在雙動雙工位鐓粗機鐓粗蘑菇頭時，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，在同一臺液壓機中實現(xiàn)兩次或多次預鐓(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；提高了生產效率；兩次預鐓(一次夾緊兩處預鐓)，保證工件的變形充分且鍛造質量好，工件合格率高；便于實現(xiàn)自動化；工位的轉換速度平穩(wěn)、定位精度高、使用穩(wěn)定(無反彈)等特點。該設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構及實物見圖5、圖6。

圖5 雙工位自動換模結構圖

圖6 雙工位自動換模結構實物

①換模推拉油缸由伺服油泵電機通過二通插裝閥等驅動，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可調擋鐵機構均布在換?；瑝K機構的四角，具有機械定位的可靠安全性，由碰塊擋鐵、碰塊調節(jié)塊、碰塊組成，具有可調后鎖緊功能。

④四套可調導向導軌機構由導軌擋鐵、導軌調節(jié)塊、導軌、銅導軌板等組合而成。導軌采用四面加長形導軌結構，并且導軌間隙均可調整，對于熱切邊和熱校正時熱輻射不敏感，可保持高的導向精度。可通過調節(jié)導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，可保證每個導軌面均與導軌板很好的接觸，以提高導軌許用面壓值，并減小摩擦力和提高耐磨度。

⑤兩側定位中心油缸、錐形沖頭控制機構、定位油缸導軌、錐形凹槽工件結合，在壓力傳感器以及接近開關作用下，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機構運動時，滑塊夾模鎖緊器都要松開，使得換模滑塊機構與液壓機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緊，保證主機在壓制工件抖動時，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。具有工位轉換后使用穩(wěn)定(無反彈)的特點。

⑼采用一臺260t 臥式擺輾機進行法蘭盤終鍛，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液壓馬達具有柔性擺動輾壓鍛造性，有利保護設備零部件；馬達采用1600ml/r 大排量的曲軸連桿式徑向柱塞液壓馬達，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)與液壓馬達系統(tǒng)閥體和油泵電機組，均為獨立控制系統(tǒng)，便于控制、維護保養(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主機前端上下料，操作空間大，便于觀察和機器人抓取。

⑦改型后的擺輾機更加便于裝卸模具，并配有模具快換機構。

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”形加大接觸面可調導軌，導軌板采用A3+CuPb10Sn10 復合材料或銅板，導軌間隙可調；保證滑塊導向精度，精度保持性好，抗偏載能力強，耐磨性能良好，使用壽命長；滑塊導軌面設有加油孔自動加油潤滑。

? 擺輾時增設時間控制器，以免料多，同時擺頭軸承處增設溫度傳感器。

? 擋料機構要求：擋料時準確定位且不易損壞，同時具備頂出料功能。

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

結束語

汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線生產的產品見圖7。通過對汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線的設計、制造、調試、驗收等，不僅使我公司的技術團隊更扎實、團結、協(xié)調，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；標準通用化、精度高、智能數(shù)字化、網絡遠程操控等特點突出；工件質量穩(wěn)定性與可靠性便于后續(xù)數(shù)控機加。

圖7 汽車半軸自動化伺服數(shù)控鍛造生產線生產的產品

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及生產線，如汽車半軸自動化生產線、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、多向鍛造液壓機、各種模鍛、自由鍛液壓機以及各種板材成形液壓機的研發(fā)。

——文章選自：《鍛造與沖壓》2022年第7期

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