金屬零件加工一體化集約生產(chǎn)線的研制

王仲玨，孫 剛

（安徽工程大學(xué)，蕪湖 241000）

金屬零件加工一體化集約生產(chǎn)線的研制

王仲玨，孫 剛

（安徽工程大學(xué)，蕪湖 241000）

該生產(chǎn)線用于制造各類(lèi)、各種形式系列齒輪、輪轂、齒套、襯套、環(huán)圈、實(shí)心軸、空心軸等回轉(zhuǎn)體零件。該生產(chǎn)線流程和功能由雙體變頻式中頻感應(yīng)電爐+虹吸管裝置+連續(xù)鑄造結(jié)晶器＋機(jī)械手、推桿式溜槽、集物倉(cāng)等輔助裝置實(shí)現(xiàn)金屬熔煉、鑄坯凝固的連續(xù)鑄造→感應(yīng)加熱鑄坯→多工位柔性沖壓制坯→數(shù)控碾擠、碾鍛→柔性精整→可控氣氛熱處理等組成。

金屬零件；一體化集約加工；生產(chǎn)線

金屬零件加工一體化集約生產(chǎn)線的系列化開(kāi)發(fā)可滿足各類(lèi)齒輪箱、變速箱等各種零件的制造，在金屬零件機(jī)械加工領(lǐng)域，其工藝適應(yīng)性的加工范圍可達(dá)75%左右。

金屬零件加工采用集熔煉、鑄造、加熱鑄坯、預(yù)鍛碾坯、數(shù)控碾鍛、精整和可調(diào)氣氛熱處理為一體的加工生產(chǎn)線制造同類(lèi)零件，與傳統(tǒng)金屬切削加工相比，材料可節(jié)省40%以上；能源可節(jié)省50%以上；人工費(fèi)用可節(jié)省70%以上；并明顯降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和改善了作業(yè)環(huán)境。

該項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

（1）由雙體變頻式中頻感應(yīng)電爐+虹吸管裝置+連續(xù)鑄造結(jié)晶器＋機(jī)械手、推桿式溜槽、集物倉(cāng)等輔助裝置實(shí)現(xiàn)金屬熔煉、鑄坯凝固的連續(xù)鑄造，取代傳統(tǒng)采用棒材下料、冷料裝爐升溫至1100℃左右的費(fèi)料、費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、耗能的毛坯制作工藝；

（2）采用機(jī)械手送料，在鐓粗、成坯和沖孔等3工位的鍛機(jī)上實(shí)現(xiàn)在封閉凹模內(nèi)通過(guò)沖頭單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形，獲得無(wú)飛邊、分料均勻的鍛件。采用閉式鍛造鍛件，可提供精確碾制成型的預(yù)制坯；其模具設(shè)計(jì)采用通用模架，通用外?？蚣澳Ｐ緸樘鎿Q件的柔性標(biāo)準(zhǔn)化模具設(shè)計(jì)方案；

（3）碾壓輪材料的選擇和工作表面形態(tài)及尺寸設(shè)計(jì)最為重要，其芯軸和信號(hào)控制輪的裝配精度要求較高，它們之間的運(yùn)動(dòng)程序和運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整采用PLC+零件圖形輸入軟件和依據(jù)零件的設(shè)計(jì)圖形采用自動(dòng)監(jiān)控零件成形軌跡軟件實(shí)現(xiàn)（如，北京組態(tài)王軟件或多位德國(guó)西門(mén)子軟件）；

（4）以“數(shù)控代替人控”,用數(shù)控技術(shù)來(lái)完成多工位多單元方向的控制，同時(shí)在鍛壓模具上，應(yīng)用模具的連續(xù)成型設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行連續(xù)多工位的鍛壓成形加工，使之成形面不加工或僅0.30mm～0.50mm的后序加工量。

1 生產(chǎn)線整體設(shè)計(jì)

（1）由雙體變頻式中頻感應(yīng)電爐、虹吸器和連續(xù)鑄造結(jié)晶器組成熔煉、連續(xù)鑄坯裝置。

該裝置在熔煉和凝固過(guò)程中100%的利用了電能，所研發(fā)的虹吸器使高純凈金屬液流入連續(xù)鑄造結(jié)晶器完成凝固并被定制尺寸后，沿推桿式流槽運(yùn)動(dòng)至取料部，實(shí)現(xiàn)了無(wú)料損作業(yè)，充分利用鑄造余熱完成鑄坯的后續(xù)加熱。

（2）電加熱紅外線測(cè)溫的中頻加熱爐。

中頻電加熱升溫快，爐溫易于調(diào)節(jié)控制，棒料表面氧化和脫碳小，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作；紅外線測(cè)溫具有精度高，測(cè)溫下限低、響應(yīng)時(shí)間短的先進(jìn)快速測(cè)溫優(yōu)點(diǎn)。

（3）閉式多工位壓力機(jī)預(yù)制碾鍛坯。

閉式鍛造是在封閉凹模內(nèi)通過(guò)沖頭單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形，以獲得無(wú)飛邊、分料均勻的鍛件。采用閉式鍛造，提供了精確碾制成型的預(yù)制坯。

模具的設(shè)計(jì)原理。以通用模具設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)，以通用模架、通用外模框及模芯為替換件的柔性標(biāo)準(zhǔn)化模具設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)臺(tái)、多品種快速反應(yīng)能力的柔性通用標(biāo)準(zhǔn)化模具的方案設(shè)計(jì)。

（4）數(shù)字化程控精密碾鍛機(jī)成型加工鍛坯。

數(shù)字化程控技術(shù)精密成型溫碾鍛生產(chǎn)流程為鍛壓回轉(zhuǎn)成型的一種特殊制造工藝，它的成型原理為碾壓輪（動(dòng)力輪）與芯軸輥旋轉(zhuǎn)中心軸平行，碾環(huán)動(dòng)力輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)它與環(huán)形坯件之間的摩擦力帶動(dòng)芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)動(dòng)力輪與芯軸之間的中心距逐漸縮小，直至變形結(jié)束，經(jīng)碾鍛變形的工件，截面積和徑向厚度都減少，環(huán)形件外徑和孔徑都相應(yīng)地增加。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的碾制成型。

數(shù)字化程控技術(shù)精密成型精度控制為項(xiàng)目研制技術(shù)的關(guān)鍵，通過(guò)對(duì)數(shù)控精密碾鍛專(zhuān)機(jī)設(shè)備的碾鍛壓下力傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、定位模塊、人機(jī)對(duì)話、采用觸摸屏輸入模式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、多軸多工位碾鍛專(zhuān)機(jī)生產(chǎn)線研制，突破了這項(xiàng)精密碾鍛生產(chǎn)的碾壓行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)。

高級(jí)邏輯程序控制器PLC的應(yīng)用，發(fā)揮了其開(kāi)關(guān)量邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理等先進(jìn)功能。

（5）精整工件。

（6）可控氣氛熱處理工件。

2 數(shù)控精密碾鍛專(zhuān)機(jī)設(shè)備的研制

2.1 碾鍛壓下力傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的碾鍛壓力裝置一般采用壓縮空氣裝置或液壓裝置?？紤]目前國(guó)產(chǎn)液壓裝置部件質(zhì)量不穩(wěn)定、造價(jià)高、不利于維修，還有就是數(shù)控元件在專(zhuān)機(jī)上難以相容，因此，應(yīng)自行研制精密傳動(dòng)杠桿裝置。通過(guò)配比數(shù)控電機(jī)、變速箱，設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)精密傳動(dòng)杠桿作軸向直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)碾鍛壓下力可通過(guò)數(shù)控電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速比來(lái)調(diào)整軸向壓力，使之適應(yīng)力傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 碾鍛專(zhuān)機(jī)設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)采用伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器定位模式，人機(jī)對(duì)話采用觸摸屏輸入模式。

日本三菱HC—SFS伺服和MR—T2S，定位模塊QD75Pi—QD75P6，按機(jī)型需求訂購(gòu)。

數(shù)控系統(tǒng)主要控制同步性和反復(fù)定位精度，針對(duì)碾鍛各種結(jié)構(gòu)形狀產(chǎn)品過(guò)程中對(duì)各時(shí)間段的速度控制，碾壓比控制，碾壓時(shí)間設(shè)定等精度要求，應(yīng)完成從單軸伺服到6軸伺服。

數(shù)控技術(shù)應(yīng)方便操作工的編程難度，根據(jù)不同形狀產(chǎn)品，只要選擇 A1、A2、A3、A4 等，觸摸屏就可顯示出各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

編程原理。把工件碾壓厚度的尺寸換算成絲米數(shù)字，例1mm分為100絲米，如坯外徑120mm，孔40mm，單邊厚度為40mm，產(chǎn)品單邊厚度為10mm，碾壓距離為30mm，觸摸屏顯示數(shù)字是3000絲米，3000絲米是碾壓距離，當(dāng)走完了3000絲米時(shí)就是工件尺寸。為達(dá)到精確的3000絲米，在編程時(shí)先計(jì)算杠桿力距、減速比，測(cè)試機(jī)械加工精度的運(yùn)行間隙，換算成伺服的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)，通過(guò)試機(jī)測(cè)試后，進(jìn)行微修正，最終達(dá)到碾壓距離和數(shù)字同步。

對(duì)多軸數(shù)控設(shè)備，例TRH4型五軸連動(dòng)碾壓機(jī)，擬用一臺(tái)主機(jī)與其它二臺(tái)形成同步，另二臺(tái)形成另二個(gè)單元，計(jì)算好運(yùn)行時(shí)間。用延時(shí)電源指揮另一單元運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行軌跡到一定位置時(shí)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)電源信號(hào)指揮另一單元的運(yùn)行，而達(dá)到整個(gè)機(jī)組精確運(yùn)行的要求。

3 柔性通用標(biāo)準(zhǔn)化模具的設(shè)計(jì)

3.1 模具設(shè)計(jì)原理

該模具以通用模架，通用外?？蚣澳Ｐ緸樘鎿Q件的柔性標(biāo)準(zhǔn)化模具設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)臺(tái)多品種快速反應(yīng)能力的柔性通用標(biāo)準(zhǔn)化模具的設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)其專(zhuān)利模具的設(shè)計(jì)原理，延伸到精密碾鍛柔性標(biāo)準(zhǔn)模具研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中。

考慮在碾鍛成型模具設(shè)計(jì)工藝上，其精密碾鍛為后工序數(shù)控成型，有數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制單元模塊和操作終端解決，對(duì)于前工序預(yù)成型來(lái)講，要求解決的是準(zhǔn)確的預(yù)成型精度及模具柔性標(biāo)準(zhǔn)化程度，為此擬通過(guò)二維設(shè)計(jì)和工藝經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比排列、數(shù)據(jù)分析，得到研制沖壓模具的合理性。并同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析求證后再用于模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐上，以確保準(zhǔn)確的預(yù)成型精度要求。

3.2 柔性通用標(biāo)準(zhǔn)化模具的設(shè)計(jì)工藝方案

延伸引用了通用模架、通用外模框及模芯為替換件的柔性標(biāo)準(zhǔn)化工藝方案，這樣就加快了對(duì)產(chǎn)品的快速反應(yīng)能力，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。

3.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與展望

為實(shí)現(xiàn)精密碾鍛件成形技術(shù)深層次開(kāi)發(fā)，以汽車(chē)同步器精密碾鍛件產(chǎn)品加工為工藝突破口，應(yīng)用數(shù)字化程控精密碾鍛成形技術(shù)。圖1為轎車(chē)空調(diào)器傳動(dòng)三角帶輪精密碾鍛件和數(shù)控精密傳動(dòng)同步器齒輪碾鍛件。

對(duì)于復(fù)雜零件的成形，大多采用多工步成形。每一道工步都對(duì)最終鍛件的精度有影響。因此應(yīng)該對(duì)整個(gè)成形過(guò)程的變形規(guī)律和產(chǎn)品精度預(yù)測(cè)進(jìn)行研究。

研究精密成形工藝，尤其是模具設(shè)計(jì)，應(yīng)針對(duì)預(yù)熱的模具與坯料之間的溫度差較大和在加工過(guò)程中模具溫度變化較大,同時(shí)還與模具的冷卻、潤(rùn)滑狀況有關(guān)的因素及在不同的時(shí)間由于熱脹冷縮而造成模具各部分的尺寸也有所差異，影響成形件的尺寸精度等情況，展開(kāi)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的仿真研究，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)過(guò)程變形小的模具用于生產(chǎn)精密鍛件。

4 技術(shù)路線、設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

4.1 技術(shù)路線

工藝加工流程圖見(jiàn)圖2。

4.2 設(shè)備方案

4.2.1 熔煉設(shè)備

德國(guó)ABP大功率快速中頻感應(yīng)熔煉爐。該感應(yīng)爐采用當(dāng)今世界上最先進(jìn)的熔化處理器PRODAPT—MD，通過(guò)雙供電制實(shí)現(xiàn)一套二爐體的熔煉與保溫的切換；通過(guò)快捷的電源變頻處理實(shí)現(xiàn)100%的電能利用和具有能消除非諧波的24脈沖轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)。

4.2.2 連續(xù)鑄造結(jié)晶器

利用虹吸器裝置將金屬液引入結(jié)晶器，在水冷條件下進(jìn)行鑄坯的結(jié)晶凝固，并在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的結(jié)晶腔完成定制尺寸鑄坯后，被擠進(jìn)溜槽。

4.2.3 中頻加熱設(shè)備

采用中頻電源加熱鑄坯到所要求的溫度，為保證鑄坯的加熱均勻性，可設(shè)置加熱速度和保溫時(shí)間等工藝參數(shù)。本設(shè)備采用紅外多探點(diǎn)測(cè)溫并配置自動(dòng)監(jiān)控儀。進(jìn)料口的集料點(diǎn)裝置機(jī)器人接受進(jìn)料指令配合動(dòng)作。

4.2.4 鍛造設(shè)備

采用多工位(例如墩粗、成型、沖孔等)作業(yè)，其中成型模依據(jù)零件的形態(tài)及工藝特性考慮模塊的柔性裝配組合，在實(shí)現(xiàn)整體成型的同時(shí)，保證其預(yù)成型壞的沖壓精度和彈性變形的限度。

4.2.5 碾擠設(shè)備

碾鍛工藝原理見(jiàn)圖3。碾壓輪材料的選擇和工作面形態(tài)及尺寸設(shè)計(jì)最為重要，其芯軸和信號(hào)控制輪的裝配精度要求較高，其運(yùn)動(dòng)程序和運(yùn)動(dòng)軌跡的調(diào)整應(yīng)采用PLC+零件圖形輸入軟件和依據(jù)零件的設(shè)計(jì)圖形采用自動(dòng)監(jiān)控零件成形軌跡軟件實(shí)現(xiàn)。

4.2.6 精整設(shè)備

振動(dòng)消除應(yīng)力后，采用雙模板鑲嵌貼面方法對(duì)碾鍛零件進(jìn)行精整。

4.2.7 熱處理設(shè)備

根據(jù)零件組織和力學(xué)性能的要求，設(shè)計(jì)零件熱處理制度，通常選擇在可控氣氛的電阻式熱處理爐進(jìn)行。

4.2.8 系列設(shè)備成線方案

（1）將各種零件按種類(lèi)、形態(tài)特征、尺寸大小分別組線。

（2）對(duì)金屬零件加工一體化集約生產(chǎn)線實(shí)行分段運(yùn)行，以熔煉+連續(xù)鑄造+感應(yīng)加熱及其后續(xù)工序分別建立2套獨(dú)立的PLC系統(tǒng)。

（3）PLC系統(tǒng)采用LED大屏幕顯示，并對(duì)各自系統(tǒng)內(nèi)的主要工藝參數(shù)實(shí)施動(dòng)態(tài)顯示和監(jiān)控。

[1]胡亞民等.鍛造工藝過(guò)程及模具設(shè)計(jì)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006,97～117.

[2]李亞敏等.螺旋錐齒輪擺輾工藝研究[J].鍛壓技術(shù)，2009(6)24～27.

[3]吳樹(shù)財(cái).滾動(dòng)軸承套圈碾擴(kuò)工藝?yán)鋮s裝置設(shè)計(jì)及研制[D].大連：大連交通大學(xué),2003.17～29.

Developing of Integrated Intensive Production Line of Metal Parts Processing

WANG ZhongJue,SUN Gang
(Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,Anhui China)

This production line is used for the manufacture of various types,all forms of series of rotational parts of gears,hubs,gear sleeves,bushs,ring-loops,solid shafts,hollow shafts,etc,of which processes and functions are composed of catamaran-type MF induction furnace,Siphon device,continuous casting die,manipulator,assistant devices as pusher-type chute,a set of material bin etc for realization of metal melting,solidification of castings in continuous casting,induction heating,multi-position progressive flexible punching press,CNC squeezing and forging,flexible finishing,atmosphere controlled heat treatment.

Metal parts;Integrated intensive processing;Production line

TG249.9;

A；

1006－9658（2012）02－0025-4

安徽省教育廳自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目k01061、k01078

2012－01－05

稿件編號(hào)：1201－004

王仲玨（1952－），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事材料工程和成型技術(shù)的研究