HFP2500t熱模鍛壓力機全自動鍛造的成套裝備與技術

文／金魏，仲太生·揚力集團股份有限公司

HFP2500t熱模鍛壓力機全自動鍛造的成套裝備與技術

文／金魏，仲太生·揚力集團股份有限公司

在“十二五”汽車工業(yè)發(fā)展規(guī)劃意見中，對汽車行業(yè)提出了提高自主創(chuàng)新能力，掌握關鍵零部件核心技術，提高節(jié)能、環(huán)保和安全技術水平等要求；同時，“機械基礎零部件”之一的轎車三代輪轂軸承，也是我國機械行業(yè)產(chǎn)業(yè)振興及結構優(yōu)化的重要發(fā)展方向。

作為汽車關鍵零部件的轎車用第三代輪轂軸承單元，輪轂軸承本體、輪轂法蘭、高強度螺栓等采用一體化結構設計，軸承單元功能和ABS防抱死系統(tǒng)高度集成，具有預調(diào)游隙、終身潤滑、密封可靠、結構簡單化、拆裝方便、安全可靠等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為轎車輪轂軸承的更新?lián)Q代產(chǎn)品。但是，受制于我國鍛造行業(yè)的發(fā)展，本生產(chǎn)線交付之前國內(nèi)還沒有中國鍛造企業(yè)采用中國自己生產(chǎn)的熱模鍛壓力機為鍛造主機，并配置多工位精密模具模架和伺服步進式機械手，多工位自動化鍛造完成轎車用第三代輪轂軸承單元內(nèi)外圈的精密熱鍛。

本成套裝備與技術，將以轎車用第三代輪轂軸承單元內(nèi)、外圈鍛件為工藝對象，以新型HFP2500t熱模鍛壓力機為鍛造主機，采用多工位精密熱鍛成形工藝，研制全自動模具模架快速更換和模具自動潤滑冷卻裝置，并選配伺服步進式機械手等，組成具有自主知識產(chǎn)權的高效精密自動化鍛造生產(chǎn)線，完成轎車用第三代輪轂軸承內(nèi)、外圈的全自動高效精密鍛造。

HFP2500t新型熱模鍛壓力機的研制

圖1 HFP2500t熱模鍛壓力機外形圖

在德國引進的技術基礎上，結合多工位精密熱鍛的工藝特點，參考國內(nèi)外機械式壓力機設計和制造技術的最新趨勢，進行了極大的技術改進和品質(zhì)提升。在標準2500t熱模鍛壓力機的技術基礎上，工作臺面左右寬度加大到1500mm，可以適應輪轂軸承單元內(nèi)外圈5個鍛造工位的排布；并創(chuàng)造性的研制了齒形導向的閘塊式離合器和制動器，提高離合器制動器動作精度和結合性能，并適當加大離合制動扭矩，機床的振動和噪聲極大減小；還優(yōu)化設計了高協(xié)調(diào)性上下頂出系統(tǒng)、高柔性封閉高度調(diào)整系統(tǒng)、機械式防連沖安全機構等。圖1為 HFP2500t熱模鍛壓力機外形圖。

圖2 內(nèi)圈5工位鍛造工步圖

輪轂軸承內(nèi)、外圈多工位精密熱鍛工藝研究

內(nèi)圈閉式無飛邊精密熱鍛工藝的研究

⑴工步圖設計。

轎車用第三代輪轂軸承內(nèi)圈工件一般為回轉體軸對稱零件，部分產(chǎn)品在法蘭背面均布設計加強凸臺，并且法蘭直徑一般不超過φ150mm，重量一般不超過3.5kg，該工件采用閉式無飛邊鍛造工藝，其5工位鍛造工步如圖2所示。

圖2中從左往右依次為：下料，鐓粗，預成形，預鍛，終鍛，沖孔，在熱模鍛壓機上同時完成5個工步的鍛造；圖中工件的下料重量為2.696kg，沖孔后連皮廢料重量為0.076kg，鍛件材料利用率為97.2%。

⑵ Deform 3D工藝分析過程。

通過上述工藝設計、工步圖繪制，結合實際設計經(jīng)驗，采用Deform 3D模擬軟件進行CAE工藝仿真分析，研究變形趨勢、鍛造力能和模具狀態(tài)等。分析過程如圖3、圖4所示。

圖3 內(nèi)圈工藝模擬仿真分析過程

圖4 內(nèi)圈工件鍛造力分析

圖5 內(nèi)圈工件實際5工步鍛造過程

圖6 外圈5工位鍛造工步圖

⑶實際鍛造結果。

圖5所示為內(nèi)圈5個鍛造工步照片，從鍛件外形來看，充滿狀況良好且周圈均勻一致，凸模和凹模間隙之間的豎向毛刺也控制在0.5mm以內(nèi)。在下料過程中精確控制棒料重量和端面尺寸，并且嚴格控制鍛造溫度，工件的尺寸偏差較小，鍛件厚度一致性較高，壓力機配備的噸位計顯示的實際鍛造噸位也比較穩(wěn)定，如某下料重量3.26kg、外徑φ151mm的輪轂軸承內(nèi)圈5工位加起來的鍛造力基本上穩(wěn)定在1970t左右，且偏差不超過50t。

圖7 外圈工藝模擬仿真分析過程

圖8 外圈工件鍛造力分析

圖9 外圈工件實際5工步鍛造過程

外圈開式小飛邊精密熱鍛工藝的研究

⑴工步圖設計。

轎車用第三代輪轂軸承外圈工件的基本形狀一般為回轉體加異形法蘭，異形法蘭主要有三角狀、水滴狀和四角弧形凸臺狀等，其法蘭最大對邊尺寸一般不超過120mm，重量一般不超過2.5kg，該工件采用開式小飛邊鍛造工藝，其5工位鍛造工步圖如圖6所示。

圖6中從左往右依次是：下料，拍扁，預鍛，終鍛，沖孔，切邊，5個鍛造工位同時在熱模鍛壓力機上完成；圖中所示的工件下料重量為2.15kg，沖孔、切邊后的鍛件凈重為1.65kg，鍛件材料利用率為76.8%。

⑵ Deform 3D工藝分析過程。

通過上述工藝設計、工步圖繪制，結合實際設計經(jīng)驗，采用Deform 3D模擬軟件進行CAE工藝仿真分析，研究變形趨勢、鍛造力能和模具狀態(tài)等。分析過程如圖7、圖8所示。

⑶實際鍛造結果。

圖9所示為外圈5個鍛造工步照片，從鍛件外形來看，充滿狀況良好且周圈基本均勻一致。并且由于精確控制下料重量和端面尺寸，嚴格控制鍛造溫度，工件的尺寸偏差較小，厚度基本一致，壓力機配備的噸位計顯示的實際鍛造噸位也比較穩(wěn)定，如對邊尺寸約120mm的三角形法蘭輪轂軸承外圈5工位加起來的鍛造力基本上穩(wěn)定在1550t左右，且偏差不超過50t。

模具模架的設計和制造

通過綜合鍛造成形理論設計，以及Deform軟件模擬仿真分析，設計了多工位精密鍛造工藝，并依據(jù)多工位鍛造工步圖，設計了精密鍛造模具；還結合熱模鍛壓力機的模具空間，以及模具模架快速更換的機械接口，設計了多工位精密鍛造模架（圖10）；并且采用高端精密加工設備保證模具和模架的加工制造精度；模具和模架采用模塊化設計，更換模具或調(diào)整產(chǎn)品時只需要更換少數(shù)幾個模芯，模具的返修也可以通過等高墊塊配模實現(xiàn)多次沉降修模。

圖10 多工位精密鍛造模具和模架

3T型設置的全自動模具模架快速更換裝置的研制

熱鍛模具的壽命較短，一般為3000～10000次左右，因此經(jīng)過幾個小時的工作，模具需要拆卸下來修整或更換；而熱模鍛壓力機上一般會裝配3～5套模具來完成多工位鍛造，如果需要將預鍛和終鍛等4～6個模芯從壓力機內(nèi)部逐個拆卸再重新裝配，一般需要2～4個小時才能完成，而且工人操作也極不方便。因此，在熱模鍛壓力機全自動生產(chǎn)線中，還可以配備全自動快速換模裝置，節(jié)省換模時間，提高產(chǎn)品切換效率，提高設備有效開動率，提高產(chǎn)能，實現(xiàn)熱模鍛壓力機生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率最大化。

本生產(chǎn)線中，在壓力機內(nèi)部的工作墊板內(nèi)設置有模架液壓頂升裝置和模架液壓快速夾持裝置；在壓力機前方或后側約3m處，設置有T型全自動快速換模中心（圖11）：包括一臺自動換模臺車，液壓升降換模平臺，左右兩個模架庫，移動伸縮升降換模臂等?？梢酝瓿蓚溆媚＜艿哪Ｐ靖鼡Q，并儲存2套備用模架；液壓升降換模平臺具備液壓托舉、液壓起吊上模座等功能；液壓升降換模平臺立柱上設置的三段移動伸縮升降換模臂，可以輔助拆裝模芯；兩個模架庫在液壓升降換模平臺左右兩側各一個，用于儲存?zhèn)溆媚＜芑蚋鼡Q模架時周轉使用。該全自動模具模架快速更換裝置具備獨立的PLC控制系統(tǒng)和操作站，以便工人在自動線工作時修整模具，實現(xiàn)壓力機外換模。

圖11 液壓升降換模平臺T型設置的全自動模具模架快速更換裝置

模具自動潤滑冷卻裝置的研究

為了對模具進行定點定量精確噴霧冷卻潤滑，降低模具溫度，并在模具型腔表面涂覆鍛造潤滑劑，在步進式機械手前步進橫梁上設置有移動噴嘴，并由機械手PLC控制系統(tǒng)提供信號控制噴霧的啟動和停止，可在機械手夾起工件后的移動過程中，慢速運動或中間停止時對上下模具型腔進行噴霧冷卻潤滑，機械手臂上設置有5組噴嘴，可對5個工位的上下模具同步進行噴霧潤滑和冷卻（包括鐓粗、沖孔和切邊工位）。

在預鍛和終鍛工位附近，通過模架及模筒內(nèi)部的預制管路，設置有固定式斜向噴霧噴嘴，在機械手夾持工件行走過程中，對預鍛和終鍛模芯進行噴霧冷卻潤滑，保證沖頭側面及凹模深處和側面能夠均勻附著潤滑劑，且沖頭能夠快速冷卻下來。

生產(chǎn)線連線設計

根據(jù)車間設備排布、工藝需求及客戶實際技術要求，將生產(chǎn)線從左往右依次排開，上料輸送帶及自動中頻加熱爐位于壓力機左側，快速換模裝置放置在壓力機后側，整個車間中，還設計了車間自動化物流，鍛件送出鍛造區(qū)域后，通過地下輸送帶直接送至熱處理區(qū)域，如圖12、圖13所示。

結束語

HFP2500t熱模鍛壓力機轎車用第三代輪轂軸承單元內(nèi)外圈自動鍛造生產(chǎn)線，可以完成內(nèi)、外圈這兩種配對零件的自動化多工位鍛造，整條生產(chǎn)線中只需要2～3名操作工人，且工人只進行生產(chǎn)線安全巡視及產(chǎn)品巡檢等，其生產(chǎn)效率可達15件/分鐘，單班產(chǎn)量可達6000件，主體模具壽命也超過6000件，可以大幅提升鍛件質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度，節(jié)能減排。

在我國鍛造行業(yè)中，批量較大的差速器傘齒輪、變速箱直斜齒輪、發(fā)動機連桿、等速萬向節(jié)、傳動凸緣等汽車鍛件，工程機械的鏈軌節(jié)、支重輪、托舉輪，機械工業(yè)上的滾動軸承套圈等鍛造領域，也都需要高精、高效、高環(huán)境友好性的全自動智能化鍛造中心；本文的技術成果，可以很好地拓展到其他鍛造領域，推動我國機械工業(yè)的發(fā)展，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖12 HFP2500t熱模鍛壓力機自動鍛造生產(chǎn)線方案圖

圖13 HFP2500t熱模鍛壓力機自動鍛造生產(chǎn)線實物圖