步進(jìn)梁在曲軸自動(dòng)化鍛造的應(yīng)用研究

文/廖德侃，彭添，李佳玲·桂林福達(dá)重工鍛造有限公司

鍛造作為一種發(fā)展歷史悠久的傳統(tǒng)工藝，從“鐵器時(shí)代”的純手工鍛造，到現(xiàn)在通過(guò)壓力機(jī)模具成形，鍛造工藝以及鍛件要求都發(fā)生了翻天覆地的變化，鍛造過(guò)程的高溫環(huán)境、用工缺乏以及勞動(dòng)力成本提高等因素，都決定了人將慢慢退出鍛造生產(chǎn)過(guò)程，因此，自動(dòng)化生產(chǎn)成了鍛造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前鍛造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，只有“物美價(jià)廉”的產(chǎn)品才能占領(lǐng)市場(chǎng)，為此鍛造企業(yè)都紛紛開始對(duì)鍛造線進(jìn)行智能化改造以提高生產(chǎn)效率，其中引進(jìn)的機(jī)器人和步進(jìn)梁為最常見(jiàn)的鍛造過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)物料設(shè)備，但由于缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，步進(jìn)梁工位的廢品占鍛造過(guò)程廢品比重極大，如何提高步進(jìn)梁生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，減少過(guò)程廢品成了一個(gè)難題。

本文以乘用車四缸曲軸自動(dòng)化鍛造為例，就步進(jìn)梁在鍛造應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

工藝介紹

乘用車四缸曲軸鍛造成形過(guò)程工藝一般為中頻加熱、去氧化皮、壓扁、預(yù)鍛、終鍛、切邊。鍛造過(guò)程料溫在900℃以上，過(guò)程轉(zhuǎn)料采用機(jī)器人和步進(jìn)梁抓取，其中壓扁、預(yù)鍛、終鍛、切邊在一臺(tái)熱模鍛壓力機(jī)上鍛壓完成，轉(zhuǎn)料方式采用步進(jìn)梁。

步進(jìn)梁有五個(gè)工位，通過(guò)夾持、上升、前進(jìn)、下降、張開、復(fù)位的循環(huán)動(dòng)作，過(guò)程坯料從一工位到五工位分別完成上料、壓扁、預(yù)鍛、終鍛、切邊工序，各工序步進(jìn)梁夾料示意圖以及各工序坯料見(jiàn)圖1。

圖1 各工序步進(jìn)梁夾料示意圖以及坯料立體圖

步進(jìn)梁應(yīng)用過(guò)程存在的問(wèn)題

鍛造成形整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程為：

①中頻加熱將圓棒料加熱到工藝要求溫度后，由R1 機(jī)器人夾持坯料中部轉(zhuǎn)運(yùn)到去氧化皮工序送料軌道上；

②完成去氧化皮工序后，R2 機(jī)器人夾持坯料中部轉(zhuǎn)送到模鍛V 形進(jìn)料小車上；

③V 形進(jìn)料小車將坯料運(yùn)輸?shù)揭还の缓?，由步進(jìn)梁夾持坯料兩端頭將坯料轉(zhuǎn)送到壓扁工位上；

④壓扁工序完成鍛壓后，步進(jìn)梁二工位夾持坯料兩端頭轉(zhuǎn)送到預(yù)鍛工位；

⑤預(yù)鍛工序完成鍛壓后，步進(jìn)梁三工位托起坯料兩端飛邊將坯料轉(zhuǎn)送到終鍛工序鍛壓，接著以同樣的方式轉(zhuǎn)送坯料到切邊工位；

⑥切邊完成后，步進(jìn)梁五工位夾持坯料兩端轉(zhuǎn)送到V 形出料小車上；

⑦R3 機(jī)器人將出料小車上鍛件夾持掛上控溫冷卻線懸掛鏈，同時(shí)步進(jìn)梁復(fù)位，切邊頂出油缸將殘留飛邊頂出，步進(jìn)梁五工位托起殘留飛邊兩端將飛邊轉(zhuǎn)運(yùn)到傳送帶上。

整個(gè)鍛造過(guò)程都采用自動(dòng)化生產(chǎn)，任一工序出現(xiàn)故障都會(huì)影響整線從而退出自動(dòng)生產(chǎn)，不僅會(huì)造成產(chǎn)線停頓影響生產(chǎn)效率，也會(huì)造成過(guò)程料廢，其中，壓扁至切邊工序上的坯料都將報(bào)廢，中頻加熱至壓扁前的坯料視使用次數(shù)而定，如使用超過(guò)3 次也將進(jìn)行報(bào)廢處理。經(jīng)廢品統(tǒng)計(jì)，鍛造過(guò)程報(bào)廢占產(chǎn)品報(bào)廢比例約80%，其中，步進(jìn)梁轉(zhuǎn)料工序廢品占鍛造過(guò)程廢品約90%，故保證步進(jìn)梁生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性成了自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

原因分析

從廢品分布以及現(xiàn)場(chǎng)觀察分析，著重對(duì)模鍛過(guò)程報(bào)廢模式進(jìn)行分類并查找原因，見(jiàn)圖2。

圖2 報(bào)廢原因分析

針對(duì)梳理出來(lái)的報(bào)廢故障模式，進(jìn)行主要原因分析。

⑴壓扁件報(bào)廢：中頻加熱出來(lái)的坯料會(huì)存在±40℃的溫度波動(dòng)范圍，同時(shí)棒料長(zhǎng)度有±2mm 的偏差，棒料經(jīng)壓扁后長(zhǎng)度大于步進(jìn)梁夾持距離會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)梁報(bào)警；另外壓扁坯兩端呈橢圓狀，步進(jìn)梁二工位夾持放到預(yù)鍛工位張開時(shí)，夾鉗會(huì)拖動(dòng)坯料移動(dòng)，導(dǎo)致放料位置不對(duì)，偏移嚴(yán)重的工件會(huì)直接報(bào)廢，偏移小的工件也會(huì)影響后工序的夾持。

⑵未切邊件報(bào)廢：步進(jìn)梁夾持時(shí)，夾鉗撞到模具兩端面或者坯料兩端飛邊會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)梁報(bào)警；壓扁坯放到預(yù)鍛模具位置不對(duì)，料少一端飛邊少，導(dǎo)致步進(jìn)梁無(wú)法夾持坯料飛邊。

⑶切邊掉料件報(bào)廢：切邊后，頂桿將飛邊頂出時(shí)會(huì)跳動(dòng)，飛邊會(huì)傾斜導(dǎo)致步進(jìn)梁無(wú)法夾持，需停下設(shè)備人工將前工序件和殘留飛邊撬出。

解決過(guò)程

步進(jìn)梁由伺服電機(jī)控制可以在X、Y、Z 三個(gè)方向動(dòng)作，移動(dòng)距離都可以通過(guò)參數(shù)設(shè)定，通過(guò)上述分析，問(wèn)題產(chǎn)生的原因是多方面的，需從步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)、夾鉗、模具等方面進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)步進(jìn)梁的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)觀察確認(rèn)，目前步進(jìn)梁的前、后梁各工位夾持工裝內(nèi)置有彈簧，具有10mm 的伸縮量，當(dāng)壓扁坯長(zhǎng)度存在波動(dòng)時(shí)會(huì)壓縮彈簧，導(dǎo)致坯料放到預(yù)鍛位時(shí)位置不穩(wěn)定；同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)，由于鍛造過(guò)程噴涂的脫模劑和氧化皮長(zhǎng)期腐蝕步進(jìn)梁內(nèi)部零件，部分工位內(nèi)部彈簧已失效。對(duì)步進(jìn)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將大頭端的后梁作為定位端(內(nèi)部無(wú)彈簧，無(wú)伸縮量)，小頭端的前梁作為活動(dòng)端。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，該改進(jìn)方式不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料的精準(zhǔn)定位，還避免了坯料長(zhǎng)度偏差導(dǎo)致的步進(jìn)梁夾持過(guò)緊報(bào)警，改進(jìn)后的步進(jìn)梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

步進(jìn)梁夾鉗設(shè)計(jì)優(yōu)化

經(jīng)排查分析發(fā)現(xiàn)，夾鉗拖料問(wèn)題主要發(fā)生在二工位，壓扁完后，步進(jìn)梁夾持到預(yù)鍛位張開時(shí)，二工位會(huì)拖動(dòng)坯料，檢查發(fā)現(xiàn)，夾鉗開口設(shè)計(jì)為圓弧形狀，而坯料兩端經(jīng)壓扁后呈橢圓狀，考慮到模具安裝偏差，模具中心和步進(jìn)梁工位中心也會(huì)存在移動(dòng)偏差，步進(jìn)梁夾持坯料時(shí)，夾鉗和坯料接觸面大，張開時(shí)容易拖動(dòng)坯料。為此，將一二工位夾鉗開口改成U 形，坯料和夾鉗通過(guò)點(diǎn)接觸，減少二者間的接觸摩擦力，同時(shí)夾鉗口大小設(shè)計(jì)也有要求，需保證步進(jìn)梁在下降到下死點(diǎn)之前，坯料已經(jīng)和預(yù)鍛模型腔接觸，實(shí)現(xiàn)夾鉗和坯料的分離。經(jīng)試用，該優(yōu)化可以有效避免步進(jìn)梁張開時(shí)夾鉗拖動(dòng)坯料問(wèn)題，夾鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 夾鉗結(jié)構(gòu)更改前后對(duì)比

模具優(yōu)化

同一產(chǎn)線模具外形一致，但由于鍛件長(zhǎng)度不一致，步進(jìn)梁夾鉗的長(zhǎng)度和夾持間距是不一樣的，同時(shí)步進(jìn)梁兩端和伺服裝置連接處鎖扣會(huì)存在磨損，加之轉(zhuǎn)送過(guò)程中坯料重力的作用，步進(jìn)梁夾鉗會(huì)向下傾斜一定角度。經(jīng)研究驗(yàn)證，在模具前后端設(shè)計(jì)夾鉗避讓(圖5)，可以避免步進(jìn)梁夾持時(shí)撞擊模具報(bào)警。

圖5 兩端設(shè)計(jì)夾鉗避讓

針對(duì)夾鉗撞坯料兩端飛邊問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，主要為模具前后端設(shè)計(jì)有飛邊倉(cāng)，飛邊過(guò)厚導(dǎo)致撞擊，經(jīng)充分論證確認(rèn)需優(yōu)化前后端飛邊厚度，具體方法是預(yù)終鍛下模大小頭不設(shè)計(jì)飛邊，如圖6 所示，上模設(shè)計(jì)飛邊倉(cāng)，由于上模排料速度比下?？?，坯料大小頭飛邊會(huì)輕微往上翹，避免步進(jìn)梁夾持時(shí)撞擊到大小頭飛邊。

圖6 鍛模兩端下模不設(shè)計(jì)飛邊倉(cāng)

切邊頂飛邊方式

經(jīng)生產(chǎn)過(guò)程觀察和分析，頂出殘留飛邊過(guò)程中，6 根頂桿和殘留飛邊僅6 個(gè)點(diǎn)接觸，加之頂桿高度尺寸偏差以及飛邊下底面的不平齊，頂桿與殘留飛邊接觸時(shí)間存在差異，導(dǎo)致殘留飛邊頂出竄動(dòng)傾斜，夾鉗無(wú)法夾持飛邊。為了進(jìn)一步解決頂出裝置和殘留飛邊穩(wěn)定性問(wèn)題，需保證頂出裝置和殘留飛邊采用面面接觸的方式，具體方式為：設(shè)計(jì)專用托飛邊板，飛邊板上頂面形狀和終鍛橋部形狀匹配。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，采用托飛邊板整體式頂出殘留飛邊，頂出狀態(tài)非常平穩(wěn)(圖7)。

圖7 頂飛邊方式改進(jìn)前后對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)批量生產(chǎn)驗(yàn)證，可知工裝模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)使步進(jìn)梁在鍛造過(guò)程中存在的脫料、報(bào)警、掉料問(wèn)題得到了明顯的改善，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程廢品大幅降低，保證了自動(dòng)化鍛造線連續(xù)、高效、保質(zhì)、穩(wěn)定的生產(chǎn)。

盤古盤古是中華神話的開始，中華神話中盤古開天劈地后才有了天地萬(wàn)物。