由于長軸/臺階軸類鍛造零件生產(chǎn)商對成形精度、材料利用率、產(chǎn)出效率、低能耗及低占地面積等的迫切需求，集成化的伺服近凈成形技術(shù)得到快速發(fā)展，多工位伺服鍛造液壓機作為該技術(shù)的典型載體得到行業(yè)廣泛認可。本文綜述了當(dāng)前多工位鍛造及生產(chǎn)線設(shè)備、關(guān)鍵技術(shù)要點及應(yīng)用現(xiàn)狀、工藝特點及技術(shù)發(fā)展的趨勢。
多工位鍛造成形技術(shù)的發(fā)展始于20 世紀(jì)60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種成熟的金屬成形技術(shù)。目前，多工位鍛造成形技術(shù)主要包括正向鍛造、反向鍛造、復(fù)合鍛造等。其中，正向鍛造技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，反向鍛造技術(shù)主要用于生產(chǎn)薄壁管材和復(fù)雜形狀零件，復(fù)合鍛造技術(shù)則可以生產(chǎn)出具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的零件。多工位鍛造成形技術(shù)作為一種高效、節(jié)能的金屬成形技術(shù)，在汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
多工位鍛造設(shè)備作為多工位鍛造成形技術(shù)的核心載體，可以實現(xiàn)一次鍛造多道工序，提高生產(chǎn)效率和加工精度，同時大幅減小占地，可以更便捷的集成自動化，組成全自動生產(chǎn)線。
多工位鍛造技術(shù)一般采用機械式鍛造壓機及液壓式鍛造壓機來實現(xiàn)，機械式鍛造壓機用于成形盤類、齒輪類、異形零件，成形行程一般較短；液壓式鍛造壓機用于成形長軸類、盤類、齒輪類、異形零件，成形行程可長可短，以下以多工位伺服鍛造液壓機做相關(guān)闡述。
多工位伺服鍛造液壓機一般分為多工位冷鍛液壓機、多工位溫鍛液壓機及多工位熱鍛液壓機。多工位溫鍛及熱鍛一般會配加熱系統(tǒng)、抽煙除塵系統(tǒng)、在線溫度檢測系統(tǒng)、潤滑劑噴涂系統(tǒng)、污染防護系統(tǒng)、設(shè)備熱防護系統(tǒng)等。
多工位伺服鍛造液壓機生產(chǎn)線特點及優(yōu)勢
多工位伺服鍛造液壓機將傳統(tǒng)單工位鍛造液壓機串聯(lián)生產(chǎn)的方式集成到一臺液壓機上，大大減小了工序間的傳遞距離，可以無需二次保溫、加熱等中間處理工序，其具有以下特點：①多工位伺服鍛造液壓機可以實現(xiàn)逐腔壓制、跳躍壓制、同步壓制、翻轉(zhuǎn)壓制等功能，在實現(xiàn)高偏載力矩下的精密壓制成形前提下，成形工藝可以自由靈活的編制；②多工位連續(xù)成形，間隔時間短，溫降少，可以實現(xiàn)連續(xù)多次成形，減少磷皂化次數(shù)/加熱次數(shù)，工藝簡化，可以實現(xiàn)多種規(guī)格產(chǎn)品的成形、傳輸及實現(xiàn)跳打等工藝，生產(chǎn)線的柔性好；③多工位伺服液壓機具備多點可編程功能，每個工位獨立頂出編程、智能可控，從而實現(xiàn)一機多用；④換型簡單快速。各功能單元布局集中，快速換模、故障診斷、遠程維護、在線檢測、實時監(jiān)控，同時可以根據(jù)工藝預(yù)置配方；⑤整線控制可以接入MES 系統(tǒng)；⑥對于長軸類鍛造零件，串聯(lián)自動液壓線節(jié)拍為5 ～6SPM,而多工位自動線可達8 ～10SPM；⑦單臺壓機的電磁閥、插裝閥數(shù)量比原3 ～4 臺設(shè)備少很多，故障點、維修點少很多，可靠性大大提高。
多工位鍛造生產(chǎn)線相比串聯(lián)鍛造生產(chǎn)線，具備更低的設(shè)備投入成本、更小的占地面積、大幅提升生產(chǎn)效率、可靠性好、操作人員少、多種產(chǎn)品換型快速、成形工藝兼容性好優(yōu)勢，其效率提升50%以上、能耗節(jié)約25%以上、占地節(jié)約20%以上、故障減少15%以上、人工節(jié)約超50%。
鍛造工藝路線優(yōu)化
傳統(tǒng)階梯軸冷鍛造成形工藝的生產(chǎn)流程為：下料→球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛1 →球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛2 →球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛3 →球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛4 →球化退火→拋丸→磷皂化→探傷目視檢驗→包裝?？梢妭鹘y(tǒng)的階梯軸采用多臺單工位液壓機串聯(lián)生產(chǎn)線的方式生產(chǎn)，需要多次在鍛造前處理工序和壓力機間搬運，生產(chǎn)流程繁雜冗余，產(chǎn)出率較低，占地面積較大，投資較高，能耗偏高。
多工位液壓機成形的生產(chǎn)流程為：下料→球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛1 →冷鍛2 →冷鍛3 →冷鍛4(冷鍛5……)→探傷目視檢驗→包裝。
多工位鍛造工藝除了簡化鍛造工藝流程，擁有諸多優(yōu)勢外，其成形精度及產(chǎn)品一致性更易保證，生產(chǎn)線集成度更高，更利于智能化生產(chǎn)。
多工位伺服鍛造成形技術(shù)應(yīng)用
圖1 為兩種四工序冷鍛零件工藝流程，四工位模具集成在一個模架內(nèi)，在一臺多工位伺服鍛造液壓機中同時完成四工位鍛造成形。當(dāng)毛坯在第一工位成形(二、三、四工位空缺)及零件在第四工位成形時(一、二、三工位空缺)，由于成形工位距離壓力機中心較遠，壓力機存在峰值偏載力矩。生產(chǎn)線連續(xù)運行時，各個工位成形力大小不同，各工位與壓力機中心距離不一致，導(dǎo)致形成脈動偏載力矩，對設(shè)備精度及模具壽命產(chǎn)生較大負面影響。
圖1 多工位冷鍛成形零件
工位獨立模高調(diào)節(jié)每個工位均采用獨立模高調(diào)節(jié)(圖2)，可以對上模進行高度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)模高狀態(tài)后能夠進行位置鎖定且能承受額定壓制力載荷。模高調(diào)節(jié)裝置使得不同工位合模面高度不同，可明顯提升合模精度，從而提升成形精度。
圖2 手動模高調(diào)節(jié)裝置
抗偏載設(shè)計及臺面傾斜監(jiān)控
一般來說多工位鍛造成形存在較大偏載，為保證零件成形精度及模具壽命，一般會通過合理設(shè)計提升壓力機剛性，所以一般機身會采用預(yù)應(yīng)力拉桿結(jié)構(gòu)，采用較高的預(yù)應(yīng)力系數(shù)以滿足結(jié)合面開縫系數(shù)。同時，多向高強楔式調(diào)整裝置能大幅提升機身抵抗偏載轉(zhuǎn)矩的能力，使設(shè)備穩(wěn)定性增強。
如圖3 所示，建立極限偏載力矩及無偏載等工況下的預(yù)緊組合框架壓機有限元模型，選擇合適的預(yù)緊力系數(shù)等邊界條件，計算分析幾種工況下的載荷分布狀態(tài)及各梁的變形，評估結(jié)合面開縫系數(shù)、臨界載荷系數(shù)及滑塊與工作臺的變形量。通過機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在控制機身重量的前提下，機身剛性、抗偏載能力等達到指標(biāo)要求。
圖3 偏載工況下機身應(yīng)力及變形分析
在多工位伺服鍛造液壓機實際工作時，利用多個位移傳感器對滑塊傾斜狀態(tài)進行檢測，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)保證滑塊下平面一直處于水平狀態(tài)，以防滑塊導(dǎo)軌間隙過大或其他原因?qū)е碌幕瑝K下平面平面度超標(biāo)，從而損壞壓機與模具，或成形零件質(zhì)量不達標(biāo)。對于大偏載要求可配置液壓糾偏功能，通過自適應(yīng)控制算法控制油缸抵抗滑塊偏載轉(zhuǎn)矩,提升設(shè)備極限抗偏載能力。
成形曲線優(yōu)化
多工位伺服鍛造液壓機連續(xù)生產(chǎn)需要進行自動化上下料及工位傳輸，為了提升生產(chǎn)線效率，一般采取減小壓機行程、增大空程及成形速度、加快頂出速度、平滑速度轉(zhuǎn)換、提升自動化運行速度等措施，以上參數(shù)的制定往往要進行壓機與自動化運行干涉分析，盡量縮小空間參數(shù)而不發(fā)生動態(tài)干涉，繪制出節(jié)拍周期內(nèi)干涉曲線，從而制定出合理的壓機運行開口及行程?；瑝K及自動化機械手在滿足以上干涉分析的前提下，需要對過程運動曲線進行優(yōu)化(圖4)，一般通過多項式曲線擬合方式將關(guān)鍵轉(zhuǎn)換位置滑塊加減速過程平滑連續(xù)，同時滿足最節(jié)能的要求。
圖4 動態(tài)干涉分析及成形曲線優(yōu)化
多工位鍛造設(shè)備曲線優(yōu)化的目的主要是為了提升設(shè)備節(jié)拍及運行穩(wěn)定性。多工位鍛造設(shè)備節(jié)拍一般能達到8 ～10SPM，其高效率來源于成形曲線優(yōu)化、快速卸壓、獨立頂出、防跳料、時序優(yōu)化等技術(shù)。
工位負荷監(jiān)控
單工位鍛造壓力機的工位壓力可以通過液壓系統(tǒng)測算出來，而多工位則沒有直接測算方法，當(dāng)前采用的方式是在壓力機各個工位安裝內(nèi)置式負荷檢測傳感器及分析模塊，如圖5 所示，組成多通道抗干擾工位負荷監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器測量成形力誤差不大于1%，可以及時發(fā)現(xiàn)鍛造過程中發(fā)生的卡料問題，保護壓機和模具，同時可以快速調(diào)整模具，減少試件材料浪費。
圖5 模區(qū)內(nèi)置式傳感器及分析模塊
多工位伺服鍛造液壓機各工位模具采用獨立式模座和整體式墊板，各個工位壓制力獨立采樣，如圖6所示，可減少由相鄰工位引起的載荷變化，精度可明顯提升，同時可以對各工位的峰值壓制力及局部區(qū)域的壓制成形力進行監(jiān)控，如圖7 所示。該功能不僅可以保護設(shè)備與模具，同時可以在生產(chǎn)中積累大量的工藝數(shù)據(jù)，既對成形零件質(zhì)量起監(jiān)控作用，又可以指導(dǎo)工藝、模具及壓機設(shè)計人員對設(shè)計把控更為精準(zhǔn)。
圖6 各工位獨立采樣
圖7 峰值及區(qū)域曲線監(jiān)控
高精度伺服控制技術(shù)
多工位伺服鍛造液壓機采用伺服泵控系統(tǒng)(圖8)，由高響應(yīng)低慣量永磁同步伺服電機、低泄漏齒輪泵、大功率伺服驅(qū)動器、高精度壓力傳感器等構(gòu)成，通過編碼器閉環(huán)來精確控制流量，通過壓力傳感器閉環(huán)來精確控制壓力，通過位移傳感器及運動控制器閉環(huán)來精確控制位置，其在快速卸壓、噪聲控制及節(jié)能方面表現(xiàn)優(yōu)異。壓力和流量響應(yīng)時間小于50ms，壓力和流量重復(fù)再現(xiàn)性小于1%,保壓精度可達±0.2%(圖9)，位置控制精度可達0.1mm，重復(fù)定位精度可達0.05mm,滑塊低速運行時無爬行現(xiàn)象。
圖8 伺服泵控系統(tǒng)元件
圖9 保壓壓力曲線
自動化生產(chǎn)線集成
多工位鍛造線(圖10)為滿足較高的生產(chǎn)效率，一般采用自動化連續(xù)生產(chǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)棒料毛坯料框(提升)翻轉(zhuǎn)、理料(圖11)、尺寸檢測、稱重檢測、剔除、定位、上料、工位間傳輸、下料、傳輸、堆垛等功能。整線可集成視頻監(jiān)控、抽煙除塵、在線溫度檢測、設(shè)備熱防護、整線防護、潤滑劑噴涂、在線加熱、氧化皮收集等功能。整線集成度高，可實現(xiàn)點動、單次、連續(xù)及清線等功能，同時可以接入MES 系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理(圖12)。
圖10 多工位冷鍛造線
圖11 理料上料單元
圖12 整線控制系統(tǒng)架構(gòu)
結(jié)束語
當(dāng)前，多工位鍛造技術(shù)逐漸實現(xiàn)伺服化、自動化，在生產(chǎn)效率及產(chǎn)品成形質(zhì)量方面都有明顯提升，但在在線工藝規(guī)劃、智能化集成方面還有很多技術(shù)需要突破和整合，建立材料及工藝數(shù)據(jù)庫，通過在線工藝規(guī)劃軟件可實現(xiàn)毛坯尺寸規(guī)劃、成形工序拆分，導(dǎo)入Deform 等體積成形仿真軟件分析結(jié)果進行工藝優(yōu)化，便捷實現(xiàn)工藝編制及設(shè)備參數(shù)調(diào)整。在智能化方面，需要拓寬生產(chǎn)線自動化水平、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)及效益優(yōu)化、設(shè)備狀態(tài)及預(yù)防保養(yǎng)、MES 整合及生產(chǎn)履歷、能源管理及環(huán)境監(jiān)控、WMS 系統(tǒng)集成、PLM 及ERP 等系統(tǒng)集成。
