文／司宗青·苏州虹逸重工科技有限公司

半轴锻造目前大多采用加热—预镦—摆辗的单调方式，人工上下料。这种锻造方式首先是人工成本高、效率低(特别是大半轴)、劳动强度大、工作环境差、危险性高；其次是半轴锻件部分会出现不平整、端面飞边、毛刺、甚至折叠夹层等锻造缺陷；最后是半轴法兰盘端几何尺寸不一、加工余量大、成本能耗高、且不利于后续数控机加。本文主要介绍一条采用自动化♑伺服数控锻造半轴的生产线。

生产线组成

汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线主要用于汽车半轴的热辗压成形自动化生产。此生产线组成设备主要包括：一台全自动金属圆盘锯床、一套摊铺储料台、三套立式(或斜式)中频加热炉、三台六轴关节机器人、两台除鳞清洗机、一台双动单工位镦粗机，一台双动双工位镦粗机，一台卧式摆动辗压机、三套石墨乳自动喷淋机、码垛桁架机器人与码垛筐、安全防护围栏、模具以及模具快换机构、一套总线控制设备的高度集成系统等组成。其汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线ꦰ布置总图、三维图、实物照分别见图1、图2、图3。

图1 汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线布置总图

图2 汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线三维图

图3 汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线现场图

工艺流程

人工将成捆棒料用行车吊入全自动金属圆盘锯床中，自动下料分检到摊铺储料台；摊铺储料台含有输送与定位等装置便于1#机器人抓取，1#机器人抓取棒料旋转立式放置到花键加热炉中；到温度后，1#机器人抓取放到除鳞清洗机1#去除氧化皮，接着把工件放置到双动单工位镦粗机开始预镦花键；预镦花键结束后，2#机器人抓取工件旋转调头放置到半轴加热炉中加热，到温度后，2#机器人抓取工件，放置到双动双工位镦粗机开始预镦半轴(蘑菇头)；预镦半轴结束后，3#机器人抓取工件放到除鳞清洗机2#去除氧化皮，接着把工件放置到卧式摆动辗压机开始摆辗法兰盘；摆辗法兰盘结束后，3#机器人抓取工件放置在码垛台上，由码垛桁架机器人与♉码垛筐自动完成工件的码垛；最后人工取走码垛筐。整个自动化工作完成(不同工件动作顺序均可自行调整)。汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线的工艺流程图见图4。

图4 汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线的工艺流程图

生产线特点

此自动化线主要用于汽车半轴ꦬ的热辗压成形自动化生产。主要特点：外形美观、伺服数显数控使人机可视交换更便捷直观、节能降耗、噪声低、节省人力、标准通用化、精度高、效率高、自动集成化高、通讯网络智能化高等优点。且实🔯现了锻造工件质量一致稳定性与可靠性，便于后续数控机加。

⑴该生产线中液压机具有各自独立的动力机构和电气系统，采用PLC、触摸屏等自动控制显示，便于单机调试，同时整线设有总控制操作台，集中控制操作，触摸屏可实时监控系统和设备的运行状态、各♎种参数、及时报告设备故障。

①液压机的工作压力、行程范围可根据工艺需要进行调🥀整。工作时滑块可在行程范围内任意位置停止或急回。同时可实现点动、双手单次循环、联动三种操作方式。

②油泵电机组均采用伺服，并设有压力传感器、位移传感器、温度传感器、液位传感器、触摸屏等，使整线具有高精度、高可靠性、高效率、低噪声、低冲击等特点。另外油泵采用高低压结合的双联油泵(即一个伺服电机带两个油泵)可实现滑块快速回程ﷺ；同时具有电耗节能30%以上，系统反应周期约0.3ms，以及控制系统实现数字一体化等优点。

③基本参数：整线设备总功率约为1750kW(加热炉1350kW)；节拍小于等于55 秒/件；切换调试时间小于等于20 分钟；工件材料：40Cr、42CrMo；重量5 ～40kg；工件杆长范围：800 ～1400mm；下料长度0 ～1800mm；材料直径φ20 ～φ62mm；最大加热长度600mm；占地面积约为：20m×🍨10m(长×宽)。

⑵自动化连线PLC 与各种智能传感器和阀体通过Profibus 总线通讯。自动化连线PLC 与压力机PLC 之间的互锁信号通过Profibus 总线的方式进行连接，连线PLC 与机器人控制系统之间通过Profibus 总线进行数据交换。同时机器人控制系统配置标准的以太网接口，供编程使用。自动化系统优先选用西门子或其他等效的总线保护系统⭕。配备完善的安全装置，实时控制显示安全区域状况，及时发出声光报警信号或停机。

上位监控机与自动化整线PLC 采用工业以太网方式通讯，对整线设备进行监控。实时运行状态检测：系统能直观、实时、正确地显示整线的监控对象的工作状态及运行参🐭数，并能进行相应的操作。便于后期网络远程操控，快速维护保养。

⑶传统半轴锻件采用人工上下料，劳动强度大、成本高、效率低、危险性高、成形缺陷、加工余量大等。本生产线半轴锻造具有以下优点：①半轴法兰盘锻造变形均匀，金属流线好、工件质量高、稳定性强；②现整线只需1 ～2 人巡视与吊运工件，同时大大降低人工劳动强度，提高生产效率(特别适合大半轴)；③无飞边、毛刺等锻造缺陷、几何尺ꦬ寸稳定性强、加工余量小、节能降耗、自动化程度高，便于实现后续数控机加；④本生产线较常规锻压设备具有节能减排、提高模具寿命等特点；⑤锻造节奏自动控制，保证始(终)锻温度的一致性，确保锻造工件质量一致稳定性与尺寸🗹可靠性。

⑷全自动金属圆盘锯床75NC 的床身为高刚性基体铸造结构，专为管棒料精密切断设计。高刚性高精度主轴齿轮箱配合齿隙消除机构，使进刀稳定，大幅提高刀具寿命；原带锯床每片可锯削3 ～5m2，现圆盘锯每片可锯削25 ～30m2，修磨后还可锯削13 ～15m2；一键启动，对话式触摸输入，操作简单快捷；每齿进给量为0.05 ～0.1mm，锯料长度误差在0.2mm，伺服进刀与送料系统切割精准；锯断时间8 秒，送料♛时间10 秒，总时间为18 秒，所以切削速度是传统锯床的5 倍；主轴的转速有无极调速功能，可同时锯多种规格的棒料，且最后一根具有检查长度和分检料头的功能。

切割夹钳采用三点式万能夹持方式，不同外形材料无需更换夹持装置；配置有准干式锯片润滑冷却装置，提高锯片使用寿命；采用可调节高刚性锯片稳定器，完全防止了圆锯片的振颤、偏摆，锯切精度高；设备符合JB/T 3364.2-2011《圆锯床 第二部分：精度检验》、JB/T 3364.3-2011《圆锯床 第三部分：技术条件》、JB/T 3364.4-2011《圆锯床主轴🦩端部连接尺寸》、GB 16454-2008《金属锯床安全防护技术条件》♈等国家行业标准。

⑸除鳞清洗机通过除鳞喷嘴形成扇形高压水幕，半轴加热部位通过高压水幕，氧化皮被切割、急冷收缩，与毛坯脱离。水通过过滤循环使用，耗电低；整机采用304 不锈钢；进出口采用整体式焊接，平行度高；维护简单方便；整体式罩壳，保护水泵电机；相对于常规除鳞机流量大，全方位处理氧化皮，降温少。

⑹库卡机器人本体(6 轴独立关节型)在充分了解加热炉动作及关节机器人运行动作的前提下，完成自动上下料系统的集成、通讯走线及安全防护，能完全满足自动上下料系统🧸的要求。夹持棒料采用独立的液压手抓，保证在运转中不会因夹持力不够而出问题。

⑺中频加热设备采用当前先进的技术及部件，节能环保、自动化程度高、方便简捷、安全可靠、设♔备稳定、易维护维修等。同时中频加热炉以及整线含有电能能꧂耗的显示与采集。

①预镦前加热：中ℱ频电源柜与负载感应器采用分体式、多工位结构，独立式感应器组，具备能耗显示与采集功能。

②设备加热频率与透热深度、心表温差有紧密关系，针对粗细、长短不同的棒料，可实现使用同一频率的标准，针对不同工况，进行频率自꧋跟踪，自适应能力，达到最佳的阻抗匹配，以提高设备的综合利用率。

③中频电源采用全数字化控制系统，并具有启动成功率高、抗干扰能力强、运行稳定可靠等特点，以提高中频电源在任何情况下启动的成功率ဣ，避免满功率启动或满载启动时大电压或者电流冲击对设备主要电气元器件带来损坏。

④可实现零压、带负载启动，启动成功率为100%。

⑤中频电源内部布局合理，可靠简洁的线路使设备操作维修、维护方便简单。

⑥中频电源具有过流、过压、欠压、过载、水压低等保护与故障自诊断功能。

⑦可根据负载的变化匹配。设备在加热过程中，常会随着温度的变化阻抗增大，输出功率减小。本套电源控制系♔统具有自动阻抗调节功能，可根据负载的变化自动调节阻抗匹配，使电源始终保持高功率输出。

⑧终锻前加热(补温)：中频加热采用机器人送料和取料。

⑨中频加热炉采用立式结构，送料采用步进式电机，长度可调(程序)。

⑩在炉体半轴加热(预镦蘑菇头之前)时，另一端花键处具有风冷装置，以免在双动双工位镦粗机镦粗蘑菇头时，另一端(花键端)变形。

♚⑻双动双工位伺服镦粗机适用于锻造比大，且需要连续两次镦粗成形工艺(也可一次镦粗成形)。具有一次加热，在同一台液压机中实现两次或多次预镦(锻造)的工艺特点。其优点是：不受工件锻造比的约束，能够一次加热、锻造成形；节约能源；闭式聚料，聚料能力强，模具聚热减少；提高了生产效率；两次预镦(一次夹紧两处预镦)，保证工件的变形充分且锻造质量好，工件合格率高；便于实现自动化；工位的转换速度平稳、定位精度高、使用稳定(无反弹)等特点。该设备具有模具自动冷却、吹气、喷石墨等装置，自动化程度高、稳定性好。其双工位自动换模结构及实物见图5、图6。

图5 双工位自动换模结构图

图6 双工位自动换模结构实物

①换模推拉油缸由伺服油泵电机通过二通插装阀等驱动，具有压力、行程数控数显功能，💃同时具有节能降噪、精度高等优点。

②模具1#和模具2#具有通用性，制造简单适用，同时便于更换模芯。

③可调挡铁机构均布在换模滑块𝄹机构的四角，具有机械定位的可靠安全性，由碰块挡铁、碰块调节块、碰块组成，具有可调后锁紧功能。

④四套可调导向导轨机构由导轨挡铁、导轨调节块、导轨、铜导轨板等组合而成。导轨采用四面加长形导轨结构，并且导轨间隙均可调整，对于热切边和热校正时热辐射不敏感，可保持高的导向精度。可通过调节导轨的高低方向和左右方向保证模具冲🐻杆与模座中心的同轴度，可保证每个导轨面均与导轨板很好的接触，以提高导轨许用面压值，并减小摩擦力和提高耐磨度。

⑤两侧定位中心油缸、锥形冲头𝕴控制机构、定位油缸导轨、锥形凹槽工件结合，在压力传感器以及接近🅘开关作用下，使模具1#和模具2#之间运动定位精度更高、更可靠稳定、安全性更高。

⑥滑块夹模锁紧器总共采用8 套，每次在换模滑块机构运🤡动时，滑块夹模锁紧器都要松开，使得换模滑块机构与液压机滑块之间有间隙便于移动。同时到位后滑块夹模锁紧器要预紧，保证主机在压制工件抖动时，不影响模具1#和模具2#运动精度，不出现损坏模具或影响锻件同轴度等问题。具有工位转换后使用稳定(无反弹)的特点。

⑼采用一台260t 卧式摆辗机进行✃法兰盘终🧸锻，与传统的压力成形相比具有压力小(1/10 ～1/5)、能耗大大降低、成形金属流线性好等优点。

①液压马达具有柔性摆动辗压锻造性，有利保护设备零部件；马达采用1600ml/r 大排量的曲轴连杆式径向柱塞液压马达，避免闷车和轴承损坏现象的出现；同🥃时减少工件与模具接触时间，提高模具使用寿命。

②锻造变形均匀，金属流线好，工件质量高，可用于少无切削加工，省料节能。

③油缸系统(压紧🧔油缸、摆辗油缸)与液压ꦛ马达系统阀体和油泵电机组，均为独立控制系统，便于控制、维护保养。

④无冲击，模具受力小，模具寿命长；锻件无端面飞边毛刺。

⑤大吨位的压紧力(315 吨)，保证了分模飞边的最小化。

⑥主机前端上下料，操作空间大，便于观察和机器人抓取。

⑦改型后的摆辗机更加便于装卸模具，并配有模具快换机构。

⑧模具采用大流量低压水多点冷却，同时具有自动喷淋石墨乳系统。

⑨伺服油泵电机组控制采用双联油泵,更加节能、高效。

⑩水平滑块采用斜楔式四角“X”形加大接触面可调导轨，导轨板采用A3+CuPb10Sn10 复合材料或铜板，导轨间隙可调；保证滑块导向精度，精度保持性好，抗偏载能力强，耐磨性能良好，使用寿命长；滑块导轨面设有ꦍ加油孔自动▨加油润滑。

? 摆辗时增设时间控制器，以免料多，同时摆头轴承处增设温度传感器。

? 挡料机构要求：挡料时准确定位且不易损坏，同时具备顶出料功能。

⑽安全防护围栏的设计、制造及控制符合国家安全生产方面的相关法规、以确保生产过程上的安全。安全门通过安全锁(开关)与系统联锁，报警由声光报警器完成。

结束语

汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线生产的产品见图7。通过对汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线的设计、制𝓰造、调试、验收等，不仅使我公司的技术团队更扎实、团结、协调，同时使得该线工作人员由原5～6 人，减少到1～2 人，并且劳动强度大大降低♔；能耗降低至少30%(电耗)、以及石墨用量减少；标准通用化、精度高、智能数字化、网络远程操控等特点突出；工件质量稳定性与可靠性便于后续数控机加。

图7 汽车半轴自动化伺服数控锻造生产线生产的产品

作者简介

司宗青

工程师，主要从事异形轴类、管类零件镦锻成形液压机及生产线，如汽车半轴自动化生产线、车桥挤压成形锻造线、汽车轴管锻造线、石油钻杆镦粗加厚机、多向锻造液压机、各种模锻、自由锻液压机以及各种板材成形液压机的研发。

——文章选自：《锻造与冲压》2022年第7期

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