先进锻造技术的研究与应用

文/蒋鹏·精密成形国家工程研究中心

先进锻造技术的研究与应用

文/蒋鹏·精密成形国家工程研究中心

先进锻造技术应以基础产业和高技术产业所需要的精密成形零件的市场需求为导向，开发节能节材、具有工业实用价值的金属塑性精密成形加工技术（包括工艺、关键设备、自动控制系统以及计算机应用），重视新技术应用，加强工程化推广，为提高劳动生产率、降低劳动强度、改善作业环境、推动行业的技术进步服务。

锻造是一门古老的金属成形技术，这门技术已经存在几千年了，并且还将继续存在下去。从最早传统的手工人力锻造发展到近现代用各种类型的锻压机械进行锻造生产，从单一的自由锻工艺发展到现在以模锻为主，各种具有特色的锻造工艺并存，从人工操作到越来越多的自动化生产，锻造技术一直在不断地进步。本文介绍精密成形国家工程研究中心部分先进锻造技术的研究与应用情况。

工艺技术

最初辊锻机只是用来制坯的，后来开发出了用于汽车前轴的精密辊锻工艺，这种工艺对辊锻机的要求比较高，相比制坯用的辊锻机来说对力和能的要求都更高一些。这个工艺专门设计了辊锻机，原来使用的是930mm辊锻机，后来改进设计成1000mm，降低了转速，增加了扭矩，电机、飞轮加大。精密辊锻后坯料的一部分已经成形，对模锻设备打击力的要求也就降低了，这样可以在小吨位的模锻设备上生产汽车前轴。国内目前大约有30条这样的生产线在生产汽车前轴，现在精密辊锻＋模锻的生产工艺已经成为了国内汽车前轴生产的主流工艺。类似的工艺也用在钩尾框锻件的生产上（图1）。

图1 用精密辊锻工艺生产铁路火车钩尾框

精密锻造的狭义概念就是指锻后有些地方不加工或者基本不加工，当时大多指的是一些齿类件，但随着社会的发展和技术水平的提高，现在精密锻造的含义也在扩大，广义精密锻造指的就是整个锻造过程的精密化。精密锻造是锻造的一个发展趋势，从自由锻到模锻，就是一个尺寸精化的过程。

曲轴锻件的模锻斜度一般在1.5°左右（如果在锤上模锻的话，其模锻斜度一般在7°左右），这样机加工的余量就减小了很多。要实现精密锻造，非常重要的一点就是提高装备水平。装备水平提高了，可以更好地促进锻件精度的提高。

铝合金以其密度小、比强度高、加工性好等优点在各个领域都得到了广泛的应用，为了达到节能减重的效果，美、欧、日等发达国家和地区都在不断加大对铝合金锻造材料及其工艺的研发力度，国内未来也应该将铝合金锻造技术作为一项核心技术来重点研究，图2为工程中心在国内某工厂的自动化锻造生产线上开发的铝合金控制臂锻件。

图2 用锻造工艺生产出的高档轿车用铝合金控制臂

装备技术

J55系列离合器式螺旋压力机

离合器式螺旋压力机（图3）适合配置在中、大批量连续生产线，实现高精度、高效率、节能节材生产，模具寿命长，是适合实现自动化生产的通 用锻压设备，其主要技术参数见表1，特点如下：

⑴飞轮速度降低12.5%即可输出最大能量，锻件成形速度在0.5m/s；采用变频驱动后，此成形速度可在0.25～0.6m/s之间调整，便于成形各种合金锻件，此优点其他螺旋压力机都不具备。

⑵油压离合器行程双重控制打击力，可像锻锤一样反复打击，轻重控制灵活。

⑶高的成形能量。标注的公称能量是可输出到工件的变形能量，约为同规格其他类型螺旋压力机的两倍（其他类型压力机标注的公称能量均为运动部分总能量，考虑到效率，只有大约65%可以输出到锻件上）。

⑷导向长度大，刚性强，具有抗倾斜刚性很强的圆柱导向和X形导轨辅助导向双重导向，可以多工位锻打坯料。

⑸滑块可利用行程长。无固定下死点，在滑块2/3的行程内均可发挥最大打击力和最大打击能量，可以灵活调整模具，小行程、大能量可以提高生产效率，延长模具寿命。

图3 离合器式螺旋压力机自动生产线

表1 离合器式螺旋压力机主要技术参数

⑹生产效率高，模具寿命长。与其他各种螺旋压力机相比，滑块加速快、锻件变形速度快，滑块行程次数高；打击过程短，闷模时间短于其他各种螺旋压力机和热模锻压机。

⑺上下顶出器可设置即时顶出，缩短锻件滞模时间。

⑻主电机功率小、整机装机功率小、节能高效。与同规格其他各种螺旋压力机相比，由于飞轮大，飞轮储能模式更合理，所以装机功率最小，工作时电流最小。

⑼在多工位生产线连续生产。在多工位轻重打击连续生产时，没有电动螺旋压力机中、小能量打击时制动飞轮减速或低速下行调节能量导致能量大量浪费、动作慢等缺点；由于打击后螺杆、滑块与飞轮脱开，不仅滑块回程快，而且制动滑块和螺杆浪费的能量小，没有电动螺旋压力机和其他螺旋压力机打击后滑块加速回程造成的回程电流冲击大，制动飞轮造成大量能量浪费等缺点。

⑽自动化程度高。计算机控制可以预选打击力、打击行程、编程多工位锻打，自动显示故障。

ZGD系列自动辊锻机

ZGD系列自动辊锻机（图4），是在引进EUMUCO公司技术的基础上，经过不断优化改进发展而成的系列产品。该产品与机电所配套提供的成形辊锻、制坯辊锻工艺、模具及联线技术，可广泛应用于汽车、拖拉机、能源、手工工具等行业。特别是在汽车前轴、连杆和汽轮机叶片等零件的生产中，已经建成的几十条生产线产生了很大的经济效益和社会效益，主要技术参数见表2。

图4 自动辊锻机

表2 自动辊锻机主要技术参数

D46系列楔横轧

楔横轧是高效精密成形阶梯轴类锻件的先进成形方法，生产效率是模锻的2～5倍，材料利用率提高10%～35%，模具寿命提高10倍以上，是轴类锻件成形与复杂锻件预制坯的先进工艺。在汽车变速箱轴类件、连杆、曲轴预制坯上得到广泛的应用。已经在国内建成多条生产线并向美国、韩国等国家出口（图5）主要技术参数见表3。整体式高刚度精密楔横轧机具有结构紧凑、调整方便、适用于自动化锻造生产线等优点，属于达到国际先进水平的新型锻压设备。

图5 出口韩国的D46-80X700楔横轧自动生产线

表3 楔横轧机主要技术参数

自动化技术

根据产品工艺的需求将锻造生产所需的设备有机结合在一起，实现产品生产的连续性和高效率，所构成的完整的生产流程就是锻造生产线。目前国外部分发达国家已经实现了锻造生产线的全线自动化，但许多生产线仍处于半自动化状态，即主要工序仍需要人工干预。

相比国外的锻造技术，国内的锻造生产还大都处于半机械、半人工的生产状态，小锻件的中转搬运基本上都由人工实现，大锻件的中转搬运由机械手实现，设备和机械手之间的信号传递采取点对点的方式，靠人工判断进行操作，生产效率低下、依赖工人经验等造成了产品难以走向国际市场。因此，实现锻造生产线自动化是提升国内锻造产品质量，增强国际市场竞争力的有效方法。

传统的锻造生产线采用的是点对点的控制方式，这也是我国大部分现有生产线所采用的控制方式。这种控制方式下，设备之间的信号传递是类似串联的一种方式，由于只能实现点与点之间的衔接，每个设备只与其相关的相邻设备发生信号交换，因此一旦生产线中某设备出现故障，故障信号无法发送给与之不直接相关的设备，则这些设备依然按照预定程序运行，势必会造成整条生产线的混乱，甚至发生严重事故。因此，这种点对点的控制方式已经逐步被淘汰。

要建设锻造自动化生产线必须采用更新的控制技术，即现场总线控制技术。与传统的点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有无可比拟的优势。

现场总线控制技术是涵盖了控制信号和安全信号为一体的控制技术，系统采用两层总线结构，工业以太网为上层网，PROFIBUS-DP（或PROFINET）为下层网，此外单独设置安全总线，专门处理安全信号。只有在生产线中所有设备信号和安全信号均处于正常情况，生产线才能正常生产，一旦有任何意外发生，总控将通知各设备急停，并启动相应处理程序进行处理，意外处理完毕后再恢复启动。对于总线控制技术而言，能够正确判断生产线的故障是保证生产能够顺利进行的关键，也就是说，一旦生产出现问题，总控必须能够在第一时间识别这个问题，并做出相应的判断和处理。

在锻造过程中，材料性能波动、材料尺寸波动、模具型腔的变化、机械设备状况的变化（油温、气压、摩擦系数、运动间隙）、锻件和模具温度的变化以及模具润滑的情况，都会对金属流动产生影响，导致飞边的形状、大小难以控制，严重的会出现粘模现象，最终导致机器人抓取不准或无法正常放入下模腔，自动化生产很难正常进行。针对上述现象，更要充分发挥智能制造感知、决策、执行的核心理念。在锻造生产线上安装各种智能感知传感器，例如对粘模或锻件未能放入下模腔，采用激光对射传感器，对锻件位置偏移采用图像对比技术，对模具型腔的变化采用二维激光扫描技术，对锻件和模具温度实时检测，对辊锻机、压力机重要成形设备的输出能量和打击力实时采样记录。

开发锻造专家决策系统，传感器通过总线系统将感知到的信息和数据上传给综合数据库，经由推理机和解释器分析出故障点，从知识库中索取由锻造工艺、设备及自动化专家所提供的故障解决方案。将所做决策经由现场总线发给执行机构，并将推理结果同时反馈给专家。

采用基于现场总线的控制系统，可以使生产过程实现自动化控制。但生产管理仍然是人工作业；局部优化了，全局不优，制约了生产效率和效益的进一步提升。另一方面，很多企业都在建设ERP系统，随着企业信息化工作的不断深入，我们发现ERP系统不能解决企业复杂生产管理问题，而且，没有实时的生产过程信息，ERP系统如同空中楼阁，也不能很好运行，达不到企业资源优化的目标。上层信息化系统与下层自动化系统出现了一个很大的鸿沟。

MES系统是面向企业生产管理的新一代信息系统。它以提高生产效率，减低生产成本、缩短交货期，改善客户服务为目标，运用计算机网络把各个自动化孤岛连接起来，运用信息化手段管理和优化全局生产流程，实现从产品定单开始、直到产品交付的整个生产管理流程自动化。有了MES系统，企业可以实现生产全线自动化；有了MES系统，下层自动化系统与上层ERP系统就能实现无缝集成。MES系统是企业信息化系统不可缺少的组成部分，将为我国企业信息化水平提高，企业整体运行效率的提升发挥巨大作用。

结束语

精密成形国家工程研究中心目前由北京机电研究所锻压工程技术中心、先进制造技术与装备研究中心两个主要业务部门组成，已经成为集研发、制造、生产为一体的专业技术研究、开发和推广机构，在热模锻成形技术、流动控制成形技术、回转成形技术、等温锻造技术、闭塞锻造技术、金属挤压技术、模具制造技术等领域取得的研究成果在全国推广应用，效果良好。中心对锻压设备及自动化控制、锻压自动化成套技术等行业非标装备设计制造等方面也进行了深入研究，开发的辊锻机、楔横轧机、离合器式螺旋压力机、热模锻压力机、冷摆辗机、锻造自动生产线集成控制等产品，达到或接近国际先进水平，不仅在国内批量生产，还出口到了世界多个国家和地区，得到用户的广泛好评。