温精锻直伞锥齿轮自动化锻造生产线研制

黄廷波，李旭东，左玉成，葛晓明

（江苏飞船股份有限公司,江苏 泰州 225516）

目前，多数齿轮锻造企业面临人工成本增长及招工难的双重压力，传统的手工操作锻造生产线已愈来愈不被接受。未来锻造企业想提供具有竞争力的产品，无论是从质量或成本角度考虑，锻造自动化生产都是企业发展的必然趋势。2011 年，李瑞霞等对电动螺旋压力机自动锻造生产线进行了研究与应用，提出了四种锻造线组成方案[1]。2013 年，金林奎提出了齿轮精锻生产过程中的若干建议[2]。2014 年，田凯以“丰田生产方式”为指导排布了一条齿轮毛坯精锻生产线，提高了公司的齿轮锻造生产效率，保证了锻件质量，有效降低了劳动强度[3]。2017 年，王云飞等结合国内外锻造行业新技术的发展趋势进行研究,实现了零件质量的在线监测、反馈及调整的闭环控制，并形成了精锻的智能化生产过程[4]。

同传统温精锻直伞锥齿轮手工生产线相比：①手工线一般需要6～8 人，自动化生产线至多2 人就完全满足生产，大幅降低了人力需求；②自动线生产中机器人的运用，大大降低了操作人员的劳动强度，很大程度上改善了员工的作业环境；③自动化生产过程中中频加热温度控制精准，锻造节拍稳定，基本消除人为操作因素对锻造产品的影响，锻坯质量稳定提高；④与切削加工相比，生产效率提高200 倍左右，材料利用率大约提高40%，批量生产成本大约降低30%[5]。

1 齿轮锻造工艺及锻造生产线布局

本文介绍的直伞锥齿轮为汽车差速器零部件，属低碳合金钢类材料，其温锻正常加热温度范围在800～850℃。直伞锥齿轮温精锻：其锻件的齿形为净成形，基本接近冷锻齿轮成形精度。与冷锻成型工艺相比,其无坯料退火及表面磷皂化润滑处理工步，缩短产品生产流转周期3～4 天，符合当前绿色制造的理念。

一条完整的温精锻自动线要实现正常运转，过程中需要解决很多问题。下面以某主机厂客户的半轴齿轮温精锻为示例，浅析生产过程中遇到的一些状况及解决方法，齿轮零件图如图1 所示。

图1 齿轮零件图

该齿轮锻造采用闭式无飞边锻造工艺，一火两锻精锻成形，锻坯形状如图2 所示。该齿轮锻造生产线布局如图3 所示，锻造设备是2 台630t 电动螺旋压力机，并配备自动上料系统+中频加热炉+3 台机器人+石墨喷涂系统。生产工艺流程为：下料—平头、倒角—加热—预涂石墨—加热—预锻—终锻—控制冷却—喷丸—机加工—热处理—精加工—清洗、包装。其中预涂石墨可有效控制原材料表面氧化和脱碳，提高锻坯表面质量。

图2 齿轮锻坯图

图3 齿轮锻造生产线布局图

2 齿轮锻造生产线的持续改进

下面将锻造生产线遇到的一些状况及解决方法叙述如下。

（1）分模时，锻坯不能保证始终停留在下模内，方便机器人取料。该类压机一般采用液压上顶料结构，但液压上打料机构具有液压“迟滞性”特点，导致分模时，锻坯要等到滑块回程到一定的高度时，锻坯才会与上模完全脱开，以致锻坯不能保证始终留在下模内方便机械手正常取料，一旦此问题出现，就会有下面两种情况之一发生：①机器人会夹空，导致生产线停机；②机器人夹偏，造成串齿精锻，精锻锻坯直接报废。

所以在实际中须设计弹性蓄能上顶料机构，确保锻造过程中滑块回程时锻坯始终留在下模内，方便机器人取料。一般采用氮气弹簧或碟形弹簧类的弹性蓄能上顶料装置。

（2）锻坯偏心。该齿轮在锻造中，由于材料的各向异性以及润滑条件的差异、模具导向刚性偏低，锻坯单边偏心错移量达到了0.4mm～0.5mm，锻坯加工面存在加工余量不足的风险，经分析发现是导向装置的有效导程偏小，未能完全起到导向作用。后来重新调整导向装置的导程尺寸，保证坯料在受压变形前有效导程大于5mm，通过此改善，锻坯的单边偏心错移量完全控制在0.15mm 以内。

（3）锻造过程中，预锻、终锻齿形模松动，相对应齿的位置发生转动。锻造中设备振动，会导致生产过程中模具松动，使调试好的预锻、终锻齿模对应齿位置发生轴向旋转偏移，导致预锻坯窜齿，精锻件报废。经分析改进后，在模架上增加定位键设置，有效的预防了模具松动后转动。

（4）模具寿命低，换模频繁。目前，齿轮热锻模具寿命普遍不高，像该生产线模具寿命约10000 件。通过与高校合作试验，对模具表面进行PVD（物理气相沉积技术）涂层处理（见图4），模具寿命已提高到28000～30000 件，该项技术的应用，大大延长了模具的寿命、提高了生产线的效率，该技术在我司已进入到批量应用阶段。

图4 模具表面PVD 涂层处理

（5）换模调试过程复杂。每次更换新模具，需反复调整预锻、终锻模对应齿的位置，调试时间一般会有120min，改进后，在预锻、终锻齿模上设计出加工基准和键槽，直接装模后能有效保证预锻模与终锻模齿形完全对位，换模时间完全控制在40min 以内，真正实现快速换模。

3 结论

综上所述，我公司对温精锻锥齿轮自动化生产线进行了持续改进，解决了生产线调试过程中遇到的诸多技术难题。通过这些问题的解决，齿轮锻件质量得到有效控制，生产成本显著下降，保障了齿轮精锻自动化生产线的流畅运行。该生产线的成功建设，将发挥积极的同行示范效应，具有重要的社会效益和经济效益。