文/董云龙,刘允良,潘文东,王政通,牛余兵·伊莱特能源装备股份有限公司
带颈对焊连接法兰热模锻成形及自动化生产工艺,是一种高效、低耗、低劳动强度的成形技术,在小法兰锻件实际生产中,具有重要意义。最初的小法兰生产靠煤炭加热,空气锤加模具成形,人工操作效率低,而且锻件各部位余量粗放。随着设备及生产能力的提升,天然气炉加热,摩擦压力机或电动螺旋压力机锻造成形,但仍然存在人工操作效率偏低的问题,余量控制虽有所改善,但产品定位靠人工放置,产品一致性差。
近期,依公司发展要求,对小法兰产品的生产方式做出大胆的调整,通过SolidWorks、Deform软件模拟,数据分析,圆盘锯下料,中频炉加热,电动螺旋压力机预锻、成形,闭式单点压力机落料,过程靠机械手转序,利用余热等温正火,形成一条自动化生产线。减少人工,提高效率,降低材料消耗,实现自动化,为后续加工提供了有利条件。
由图1 可以看出,产品分为盘部、颈部和内孔三部分,因此产品的成形要考虑这三部分的难度:盘部难点在内孔的最终成形,不允许出现塌角;颈部控制难点在颈口,防止塌角;内孔控制难点在连皮厚度控制与能否顺利脱模。
图1 带颈对焊连接法兰模型
由产品结构分析,成形前需要分料预锻,成形后需要将内孔连皮冲掉,因此,锻件的成形可分为预锻、成形、冲孔三步。
如果预锻分步,需要在预锻模具间考虑定位,预锻转成形模具需要精确定位,成形转至冲孔也需要定位。定位越简单,则步骤间因定位造成的尺寸误差叠加越少,最终成形毛坯越接近理论尺寸。
机械手需准确夹持住每道工序锻打后的毛坯,因此每步锻打后毛坯高度都要高出下模上平面,方可保证机械手准确夹持。
加热炉升温时间、预锻及转序时间、成形及转序时间、冲连皮及转序时间,根据每道工序耗时对比,找出工序中最长时间作为节拍,调节剩余工序时间。
利用SolidWorks 三维软件,参考《模具设计手册》将预锻、成形、冲孔三工步模具及毛坯图画出,装配后生成.stl 格式保存。将转化格式后的装配件导入Deform 模拟软件,设置参数,变形过程模拟如图2 所示。
图2 变形过程模拟
对变形过程、设备能力、尺寸、热处理后性能及组织等数据梳理分析,变形过程走料均匀,无折伤、无缺料问题;设备2500t 完全满足数据分析中2100t 要求,盘厚与总高尺寸比理论要求大1mm,不用减料,可以作为后期模具膨胀的调整量;整个过程金属流线完好,且金属变形大,有足够的锻造比,性能满足客户要求。
成品尺寸如图3 所示,净重6.3kg,根据《模具设计手册》,在成品基础加双边3mm 余量,双边4°拔模斜度保证出模顺畅,连皮厚度控制在10mm,用SolidWorks 三维软件计算重8.2kg,加冲料与烧损后下料9.5kg。
图3 成品尺寸
通过前期对工艺分析、模拟分析,设计出合理的工艺方案。
在以往的锻造模式中,下料通常采用半自动和全自动带锯床,锯条磨损严重,毛坯尺寸一致性差,且效率较低。自动化圆盘锯相对普通锯切设备:自动化程度高,可实现自行上料、锯切、下料;一致性好,尺寸公差可控制在±0.2mm 以内,且锯切面光洁度非常好;效率高,就φ100mm 圆钢锯切时间对比,在保证锯条正常使用寿命的前提下,普通带锯床一个锯口需要300s,圆盘锯只需要30s,显而易见,效率提高10 倍。
中频加热是少无氧化加热的方法之一,加热效率高,速度快,适合大批量生产。中频加热采用自动上料机构,代替人工;加热温度采用红外检测三路自动筛选,经筛选后坯料温度稳定,同时炉膛内多处测温控制闭环,通过输入出炉温度,中频炉功率自动调整,保证坯料温度稳定,为后续锻造自动化提供条件。
坯料镦粗配高压气路吹除机构,保证加热时产生的氧化皮清除彻底,同时由于提高一次锻造比,经过镦粗、预锻和终锻后,金属的流线基本与锻件的轮廓一致,大大提高了锻件的性能。
利用SolidWorks画出装配图,然后导入到Deform模拟软件,对设计方案进行验证与改善。这样能节省试模成本,在模具投入前期,提前发现模具及成形方案存在的问题,大大缩短开发周期。模拟内容:成形情况,有无折叠或填充不满等缺陷;锻造需要的设备能量;锻件应力在模具使用范围内,让模具不至于过快失效。成形过程模拟如图4 所示,满足设计要求。
图4 成形过程模拟
由图5 可以看出,料从加热炉出来后,由第一台机器人取料送至第一台电动螺旋压力机进行预锻,清除氧化皮的同时为成形做准备;预锻完成后,由第一台机器人抓取送至中转台,然后第二台机器人抓取预锻坯,转送至第二台电动螺旋压力机终锻成形;成形后第二台机器人抓取终锻坯,转送至闭式单点冲床将连皮冲掉;最后将毛坯取下放至滑道,滑至毛坯临时存放台,如此循环生产。模具润滑与冷却采用自动喷雾装置,按照生产节拍保证模具寿命,同时提高了产品表面质量。用机器人搬运代替人工搬运,恶劣的环境条件下,保证工人安全作业,大大降低了劳动强度与劳动成本,提高效率和过程质量。
图5 现场设备和机器人布局
采用无飞边闭式模锻,各部尺寸控制严格,后续机加工在效率以及刀片使用量都有显著的改善。利用先进的技术设备降低成本,功率可控的中频加热炉,能量可控的电动螺旋压力机,位置及动作可控的机器人,保证了每一环节稳定可靠,大大降低了劳动强度,同时还保证了产品的一致性,产品合格率达到99.8%以上。终锻载荷、温度场及锻造金属流向见图6。
图6 终锻载荷、温度场及锻造金属流向
⑴材料节约:圆盘锯锯切下料,省去因普通锯床锯斜造成额外多加余料;中频炉感应加热,降低烧损;采用无飞边闭式模锻,加工余量大大降低,三方面原因让我们原材料使用量大大降低。
⑵节能降耗:因下料减少,使得多余坯料加热能源消耗相应减少;因余量减小,后续机加工刀片使用量大大减少,同时加工效率大大提高。
⑶质量提高:圆盘锯下料,保证每块料的重量一致性,机器人代替人工,过程稳定性更高。
随着科学技术飞速发展,传统锻造行业的装备与技术随之不断提升。类似上述法兰类产品,最初生产方式为夹板锤或空气锤锻造,纯人工操作锻件余量大,工人劳动强度大且危险系数高,生产效率低,锻件成材率低;随着锻造设备被快锻压机或摩擦压力机替代,闭式模锻产品余量控制能力得到显著提高,此时的经济效益已经得到明显改善,但由于设备配合精度不足,模锻飞边较大。
现在我公司配置的整条模锻生产线,只需要工人拆装模具,检查产品质量,工人劳动强度大幅度降低;运用模拟技术进行工艺模具验证,有效降低开发成本,机器人转序定位,大大提高过程质量,从下料到锻造完成基本实现自动化,提高了企业核心竞争力,获得较高的效益,是传统产业转型升级的典型案例。