步进梁在曲轴自动化锻造的应用研究

文/廖德侃，彭添，李佳玲·桂林福达重工锻造有限公司

锻造作为一种发展历史悠久的传统工艺，从“铁器时代”的纯手工锻造，到现在通过压力机模具成形，锻造工艺以及锻件要求都发生了翻天覆地的变化，锻造过程的高温环境、用工缺乏以及劳动力成本提高等因素，都决定了人将慢慢退出锻造生产过程，因此，自动化生产成了锻造企业发展的必然趋势。

目前锻造行业竞争越来越激烈，只有“物美价廉”的产品才能占领市场，为此锻造企业都纷纷开始对锻造线进行智能化改造以提高生产效率，其中引进的机器人和步进梁为最常见的锻造过程转运物料设备，但由于缺乏应用经验，据不完全统计，步进梁工位的废品占锻造过程废品比重极大，如何提高步进梁生产过程的稳定性，减少过程废品成了一个难题。

本文以乘用车四缸曲轴自动化锻造为例，就步进梁在锻造应用过程中出现的问题进行分析研究。

工艺介绍

乘用车四缸曲轴锻造成形过程工艺一般为中频加热、去氧化皮、压扁、预锻、终锻、切边。锻造过程料温在900℃以上，过程转料采用机器人和步进梁抓取，其中压扁、预锻、终锻、切边在一台热模锻压力机上锻压完成，转料方式采用步进梁。

步进梁有五个工位，通过夹持、上升、前进、下降、张开、复位的循环动作，过程坯料从一工位到五工位分别完成上料、压扁、预锻、终锻、切边工序，各工序步进梁夹料示意图以及各工序坯料见图1。

图1 各工序步进梁夹料示意图以及坯料立体图

步进梁应用过程存在的问题

锻造成形整个生产过程为：

①中频加热将圆棒料加热到工艺要求温度后，由R1 机器人夹持坯料中部转运到去氧化皮工序送料轨道上；

②完成去氧化皮工序后，R2 机器人夹持坯料中部转送到模锻V 形进料小车上；

③V 形进料小车将坯料运输到一工位后，由步进梁夹持坯料两端头将坯料转送到压扁工位上；

④压扁工序完成锻压后，步进梁二工位夹持坯料两端头转送到预锻工位；

⑤预锻工序完成锻压后，步进梁三工位托起坯料两端飞边将坯料转送到终锻工序锻压，接着以同样的方式转送坯料到切边工位；

⑥切边完成后，步进梁五工位夹持坯料两端转送到V 形出料小车上；

⑦R3 机器人将出料小车上锻件夹持挂上控温冷却线悬挂链，同时步进梁复位，切边顶出油缸将残留飞边顶出，步进梁五工位托起残留飞边两端将飞边转运到传送带上。

整个锻造过程都采用自动化生产，任一工序出现故障都会影响整线从而退出自动生产，不仅会造成产线停顿影响生产效率，也会造成过程料废，其中，压扁至切边工序上的坯料都将报废，中频加热至压扁前的坯料视使用次数而定，如使用超过3 次也将进行报废处理。经废品统计，锻造过程报废占产品报废比例约80%，其中，步进梁转料工序废品占锻造过程废品约90%，故保证步进梁生产过程中的稳定性成了自动化生产的关键。

原因分析

从废品分布以及现场观察分析，着重对模锻过程报废模式进行分类并查找原因，见图2。

图2 报废原因分析

针对梳理出来的报废故障模式，进行主要原因分析。

⑴压扁件报废：中频加热出来的坯料会存在±40℃的温度波动范围，同时棒料长度有±2mm 的偏差，棒料经压扁后长度大于步进梁夹持距离会导致步进梁报警；另外压扁坯两端呈椭圆状，步进梁二工位夹持放到预锻工位张开时，夹钳会拖动坯料移动，导致放料位置不对，偏移严重的工件会直接报废，偏移小的工件也会影响后工序的夹持。

⑵未切边件报废：步进梁夹持时，夹钳撞到模具两端面或者坯料两端飞边会导致步进梁报警；压扁坯放到预锻模具位置不对，料少一端飞边少，导致步进梁无法夹持坯料飞边。

⑶切边掉料件报废：切边后，顶杆将飞边顶出时会跳动，飞边会倾斜导致步进梁无法夹持，需停下设备人工将前工序件和残留飞边撬出。

解决过程

步进梁由伺服电机控制可以在X、Y、Z 三个方向动作，移动距离都可以通过参数设定，通过上述分析，问题产生的原因是多方面的，需从步进梁结构、夹钳、模具等方面进行改进。

改进步进梁的结构

现场观察确认，目前步进梁的前、后梁各工位夹持工装内置有弹簧，具有10mm 的伸缩量，当压扁坯长度存在波动时会压缩弹簧，导致坯料放到预锻位时位置不稳定；同时检查发现，由于锻造过程喷涂的脱模剂和氧化皮长期腐蚀步进梁内部零件，部分工位内部弹簧已失效。对步进梁的结构进行改进，将大头端的后梁作为定位端(内部无弹簧，无伸缩量)，小头端的前梁作为活动端。经实际生产验证，该改进方式不仅可以实现对坯料的精准定位，还避免了坯料长度偏差导致的步进梁夹持过紧报警，改进后的步进梁内部结构见图3。

步进梁夹钳设计优化

经排查分析发现，夹钳拖料问题主要发生在二工位，压扁完后，步进梁夹持到预锻位张开时，二工位会拖动坯料，检查发现，夹钳开口设计为圆弧形状，而坯料两端经压扁后呈椭圆状，考虑到模具安装偏差，模具中心和步进梁工位中心也会存在移动偏差，步进梁夹持坯料时，夹钳和坯料接触面大，张开时容易拖动坯料。为此，将一二工位夹钳开口改成U 形，坯料和夹钳通过点接触，减少二者间的接触摩擦力，同时夹钳口大小设计也有要求，需保证步进梁在下降到下死点之前，坯料已经和预锻模型腔接触，实现夹钳和坯料的分离。经试用，该优化可以有效避免步进梁张开时夹钳拖动坯料问题，夹钳结构优化前后对比见图4。

图4 夹钳结构更改前后对比

模具优化

同一产线模具外形一致，但由于锻件长度不一致，步进梁夹钳的长度和夹持间距是不一样的，同时步进梁两端和伺服装置连接处锁扣会存在磨损，加之转送过程中坯料重力的作用，步进梁夹钳会向下倾斜一定角度。经研究验证，在模具前后端设计夹钳避让(图5)，可以避免步进梁夹持时撞击模具报警。

图5 两端设计夹钳避让

针对夹钳撞坯料两端飞边问题，现场确认，主要为模具前后端设计有飞边仓，飞边过厚导致撞击，经充分论证确认需优化前后端飞边厚度，具体方法是预终锻下模大小头不设计飞边，如图6 所示，上模设计飞边仓，由于上模排料速度比下模快，坯料大小头飞边会轻微往上翘，避免步进梁夹持时撞击到大小头飞边。

图6 锻模两端下模不设计飞边仓

切边顶飞边方式

经生产过程观察和分析，顶出残留飞边过程中，6 根顶杆和残留飞边仅6 个点接触，加之顶杆高度尺寸偏差以及飞边下底面的不平齐，顶杆与残留飞边接触时间存在差异，导致残留飞边顶出窜动倾斜，夹钳无法夹持飞边。为了进一步解决顶出装置和残留飞边稳定性问题，需保证顶出装置和残留飞边采用面面接触的方式，具体方式为：设计专用托飞边板，飞边板上顶面形状和终锻桥部形状匹配。经实际生产验证，采用托飞边板整体式顶出残留飞边，顶出状态非常平稳(图7)。

图7 顶飞边方式改进前后对比

结束语

经批量生产验证，可知工装模具的优化设计使步进梁在锻造过程中存在的脱料、报警、掉料问题得到了明显的改善，产品生产过程废品大幅降低，保证了自动化锻造线连续、高效、保质、稳定的生产。

盘古盘古是中华神话的开始，中华神话中盘古开天劈地后才有了天地万物。