步進梁在曲軸自動化鍛造的應用研究

文/廖德侃，彭添，李佳玲·桂林福達重工鍛造有限公司

鍛造作為一種發展歷史悠久的傳統工藝，從“鐵器時代”的純手工鍛造，到現在通過壓力機模具成形，鍛造工藝以及鍛件要求都發生了翻天覆地的變化，鍛造過程的高溫環境、用工缺乏以及勞動力成本提高等因素，都決定了人將慢慢退出鍛造生產過程，因此，自動化生產成了鍛造企業發展的必然趨勢。

目前鍛造行業競爭越來越激烈，只有“物美價廉”的產品才能占領市場，為此鍛造企業都紛紛開始對鍛造線進行智能化改造以提高生產效率，其中引進的機器人和步進梁為最常見的鍛造過程轉運物料設備，但由于缺乏應用經驗，據不完全統計，步進梁工位的廢品占鍛造過程廢品比重極大，如何提高步進梁生產過程的穩定性，減少過程廢品成了一個難題。

本文以乘用車四缸曲軸自動化鍛造為例，就步進梁在鍛造應用過程中出現的問題進行分析研究。

工藝介紹

乘用車四缸曲軸鍛造成形過程工藝一般為中頻加熱、去氧化皮、壓扁、預鍛、終鍛、切邊。鍛造過程料溫在900℃以上，過程轉料采用機器人和步進梁抓取，其中壓扁、預鍛、終鍛、切邊在一臺熱模鍛壓力機上鍛壓完成，轉料方式采用步進梁。

步進梁有五個工位，通過夾持、上升、前進、下降、張開、復位的循環動作，過程坯料從一工位到五工位分別完成上料、壓扁、預鍛、終鍛、切邊工序，各工序步進梁夾料示意圖以及各工序坯料見圖1。

圖1 各工序步進梁夾料示意圖以及坯料立體圖

步進梁應用過程存在的問題

鍛造成形整個生產過程為：

①中頻加熱將圓棒料加熱到工藝要求溫度后，由R1 機器人夾持坯料中部轉運到去氧化皮工序送料軌道上；

②完成去氧化皮工序后，R2 機器人夾持坯料中部轉送到模鍛V 形進料小車上；

③V 形進料小車將坯料運輸到一工位后，由步進梁夾持坯料兩端頭將坯料轉送到壓扁工位上；

④壓扁工序完成鍛壓后，步進梁二工位夾持坯料兩端頭轉送到預鍛工位；

⑤預鍛工序完成鍛壓后，步進梁三工位托起坯料兩端飛邊將坯料轉送到終鍛工序鍛壓，接著以同樣的方式轉送坯料到切邊工位；

⑥切邊完成后，步進梁五工位夾持坯料兩端轉送到V 形出料小車上；

⑦R3 機器人將出料小車上鍛件夾持掛上控溫冷卻線懸掛鏈，同時步進梁復位，切邊頂出油缸將殘留飛邊頂出，步進梁五工位托起殘留飛邊兩端將飛邊轉運到傳送帶上。

整個鍛造過程都采用自動化生產，任一工序出現故障都會影響整線從而退出自動生產，不僅會造成產線停頓影響生產效率，也會造成過程料廢，其中，壓扁至切邊工序上的坯料都將報廢，中頻加熱至壓扁前的坯料視使用次數而定，如使用超過3 次也將進行報廢處理。經廢品統計，鍛造過程報廢占產品報廢比例約80%，其中，步進梁轉料工序廢品占鍛造過程廢品約90%，故保證步進梁生產過程中的穩定性成了自動化生產的關鍵。

原因分析

從廢品分布以及現場觀察分析，著重對模鍛過程報廢模式進行分類并查找原因，見圖2。

圖2 報廢原因分析

針對梳理出來的報廢故障模式，進行主要原因分析。

⑴壓扁件報廢：中頻加熱出來的坯料會存在±40℃的溫度波動范圍，同時棒料長度有±2mm 的偏差，棒料經壓扁后長度大于步進梁夾持距離會導致步進梁報警；另外壓扁坯兩端呈橢圓狀，步進梁二工位夾持放到預鍛工位張開時，夾鉗會拖動坯料移動，導致放料位置不對，偏移嚴重的工件會直接報廢，偏移小的工件也會影響后工序的夾持。

⑵未切邊件報廢：步進梁夾持時，夾鉗撞到模具兩端面或者坯料兩端飛邊會導致步進梁報警；壓扁坯放到預鍛模具位置不對，料少一端飛邊少，導致步進梁無法夾持坯料飛邊。

⑶切邊掉料件報廢：切邊后，頂桿將飛邊頂出時會跳動，飛邊會傾斜導致步進梁無法夾持，需停下設備人工將前工序件和殘留飛邊撬出。

解決過程

步進梁由伺服電機控制可以在X、Y、Z 三個方向動作，移動距離都可以通過參數設定，通過上述分析，問題產生的原因是多方面的，需從步進梁結構、夾鉗、模具等方面進行改進。

改進步進梁的結構

現場觀察確認，目前步進梁的前、后梁各工位夾持工裝內置有彈簧，具有10mm 的伸縮量，當壓扁坯長度存在波動時會壓縮彈簧，導致坯料放到預鍛位時位置不穩定；同時檢查發現，由于鍛造過程噴涂的脫模劑和氧化皮長期腐蝕步進梁內部零件，部分工位內部彈簧已失效。對步進梁的結構進行改進，將大頭端的后梁作為定位端(內部無彈簧，無伸縮量)，小頭端的前梁作為活動端。經實際生產驗證，該改進方式不僅可以實現對坯料的精準定位，還避免了坯料長度偏差導致的步進梁夾持過緊報警，改進后的步進梁內部結構見圖3。

步進梁夾鉗設計優化

經排查分析發現，夾鉗拖料問題主要發生在二工位，壓扁完后，步進梁夾持到預鍛位張開時，二工位會拖動坯料，檢查發現，夾鉗開口設計為圓弧形狀，而坯料兩端經壓扁后呈橢圓狀，考慮到模具安裝偏差，模具中心和步進梁工位中心也會存在移動偏差，步進梁夾持坯料時，夾鉗和坯料接觸面大，張開時容易拖動坯料。為此，將一二工位夾鉗開口改成U 形，坯料和夾鉗通過點接觸，減少二者間的接觸摩擦力，同時夾鉗口大小設計也有要求，需保證步進梁在下降到下死點之前，坯料已經和預鍛模型腔接觸，實現夾鉗和坯料的分離。經試用，該優化可以有效避免步進梁張開時夾鉗拖動坯料問題，夾鉗結構優化前后對比見圖4。

圖4 夾鉗結構更改前后對比

模具優化

同一產線模具外形一致，但由于鍛件長度不一致，步進梁夾鉗的長度和夾持間距是不一樣的，同時步進梁兩端和伺服裝置連接處鎖扣會存在磨損，加之轉送過程中坯料重力的作用，步進梁夾鉗會向下傾斜一定角度。經研究驗證，在模具前后端設計夾鉗避讓(圖5)，可以避免步進梁夾持時撞擊模具報警。

圖5 兩端設計夾鉗避讓

針對夾鉗撞坯料兩端飛邊問題，現場確認，主要為模具前后端設計有飛邊倉，飛邊過厚導致撞擊，經充分論證確認需優化前后端飛邊厚度，具體方法是預終鍛下模大小頭不設計飛邊，如圖6 所示，上模設計飛邊倉，由于上模排料速度比下?？?，坯料大小頭飛邊會輕微往上翹，避免步進梁夾持時撞擊到大小頭飛邊。

圖6 鍛模兩端下模不設計飛邊倉

切邊頂飛邊方式

經生產過程觀察和分析，頂出殘留飛邊過程中，6 根頂桿和殘留飛邊僅6 個點接觸，加之頂桿高度尺寸偏差以及飛邊下底面的不平齊，頂桿與殘留飛邊接觸時間存在差異，導致殘留飛邊頂出竄動傾斜，夾鉗無法夾持飛邊。為了進一步解決頂出裝置和殘留飛邊穩定性問題，需保證頂出裝置和殘留飛邊采用面面接觸的方式，具體方式為：設計專用托飛邊板，飛邊板上頂面形狀和終鍛橋部形狀匹配。經實際生產驗證，采用托飛邊板整體式頂出殘留飛邊，頂出狀態非常平穩(圖7)。

圖7 頂飛邊方式改進前后對比

結束語

經批量生產驗證，可知工裝模具的優化設計使步進梁在鍛造過程中存在的脫料、報警、掉料問題得到了明顯的改善，產品生產過程廢品大幅降低，保證了自動化鍛造線連續、高效、保質、穩定的生產。

盤古盤古是中華神話的開始，中華神話中盤古開天劈地后才有了天地萬物。