方案大师 第3.3节:锻造自动化生产线的设计方法和流程

3.3.1 锻造基础知识

锻造是利用锻压机对金属胚料施加压力,使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。

钢的开始再结晶温度约为727℃,但普遍采用800℃作为划分线,高于800℃的是热锻,在300~800℃之间称为温锻或半热锻,在室温下进行锻造的称为冷锻。

热锻需要将胚料加热到1200℃,表面会产生氧化皮,可以采用除鳞机或镦粗的方式实现去除氧化皮。

锻造制坯和终锻工序需要对模具进行润滑和降温处理,可以采用表面吹气清理+喷水冷却+喷脱模剂润滑的方式,常用的脱模剂有石墨乳,一般将水气液3路喷头固定在机械手上,由机械手伸入模腔位置,对模腔表面进行吹扫喷涂。

深度阅读:

  1. 锻造石墨乳配比及使用注意事项:https://www.cad2d3d.com/post-897.html
  2. 高压水去氧化皮:https://www.cad2d3d.com/post-868.html
  3. 石墨乳脱模剂:https://www.cad2d3d.com/post-869.html
  4. 锻造自动线风险点和难点:https://www.cad2d3d.com/post-874.html
  5. 曲轴锻造机器人上下料:https://www.cad2d3d.com/post-1134.html
  6. 热态尺寸视觉检测:https://www.cad2d3d.com/post-1326.html
  7. 锻造自动化生产线案例视频:https://www.cad2d3d.com/post-1434.html

3.3.2 曲轴锻造工艺流程

典型工艺流程:中频炉加热→温度分选→除鳞→镦粗→预锻→终锻→切边冲孔→尺寸检测→温控→热处理

3.3.3 曲轴锻造生产线组成及布局

本案例以发动机曲轴为例,详细讲解如何设计一条曲轴锻造自动化生产线。

曲轴锻造自动化生产线由1台中频炉、1套除磷机、1台5000T锻压机、1台500T冲床、5台FANUC R-2000iC/165F机器人(含基座、手爪)、1个中转台、若干个抽检滑台,安全围栏、安全门及系统控制柜等设备组成。

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图69曲轴锻造布局图

3.3.4 锻造节拍时序

锻造节拍很快,小零件人工操作节拍可到4s/件,6轴机器人无法实现这么快的速度,因此锻造生产线的节拍一般受限于机器人,正常情况下,FANUC R-2000iC/165F机器人完成一次搬运(距离2米)的时间为8s。

锻造生产线中,1台锻压机放2个工序很普遍,比如主锻压机通常会放预锻和终锻两个工序,如果节拍要求不高,预锻到终锻的搬运可以借用前序或后序的机器人来完成,若节拍要求很快,则必须新加一台机器人,用来实现预锻到终锻的搬运。

本案例中采用新加机器人实现预锻到终锻的搬运。

本案例中主压机由于需要下压两次,在所有锻压机中节拍最长,需要单独拿出来分析节拍。另外5#机器人需要取成品和飞边,是所有机器人中动作最多的,需要单曲拿出来分析节拍。

经过分析计算,主压机节拍为15s,5#机器人动作节拍为15s,因此整线节拍为15s/件

表12取成品和飞边机器人节拍时序表

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表13主压机(预锻和终锻)节拍时序表

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3.3.5 锻造自动化配套设备详述

3.3.5.1 锻压机

锻造行业常见的有摩擦压力机、机械式压力机、电动螺旋压机、辊锻机、液压机等。其中机械式压力机和辊锻机是依靠机械装置实现精确成型,摩擦式压力机、电动螺旋压力机、液压机都是能量冲击型的方式,不能保证每次成型一致。

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3.3.5.3 模座模具

锻压机只配置T型工作台面,为了方便模具安装,通常要在T型台面上设置模座(分上下模座),最后将模具安装到模座上。

为了满足自动化快速换模要求,模座又划分为主模座和副模座,主副模座通过液压夹紧器快速夹紧。

换模流程:线外模具预先安装到副模座上,换模时直接将更副模座和模具。

3.3.5.4 快速换模装置

热模锻模具寿命较短,可能每班都要换模,为了提高换模效率,大吨位的锻压机通常需要配置快速换模装置,小吨位的锻压机配置旋转换模臂。

快速换模装置主要由夹模器、举模器、移载臂、换模台车等组成。

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图70快速换模装置示意图

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图71快速换模装置实体图

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图72快速换模流程

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图73 夹模器、举模器和移载臂示意图

3.3.5.5 中频炉

中频炉通过可控硅的整流逆变产生中频电源,送到炉体线圈上,炉体(线圈)中间产生中频电磁场,从而使炉体内的金属产生涡流,涡流再使金属产生大量的热能使得金属熔化。

3.3.5.6 中频炉下料定位输送装置

中频炉出料口设置链条输送机接料,需要注意中频炉出料是否存在2个板料粘连情况,可以在中频炉出料口设置棒料分离装置。

3.3.5.7 高压水除鳞机

采用高压水去除高温工件表面氧化皮。

高压水除鳞机详述:https://www.cad2d3d.com/post-1328.html

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图74除鳞机(去氧化皮装置)

3.3.5.8 喷嘴及机械手

脱模剂喷嘴可以选用和手动喷枪相同的型号,要求先喷压缩空气,然后喷脱模剂。

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图75手动喷枪

手动喷枪入口有2路,分别是压缩空气和脱模剂,人工喷涂时,轻握把手时,压缩空气管路接通,这时只会喷压缩空气,当握紧把手后,脱模剂管理也接通,由于虹吸原理,压缩空气将脱模剂带出,最终通过喷嘴喷出。

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图76手动喷枪开关

在自动化生产线中,气液管路的通断顺序和时间长短需要使用电磁阀来控制。

3.3.5.9 机器人手爪

由于工件温度高达1200℃,因此需要考虑手爪隔热和冷却,通过选择耐热钢、设置隔热板、增加手爪长度、水冷、更换手指块等方式实现手爪耐用。

另外由于锻造环境恶劣,需要考虑手爪的防尘防水,以及脱模剂对气缸的影响。

3.3.5.10 锻造除尘

锻造车间粉尘主要为热锻造烟气,锻造温度在400℃~500℃,含有大量的石墨、焦炭粉尘、多环芳烃等烃类分解物以及CO、NO2等有害气体,具有很大的黏着性和刺鼻气味,且整个锻造过程伴随着光热声等污染。

目前锻造除尘难度较大,主要是油雾粉尘捕捉收集困难,而且不好处理。被收集的油渍中会粘附大量石墨粉尘,滤筒除尘器、湿式除尘器以及干式静电除尘器均不适宜这种工况,目前比较理想的是湿式静电除尘,但投资金额较大。

净化系统包含风管系统、湿式静电除尘器、循环水系统、风机系统、电气系统及附件系统。

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