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爪极自动化热锻工艺改造研究

爪极是汽车交流发电机转子总成中的核心零件,其主要作用是将转子中励磁线圈产生的轴向磁场转化为径向磁场,从而使得转子旋转时获得沿空间三维分布的交变磁场,该交变磁场相对定子运动产生交流电,因而汽车发电机爪极也被称作汽车发电机磁极。目前国内外应用最为广泛的是采用多工步热锻+冷精整联合成形的锻造工艺方案,其中多工步热锻是该工艺方案的核心,主要包括镦粗、预锻、终锻、切边四个工步,目前国内的企业主要由人工来实现工步间物料转移和石墨喷涂。为应对日趋激烈的市场竞争及日益上涨的人工成本,越来越多的企业考虑采用自动化方式替代传统人工操作为主的生产线。

工艺方案改进

人工操作热锻工艺

采用人工操作的爪极多工步热锻工艺方案,使用一台热模锻压力机,布置四个工位,由两名工人负责转移工件和喷涂石墨润滑剂,隔工位操作,每分钟能生产9~10件合格的爪极。在预锻成形结束时爪极预锻件的爪部是竖直朝上的,在模具设计时将难成形的爪部型腔设计在上模,而将形状简单易于成形的底部设计在下模,在终锻成形结束时爪极终锻件的爪部是竖直朝下的,工步图如图1所示。

该工艺方案的优点是预锻时工件温度高保证了爪部已基本成形,且氧化皮易于从模具型腔掉落,不会造成模具堵塞,生产过程稳定。终锻时工件温度已经降低且爪部的温度低于底部的温度,通过底部的变形来实现局部特征的成形,由于氧化皮很少且爪部结构复杂金属在模具中流动缓慢,不易产生折叠等锻造缺陷。

自动化热锻工艺

在改进的工艺方案中采用自动化装置来替代人工操作,需要考虑预锻到终锻的步骤,工件摆放朝向的问题。人工操作具有灵活性,工件的翻转并不影响整个工艺过程的效率和稳定性,采用自动化装置,无论是步进梁还是机器人,都会额外增加改造的难度和成本。

为了降低自动化改造的难度,提出了如下一种基于步进梁的自动化热锻工艺方案,工步示意图如图2所示。

关键工艺装备

为了实现上述的工艺方案,需要配置相应的工艺装备,主要包括上料装置、中频感应加热炉、料坯分选装置、热模锻压力机、步进梁机构、润滑装置、成形模具等,其中最为关键的是热模锻压力机的选型及步进梁机械手、润滑喷头及成形模具的设计,设计的合理性直接影响爪极自动化热锻工艺的可行性和稳定性。

锻造设备

根据成形工艺中每个工序的成形力,总的成形力,以及不同工位之间的距离等参数选出合适型号的锻造设备,本工艺方案中我们采用的是从俄罗斯引进的TMP-2500热模锻压力机,公称压力2500吨,如图3所示。

步进梁

步进梁(图4)是实现工件转移的传输机构,采用5个伺服电机通过PLC程序控制工作,是自动化的核心机构,本工艺方案中主机为韩国采购,夹持工件的机械手需要根据实际工况进行结构设计和优化,属于步进梁中的易损件。

成形模具

成形模具包括母模架、子模架和工作模块三部分,由于该工艺方案主要针对爪极产品,母模架安装在设备上不经常更换的部分,采用螺栓固定,无需快速切换。主要工位(指预锻和终锻工位)子模架采用液压螺母快速夹紧的方式,能够实现快速切换,便于安装在子模架内工作模块的更换,能够显著提高工作效率,子模架如图5所示。

润滑装置

润滑装置主要由润滑剂搅拌箱、喷涂系统和润滑剂回收系统几部分组成,其中喷涂系统中的喷头设计十分关键,需要根据润滑的部位调整喷头的结构形状和孔径大小,典型喷头几何结构如图6所示。

测试问题与改进措施

测试出现的问题

由于自动化锻造工艺方案和现有人工操作工艺方案的差异性,导致按照人工操作设计的模具结构和工艺参数在爪极自动化锻造中不适用,在进行自动化锻造测试前期,出现了诸多问题,主要包括爪部充不满、爪部出气孔过长、模具寿命低等,导致产品报废率高达15%,几种产品失效形式如图7所示。

失效原因分析

经过工程师和现场技术人员对多次测试结果的分析和讨论,爪部充不满和出气孔过长主要原因总结如下:

⑴预锻模具型腔被氧化皮堵塞。

⑵模具型腔润滑不充分和不均匀。

⑶镦坯件放置在预锻模具中的位置与理想位置偏差大。

⑷预锻件和终锻件变形量分配不合理。

模具寿命低主要原因如下:

⑴成形力大导致模具变形。

⑵成形前高温料坯和模具接触时间长导致模具硬度降低。

⑶模具型腔润滑不充分和不均匀导致模具磨损加剧。

解决措施

针对上述问题的解决措施如下:

⑴将镦粗工步的自由镦粗增加定位型腔,即在镦坯下模平面上增加一个圆形凹坑,凹坑直径与预锻下模型腔基本接近,便于镦坯件在预锻型腔的定位准确。

⑵优化润滑剂的浓度、喷涂压力和时间、出气孔位置和大小等参数,充分和均匀润滑模具型腔。

⑶在步进梁上增加吹气装置,在步进梁移动的同时吹扫工件,避免模具型腔内残留氧化皮。

⑷不断改进模具结构设计,降低模具成形力和不同成形工步成形力的偏差值。

⑸调整步进梁的工作参数,减少高温料坯与模具型腔的接触时间。

改进后的产品

通过改善模具飞边结构、调整出气孔方式、以及润滑方式,解决了爪尖成形不饱满、出气孔长等质量问题,开始稳定生产。改进后的实物照片见图8。

结束语

自动化锻造是未来锻造行业发展的必然趋势,经过1年多的探索和改进,我们实现了爪极产品的自动化热锻,生产节拍最快可达每分钟14~15件,班产量平均4800件,模具平均寿命接近手动锻造水平,后期拟通过持续改进增加生产节拍至每分钟16~17件。

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