文/曾卓·中冶京誠工程技術(shù)有限公司

淺談軸承環(huán)件自動(dòng)化生產(chǎn)

文/曾卓·中冶京誠工程技術(shù)有限公司

曾卓，工程師，主要從事軋鋼與金屬加工工程技術(shù)的研究。

我國生產(chǎn)軸承環(huán)件的企業(yè)多、產(chǎn)量大，但是也存在生產(chǎn)形式粗放、產(chǎn)品能耗高、精度低、環(huán)件使用壽命短等問題。特別是近幾年行業(yè)內(nèi)對自動(dòng)化生產(chǎn)的呼聲越來越高，但是軸承環(huán)件的生產(chǎn)還一直沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

軸承環(huán)件生產(chǎn)要想有新的提升，就要打破原有思路，改革一成不變、延續(xù)多年的生產(chǎn)觀念，用創(chuàng)新精神開發(fā)現(xiàn)代化的生產(chǎn)裝備，讓產(chǎn)品從低端發(fā)展為高精尖端，使其進(jìn)入國際高端產(chǎn)品的行列。

打破行業(yè)框框，創(chuàng)造節(jié)能新路線

目前，我國軸承環(huán)件的生產(chǎn)主要局限在機(jī)械制造行業(yè)內(nèi)部?；镜纳a(chǎn)過程包括，冶金工廠購買軸承鋼原料→鋸切坯料→熱鍛→熱輾→一次熱處理→粗加工→二次熱處理→精加工→裝配成品，這種生產(chǎn)過程和方式從20世紀(jì)50年代延續(xù)到今天。

今天，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢已經(jīng)打破了以往的行業(yè)格局，行業(yè)的劃分逐漸向著節(jié)約能源、縮短物流的方向重新整合。冶金行業(yè)也從只賣鋼材原料逐步走向深加工階段。對軸承鋼原有的供求界限開始模糊，有的鋼鐵公司不僅銷售鋼坯，還承攬了從鋸切坯料→熱鍛→熱輾→一次熱處理→粗加工的制造工序，為下游企業(yè)提供精細(xì)原料。由于坯料的輸送、鋸切、鍛造、輾環(huán)采用熱坯聯(lián)合作業(yè)，僅此一項(xiàng)每年就可節(jié)約數(shù)量可觀的能源。為此，打破行業(yè)框框，冶金行業(yè)產(chǎn)品需要向下游延伸。

改善工藝流程

目前，軸承環(huán)件生產(chǎn)廠的熱加工方式仍然采用幾十年前的生產(chǎn)工藝：棒料或坯料→帶鋸機(jī)鋸切→人工操作或軌道式操作機(jī)裝爐→室式加熱爐→人工操作或軌道式操作機(jī)出爐→蒸汽錘鐓粗→人工操作或軌道式操作機(jī)裝爐→室式爐再加熱→人工操作或軌道式操作機(jī)出爐→蒸汽錘馬架擴(kuò)孔→室式爐再加熱→人工操作→輾環(huán)機(jī)擴(kuò)孔成形→人工操作→取出環(huán)件→軌道冷卻→吊車運(yùn)輸。

這種延續(xù)多年的生產(chǎn)工藝比較落后，生產(chǎn)裝備配置差，與現(xiàn)代化生產(chǎn)存在著極大的差距，主要存在能耗高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等缺點(diǎn)。要想改變目前軸承制造裝備落后的局面，首先需要企業(yè)擯棄以往的思想，著眼整線提升的思維方式來規(guī)劃裝備，即把軸承制造的熱加工工序通盤進(jìn)行整合，采用坯料加熱、熱鍛、輾環(huán)聯(lián)合作業(yè)，一火成材。

改善后的軸承環(huán)件生產(chǎn)工藝流程為：坯料→高速圓盤鋸下料→環(huán)形爐加熱→機(jī)械手上料→多工位液壓機(jī)鐓粗、沖孔、切底→機(jī)械手下料→輾環(huán)機(jī)擴(kuò)孔成形→輸送輥道→噴霧冷卻→門式機(jī)下料碼垛→叉車運(yùn)輸，生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

現(xiàn)代化裝備方向

利用已有的現(xiàn)代化裝備，開拓生產(chǎn)適宜范圍的軸承環(huán)件

軸承環(huán)件鍛造工藝中很重要的環(huán)節(jié)是采用馬架鍛打，其作用有以下3點(diǎn)：

⑴用鍛錘穿中心孔時(shí)內(nèi)徑較小以節(jié)約原料，用馬架鍛打擴(kuò)孔，以便環(huán)坯能夠套上輾環(huán)機(jī)芯軸。

⑵對鐓粗及穿孔工序中產(chǎn)生的環(huán)坯內(nèi)外圓鼓肚和折疊進(jìn)行整圓。

圖1 坯料成形圖

⑶徑向鍛打可以使坯料內(nèi)部組織致密，消除鑄造稀松組織的危害。

近幾年來，我國一些企業(yè)引進(jìn)了高端鍛造機(jī)械——精鍛機(jī)。精鍛機(jī)是高合金鍛材最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)設(shè)備之一，它的一大優(yōu)勢就是鍛造棒材和厚壁管。所有的材料成形工序可以在一火內(nèi)完成。精鍛機(jī)有4個(gè)錘頭，被布置在同一平面上，工件處于兩向高應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)打擊變形，避免單向鍛壓產(chǎn)生表面裂紋。精鍛機(jī)鍛造頻次為60～200次/min，鍛造坯料直徑范圍在20～850mm之間。

由于錘擊次數(shù)高，坯料形變產(chǎn)生的熱量可抵償坯料散失到環(huán)境中的熱量，因此鍛造過程中溫度變化較小。這非常適合鍛造溫度范圍控制較窄的高合金鋼或難變形合金的生產(chǎn)。一次加熱就可以達(dá)到終鍛坯料總變形的溫度要求，提高了生產(chǎn)效率和成材率。鍛壓精度尺寸公差僅有±1mm，減少了后續(xù)工序加工余量。許多國家在冶金、機(jī)械制造、國防工業(yè)上采用精鍛機(jī)來生產(chǎn)合金鋼、高強(qiáng)度合金鋼等圓形、方形、矩形截面的棒材或空心階梯軸、厚壁管、炮管等。精鍛機(jī)鍛制的產(chǎn)品如圖2、3所示。

精鍛機(jī)組鍛造厚壁管時(shí)，最大外徑為500mm，最小內(nèi)徑為100mm，最小壁厚為30mm。對于不同規(guī)格的尺寸變化，僅需要更換短芯棒工具，在一火次內(nèi)完成鍛造。精鍛機(jī)下料端配置高速熱鋸機(jī)，定尺鋸切成品。整個(gè)過程全部由PLC程序控制。同時(shí)，精鍛機(jī)配有自動(dòng)操作的軟件包，軟件包提供最優(yōu)的鍛造道次和數(shù)據(jù)記錄，用于控制整個(gè)生產(chǎn)過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量的優(yōu)良率始終如一?；谏鲜龅木憴C(jī)設(shè)備的優(yōu)良性能，其可以用于軸承環(huán)件的生產(chǎn)。

圖3 精鍛機(jī)鍛制的厚壁管

圖2 精鍛機(jī)鍛制的產(chǎn)品

開發(fā)現(xiàn)代化連續(xù)生產(chǎn)線

我國軸承生產(chǎn)企業(yè)的裝備處于較低的水平，單體設(shè)備雖有所改進(jìn)但在自動(dòng)化生產(chǎn)方面卻一直徘徊不前。軸承熱加工工序中多火鍛造、浪費(fèi)能源、效率低下、過度使用人工等情況一直得不到根本的解決。目前，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展正處在大力推動(dòng)擴(kuò)大內(nèi)需的階段，這正是設(shè)備更新?lián)Q代的好時(shí)機(jī)，借此機(jī)會(huì)可以大力提升自動(dòng)化軸承制造裝備的水平。

按照新的軸承環(huán)件的鍛造工藝，我們創(chuàng)新研發(fā)了全自動(dòng)化生產(chǎn)線（圖4），裝備配置流程為，坯料→門式上料機(jī)→高速圓盤鋸→托盤輸送機(jī)→機(jī)械手裝爐→環(huán)形加熱爐→機(jī)械手出爐→送料→多工位液壓模鍛機(jī)→機(jī)械手→出料→輾環(huán)機(jī)→機(jī)械手→輾環(huán)機(jī)→輸送輥道噴霧冷卻→門式下料機(jī)→碼垛。

專題 報(bào)道

全自動(dòng)軸承套圈生產(chǎn)線裝備的配置中，核心的兩個(gè)設(shè)備分別為多工位液壓模鍛機(jī)和輾環(huán)機(jī)。首先是確定多工位液壓模鍛機(jī)的壓力，下面在直徑小于350mm軸承圈中選擇兩種典型產(chǎn)品，計(jì)算模鍛機(jī)需要的鐓粗力、沖孔力。鐓粗力計(jì)算公式見（1）：

式中：

P——鐓粗壓力(MN）；

k——受力系數(shù)，取值1.2；

σs——變形溫度(溫度取1100℃）時(shí)，金屬屈服極限(N/mm2）；

ψ——體積系數(shù)，取值0.6；

m——截面變化系數(shù)，取值為1+0.17×d/h（d為直徑，h為高度）；

S——承壓面積（mm2）。

棒料直徑在φ160mm以下鍛造壓力計(jì)算表見表1。

表1中的數(shù)據(jù)代入公式（1）可以得出最大鐓粗力為2.2MN(220t）。對于小直徑的棒料，可以采用通過式感應(yīng)線圈加熱以配合自動(dòng)線連續(xù)生產(chǎn)的要求。在棒料出口處，配置帶棒料鐓切模具的壓力機(jī)，可實(shí)現(xiàn)已加熱棒料的快速切斷，對于表1中兩種規(guī)格的棒料，剪切力分別為0.92MN和0.49MN。對于大直徑的棒料，可在感應(yīng)加熱前鋸切分段。

■ 表1 φ160mm以下鍛造壓力計(jì)算表

■ 表2 φ160mm以上的棒材坯料鐓粗力、沖孔力計(jì)算表

棒料直徑在φ160mm以上的棒材原料鐓粗力、沖孔力計(jì)算表見表2。

全自動(dòng)軸承套圈生產(chǎn)線裝備的配置中，另一個(gè)核心設(shè)備是輾環(huán)機(jī)，下面計(jì)算表1中兩種典型軸承環(huán)件產(chǎn)品，在輾環(huán)工序中需要的徑向軋制力，終軋溫度為900℃。

結(jié)束語

加強(qiáng)對軸承環(huán)件特別是特大型環(huán)件輾環(huán)設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)線的研究，將是我們今后一段時(shí)間內(nèi)開發(fā)設(shè)備的重要任務(wù)。隨著近兩年經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的逐步到位，自動(dòng)化生產(chǎn)線將成為趨勢。全自動(dòng)軸承生產(chǎn)線具備以下8個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

⑴采用機(jī)械手貫穿整個(gè)流程，用輥道和鏈?zhǔn)酵斜P連接各設(shè)備，做到工件作業(yè)不落地，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。

⑵采用液壓切斷機(jī)代替機(jī)械沖壓機(jī)或鍛錘進(jìn)行剁刀剪切坯料，用液壓模鍛機(jī)進(jìn)行鐓粗、沖孔和成形，實(shí)現(xiàn)PLC程序控制。

⑶實(shí)現(xiàn)一次加熱連續(xù)鐓粗、沖孔、輾環(huán)，改變多次加熱的耗能工藝，節(jié)約能源。

⑷采用機(jī)械化設(shè)備，減少一線操作工人的人數(shù)，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

⑸在相同的工作時(shí)間內(nèi)，減少空載現(xiàn)象，產(chǎn)量大幅度增加，提高了生產(chǎn)效率。

⑹設(shè)備的自動(dòng)化和精密度極大地提高，為后續(xù)的機(jī)加工減少了加工余量，提高了材料利用率，降低了生產(chǎn)成本。

⑺采用整條全自動(dòng)化生產(chǎn)線，提升了企業(yè)形象，為進(jìn)一步擴(kuò)大市場競爭力起到良好的宣傳作用。

⑻產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，增加出口競爭力，打開國際市場。

■ 表3 兩種軸承件在輾環(huán)工序中需要的徑向軋制力