由于長軸/臺階軸類鍛造零件生產商對成形精度、材料利用率、產出效率、低能耗及低占地面積等的迫切需求，集成化的伺服近凈成形技術得到快速發展，多工位伺服鍛造液壓機作為該技術的典型載體得到行業廣泛認可。本文綜述了當前多工位鍛造及生產線設備、關鍵技術要點及應用現狀、工藝特點及技術發展的趨勢。
多工位鍛造成形技術的發展始于20 世紀60年代，經過幾十年的發展，已經成為一種成熟的金屬成形技術。目前，多工位鍛造成形技術主要包括正向鍛造、反向鍛造、復合鍛造等。其中，正向鍛造技術應用最為廣泛，反向鍛造技術主要用于生產薄壁管材和復雜形狀零件，復合鍛造技術則可以生產出具有復雜內腔結構的零件。多工位鍛造成形技術作為一種高效、節能的金屬成形技術，在汽車、航空航天、電子等領域得到了廣泛應用。
多工位鍛造設備作為多工位鍛造成形技術的核心載體，可以實現一次鍛造多道工序，提高生產效率和加工精度，同時大幅減小占地，可以更便捷的集成自動化，組成全自動生產線。
多工位鍛造技術一般采用機械式鍛造壓機及液壓式鍛造壓機來實現，機械式鍛造壓機用于成形盤類、齒輪類、異形零件，成形行程一般較短；液壓式鍛造壓機用于成形長軸類、盤類、齒輪類、異形零件，成形行程可長可短，以下以多工位伺服鍛造液壓機做相關闡述。
多工位伺服鍛造液壓機一般分為多工位冷鍛液壓機、多工位溫鍛液壓機及多工位熱鍛液壓機。多工位溫鍛及熱鍛一般會配加熱系統、抽煙除塵系統、在線溫度檢測系統、潤滑劑噴涂系統、污染防護系統、設備熱防護系統等。
多工位伺服鍛造液壓機生產線特點及優勢
多工位伺服鍛造液壓機將傳統單工位鍛造液壓機串聯生產的方式集成到一臺液壓機上，大大減小了工序間的傳遞距離，可以無需二次保溫、加熱等中間處理工序，其具有以下特點：①多工位伺服鍛造液壓機可以實現逐腔壓制、跳躍壓制、同步壓制、翻轉壓制等功能，在實現高偏載力矩下的精密壓制成形前提下，成形工藝可以自由靈活的編制；②多工位連續成形，間隔時間短，溫降少，可以實現連續多次成形，減少磷皂化次數/加熱次數，工藝簡化，可以實現多種規格產品的成形、傳輸及實現跳打等工藝，生產線的柔性好；③多工位伺服液壓機具備多點可編程功能，每個工位獨立頂出編程、智能可控，從而實現一機多用；④換型簡單快速。各功能單元布局集中，快速換模、故障診斷、遠程維護、在線檢測、實時監控，同時可以根據工藝預置配方；⑤整線控制可以接入MES 系統；⑥對于長軸類鍛造零件，串聯自動液壓線節拍為5 ～6SPM,而多工位自動線可達8 ～10SPM；⑦單臺壓機的電磁閥、插裝閥數量比原3 ～4 臺設備少很多，故障點、維修點少很多，可靠性大大提高。
多工位鍛造生產線相比串聯鍛造生產線，具備更低的設備投入成本、更小的占地面積、大幅提升生產效率、可靠性好、操作人員少、多種產品換型快速、成形工藝兼容性好優勢，其效率提升50%以上、能耗節約25%以上、占地節約20%以上、故障減少15%以上、人工節約超50%。
鍛造工藝路線優化
傳統階梯軸冷鍛造成形工藝的生產流程為：下料→球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛1 →球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛2 →球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛3 →球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛4 →球化退火→拋丸→磷皂化→探傷目視檢驗→包裝。可見傳統的階梯軸采用多臺單工位液壓機串聯生產線的方式生產，需要多次在鍛造前處理工序和壓力機間搬運，生產流程繁雜冗余，產出率較低，占地面積較大，投資較高，能耗偏高。
多工位液壓機成形的生產流程為：下料→球化退火→拋丸→磷皂化→冷鍛1 →冷鍛2 →冷鍛3 →冷鍛4(冷鍛5……)→探傷目視檢驗→包裝。
多工位鍛造工藝除了簡化鍛造工藝流程，擁有諸多優勢外，其成形精度及產品一致性更易保證，生產線集成度更高，更利于智能化生產。
多工位伺服鍛造成形技術應用
圖1 為兩種四工序冷鍛零件工藝流程，四工位模具集成在一個模架內，在一臺多工位伺服鍛造液壓機中同時完成四工位鍛造成形。當毛坯在第一工位成形(二、三、四工位空缺)及零件在第四工位成形時(一、二、三工位空缺)，由于成形工位距離壓力機中心較遠，壓力機存在峰值偏載力矩。生產線連續運行時，各個工位成形力大小不同，各工位與壓力機中心距離不一致，導致形成脈動偏載力矩，對設備精度及模具壽命產生較大負面影響。
圖1 多工位冷鍛成形零件
工位獨立模高調節每個工位均采用獨立模高調節(圖2)，可以對上模進行高度調節，調節模高狀態后能夠進行位置鎖定且能承受額定壓制力載荷。模高調節裝置使得不同工位合模面高度不同，可明顯提升合模精度，從而提升成形精度。
圖2 手動模高調節裝置
抗偏載設計及臺面傾斜監控
一般來說多工位鍛造成形存在較大偏載，為保證零件成形精度及模具壽命，一般會通過合理設計提升壓力機剛性，所以一般機身會采用預應力拉桿結構，采用較高的預應力系數以滿足結合面開縫系數。同時，多向高強楔式調整裝置能大幅提升機身抵抗偏載轉矩的能力，使設備穩定性增強。
如圖3 所示，建立極限偏載力矩及無偏載等工況下的預緊組合框架壓機有限元模型，選擇合適的預緊力系數等邊界條件，計算分析幾種工況下的載荷分布狀態及各梁的變形，評估結合面開縫系數、臨界載荷系數及滑塊與工作臺的變形量。通過機身結構優化，在控制機身重量的前提下，機身剛性、抗偏載能力等達到指標要求。
圖3 偏載工況下機身應力及變形分析
在多工位伺服鍛造液壓機實際工作時，利用多個位移傳感器對滑塊傾斜狀態進行檢測，通過閉環控制系統保證滑塊下平面一直處于水平狀態，以防滑塊導軌間隙過大或其他原因導致的滑塊下平面平面度超標，從而損壞壓機與模具，或成形零件質量不達標。對于大偏載要求可配置液壓糾偏功能，通過自適應控制算法控制油缸抵抗滑塊偏載轉矩,提升設備極限抗偏載能力。
成形曲線優化
多工位伺服鍛造液壓機連續生產需要進行自動化上下料及工位傳輸，為了提升生產線效率，一般采取減小壓機行程、增大空程及成形速度、加快頂出速度、平滑速度轉換、提升自動化運行速度等措施，以上參數的制定往往要進行壓機與自動化運行干涉分析，盡量縮小空間參數而不發生動態干涉，繪制出節拍周期內干涉曲線，從而制定出合理的壓機運行開口及行程。滑塊及自動化機械手在滿足以上干涉分析的前提下，需要對過程運動曲線進行優化(圖4)，一般通過多項式曲線擬合方式將關鍵轉換位置滑塊加減速過程平滑連續，同時滿足最節能的要求。
圖4 動態干涉分析及成形曲線優化
多工位鍛造設備曲線優化的目的主要是為了提升設備節拍及運行穩定性。多工位鍛造設備節拍一般能達到8 ～10SPM，其高效率來源于成形曲線優化、快速卸壓、獨立頂出、防跳料、時序優化等技術。
工位負荷監控
單工位鍛造壓力機的工位壓力可以通過液壓系統測算出來，而多工位則沒有直接測算方法，當前采用的方式是在壓力機各個工位安裝內置式負荷檢測傳感器及分析模塊，如圖5 所示，組成多通道抗干擾工位負荷監控系統，傳感器測量成形力誤差不大于1%，可以及時發現鍛造過程中發生的卡料問題，保護壓機和模具，同時可以快速調整模具，減少試件材料浪費。
圖5 模區內置式傳感器及分析模塊
多工位伺服鍛造液壓機各工位模具采用獨立式模座和整體式墊板，各個工位壓制力獨立采樣，如圖6所示，可減少由相鄰工位引起的載荷變化，精度可明顯提升，同時可以對各工位的峰值壓制力及局部區域的壓制成形力進行監控，如圖7 所示。該功能不僅可以保護設備與模具，同時可以在生產中積累大量的工藝數據，既對成形零件質量起監控作用，又可以指導工藝、模具及壓機設計人員對設計把控更為精準。
圖6 各工位獨立采樣
圖7 峰值及區域曲線監控
高精度伺服控制技術
多工位伺服鍛造液壓機采用伺服泵控系統(圖8)，由高響應低慣量永磁同步伺服電機、低泄漏齒輪泵、大功率伺服驅動器、高精度壓力傳感器等構成，通過編碼器閉環來精確控制流量，通過壓力傳感器閉環來精確控制壓力，通過位移傳感器及運動控制器閉環來精確控制位置，其在快速卸壓、噪聲控制及節能方面表現優異。壓力和流量響應時間小于50ms，壓力和流量重復再現性小于1%,保壓精度可達±0.2%(圖9)，位置控制精度可達0.1mm，重復定位精度可達0.05mm,滑塊低速運行時無爬行現象。
圖8 伺服泵控系統元件
圖9 保壓壓力曲線
自動化生產線集成
多工位鍛造線(圖10)為滿足較高的生產效率，一般采用自動化連續生產，能夠實現棒料毛坯料框(提升)翻轉、理料(圖11)、尺寸檢測、稱重檢測、剔除、定位、上料、工位間傳輸、下料、傳輸、堆垛等功能。整線可集成視頻監控、抽煙除塵、在線溫度檢測、設備熱防護、整線防護、潤滑劑噴涂、在線加熱、氧化皮收集等功能。整線集成度高，可實現點動、單次、連續及清線等功能，同時可以接入MES 系統，實現生產過程監控及數據管理(圖12)。
圖10 多工位冷鍛造線
圖11 理料上料單元
圖12 整線控制系統架構
結束語
當前，多工位鍛造技術逐漸實現伺服化、自動化，在生產效率及產品成形質量方面都有明顯提升，但在在線工藝規劃、智能化集成方面還有很多技術需要突破和整合，建立材料及工藝數據庫，通過在線工藝規劃軟件可實現毛坯尺寸規劃、成形工序拆分，導入Deform 等體積成形仿真軟件分析結果進行工藝優化，便捷實現工藝編制及設備參數調整。在智能化方面，需要拓寬生產線自動化水平、設備聯網及效益優化、設備狀態及預防保養、MES 整合及生產履歷、能源管理及環境監控、WMS 系統集成、PLM 及ERP 等系統集成。
