引言

爪極是汽車交流發電機轉子總成中的核心零件，其主要作用是將轉子中勵磁線圈產生的軸向磁場轉化為徑向磁場，從而使得轉子旋轉時獲得沿空間三維分布的交變磁場，該交變磁場相對定子運動產生交流電，因而汽車發電機爪極也被稱作汽車發電機磁極。目前國內外應用最為廣泛的是采用多工步熱鍛+冷精整聯合成形的鍛造工藝方案，其中多工步熱鍛是該工藝方案的核心，主要包括鐓粗、預鍛、終鍛、切邊四個工步，目前國內的企業主要由人工來實現工步間物料轉移和石墨噴涂。為應對日趨激烈的市場競爭及日益上漲的人工成本，越來越多的企業考慮采用自動化方式替代傳統人工操作為主的生產線。

工藝方案改進

人工操作熱鍛工藝

采用人工操作的爪極多工步熱鍛工藝方案，使用一臺熱模鍛壓力機，布置四個工位，由兩名工人負責轉移工件和噴涂石墨潤滑劑，隔工位操作，每分鐘能生產9～10件合格的爪極。在預鍛成形結束時爪極預鍛件的爪部是豎直朝上的，在模具設計時將難成形的爪部型腔設計在上模，而將形狀簡單易于成形的底部設計在下模，在終鍛成形結束時爪極終鍛件的爪部是豎直朝下的，工步圖如圖1所示。

圖1 人工操作的爪極熱鍛工步示意圖

該工藝方案的優點是預鍛時工件溫度高保證了爪部已基本成形，且氧化皮易于從模具型腔掉落，不會造成模具堵塞，生產過程穩定。終鍛時工件溫度已經降低且爪部的溫度低于底部的溫度，通過底部的變形來實現局部特征的成形，由于氧化皮很少且爪部結構復雜金屬在模具中流動緩慢，不易產生折疊等鍛造缺陷。

自動化熱鍛工藝

在改進的工藝方案中采用自動化裝置來替代人工操作，需要考慮預鍛到終鍛的步驟，工件擺放朝向的問題。人工操作具有靈活性，工件的翻轉并不影響整個工藝過程的效率和穩定性，采用自動化裝置，無論是步進梁還是機器人，都會額外增加改造的難度和成本。

為了降低自動化改造的難度，提出了如下一種基于步進梁的自動化熱鍛工藝方案，工步示意圖如圖2所示。

圖2 自動化爪極熱鍛工步示意圖

關鍵工藝裝備

為了實現上述的工藝方案，需要配置相應的工藝裝備，主要包括上料裝置、中頻感應加熱爐、料坯分選裝置、熱模鍛壓力機、步進梁機構、潤滑裝置、成形模具等，其中最為關鍵的是熱模鍛壓力機的選型及步進梁機械手、潤滑噴頭及成形模具的設計，設計的合理性直接影響爪極自動化熱鍛工藝的可行性和穩定性。

鍛造設備

根據成形工藝中每個工序的成形力，總的成形力，以及不同工位之間的距離等參數選出合適型號的鍛造設備，本工藝方案中我們采用的是從俄羅斯引進的TMP-2500熱模鍛壓力機，公稱壓力2500噸。

步進梁

步進梁是實現工件轉移的傳輸機構，采用5個伺服電機通過PLC程序控制工作，是自動化的核心機構，本工藝方案中主機為韓國采購，夾持工件的機械手需要根據實際工況進行結構設計和優化，屬于步進梁中的易損件。

成形模具

成形模具包括母模架、子模架和工作模塊三部分，由于該工藝方案主要針對爪極產品，母模架安裝在設備上不經常更換的部分，采用螺栓固定，無需快速切換。主要工位（指預鍛和終鍛工位）子模架采用液壓螺母快速夾緊的方式，能夠實現快速切換，便于安裝在子模架內工作模塊的更換，能夠顯著提高工作效率，子模架。

潤滑裝置

潤滑裝置主要由潤滑劑攪拌箱、噴涂系統和潤滑劑回收系統幾部分組成，其中噴涂系統中的噴頭設計十分關鍵，需要根據潤滑的部位調整噴頭的結構形狀和孔徑大小，典型噴頭幾何結構。

 

圖6 典型噴頭幾何結構示意圖

測試問題與改進措施

測試出現的問題

由于自動化鍛造工藝方案和現有人工操作工藝方案的差異性，導致按照人工操作設計的模具結構和工藝參數在爪極自動化鍛造中不適用，在進行自動化鍛造測試前期，出現了諸多問題，主要包括爪部充不滿、爪部出氣孔過長、模具壽命低等，導致產品報廢率高達15%，幾種產品失效形式。

失效原因分析

經過工程師和現場技術人員對多次測試結果的分析和討論，爪部充不滿和出氣孔過長主要原因總結如下：

⑴預鍛模具型腔被氧化皮堵塞。

⑵模具型腔潤滑不充分和不均勻。

⑶鐓坯件放置在預鍛模具中的位置與理想位置偏差大。

⑷預鍛件和終鍛件變形量分配不合理。

模具壽命低主要原因如下：

⑴成形力大導致模具變形。

⑵成形前高溫料坯和模具接觸時間長導致模具硬度降低。

⑶模具型腔潤滑不充分和不均勻導致模具磨損加劇。

解決措施

針對上述問題的解決措施如下：

⑴將鐓粗工步的自由鐓粗增加定位型腔，即在鐓坯下模平面上增加一個圓形凹坑，凹坑直徑與預鍛下模型腔基本接近，便于鐓坯件在預鍛型腔的定位準確。

⑵優化潤滑劑的濃度、噴涂壓力和時間、出氣孔位置和大小等參數，充分和均勻潤滑模具型腔。

⑶在步進梁上增加吹氣裝置，在步進梁移動的同時吹掃工件，避免模具型腔內殘留氧化皮。

⑷不斷改進模具結構設計，降低模具成形力和不同成形工步成形力的偏差值。

⑸調整步進梁的工作參數，減少高溫料坯與模具型腔的接觸時間。

改進后的產品

通過改善模具飛邊結構、調整出氣孔方式、以及潤滑方式，解決了爪尖成形不飽滿、出氣孔長等質量問題，開始穩定生產。

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