文章來源：《鍛造與沖壓》2024年第13期（點擊閱讀整本雜志）

文/夏占雪·第一拖拉機股份有限公司

     宋國品， 劉金蕾， 丁旭輝·一拖(洛陽)鑄鍛有限公司

     陳俊杰·洛陽拖拉機研究所有限公司

《我國鍛造自動化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展》(上)見《鍛造與沖壓》2024 年第9 期

《我國鍛造自動化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展》(中)見《鍛造與沖壓》2024 年第11 期

工位輸送自動化技術(shù)

自動化成形過程中工序之間坯料的輸送包括三部分，一是將中頻加熱經(jīng)過除鱗工序的坯料輸送到成形第一工序，二是完成從鍛造到切邊沖孔精整的所有工序之間的傳遞，最后是將成形后的鍛件輸送到鍛后控溫系統(tǒng)。對于成形設(shè)備為螺旋壓力機或者液壓機的自動化生產(chǎn)線，上述所有工序之間的輸送采用機器人為主，對于8000t 以上的大型螺旋壓力機設(shè)備，采用機器人和輸送帶相結(jié)合的方式。對于成形設(shè)備為熱模鍛壓力機的自動化生產(chǎn)線的輸送，又分為兩種形式，6300t 以下的熱模鍛壓力機自動線，一般采用步進式輸送結(jié)構(gòu)，中頻爐到步進式輸送系統(tǒng)的傳遞，采用擺臂機械手，或者采用機器人完成，成形到控溫冷卻工序之間的傳輸一般是采用輸送帶或者機器人完成。對于大型的熱模鍛自動線，輸送方式與螺旋壓力機一樣，采用機器人或者機器人與輸送帶相結(jié)合的方式，成形到控溫冷卻工序之間的傳輸一般是采用機器人完成(圖19)。

圖19 左側(cè)為熱模鍛壓力機自動化 右側(cè)為螺旋壓力機自動化

在制坯工序的自動化技術(shù)應(yīng)用上，與國外先進鍛造裝備企業(yè)相比差距明顯，特別是專用制坯工序如輥鍛制坯來說，仍存在技術(shù)瓶頸，國外不論是大型輥鍛制坯還是小型制坯設(shè)備，都已經(jīng)實現(xiàn)了完全自動化生產(chǎn)，目前，國內(nèi)在小型輥鍛機上主要采用機械臂抓取動作完成輥鍛，輥鍛或坯料與后續(xù)步進式輸送系統(tǒng)的集成過于復(fù)雜，國外是將機器人技術(shù)與輥鍛工藝進行了集成應(yīng)用，輥鍛后的坯料直接由機器人運送到鍛造工位，這個動作的實現(xiàn)過程非常簡潔，穩(wěn)定可靠。在大型輥鍛工序自動化上，我們國家仍然采用20 世紀八十年代引進的德國奧姆科公司的輥鍛技術(shù)，通過機械臂抓取坯料完成輥鍛工藝后，再采用液壓系統(tǒng)完成機械臂的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)移動到成形工位，穩(wěn)定性較差。國外通過機器人與輥鍛夾鉗直接對接的方式完成坯料在工序間的傳遞(圖20)。

目前，國內(nèi)外最先進的成形工步傳送系統(tǒng)是采用步進梁結(jié)構(gòu)的高效傳輸系統(tǒng)，這種傳輸結(jié)構(gòu)一般是集成到設(shè)備中，作為設(shè)備的一部分，除了韓國一家企業(yè)可以單獨提供這種步進梁系統(tǒng)以外，國外的鍛造裝備企業(yè)都不單獨提供，德國的舒勒公司在這一自動化系統(tǒng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，其最先進的傳送系統(tǒng)最快可以達到4 秒鐘一件，國內(nèi)近年來也引進了不少具有步進梁(圖21、圖22)傳送功能的自動化生產(chǎn)線，主要用于生產(chǎn)汽車萬向節(jié)鍛件、差速器齒輪以及鏈軌節(jié)鍛件。

圖21 擺臂式步進梁系統(tǒng)

圖22 坐標式步進梁系統(tǒng)

由于前期國內(nèi)鍛壓裝備企業(yè)無法實現(xiàn)該領(lǐng)域的技術(shù)突破，因此只能從韓國企業(yè)引進這套步進梁機構(gòu)輸送系統(tǒng)，但是在實施的過程中，也存在一些問題，一是引進價格較高，如一條2500 噸輪轂單元軸承鍛件自動化生產(chǎn)線，單是一套韓國進口的傳送系統(tǒng)的價格就超過了熱模鍛壓力機的價格。由于國內(nèi)不能獨立完成，商務(wù)上沒有主動權(quán)，只能由著對方的價格；二是與國內(nèi)主機的接口問題，由于設(shè)備參數(shù)差異及控制系統(tǒng)之間的兼容性問題，運行過程中控制參數(shù)的調(diào)整需要多方反復(fù)協(xié)調(diào)，造成項目實施過程出現(xiàn)嚴重的延期，穩(wěn)定性不足等問題時有發(fā)生；三是售后服務(wù)存在及時性不足，服務(wù)成本高等問題。

近年來，國內(nèi)不少鍛壓裝備企業(yè)針對該系統(tǒng)進行了深入的研究，陸續(xù)開發(fā)了具有相同功能的國產(chǎn)步進梁系統(tǒng)。從目前市場反饋的情況看，總體上能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)的需要，但是在運行的穩(wěn)定性、與設(shè)備的集成控制、生產(chǎn)效率等方面與國外企業(yè)仍有差距，特別是生產(chǎn)成本上，并沒有體現(xiàn)出來明顯的價格優(yōu)勢。截止到2023 年，國產(chǎn)步進梁傳送系統(tǒng)仍然沒有得到大范圍應(yīng)用.其主要原因仍是技術(shù)成熟度不足，產(chǎn)品開發(fā)過程缺少工藝技術(shù)的參與，部分單獨開發(fā)步進梁輸送系統(tǒng)的企業(yè)無法做到與主機裝備企業(yè)之間的深度融合。另外還有一個原因是，國外產(chǎn)品是將模具潤滑系統(tǒng)集成到步進梁輸送系統(tǒng)里面，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)是單獨開發(fā)的，僅僅在與主機集成方面做了深入的研究，但是忽視了潤滑系統(tǒng)在整個自動化線運行中的作用，導(dǎo)致實際生產(chǎn)過程中由于潤滑不當(dāng)，無法長時間連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。對于成形工步之間的自動化傳送技術(shù)到底采用哪種方式是最優(yōu)的組合，這個需要從投入產(chǎn)出比、工藝水平、產(chǎn)品適應(yīng)性、工裝模具等多個方面綜合判斷，選擇最適合企業(yè)的自動化成形方案(表3)。

表3 自動化成形方案

自動化噴淋潤滑技術(shù)

自動化噴淋潤滑與長壽命模具是保障成形過程穩(wěn)定運行的兩個最重要的因素，而模具壽命除了要選擇好的模具材料、熱處理與高加工制造精度以外，同時還必須保證使用過程中具備良好的冷卻潤滑條件。一個好的潤滑系統(tǒng)可以極大的提高模具使用壽命，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)的連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的運行，國內(nèi)的大部分鍛造自動線運行過程中最大的瓶頸就來自于模具壽命的穩(wěn)定性，很多失敗的案例也大都是與模具壽命穩(wěn)定性不足有關(guān)，國內(nèi)鍛造裝備制造企業(yè)在自動化潤滑方面重視程度不足是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。成形過程中模具的磨損和溫度變化是一個動態(tài)過程，如果要實現(xiàn)模具成形過程中溫度保持在最佳狀態(tài)，需要潤滑系統(tǒng)與模具溫度變化以及磨損位置盡可能做到具有一致性，這就要求生產(chǎn)過程中通過監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測模具溫度變化和模具磨損變化情況，并反饋到潤滑系統(tǒng)進行參數(shù)在線調(diào)整，從而實現(xiàn)模具始終處于最佳使用溫度。國外的鍛造裝備制造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了潤滑噴淋的數(shù)字化控制，能夠根據(jù)檢測模具溫度的變化精確調(diào)整噴淋盤噴淋參數(shù)，從而實現(xiàn)對模具表面任意位置冷卻能力大小的調(diào)節(jié)。目前國內(nèi)鍛造企業(yè)應(yīng)用較多的是可伸縮式機械臂噴淋系統(tǒng)，這種噴淋系統(tǒng)造價低、適應(yīng)性強，適用于單機、單工位的自動化成形，對于多工位大型機器人自動化生產(chǎn)線的潤滑冷卻系統(tǒng)，更多的需要采用多組噴淋盤結(jié)構(gòu)的機器人自動噴淋系統(tǒng)，潤滑噴淋動作既可以采用機器人單獨完成，也可以集成到主機上采用擺臂形式實現(xiàn)。這種系統(tǒng)能夠一次覆蓋多個型腔模具，可以做到最大限度的減小噴淋時間對自動化生產(chǎn)線節(jié)拍的影響。對于步進梁結(jié)構(gòu)的成形自動化生產(chǎn)線，由于生產(chǎn)節(jié)拍高，需要將冷卻潤滑系統(tǒng)集成到步進梁上，在夾取鍛件移動的過程中實現(xiàn)對模具的冷卻潤滑，這種集成式潤滑系統(tǒng)基本不占用額外的時間，因此對節(jié)拍要求較高的生產(chǎn)線優(yōu)勢明顯，國內(nèi)常用的自動化噴淋系統(tǒng)如圖23 所示。

圖23 國內(nèi)自動化噴淋系統(tǒng)

自動化快速換模技術(shù)

隨著下游主機配套企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的時間越來越短，多品種小批量生產(chǎn)逐漸成為大多數(shù)鍛造企業(yè)的主要生產(chǎn)方式，更頻繁的換模，更小的批量生產(chǎn)成為企業(yè)的生產(chǎn)常態(tài)，不同類別的產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的不同制造條件(加熱溫度，工模具、材料、操作方式)停工換模所耗費的時間越來越多，生產(chǎn)效率越來越低，換模導(dǎo)致勞動強度的增加，工人的積極性受到影響。因此，為了實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線的高效運行，對于生產(chǎn)過程中與品種切換相關(guān)的模具更換需要在盡可能短的時間完成，從而達到提高有效產(chǎn)能，縮短交期，降低庫存提升企業(yè)競爭力的目的。通常來說，整個快速換模系統(tǒng)主要包括快換模具結(jié)構(gòu)、成形設(shè)備連接的液壓鎖緊系統(tǒng)、取放模具系統(tǒng)等三部分構(gòu)成，不論是成形工位還是制坯、切校工位等，都包含這三個基本要素。其中，模具結(jié)構(gòu)、模具數(shù)量及設(shè)備連接方式對技術(shù)方案的選擇影響較大，同時資金投入也會影響到方案的選擇見表4，需要結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀、自動化工藝水平綜合考慮。

表4 技術(shù)方案

對于一體式模具結(jié)構(gòu)，一般是通過換模小車實現(xiàn)整體模具的拉進拉出動作，模具與設(shè)備連接通過液壓缸鎖緊，液壓鎖緊系統(tǒng)可以采用單獨運行，這種方式造價較低，但是需要人工輔助，最好的方式是將液壓鎖緊系統(tǒng)分別集成到壓機的下工作臺板和上滑塊上，換模過程可以實現(xiàn)一鍵自動鎖模。對于大型自動線生產(chǎn)線模具，一般采用組合式(模塊鑲嵌)結(jié)構(gòu)，或者采用子模架結(jié)構(gòu)，同時模座集成噴淋及模具預(yù)熱系統(tǒng)，更換時只更換子模座(含模具鑲塊)，或者只更換鑲塊，更換子模座時所需的換模小車比較緊湊，整個換模時間不超過30 分鐘，更換鑲塊時間可以采用換模臂實現(xiàn)，換模過程更簡單。對于小型切邊校正工位模具的更換，一般在工作臺上面鑲嵌液壓頂出導(dǎo)軌，采用外置式液壓缸鎖緊人工輔助方式完成模具更換，典型快速換模結(jié)構(gòu)如圖24 所示。

圖24 快速換模結(jié)構(gòu)

設(shè)備選型及自動化生產(chǎn)線設(shè)計

設(shè)備的選型屬于多目標決策問題，它的方案評價涉及許許多多的因素。在市場經(jīng)濟高度發(fā)展的今天，由于鍛壓設(shè)備生產(chǎn)廠家繁多、產(chǎn)品種類復(fù)雜、技術(shù)質(zhì)量和性能不一。因此，如何使鍛造企業(yè)能夠準確及時地選擇配套符合自己生產(chǎn)要求的、技術(shù)性能先進的鍛造設(shè)備便成了企業(yè)設(shè)備管理人員的新課題，也是企業(yè)鍛造水平的標志。鍛造設(shè)備的選型配套，是設(shè)備管理人員的重要工作，同時也需要工藝技術(shù)人員更多的參與進來，設(shè)備選型，工藝和產(chǎn)品是綱領(lǐng)和主線，設(shè)備型號、類別、參數(shù)都必須圍繞產(chǎn)品工藝去做決定。國內(nèi)很多鍛造企業(yè)在設(shè)備選型上存在簡單化、設(shè)備人員主導(dǎo)化、價格導(dǎo)向化現(xiàn)象。很多設(shè)備未能完全發(fā)揮作用，或者沒有達到預(yù)期目標，很大一部分原因在于前期策劃和導(dǎo)向出現(xiàn)問題。還有一部分是在未明確產(chǎn)品的情況下投入了設(shè)備，導(dǎo)致企業(yè)在產(chǎn)品線開發(fā)過程中受到很大局限性，因此，設(shè)備選型(圖25)是企業(yè)投資過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，需要結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀與實際需求，從技術(shù)、生產(chǎn) 安全、售后服務(wù)、投入產(chǎn)出比等各個方面綜合判斷，才能確定最佳的選擇方案。

圖25 設(shè)備選型

自動化生產(chǎn)線設(shè)計與設(shè)備選型

⑴預(yù)先分析并仔細了解自己的需求，用自動化系統(tǒng)來裝備鍛造線，進行生產(chǎn)制造，其目的是為了讓產(chǎn)品生產(chǎn)和質(zhì)量控制擁有最大的效率比。我們需要到生產(chǎn)部門熟悉生產(chǎn)的過程，需要去研究哪些工藝是生產(chǎn)過程的短板，哪些工藝過程可以實現(xiàn)自動化代替人工。把企業(yè)短期需求和長期目標結(jié)合起來，以此為基礎(chǔ)來分析投資回報。不要只短淺的看到今天或者幾年后，并就此決定所需要采購的設(shè)備。

⑵選擇適合自己的改造方案，從人員素質(zhì)、人工技能、工藝現(xiàn)狀、產(chǎn)品類型等綜合考慮，以最小的投入獲得最大的經(jīng)濟回報為目的，要明確自動化的主要方向，技術(shù)指標要選關(guān)鍵點，要符合企業(yè)實際現(xiàn)狀，不能偏離太多，培養(yǎng)并招募人才 如果需要革新技術(shù)，必然需要有相對應(yīng)的技術(shù)人才?，F(xiàn)有的設(shè)備維護人員必須跟上自動化設(shè)備的技術(shù)要求。

⑶選擇最佳的協(xié)同設(shè)計集成商，集成商和最終用戶，都有責(zé)任保證生產(chǎn)過程的正常無誤。集成商需要按照需求，提供符合客戶要求的設(shè)備，專家級的指導(dǎo)，客戶同時也要有責(zé)任配合集成商進行協(xié)作開發(fā)。

以提高傳輸效率為目的自動化生產(chǎn)線排布越來越集中化，設(shè)備組成數(shù)量由大而全，向少而精發(fā)展，自動化集成技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，大批量的產(chǎn)品將逐漸向高效自動化生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)移，最終形成少數(shù)壟斷。在模鍛設(shè)備方面，小噸位裝備伺服化趨勢越來越明顯，大噸位壓機的低能耗技術(shù)及能量回收技術(shù)應(yīng)用也逐漸在行業(yè)開始應(yīng)用，行星減速器+異步電機+濕式離合器制動器結(jié)構(gòu)的熱模鍛壓力機技術(shù)將成為主流，電動螺旋壓力機國產(chǎn)化替代已經(jīng)形成全系列化發(fā)展模式；模鍛錘程控化、伺服控制技術(shù)(電氣化)的應(yīng)用使得錘上模鍛自動化生產(chǎn)線成為現(xiàn)實，新一代低能耗模塊化IGBT可靠性中頻電源技術(shù)得到了長足的發(fā)展，在自動化信息化技術(shù)應(yīng)用方面，以多傳感器在線監(jiān)測技術(shù)(模具數(shù)據(jù)采集與噴淋系統(tǒng)的反饋)變量化模具自動潤滑技術(shù)(與設(shè)備的集成)、以工藝裝備、工藝參數(shù)、工藝運維的數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計技術(shù)及數(shù)字孿生技術(shù)、基于5G 的智能工廠大數(shù)據(jù)共享技術(shù)以及web技術(shù)的設(shè)備遠程運維及診斷技術(shù)為代表的新質(zhì)生產(chǎn)力的展現(xiàn)，將迎來鍛造產(chǎn)業(yè)又一次技術(shù)革命。以電動汽車、風(fēng)能、太陽能為代表的綠色能源技術(shù)的發(fā)展將成為影響和改變鍛造行業(yè)發(fā)展格局的主要推動力，未來的鍛造業(yè)正在向用能結(jié)構(gòu)清潔化、生產(chǎn)過程數(shù)字化，資源利用循化化的低碳可持續(xù)方向發(fā)展。