文章來(lái)源：《鍛造與沖壓》2024年第13期（點(diǎn)擊閱讀整本雜志）

文/夏占雪·第一拖拉機(jī)股份有限公司

     宋國(guó)品， 劉金蕾， 丁旭輝·一拖(洛陽(yáng))鑄鍛有限公司

     陳俊杰·洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司

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

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

工位輸送自動(dòng)化技術(shù)

自動(dòng)化成形過(guò)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(guò)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(duì)于成形設(shè)備為螺旋壓力機(jī)或者液壓機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，上述所有工序之間的輸送采用機(jī)器人為主，對(duì)于8000t 以上的大型螺旋壓力機(jī)設(shè)備，采用機(jī)器人和輸送帶相結(jié)合的方式。對(duì)于成形設(shè)備為熱模鍛壓力機(jī)的自動(dòng)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(jī)自動(dòng)線，一般采用步進(jìn)式輸送結(jié)構(gòu)，中頻爐到步進(jìn)式輸送系統(tǒng)的傳遞，采用擺臂機(jī)械手，或者采用機(jī)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(jī)器人完成。對(duì)于大型的熱模鍛自動(dòng)線，輸送方式與螺旋壓力機(jī)一樣，采用機(jī)器人或者機(jī)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(jī)器人完成(圖19)。

圖19 左側(cè)為熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化 右側(cè)為螺旋壓力機(jī)自動(dòng)化

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

目前，國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的成形工步傳送系統(tǒng)是采用步進(jìn)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(guó)一家企業(yè)可以單獨(dú)提供這種步進(jìn)梁系統(tǒng)以外，國(guó)外的鍛造裝備企業(yè)都不單獨(dú)提供，德國(guó)的舒勒公司在這一自動(dòng)化系統(tǒng)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，其最先進(jìn)的傳送系統(tǒng)最快可以達(dá)到4 秒鐘一件，國(guó)內(nèi)近年來(lái)也引進(jìn)了不少具有步進(jìn)梁(圖21、圖22)傳送功能的自動(dòng)化生產(chǎn)線，主要用于生產(chǎn)汽車(chē)萬(wàn)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(jìn)梁系統(tǒng)

圖22 坐標(biāo)式步進(jìn)梁系統(tǒng)

由于前期國(guó)內(nèi)鍛壓裝備企業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域的技術(shù)突破，因此只能從韓國(guó)企業(yè)引進(jìn)這套步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)輸送系統(tǒng)，但是在實(shí)施的過(guò)程中，也存在一些問(wèn)題，一是引進(jìn)價(jià)格較高，如一條2500 噸輪轂單元軸承鍛件自動(dòng)化生產(chǎn)線，單是一套韓國(guó)進(jìn)口的傳送系統(tǒng)的價(jià)格就超過(guò)了熱模鍛壓力機(jī)的價(jià)格。由于國(guó)內(nèi)不能獨(dú)立完成，商務(wù)上沒(méi)有主動(dòng)權(quán)，只能由著對(duì)方的價(jià)格；二是與國(guó)內(nèi)主機(jī)的接口問(wèn)題，由于設(shè)備參數(shù)差異及控制系統(tǒng)之間的兼容性問(wèn)題，運(yùn)行過(guò)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(xiàng)目實(shí)施過(guò)程出現(xiàn)嚴(yán)重的延期，穩(wěn)定性不足等問(wèn)題時(shí)有發(fā)生；三是售后服務(wù)存在及時(shí)性不足，服務(wù)成本高等問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)不少鍛壓裝備企業(yè)針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，陸續(xù)開(kāi)發(fā)了具有相同功能的國(guó)產(chǎn)步進(jìn)梁系統(tǒng)。從目前市場(chǎng)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(yùn)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(guó)外企業(yè)仍有差距，特別是生產(chǎn)成本上，并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。截止到2023 年，國(guó)產(chǎn)步進(jìn)梁傳送系統(tǒng)仍然沒(méi)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(kāi)發(fā)過(guò)程缺少工藝技術(shù)的參與，部分單獨(dú)開(kāi)發(fā)步進(jìn)梁輸送系統(tǒng)的企業(yè)無(wú)法做到與主機(jī)裝備企業(yè)之間的深度融合。另外還有一個(gè)原因是，國(guó)外產(chǎn)品是將模具潤(rùn)滑系統(tǒng)集成到步進(jìn)梁輸送系統(tǒng)里面，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)是單獨(dú)開(kāi)發(fā)的，僅僅在與主機(jī)集成方面做了深入的研究，但是忽視了潤(rùn)滑系統(tǒng)在整個(gè)自動(dòng)化線運(yùn)行中的作用，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于潤(rùn)滑不當(dāng)，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。對(duì)于成形工步之間的自動(dòng)化傳送技術(shù)到底采用哪種方式是最優(yōu)的組合，這個(gè)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(gè)方面綜合判斷，選擇最適合企業(yè)的自動(dòng)化成形方案(表3)。

表3 自動(dòng)化成形方案

自動(dòng)化噴淋潤(rùn)滑技術(shù)

自動(dòng)化噴淋潤(rùn)滑與長(zhǎng)壽命模具是保障成形過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行的兩個(gè)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(shí)還必須保證使用過(guò)程中具備良好的冷卻潤(rùn)滑條件。一個(gè)好的潤(rùn)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(dòng)化生產(chǎn)的連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，國(guó)內(nèi)的大部分鍛造自動(dòng)線運(yùn)行過(guò)程中最大的瓶頸就來(lái)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(guó)內(nèi)鍛造裝備制造企業(yè)在自動(dòng)化潤(rùn)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(guò)程中模具的磨損和溫度變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，如果要實(shí)現(xiàn)模具成形過(guò)程中溫度保持在最佳狀態(tài)，需要潤(rùn)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(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)模具溫度變化和模具磨損變化情況，并反饋到潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)在線調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)模具始終處于最佳使用溫度。國(guó)外的鍛造裝備制造企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑噴淋的數(shù)字化控制，能夠根據(jù)檢測(cè)模具溫度的變化精確調(diào)整噴淋盤(pán)噴淋參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模具表面任意位置冷卻能力大小的調(diào)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)鍛造企業(yè)應(yīng)用較多的是可伸縮式機(jī)械臂噴淋系統(tǒng)，這種噴淋系統(tǒng)造價(jià)低、適應(yīng)性強(qiáng)，適用于單機(jī)、單工位的自動(dòng)化成形，對(duì)于多工位大型機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，更多的需要采用多組噴淋盤(pán)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，潤(rùn)滑噴淋動(dòng)作既可以采用機(jī)器人單獨(dú)完成，也可以集成到主機(jī)上采用擺臂形式實(shí)現(xiàn)。這種系統(tǒng)能夠一次覆蓋多個(gè)型腔模具，可以做到最大限度的減小噴淋時(shí)間對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線節(jié)拍的影響。對(duì)于步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)的成形自動(dòng)化生產(chǎn)線，由于生產(chǎn)節(jié)拍高，需要將冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)集成到步進(jìn)梁上，在夾取鍛件移動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的冷卻潤(rùn)滑，這種集成式潤(rùn)滑系統(tǒng)基本不占用額外的時(shí)間，因此對(duì)節(jié)拍要求較高的生產(chǎn)線優(yōu)勢(shì)明顯，國(guó)內(nèi)常用的自動(dòng)化噴淋系統(tǒng)如圖23 所示。

圖23 國(guó)內(nèi)自動(dòng)化噴淋系統(tǒng)

自動(dòng)化快速換模技術(shù)

隨著下游主機(jī)配套企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的時(shí)間越來(lái)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(lèi)別的產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)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(fèi)的時(shí)間越來(lái)越多，生產(chǎn)效率越來(lái)越低，換模導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，工人的積極性受到影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線的高效運(yùn)行，對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中與品種切換相關(guān)的模具更換需要在盡可能短的時(shí)間完成，從而達(dá)到提高有效產(chǎn)能，縮短交期，降低庫(kù)存提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。通常來(lái)說(shuō)，整個(gè)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(gè)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(duì)技術(shù)方案的選擇影響較大，同時(shí)資金投入也會(huì)影響到方案的選擇見(jiàn)表4，需要結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀、自動(dòng)化工藝水平綜合考慮。

表4 技術(shù)方案

對(duì)于一體式模具結(jié)構(gòu)，一般是通過(guò)換模小車(chē)實(shí)現(xiàn)整體模具的拉進(jìn)拉出動(dòng)作，模具與設(shè)備連接通過(guò)液壓缸鎖緊，液壓鎖緊系統(tǒng)可以采用單獨(dú)運(yùn)行，這種方式造價(jià)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(jī)的下工作臺(tái)板和上滑塊上，換模過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)鎖模。對(duì)于大型自動(dòng)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(shí)模座集成噴淋及模具預(yù)熱系統(tǒng)，更換時(shí)只更換子模座(含模具鑲塊)，或者只更換鑲塊，更換子模座時(shí)所需的換模小車(chē)比較緊湊，整個(gè)換模時(shí)間不超過(guò)30 分鐘，更換鑲塊時(shí)間可以采用換模臂實(shí)現(xiàn)，換模過(guò)程更簡(jiǎn)單。對(duì)于小型切邊校正工位模具的更換，一般在工作臺(tái)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(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

設(shè)備的選型屬于多目標(biāo)決策問(wèn)題，它的方案評(píng)價(jià)涉及許許多多的因素。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)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(lèi)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(zhǔn)確及時(shí)地選擇配套符合自己生產(chǎn)要求的、技術(shù)性能先進(jìn)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(biāo)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(shí)也需要工藝技術(shù)人員更多的參與進(jìn)來(lái)，設(shè)備選型，工藝和產(chǎn)品是綱領(lǐng)和主線，設(shè)備型號(hào)、類(lèi)別、參數(shù)都必須圍繞產(chǎn)品工藝去做決定。國(guó)內(nèi)很多鍛造企業(yè)在設(shè)備選型上存在簡(jiǎn)單化、設(shè)備人員主導(dǎo)化、價(jià)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(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，很大一部分原因在于前期策劃和導(dǎo)向出現(xiàn)問(wèn)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(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)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(shí)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(gè)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(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

⑴預(yù)先分析并仔細(xì)了解自己的需求，用自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)裝備鍛造線，進(jìn)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(mén)熟悉生產(chǎn)的過(guò)程，需要去研究哪些工藝是生產(chǎn)過(guò)程的短板，哪些工藝過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化代替人工。把企業(yè)短期需求和長(zhǎng)期目標(biāo)結(jié)合起來(lái)，以此為基礎(chǔ)來(lái)分析投資回報(bào)。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(gòu)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(lèi)型等綜合考慮，以最小的投入獲得最大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)為目的，要明確自動(dòng)化的主要方向，技術(shù)指標(biāo)要選關(guān)鍵點(diǎn)，要符合企業(yè)實(shí)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(duì)應(yīng)的技術(shù)人才。現(xiàn)有的設(shè)備維護(hù)人員必須跟上自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)要求。

⑶選擇最佳的協(xié)同設(shè)計(jì)集成商，集成商和最終用戶，都有責(zé)任保證生產(chǎn)過(guò)程的正常無(wú)誤。集成商需要按照需求，提供符合客戶要求的設(shè)備，專(zhuān)家級(jí)的指導(dǎo)，客戶同時(shí)也要有責(zé)任配合集成商進(jìn)行協(xié)作開(kāi)發(fā)。

以提高傳輸效率為目的自動(dòng)化生產(chǎn)線排布越來(lái)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(dòng)化集成技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大批量的產(chǎn)品將逐漸向高效自動(dòng)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(shì)越來(lái)越明顯，大噸位壓機(jī)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(kāi)始應(yīng)用，行星減速器+異步電機(jī)+濕式離合器制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的熱模鍛壓力機(jī)技術(shù)將成為主流，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)國(guó)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(dòng)化生產(chǎn)線成為現(xiàn)實(shí)，新一代低能耗模塊化IGBT可靠性中頻電源技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在自動(dòng)化信息化技術(shù)應(yīng)用方面，以多傳感器在線監(jiān)測(cè)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(dòng)潤(rùn)滑技術(shù)(與設(shè)備的集成)、以工藝裝備、工藝參數(shù)、工藝運(yùn)維的數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)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(yuǎn)程運(yùn)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(lái)鍛造產(chǎn)業(yè)又一次技術(shù)革命。以電動(dòng)汽車(chē)、風(fēng)能、太陽(yáng)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(dòng)力，未來(lái)的鍛造業(yè)正在向用能結(jié)構(gòu)清潔化、生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，資源利用循化化的低碳可持續(xù)方向發(fā)展。