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現狀與發展》(上)見《鍛造與沖壓》2024 年第9 期

《我國鍛造自動化技術現狀與發展》(中)見《鍛造與沖壓》2024 年第11 期

工位輸送自動化技術

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。對于成形設備為螺旋壓力機或者液壓機的自動化生產線，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備，采用機器人和輸送帶相結合的方式。對于成形設備為熱模鍛壓力機的自動化生產線的輸送，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構，中頻爐到步進式輸送系統的傳遞，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 左側為熱模鍛壓力機自動化 右側為螺旋壓力機自動化

在制坯工序的自動化技術應用上，與國外先進鍛造裝備企業相比差距明顯，特別是專用制坯工序如輥鍛制坯來說，仍存在技術瓶頸，國外不論是大型輥鍛制坯還是小型制坯設備，都已經實現了完全自動化生產，目前，國內在小型輥鍛機上主要采用機械臂抓取動作完成輥鍛，輥鍛或坯料與后續步進式輸送系統的集成過于復雜，國外是將機器人技術與輥鍛工藝進行了集成應用，輥鍛后的坯料直接由機器人運送到鍛造工位，這個動作的實現過程非常簡潔，穩定可靠。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，通過機械臂抓取坯料完成輥鍛工藝后，再采用液壓系統完成機械臂的復雜旋轉移動到成形工位，穩定性較差。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，國內外最先進的成形工步傳送系統是采用步進梁結構的高效傳輸系統，這種傳輸結構一般是集成到設備中，作為設備的一部分，除了韓國一家企業可以單獨提供這種步進梁系統以外，國外的鍛造裝備企業都不單獨提供，德國的舒勒公司在這一自動化系統領域處于領先水平，其最先進的傳送系統最快可以達到4 秒鐘一件，國內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線，主要用于生產汽車萬向節鍛件、差速器齒輪以及鏈軌節鍛件。

圖21 擺臂式步進梁系統

圖22 坐標式步進梁系統

由于前期國內鍛壓裝備企業無法實現該領域的技術突破，因此只能從韓國企業引進這套步進梁機構輸送系統，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線，單是一套韓國進口的傳送系統的價格就超過了熱模鍛壓力機的價格。由于國內不能獨立完成，商務上沒有主動權，只能由著對方的價格；二是與國內主機的接口問題，由于設備參數差異及控制系統之間的兼容性問題，運行過程中控制參數的調整需要多方反復協調，造成項目實施過程出現嚴重的延期，穩定性不足等問題時有發生；三是售后服務存在及時性不足，服務成本高等問題。

近年來，國內不少鍛壓裝備企業針對該系統進行了深入的研究，陸續開發了具有相同功能的國產步進梁系統。從目前市場反饋的情況看，總體上能夠滿足企業生產的需要，但是在運行的穩定性、與設備的集成控制、生產效率等方面與國外企業仍有差距，特別是生產成本上，并沒有體現出來明顯的價格優勢。截止到2023 年，國產步進梁傳送系統仍然沒有得到大范圍應用.其主要原因仍是技術成熟度不足，產品開發過程缺少工藝技術的參與，部分單獨開發步進梁輸送系統的企業無法做到與主機裝備企業之間的深度融合。另外還有一個原因是，國外產品是將模具潤滑系統集成到步進梁輸送系統里面，國內生產企業是單獨開發的，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在整個自動化線運行中的作用，導致實際生產過程中由于潤滑不當，無法長時間連續穩定生產。對于成形工步之間的自動化傳送技術到底采用哪種方式是最優的組合，這個需要從投入產出比、工藝水平、產品適應性、工裝模具等多個方面綜合判斷，選擇最適合企業的自動化成形方案(表3)。

表3 自動化成形方案

自動化噴淋潤滑技術

自動化噴淋潤滑與長壽命模具是保障成形過程穩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。一個好的潤滑系統可以極大的提高模具使用壽命，從而能夠實現自動化生產的連續、穩定、可靠的運行，國內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定性，很多失敗的案例也大都是與模具壽命穩定性不足有關，國內鍛造裝備制造企業在自動化潤滑方面重視程度不足是導致這一現象的主要原因。成形過程中模具的磨損和溫度變化是一個動態過程，如果要實現模具成形過程中溫度保持在最佳狀態，需要潤滑系統與模具溫度變化以及磨損位置盡可能做到具有一致性，這就要求生產過程中通過監測系統實時檢測模具溫度變化和模具磨損變化情況，并反饋到潤滑系統進行參數在線調整，從而實現模具始終處于最佳使用溫度。國外的鍛造裝備制造企業已經實現了潤滑噴淋的數字化控制，能夠根據檢測模具溫度的變化精確調整噴淋盤噴淋參數，從而實現對模具表面任意位置冷卻能力大小的調節。目前國內鍛造企業應用較多的是可伸縮式機械臂噴淋系統，這種噴淋系統造價低、適應性強，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線的潤滑冷卻系統，更多的需要采用多組噴淋盤結構的機器人自動噴淋系統，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。這種系統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線節拍的影響。對于步進梁結構的成形自動化生產線，由于生產節拍高，需要將冷卻潤滑系統集成到步進梁上，在夾取鍛件移動的過程中實現對模具的冷卻潤滑，這種集成式潤滑系統基本不占用額外的時間，因此對節拍要求較高的生產線優勢明顯，國內常用的自動化噴淋系統如圖23 所示。

圖23 國內自動化噴淋系統

自動化快速換模技術

隨著下游主機配套企業產品更新換代的時間越來越短，多品種小批量生產逐漸成為大多數鍛造企業的主要生產方式，更頻繁的換模，更小的批量生產成為企業的生產常態，不同類別的產品在生產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，生產效率越來越低，換模導致勞動強度的增加，工人的積極性受到影響。因此，為了實現自動化生產線的高效運行，對于生產過程中與品種切換相關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能，縮短交期，降低庫存提升企業競爭力的目的。通常來說，整個快速換模系統主要包括快換模具結構、成形設備連接的液壓鎖緊系統、取放模具系統等三部分構成，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，模具結構、模具數量及設備連接方式對技術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，需要結合企業現狀、自動化工藝水平綜合考慮。

表4 技術方案

對于一體式模具結構，一般是通過換模小車實現整體模具的拉進拉出動作，模具與設備連接通過液壓缸鎖緊，液壓鎖緊系統可以采用單獨運行，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，換模過程可以實現一鍵自動鎖模。對于大型自動線生產線模具，一般采用組合式(模塊鑲嵌)結構，或者采用子模架結構，同時模座集成噴淋及模具預熱系統，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，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，典型快速換模結構如圖24 所示。

圖24 快速換模結構

設備選型及自動化生產線設計

設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。在市場經濟高度發展的今天，由于鍛壓設備生產廠家繁多、產品種類復雜、技術質量和性能不一。因此，如何使鍛造企業能夠準確及時地選擇配套符合自己生產要求的、技術性能先進的鍛造設備便成了企業設備管理人員的新課題，也是企業鍛造水平的標志。鍛造設備的選型配套，是設備管理人員的重要工作，同時也需要工藝技術人員更多的參與進來，設備選型，工藝和產品是綱領和主線，設備型號、類別、參數都必須圍繞產品工藝去做決定。國內很多鍛造企業在設備選型上存在簡單化、設備人員主導化、價格導向化現象。很多設備未能完全發揮作用，或者沒有達到預期目標，很大一部分原因在于前期策劃和導向出現問題。還有一部分是在未明確產品的情況下投入了設備，導致企業在產品線開發過程中受到很大局限性，因此，設備選型(圖25)是企業投資過程中最關鍵的環節之一，需要結合企業現狀與實際需求，從技術、生產 安全、售后服務、投入產出比等各個方面綜合判斷，才能確定最佳的選擇方案。

圖25 設備選型

自動化生產線設計與設備選型

⑴預先分析并仔細了解自己的需求，用自動化系統來裝備鍛造線，進行生產制造，其目的是為了讓產品生產和質量控制擁有最大的效率比。我們需要到生產部門熟悉生產的過程，需要去研究哪些工藝是生產過程的短板，哪些工藝過程可以實現自動化代替人工。把企業短期需求和長期目標結合起來，以此為基礎來分析投資回報。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備。

⑵選擇適合自己的改造方案，從人員素質、人工技能、工藝現狀、產品類型等綜合考慮，以最小的投入獲得最大的經濟回報為目的，要明確自動化的主要方向，技術指標要選關鍵點，要符合企業實際現狀，不能偏離太多，培養并招募人才 如果需要革新技術，必然需要有相對應的技術人才。現有的設備維護人員必須跟上自動化設備的技術要求。

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

以提高傳輸效率為目的自動化生產線排布越來越集中化，設備組成數量由大而全，向少而精發展，自動化集成技術的應用越來越廣泛，大批量的產品將逐漸向高效自動化生產技術轉移，最終形成少數壟斷。在模鍛設備方面，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及能量回收技術應用也逐漸在行業開始應用，行星減速器+異步電機+濕式離合器制動器結構的熱模鍛壓力機技術將成為主流，電動螺旋壓力機國產化替代已經形成全系列化發展模式；模鍛錘程控化、伺服控制技術(電氣化)的應用使得錘上模鍛自動化生產線成為現實，新一代低能耗模塊化IGBT可靠性中頻電源技術得到了長足的發展，在自動化信息化技術應用方面，以多傳感器在線監測技術(模具數據采集與噴淋系統的反饋)變量化模具自動潤滑技術(與設備的集成)、以工藝裝備、工藝參數、工藝運維的數字化生產線設計技術及數字孿生技術、基于5G 的智能工廠大數據共享技術以及web技術的設備遠程運維及診斷技術為代表的新質生產力的展現，將迎來鍛造產業又一次技術革命。以電動汽車、風能、太陽能為代表的綠色能源技術的發展將成為影響和改變鍛造行業發展格局的主要推動力，未來的鍛造業正在向用能結構清潔化、生產過程數字化，資源利用循化化的低碳可持續方向發展。