文章來(lái)源：《鍛造與沖壓》2024年第9期（點(diǎn)擊閱讀整本雜志）

夏占雪1， 宋國(guó)品2， 丁旭輝2， 劉金蕾2， 陳俊杰3

（1第一拖拉機(jī)股份有限公司；2一拖（洛陽(yáng)）鑄鍛有限公司；3洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司）

鍛造行業(yè)發(fā)展背景

鍛造行業(yè)作為裝備制造業(yè)中的基礎(chǔ)制造產(chǎn)業(yè)，在汽車(chē)船舶、軌道交通、航空航天、農(nóng)業(yè)科技等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，其關(guān)鍵部件的生產(chǎn)制造工藝，大都采用鍛造成形的方式加工而成。一般傳統(tǒng)的鍛造方式主要以人工操作為主(圖1)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性大；鍛造過(guò)程產(chǎn)生的煙塵、有害氣體、噪聲及振動(dòng)等環(huán)保問(wèn)題對(duì)員工身心健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，導(dǎo)致現(xiàn)在愿意從事鍛造行業(yè)的人員越來(lái)越少，隨著我國(guó)人口老齡化的到來(lái)，勞動(dòng)力短缺與人工成本增加日益嚴(yán)重。因此，鍛造企業(yè)招工難、一線工人匱乏等問(wèn)題對(duì)鍛造行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了很大的沖擊。近年來(lái)，隨著新能源汽車(chē)產(chǎn)量的增加，2023年，我國(guó)的汽車(chē)年產(chǎn)量已經(jīng)突破了三千萬(wàn)大關(guān)，對(duì)汽車(chē)精鍛零件的市場(chǎng)需求越來(lái)越大，鍛件產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來(lái)越高。以人工為主的鍛造生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足高速發(fā)展下的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)巨大的市場(chǎng)需求，盡量縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期越來(lái)越成為鍛造企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的先決條件之一，即時(shí)交貨和隨時(shí)供應(yīng)是目前時(shí)代發(fā)展的迫切需要，隨著主機(jī)廠訂單集中化采購(gòu)的不斷深入，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式越來(lái)越影響到企業(yè)的發(fā)展和訂單承接，今后，只有實(shí)現(xiàn)高效低成本生產(chǎn)的鍛造企業(yè)才有機(jī)會(huì)獲得訂單。以人工為主的生產(chǎn)企業(yè)將會(huì)逐漸遠(yuǎn)離主機(jī)市場(chǎng)，并最終被市場(chǎng)所淘汰，企業(yè)只有進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)將是鍛造企業(yè)必須要發(fā)展的方向。

圖1 傳統(tǒng)的鍛造方式中人工操作

圖2 鍛造企業(yè)的自動(dòng)化信息化技術(shù)

鍛造自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)，基于勞動(dòng)力短缺和人工成本增加下的高效鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線的建設(shè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步，以人工為主的、傳統(tǒng)的鍛造模式正在加速向自動(dòng)化生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的生產(chǎn)線工人被機(jī)器人所代替，以雙碳發(fā)展為目標(biāo)的能源結(jié)構(gòu)變化正在推動(dòng)鍛造產(chǎn)業(yè)向低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型，隨著自動(dòng)化技術(shù)的普及與提高，鍛件產(chǎn)品由普通級(jí)逐漸地向精密級(jí)轉(zhuǎn)移，鍛件材料由調(diào)質(zhì)鋼逐漸向節(jié)能型非調(diào)質(zhì)鋼轉(zhuǎn)移，重量尺寸公差控制的提高和控溫冷卻技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了后續(xù)的加工效率，進(jìn)一步降低了制造成本(圖3)。

圖3 鍛造產(chǎn)業(yè)向低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型

與自動(dòng)化相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)也取得了進(jìn)步，越來(lái)越多的鍛造企業(yè)正在加大鍛造自動(dòng)化、信息化技術(shù)的應(yīng)用水平和范圍，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機(jī)器人、移動(dòng)式機(jī)械臂、步進(jìn)式輸送機(jī)構(gòu)、在線檢測(cè)系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)等自動(dòng)化技術(shù)手段，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間互聯(lián)互通和生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了鍛造生產(chǎn)過(guò)程從自動(dòng)上料、加熱、除鱗、成形、切邊、整形、再到檢測(cè)、碼垛、包裝等全線的自動(dòng)化生產(chǎn)。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，在新技術(shù)應(yīng)用方面，模塊化加熱技術(shù)，節(jié)能型伺服鍛壓設(shè)備、環(huán)保潤(rùn)滑、鍛件全流程的質(zhì)量追溯技術(shù)，鍛造工藝過(guò)程參數(shù)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)、鍛件關(guān)鍵尺寸的在線檢測(cè)(圖4)、基于大數(shù)據(jù)的工藝參數(shù)優(yōu)化和調(diào)控補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)的數(shù)字化技術(shù)也開(kāi)始越來(lái)越多應(yīng)用于鍛造行業(yè)。

圖4 鍛件關(guān)鍵尺寸在線檢測(cè)

當(dāng)前，以螺旋壓機(jī)為主的機(jī)器人自動(dòng)化組線技術(shù)趨于成熟，在中小型鍛造企業(yè)發(fā)展迅速。同時(shí)，以高效低成本為目的的坐標(biāo)機(jī)械臂小型自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)也得到了快速發(fā)展。以熱模鍛壓力機(jī)為主的國(guó)產(chǎn)步進(jìn)梁輸送系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，目前已經(jīng)有多家鍛造裝備企業(yè)的產(chǎn)品投入運(yùn)行，并且取得了較好的效果。經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)驗(yàn)積累，專業(yè)的鍛造自動(dòng)化實(shí)施企業(yè)也取得了明顯進(jìn)步。近年來(lái)涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的鍛造自動(dòng)化集成裝備供應(yīng)商，從提供鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、工裝模座加工制造，再到液壓自動(dòng)鎖模系統(tǒng)集成、快速換模系統(tǒng)及裝備、自動(dòng)化噴淋系統(tǒng)及裝備、步進(jìn)梁傳送系統(tǒng)及裝備的集成設(shè)計(jì)與應(yīng)用，直到最后的交鑰匙工程的實(shí)施，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，這些自動(dòng)化技術(shù)裝備經(jīng)過(guò)不斷迭代并日趨成熟，自動(dòng)化實(shí)施成本大幅度下降，機(jī)器代人已經(jīng)進(jìn)入普及化階段。

鍛造自動(dòng)化技術(shù)最新進(jìn)展

一條完整的鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線，按照鍛件生產(chǎn)工序單元?jiǎng)澐?，主要包括：下料單元、加熱單元、鍛?成形)單元、熱處理、清理探傷、防銹包裝等6 個(gè)部分組成，每一個(gè)組成單元根據(jù)產(chǎn)線布局要求、生產(chǎn)工藝參數(shù)、設(shè)備成形特點(diǎn)、物流傳輸方式等采取不同的自動(dòng)化手段逐一實(shí)施，并最終通過(guò)總線控制技術(shù)將各個(gè)單元自動(dòng)化裝備集成到一起，形成一條完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線，如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)化生產(chǎn)線

近幾年，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，在高效低成本生產(chǎn)的推動(dòng)下，鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線正在向高度集成化方向發(fā)展，原來(lái)的多設(shè)備單工位組成的長(zhǎng)流程鍛造自動(dòng)化線正在被單設(shè)備多工位集成的短流程自動(dòng)化線代替。這種變化帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在生產(chǎn)資源的降低和生產(chǎn)效率的提升，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的減碳化和產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提升。原來(lái)需要采用多臺(tái)設(shè)備完成的生產(chǎn)線，現(xiàn)在只在一臺(tái)鍛壓設(shè)備上就能完成壓扁預(yù)鍛、終鍛、切邊、沖孔、整形等工序。后續(xù)的熱處理工序通過(guò)先進(jìn)的免熱處理材料技術(shù)，也能實(shí)現(xiàn)與鍛造工序的一體化集成，這種短流程的自動(dòng)化生產(chǎn)線模式(圖6)今后將成為鍛造行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主要方向。

圖6 短流程的自動(dòng)化生產(chǎn)線模式

下料單元自動(dòng)化技術(shù)

下料單元主要是為后續(xù)的中頻加熱單元提供符合工藝要求的坯料，目前在鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線上采用的下料方式有四種，分別是冷剪切下料，熱剪切下料，高速圓盤(pán)鋸切下料以及普通帶鋸機(jī)下料。如圖7 所示，普通帶鋸機(jī)下料由于生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)損耗大、生產(chǎn)過(guò)程存在污染環(huán)境、下料精度差等問(wèn)題，目前正逐漸被行業(yè)所淘汰，應(yīng)用最多的是剪床下料和高速圓盤(pán)鋸切下料。

圖7 鍛造自動(dòng)化下料方式

對(duì)剪床下料來(lái)說(shuō)，目前有冷剪下料與在線熱剪下料兩種工藝，行業(yè)應(yīng)用最多的是冷剪下料，由于其生產(chǎn)效率高，一臺(tái)設(shè)備可以為多條鍛造生產(chǎn)線提供下料供應(yīng)。因此，對(duì)于大批量多品種生產(chǎn)的鍛造企業(yè)，是首選的下料方式，由于節(jié)拍較鍛造設(shè)備高。所以，一般是將下料工序單獨(dú)進(jìn)行，與鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線不進(jìn)行集成，而是提前完成下料工序，然后以裝箱的方式提供給中頻加熱單元上集成的自動(dòng)上料平臺(tái)，由中頻感應(yīng)單元中的自動(dòng)上料系統(tǒng)完成坯料到中頻爐加熱進(jìn)料口的輸送。但是，對(duì)于少品種大批量生產(chǎn)的自動(dòng)化鍛造線來(lái)說(shuō)，可以將下料工序集成到自動(dòng)化生產(chǎn)線中，將剪床生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)整到與鍛造裝備同步，工人只需將成捆的材料放置到剪床的上料架上，剪床可以完成從長(zhǎng)棒料的剪切前的提升定位到棒料的自動(dòng)化在線測(cè)量剪切與自動(dòng)化重量分選，再到料頭、料尾的自動(dòng)化處理，見(jiàn)圖8，從而實(shí)現(xiàn)從長(zhǎng)棒料的上料到感應(yīng)加熱單元之間的全自動(dòng)化生產(chǎn)。同時(shí)為了保證生產(chǎn)過(guò)程的品種更換，現(xiàn)在的冷剪裝備還具有剪切模具的快換功能，能夠?qū)崿F(xiàn)與成形設(shè)備模具快換周期的同步。

圖8 自動(dòng)化產(chǎn)線

對(duì)于在線熱剪下料工藝，國(guó)內(nèi)鍛造企業(yè)主要在軸承行業(yè)有部分應(yīng)用，國(guó)外這項(xiàng)技術(shù)在曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、連桿等產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，在線熱剪下料技術(shù)由于是棒料加熱到鍛打溫度的時(shí)候完成剪切，因此剪切力較小，能夠采用較小的剪切裝置完成，具有明顯的節(jié)能效果，目前這種技術(shù)主要采用的是將剪切系統(tǒng)集成到中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)中與感應(yīng)加熱組成一個(gè)單元，或者與成形設(shè)備進(jìn)行集成，剪切過(guò)程借助鍛造壓力機(jī)來(lái)完成，這樣不用再額外增加動(dòng)力系統(tǒng)，較與中頻系統(tǒng)集成的優(yōu)勢(shì)更明顯。目前國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域有待鍛壓裝備制造企業(yè)共同努力，早日實(shí)現(xiàn)這一先進(jìn)下料技術(shù)在鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線上應(yīng)用。軸承行業(yè)目前普遍采用的是采用低功率加熱爐再配置一臺(tái)小噸位開(kāi)式單點(diǎn)壓床完成熱剪切工序，由于加熱溫度達(dá)不到鍛造溫度，因此該工序結(jié)束后，仍需要通過(guò)中頻加熱爐二次加熱，然后再進(jìn)行后續(xù)的鍛造工位的生產(chǎn)。這種在線熱剪方式與國(guó)外所普遍采用的在線熱剪技術(shù)增加了兩臺(tái)設(shè)備，生產(chǎn)成本有所上升。如圖9 所示，國(guó)內(nèi)某軸承鍛造企業(yè)在20世紀(jì)90年代曾經(jīng)從國(guó)外進(jìn)口了一條全自動(dòng)軸承套圈生產(chǎn)線，在主機(jī)上完成熱剪下料工序，是國(guó)內(nèi)最早采用熱剪下料的自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線，目前這條生產(chǎn)線仍然在運(yùn)行。

圖9 國(guó)內(nèi)最早采用熱剪下料的自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線

隨著汽車(chē)產(chǎn)量的迅猛增加，基于對(duì)冷溫?zé)峋苠懠氖袌?chǎng)需求的上升以及少無(wú)飛邊鍛造技術(shù)、多向精密模鍛技術(shù)、高效低成本生產(chǎn)等先進(jìn)成形工藝的廣泛應(yīng)用，對(duì)于下料精度的要求也越來(lái)越高，因此，高速圓鋸切下料技術(shù)在行業(yè)內(nèi)得到了快速發(fā)展。如圖10所示，由于其設(shè)備一次性投資不高，下料精度能夠滿足不同工況下的各種鍛件精密成形工藝的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又能很好的適應(yīng)不同鍛造工藝的自動(dòng)化生產(chǎn)。從目前的自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，剪床下料有逐漸被高速鋸切下料替代的趨勢(shì)。

圖10 高速圓鋸切下料技術(shù)

但是，由于其下料方式的局限性，對(duì)于某些產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)線，如果要采用高速圓盤(pán)鋸床在線下料的話，需要采用多對(duì)一的設(shè)備生產(chǎn)線組合形式才能確保整條自動(dòng)化生產(chǎn)線節(jié)拍的一致性。國(guó)內(nèi)某4000t 乘用車(chē)曲軸鍛件自動(dòng)化生產(chǎn)線，采用兩條高速鋸切設(shè)備與一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人組成自動(dòng)化下料單元，與感應(yīng)加熱爐單元、鍛造設(shè)備單元共同組成一條自動(dòng)化生產(chǎn)線。來(lái)完成曲軸的自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。對(duì)于下料方式的選擇，需要從企業(yè)適用的角度出發(fā)，根據(jù)不同的產(chǎn)線要求，產(chǎn)品的精度高低、成形工藝的特點(diǎn)，投資產(chǎn)出比等綜合考慮，從而找出最佳的實(shí)施方案。以上四種下料方式對(duì)比分析如表1 所示。

表1 四種下料方式對(duì)比分析

《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