鍛造自動化生產線

文／木下裕次，劉建華，陳巖·（日本）株式會社栗本鐵工所

鍛造自動化生產線

文／木下裕次，劉建華，陳巖·（日本）株式會社栗本鐵工所

在熱鍛和溫鍛的加工過程中，手動操作者的工作環境往往具有溫度高、噪聲大、振動強等特點。因此，如果大批量生產單一品種的鍛件，企業使用自動化鍛造設備會收到很好的效果。本文將對株式會社栗本鐵工所（以下簡稱栗本公司）鍛造設備自動化的設計與技術特點進行介紹。

設備投資的比較

自動化設備在價格上要比手動設備高一些，一般來說自動化設備生產線的投資金額相當于手動設備的2倍左右。如果從生產能力上進行比較，自動化設備的生產能力比手動設備高2～3倍甚至更多，因此如果所生產的產品批量大的話，自動化設備的投資更為合算。圖1為手動設備和自動化設備。

手動設備和自動化設備進行比較，其具有以下4個特點：

⑴手動設備初期投資金額少。

⑵手動設備生產效率相對較低，大概為9s/件。

⑶手動設備對操作人員的技能水平要求比較高。

⑷手動設備主要由人工搬運鍛件和坯料，因此可以搬送形狀復雜的鍛件。

自動化設備可以總結出以下4個特點：

⑴自動化設備初期投資大，約為手動設備的2倍。

⑵自動化設備生產效率較高，生產速度為3s/件。

⑶如果自動化設備的鍛造條件設定正確的話，該設備對操作人員鍛造技能的要求較低。

⑷從自動搬送的角度來講，自動化設備適用于搬運形狀規則的鍛件。

圖1 手動設備和自動化設備

從生產能力來考慮

例如，一家企業的生產能力為每月60萬件，如果使用一臺生產能力為3s/件的自動化設備，每天的生產時間按照20h來計算，則每個月需要的工作天數為60×10000×3÷3600÷20=25天。所以只需投資一臺自動化生產線就可以滿足生產任務。

如果投資手動設備的話，假設生產能力可以達到9s/件，則需要三條手動生產線才能滿足生產任務，同時還需要增加熟練操作工的人數。所以，選擇自動化設備還是手動設備，需要從企業生產任務和工人生產能力等方面來考慮。

從產品品質來考慮

在使用手動設備的情況下，操作工人需要時刻關注鍛造的生產過程，其技能和體力直接影響到產品品質。只有在操作工人技能水平較高，并且保證不透支體力的情況下，才能生產出高品質的產品。所以說對于手動設備來說，存在著操作工操作熟練度和身體素質影響產品品質的問題。

在使用自動化設備的情況下，對員工的技能要求不高，自動化設備的鍛造條件設定對產品品質起決定性作用。如果自動化設備的鍛造條件設定正確的話，即使操作工人的技能不是很高，也能生產出高品質的鍛件。

從產品形狀來考慮

對于自動化設備來說，產品的形狀分為適合自動生產的形狀和不適合自動生產的形狀，圖2為自動化生產線生產出來的鍛件。由于自動化設備的多工位鍛造模具都在設備內部，所以要求鍛件形狀符合搬送設備的搬送條件（例如，搬送高度必須保持一致）。對于不符合搬送條件的鍛件則不能在自動化設備上進行生產。

圖2 自動化生產線生產的鍛件

自動化生產線

壓力機

自動化生產線為了實現多工位鍛造，從結構上來看，對于偏心載荷需要有較強的適應能力，栗本公司生產的壓力機如圖3所示，采用雙連桿構造來實現抗高強度偏心載荷能力。

圖3 對應多工位鍛造的機械構造

自動化設備在生產開始和生產結束環節由于設備內的工件數量不同，負載也不相同，設備框架產生的彈性變形會影響到產品的精度，所以安裝自動模高調整機構是十分必要的。圖4描述了安裝自動模高調整機構的必要性。

圖4 自動模高調整機構的必要性

自動模高調整機構的結構及其控制系統，如圖5所示。圖中上半部分的三維圖形為模高調整的機械結構，通過液壓油缸推動偏心軸進行轉動來實現垂直方向的微小位移，達到模高調整的目的。

圖5 自動模高調整機構的結構及其控制系統

步進梁送料機構

步進梁裝置的構造已經開始從過去的單純機械式構造，向伺服電機式的構造進行轉變。伺服式步進梁裝置可以自由變換搬送行程，可以運送多種鍛件產品，圖6為5軸步進梁機構。

為了防止鍛造結束后產品落下產生磕碰傷，壓力機出口處必須有開放的空間以便鍛件水平搬出，對應此要求，栗本公司近年來開發出10軸步進梁如圖7所示，深受用戶喜愛。

圖6 5軸步進梁機構

圖7 10軸步進梁機構

圖8 步進梁主控模式下行程周期曲線圖例

自動化生產線的控制模式

步進梁主控模式

一般的自動化設備，滑塊每次在上死點會停止，在其停留的時間之內，步進梁會進行一系列的工件搬送動作。然后在合適的時間給壓力機發出信號，引導壓力機進行下一次鍛造。由于壓力機和步進梁的動作分別獨立，所以只要工件滿足搬送高度一致的條件，即可實現自動化生產。

搬送的動作曲線如圖8所示。圖中每條曲線表示的是在每一時刻，在各個方向上的每個動作行程，將壓力機、步進梁、脫模劑移動噴嘴這三者進行細致的設計校驗，進行精確的時間和機器配合，來實現迅速而穩定的工件搬送及鍛造。

圖9 兩種運行模式對比

壓力機主控模式

在這種模式下，壓力機連續運轉，在滑塊抬起的過程中步進梁進行工件的搬運動作，這種模式過去主要通過機械式的聯動機構來實現。近幾年伺服式步進梁和電氣系統的聯動成為主流，已經應用于等速萬向節（CVJ）及軸承圈的鍛造領域，可以實現30～50spm（平均1.2～2s生產1件）的高速鍛造。

在這種模式下，因為需要在壓力機滑塊抬起的時間間隙里進行步進梁的動作，往往工件在被下頂模銷頂起之后也需要被夾持完畢，所以在模具設計與夾爪控制等方面需要有較高程度的配合才能實現。

電氣控制模式

這種設備將上述的步進梁主控模式和壓力機主控模式集成在一臺設備上，可以通過電氣控制來進行切換，根據工件的不同可以使用不同的運行模式，因此可以用一臺設備對多種產品進行鍛造。步進梁主控模式的優勢為采用上死點停止的運轉模式，滑塊停止時可以實現充分的模具潤滑。壓力機主控模式的優勢為采用上死點不停止的運轉模式，提高生產效率，節約能源。

在步進梁主控模式下，壓力機可以用較快的速度進行運轉，適用于扁平鍛件。同時步進梁和壓力機的配合相對簡單，所以復雜的自動化鍛造設備一般較多使用步進梁主控模式進行控制。

在通過用高速鍛造來提高生產能力的情況下，壓力機主控模式會比較有利，其對壓力機和步進梁的配合有很高的要求。同時，由于壓力機運轉速度相對較慢，所以這種運轉模式比較適用于軸類鍛件。

對于生產多品種小產量、扁平類鍛件或者軸類鍛件，需要2臺專用壓力機來進行生產。但是如果使用雙模復式壓力機，則通過電氣控制即可切換步進梁主控模式和壓力機主控模式，這樣1臺設備就具有2臺設備的生產能力，所以這類設備的性價比較高，有較好的實用性。

M2M遠程服務系統

鍛造設備的構成正在從單純的機械方面向機電一體化的方向進行轉變。步進梁的動作機構正在向伺服電機的方向進行轉變，同時在壓力機的控制部分里PLC所占的比重也有了很大的增加?；谶@種情況，當機械出現異常的時候，通過查看電氣系統來查找問題原因，也逐漸成為一種必要的方式。

栗本公司為國外客戶供應設備的機會越來越多，為客戶服務的方式——M2M遠程服務系統被開發、建立起來。以往，當設備出現異常時，一般會與客戶通過電話和郵件交流來進行解決。但是往往由于客戶對出現異常的原因也不能詳細把握，以至于維修人員不能正確理解問題，通常會在解決問題的過程中花費許多無用的時間。M2M遠程服務系統的應用，使得栗本公司的技術人員可以盡可能地對設備的異常情況進行了解，從而使問題處理的時間大為短縮。

結束語

鍛造加工的產品廣泛應用于汽車產業及現代工業，隨著汽車等產業的現代化程度越來越高，對鍛造產品的生產速度要求也越來越快。如果企業有大批量生產的鍛件，以往的手工鍛造就不能滿足生產速度的要求，加上近年來人工成本的逐漸增加，導致鍛造加工越來越傾向于采用自動化生產的模式。