淺談綠色自動化鍛造生產線設計

文/杜蓮蓮，高磊·東風日產PT技術部鍛造技術科

實現鍛造生產技術革新和鍛造生產線自動化是我國鍛造企業面臨的一大挑戰，也是我國鍛造行業走向世界的一級階梯，打破陳舊的生產模式，積極探索研發適合我國鍛造生產的新技術、新裝備，是我國鍛造行業的發展方向。

我國的鍛造生產線長期以來一直處于半機械、半人工的生產狀態，小鍛件的中轉搬運基本上都由人工實現，大鍛件的中轉搬運由機械手實現，設備和機械手之間的信號傳遞采取點對點的方式，靠人工判斷進行操作，生產效率低下、依賴工人經驗等都造成了產品難以走向國際市場。

隨著鍛造產品需求量的逐步加大，產品質量要求越來越高，我國鍛造生產模式受到越來越大的沖擊，鍛造生產線正面臨著新線高起步和舊線改造的局面，實現鍛造生產技術革新和鍛造生產線自動化是我國鍛造企業面臨的一大挑戰。本文所述鍛造自動化生產線是以實現生產線高度自動化為理念進行的創新性設計及應用。

生產線設計思路

物流設計思路

在車間布置上，盡可能考慮工件加工的工藝順序，盡量保證工件加工的流水線性。從材料接收到下料，從鍛造到熱處理，經過噴丸再到最終入庫，這樣的布局保證了鍛件生產的流水性。因此必須要對生產線的物料流通進行設計，保證鍛件的順利流通，提高生產的效率。

曲軸自動化鍛造生產線的物流設計的宗旨是：將材料切斷、毛坯鍛壓、中間庫存、熱處理、后處理各個工藝，布置在同一個車間的同一個生產流水線上，如圖1所示。實現了產品從原材料到成品入庫的整個流程在同一條直線上完成，避免了車間的轉運及工序間遠距離的轉運，既縮減了物流的工作量又方便生產管理。生產線設置了中間庫存區，中間庫存用于存放控溫冷卻后的半成品，每個部品約有1.5天的庫存量，以應對生產線的設備停止及生產線前后工序之間的部品生產安排，便于生產計劃的靈活調整，也便于后工序產品需求變更時進行應對。

圖1 曲軸自動化鍛造生產線的物流布局圖

工藝設計思路

進行工藝設計選擇工藝方案主要從以下四個方面考慮：

⑴節約原材料。原材料成本在鍛造成本構成中占到60%以上，而我國目前模鍛件材料利用率在80%左右，自由鍛件鋼錠利用率在65%左右，因此提高材料利用率，降低金屬損耗的潛力相當可觀。在工藝設計時主要注意以下幾方面：

1)工藝方案選擇時，要把節約材料消耗作為一項重要原則。盡量用模鍛、胎模鍛代替自由鍛，減少鍛造余量，提高鍛件表面質量，減少后續加工量。

2)精確下料、降低刀口損耗。影響鍛造材料利用率的因素很多，但精確下料是實現精密鍛造的先決條件之一，是節材較可行的方案。大批量生產可采用精密棒料剪切機，下料質量精度可小于0.5%，端面斜度可小于1.5°，中小批量生產中可采用圓盤鋸、帶鋸床，其下料精度高，端面平直，鋸口損耗僅為2.0～2.2mm。

3)坯料加熱損耗主要為加熱氧化燒損，采用快速加熱、少無氧化加熱，不但減少氧化損耗而且節能。比如感應加熱方式，燒損率小于0.5%，僅為燃氣加熱爐的1/5。

⑵減少能耗。爐子燃耗是鍛造車間的主要能源消耗。據統計，模鍛車間中燃耗占車間各種能耗的比例在50%以上，自由鍛車間在80%以上，節約燃耗的主要措施包括：

1)感應加熱。采用感應加熱爐是模鍛車間節能降耗的重要措施，與普通火焰爐相比，感應加熱爐熱效率可達50%～60%，而且加熱時間短，生產效率可提高10%～30%。

2)余熱利用技術。鍛造余熱熱處理是一種鍛造和熱處理相結合的綜合工藝，是一種節能降耗又環保的先進工藝，并具有產品質量最穩定的優勢。因此，在鍛造車間設計時，鍛造余熱熱處理應納入工廠設計，把熱處理爐安排在大批量生產的熱模鍛設備機組內，組成鍛造生產線和自動化生產線。

⑶環保與安全。鍛造車間的振動、噪聲、煙塵等對工人健康造成危害，污染環境，必須采取適當措施進行治理。

1)減振。振動是鍛造車間的最大危害之一，因此在進行工藝方案選擇時，如果條件允許，盡量采用鍛壓機代替大噸位鍛錘，從根本上消除鍛錘振動。

2)降噪與防噪。鍛造車間噪聲主要來自于鍛錘、機械壓力機、剪板機、各種風機和空壓機、滾筒清理設備等，采用振動相對小的鍛壓機；設置隔音罩、隔音室把噪聲源與外界隔離；當鍛造車間的強噪聲難以控制在標準范圍之內時，為了防止強噪聲對鍛工的危害，在鍛造車間內必須采取個人防護措施。

3)廢氣、煙塵處理。廢氣、煙塵是鍛造車間主要的環境污染因素之一，主要來源于燃煤和燃油加熱爐的燃燒產物、脫模劑蒸發以及噴丸和噴砂清理產生的金屬塵埃等。新建、擴建廠房多采用煤氣、天然氣、電等清潔能源，從而在根本上消滅廢氣的排放。脫模劑蒸發、噴丸、噴砂排放的煙塵需通過有組織的排煙裝置進行排放，不得直接排入車間內工作場所。

4)防熱。高溫和熱輻射是鍛造車間的主要危險因素之一，容易引發工人的職業性中暑及灼傷等。因此進行廠房設計和工藝布局時要給予高度重視，比如廠房設置屋頂天窗、高低窗等保證車間具有良好的通風，有熱料及熱料箱的區域要采取留有足夠的場地空間等措施。

節材、節能、環保與安全是鍛造車間設計時需要重視的幾個方面，在當前國家大力推動節能減排的形勢下，貫徹節能、環保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對鍛造車間的工藝設計顯得尤為重要。

工藝流程

根據曲軸的產品形狀及綠色自動化鍛造的設計理念，設計曲軸鍛造生產線工藝流程如圖2所示。

圖2 曲軸鍛造生產線工藝流程

切斷

在鍛造前需將原材料切斷成所需的長度，即將棒材根據不同工件鋸斷成不同長度的坯料。原材料選用定尺材料，下料采用的是等分的切斷方式。生產過程中，切屑及不合格材料可自動從旁路排出并收集。

加熱

加熱工序主要是降低金屬變形抗力，優化內部成分和組織，將工件加熱至1200～1280℃。該工序可以實現坯料溫度自動篩選，過熱料收集至1個料箱內報廢處理，低溫料從旁路排出供下次使用。

鍛壓

鍛壓工序是將加熱的坯料鍛打成形至曲軸的形狀，共設計4個工步，壓扁→預鍛→終鍛→切邊，根據實際工藝設計各工序模具。該工序可實現機械手、步進梁自動送料及搬送，整個鍛造過程可實現自動化，在鍛打過程中設備自動進行模具潤滑，利用脫模劑再生循環系統可實現脫模劑重復利用，且同時配備了自動集塵機收集鍛造過程中產生的脫模劑蒸汽及漂浮的灰塵。

熱校正

熱校正工序是為了將鍛造及切邊過程中發生的鍛件彎曲的情況進行校直，確保鍛件的直線度滿足圖紙要求。該工序根據產品的工藝要求設計校正模，校正過程中使用機械手進行鍛件的夾取和放置，設備可對模具進行自動冷卻，整個過程自動運行，無需人工操作。

控溫冷卻

控溫冷卻工序是控制鍛件的冷卻速度以得到需要的金相組織和硬度，替代傳統的再次加熱的熱處理方式，既減小了熱處理過程中的鍛件變形量，又節約了能源。

拋丸

拋丸工序的目的是去除鍛件表面的氧化皮，使鍛件達到較好的表面質量。

目視檢查

目視檢查工序為人工對每一個鍛件的表面進行100%的目視檢查，主要檢查鍛件的表面缺陷。此工序為人工作業。

彎曲檢測

彎曲檢測工序是使用自動彎曲檢測裝置對鍛件的直線度進行100%的檢查，此工序為自動檢查，超出公差范圍的鍛件能夠自動篩選到廢料箱中。

防銹處理

彎曲檢查合格的工件通過機械手夾持到防銹槽中浸泡到防銹液中進行防銹，浸泡完成后用壓縮空氣吹干，然后再使用機械手將工件轉入下一工序，此工序為自動化作業。

裝箱入庫

機械手將防銹處理完成的工件夾持裝入成品料箱中，使用叉車將裝滿工件的料箱下線并進行入庫管理。生產線的工藝布置如圖3所示。

設備選型

鍛造生產線的基本工序中，能耗最大的為加熱工序，而生產自動化的瓶頸工序是熱鍛工序，因此為了實現綠色自動化鍛造的目標，尤其需要對這兩個工序的設備進行多方面的對比選擇。

表1 生產線各工步設備

6 7 8 9 10 11中間庫 噴丸 目視檢查 彎曲檢測 防銹 裝箱履帶式噴丸機 自動彎曲檢測機 自動防銹裝置 自動裝箱裝置

圖3 生產線的工藝布置圖

加熱工序

加熱是熱鍛工藝中不可缺少的一環，加熱方法主要分為火焰加熱和電加熱。與火焰加熱相比，電加熱存在很多優點：升溫快、爐溫易控制、氧化和脫碳少、勞動條件好、便于實現機械化和自動化等。根據生產線綠色自動化鍛造的設計理念，加熱工序選用中頻感應加熱的方式，在節能降耗方面有明顯優勢。

熱鍛工序

產品要求的精度較高，生產方式為大批量的連續生產，同時為了實現建設自動化鍛造生產線的設計目標，鍛造主機選擇熱模鍛壓力機。生產線設備詳見表1。

該鍛造自動生產線除了以上主要設備外，還包括快速換模裝置（圖4）、脫模劑再生循環裝置（圖5）、自動集塵裝置（圖6），以及7臺機器人等設備。

圖4 快速換模裝置

圖5 脫模劑再生循環裝置

圖6 自動集塵裝置

結束語

該生產線以高智能化的主機輔以機器人及自動傳送帶為核心，利用信息網絡技術，使用總線的控制為主要方式，把生產線的設備完全連接在一起，形成自動化鍛造生產線，這是生產全面自動化的體現。