鍛造自動化生產(chǎn)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(chǎn)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(huán)境往往具有溫度高、噪聲大、振動強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，如果大批量生產(chǎn)單一品種的鍛件，企業(yè)使用自動化鍛造設(shè)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(shè)備自動化的設(shè)計(jì)與技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

設(shè)備投資的比較

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

手動設(shè)備和自動化設(shè)備進(jìn)行比較，其具有以下4個(gè)特點(diǎn)：

⑴手動設(shè)備初期投資金額少。

⑵手動設(shè)備生產(chǎn)效率相對較低，大概為9s/件。

⑶手動設(shè)備對操作人員的技能水平要求比較高。

⑷手動設(shè)備主要由人工搬運(yùn)鍛件和坯料，因此可以搬送形狀復(fù)雜的鍛件。

自動化設(shè)備可以總結(jié)出以下4個(gè)特點(diǎn)：

⑴自動化設(shè)備初期投資大，約為手動設(shè)備的2倍。

⑵自動化設(shè)備生產(chǎn)效率較高，生產(chǎn)速度為3s/件。

⑶如果自動化設(shè)備的鍛造條件設(shè)定正確的話，該設(shè)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(shè)備適用于搬運(yùn)形狀規(guī)則的鍛件。

圖1 手動設(shè)備和自動化設(shè)備

從生產(chǎn)能力來考慮

例如，一家企業(yè)的生產(chǎn)能力為每月60萬件，如果使用一臺生產(chǎn)能力為3s/件的自動化設(shè)備，每天的生產(chǎn)時(shí)間按照20h來計(jì)算，則每個(gè)月需要的工作天數(shù)為60×10000×3÷3600÷20=25天。所以只需投資一臺自動化生產(chǎn)線就可以滿足生產(chǎn)任務(wù)。

如果投資手動設(shè)備的話，假設(shè)生產(chǎn)能力可以達(dá)到9s/件，則需要三條手動生產(chǎn)線才能滿足生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)還需要增加熟練操作工的人數(shù)。所以，選擇自動化設(shè)備還是手動設(shè)備，需要從企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)和工人生產(chǎn)能力等方面來考慮。

從產(chǎn)品品質(zhì)來考慮

在使用手動設(shè)備的情況下，操作工人需要時(shí)刻關(guān)注鍛造的生產(chǎn)過程，其技能和體力直接影響到產(chǎn)品品質(zhì)。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(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。所以說對于手動設(shè)備來說，存在著操作工操作熟練度和身體素質(zhì)影響產(chǎn)品品質(zhì)的問題。

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

從產(chǎn)品形狀來考慮

對于自動化設(shè)備來說，產(chǎn)品的形狀分為適合自動生產(chǎn)的形狀和不適合自動生產(chǎn)的形狀，圖2為自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)出來的鍛件。由于自動化設(shè)備的多工位鍛造模具都在設(shè)備內(nèi)部，所以要求鍛件形狀符合搬送設(shè)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(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)。

圖2 自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)的鍛件

自動化生產(chǎn)線

壓力機(jī)

自動化生產(chǎn)線為了實(shí)現(xiàn)多工位鍛造，從結(jié)構(gòu)上來看，對于偏心載荷需要有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，栗本公司生產(chǎn)的壓力機(jī)如圖3所示，采用雙連桿構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)抗高強(qiáng)度偏心載荷能力。

圖3 對應(yīng)多工位鍛造的機(jī)械構(gòu)造

自動化設(shè)備在生產(chǎn)開始和生產(chǎn)結(jié)束環(huán)節(jié)由于設(shè)備內(nèi)的工件數(shù)量不同，負(fù)載也不相同，設(shè)備框架產(chǎn)生的彈性變形會影響到產(chǎn)品的精度，所以安裝自動模高調(diào)整機(jī)構(gòu)是十分必要的。圖4描述了安裝自動模高調(diào)整機(jī)構(gòu)的必要性。

圖4 自動模高調(diào)整機(jī)構(gòu)的必要性

自動模高調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，如圖5所示。圖中上半部分的三維圖形為模高調(diào)整的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過液壓油缸推動偏心軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)垂直方向的微小位移，達(dá)到模高調(diào)整的目的。

圖5 自動模高調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)

步進(jìn)梁送料機(jī)構(gòu)

步進(jìn)梁裝置的構(gòu)造已經(jīng)開始從過去的單純機(jī)械式構(gòu)造，向伺服電機(jī)式的構(gòu)造進(jìn)行轉(zhuǎn)變。伺服式步進(jìn)梁裝置可以自由變換搬送行程，可以運(yùn)送多種鍛件產(chǎn)品，圖6為5軸步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)。

為了防止鍛造結(jié)束后產(chǎn)品落下產(chǎn)生磕碰傷，壓力機(jī)出口處必須有開放的空間以便鍛件水平搬出，對應(yīng)此要求，栗本公司近年來開發(fā)出10軸步進(jìn)梁如圖7所示，深受用戶喜愛。

圖6 5軸步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)

圖7 10軸步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)

圖8 步進(jìn)梁主控模式下行程周期曲線圖例

自動化生產(chǎn)線的控制模式

步進(jìn)梁主控模式

一般的自動化設(shè)備，滑塊每次在上死點(diǎn)會停止，在其停留的時(shí)間之內(nèi)，步進(jìn)梁會進(jìn)行一系列的工件搬送動作。然后在合適的時(shí)間給壓力機(jī)發(fā)出信號，引導(dǎo)壓力機(jī)進(jìn)行下一次鍛造。由于壓力機(jī)和步進(jìn)梁的動作分別獨(dú)立，所以只要工件滿足搬送高度一致的條件，即可實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

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(shí)刻，在各個(gè)方向上的每個(gè)動作行程，將壓力機(jī)、步進(jìn)梁、脫模劑移動噴嘴這三者進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)校驗(yàn)，進(jìn)行精確的時(shí)間和機(jī)器配合，來實(shí)現(xiàn)迅速而穩(wěn)定的工件搬送及鍛造。

圖9 兩種運(yùn)行模式對比

壓力機(jī)主控模式

在這種模式下，壓力機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在滑塊抬起的過程中步進(jìn)梁進(jìn)行工件的搬運(yùn)動作，這種模式過去主要通過機(jī)械式的聯(lián)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。近幾年伺服式步進(jìn)梁和電氣系統(tǒng)的聯(lián)動成為主流，已經(jīng)應(yīng)用于等速萬向節(jié)（CVJ）及軸承圈的鍛造領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)30～50spm（平均1.2～2s生產(chǎn)1件）的高速鍛造。

在這種模式下，因?yàn)樾枰趬毫C(jī)滑塊抬起的時(shí)間間隙里進(jìn)行步進(jìn)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(shè)計(jì)與夾爪控制等方面需要有較高程度的配合才能實(shí)現(xiàn)。

電氣控制模式

這種設(shè)備將上述的步進(jìn)梁主控模式和壓力機(jī)主控模式集成在一臺設(shè)備上，可以通過電氣控制來進(jìn)行切換，根據(jù)工件的不同可以使用不同的運(yùn)行模式，因此可以用一臺設(shè)備對多種產(chǎn)品進(jìn)行鍛造。步進(jìn)梁主控模式的優(yōu)勢為采用上死點(diǎn)停止的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，滑塊停止時(shí)可以實(shí)現(xiàn)充分的模具潤滑。壓力機(jī)主控模式的優(yōu)勢為采用上死點(diǎn)不停止的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源。

在步進(jìn)梁主控模式下，壓力機(jī)可以用較快的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，適用于扁平鍛件。同時(shí)步進(jìn)梁和壓力機(jī)的配合相對簡單，所以復(fù)雜的自動化鍛造設(shè)備一般較多使用步進(jìn)梁主控模式進(jìn)行控制。

在通過用高速鍛造來提高生產(chǎn)能力的情況下，壓力機(jī)主控模式會比較有利，其對壓力機(jī)和步進(jìn)梁的配合有很高的要求。同時(shí)，由于壓力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度相對較慢，所以這種運(yùn)轉(zhuǎn)模式比較適用于軸類鍛件。

對于生產(chǎn)多品種小產(chǎn)量、扁平類鍛件或者軸類鍛件，需要2臺專用壓力機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)。但是如果使用雙模復(fù)式壓力機(jī)，則通過電氣控制即可切換步進(jìn)梁主控模式和壓力機(jī)主控模式，這樣1臺設(shè)備就具有2臺設(shè)備的生產(chǎn)能力，所以這類設(shè)備的性價(jià)比較高，有較好的實(shí)用性。

M2M遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)

鍛造設(shè)備的構(gòu)成正在從單純的機(jī)械方面向機(jī)電一體化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變。步進(jìn)梁的動作機(jī)構(gòu)正在向伺服電機(jī)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變，同時(shí)在壓力機(jī)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(dāng)機(jī)械出現(xiàn)異常的時(shí)候，通過查看電氣系統(tǒng)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(yīng)設(shè)備的機(jī)會越來越多，為客戶服務(wù)的方式——M2M遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)被開發(fā)、建立起來。以往，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，一般會與客戶通過電話和郵件交流來進(jìn)行解決。但是往往由于客戶對出現(xiàn)異常的原因也不能詳細(xì)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(fèi)許多無用的時(shí)間。M2M遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用，使得栗本公司的技術(shù)人員可以盡可能地對設(shè)備的異常情況進(jìn)行了解，從而使問題處理的時(shí)間大為短縮。

結(jié)束語

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