文章來源：《鍛造與沖壓》2024年第9期（點擊閱讀整本雜志）

夏占雪1， 宋國品2， 丁旭輝2， 劉金蕾2， 陳俊杰3

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

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)，工人勞動強度大、危險性大；鍛造過程產(chǎn)生的煙塵、有害氣體、噪聲及振動等環(huán)保問題對員工身心健康構(gòu)成嚴重的威脅，導致現(xiàn)在愿意從事鍛造行業(yè)的人員越來越少，隨著我國人口老齡化的到來，勞動力短缺與人工成本增加日益嚴重。因此，鍛造企業(yè)招工難、一線工人匱乏等問題對鍛造行業(yè)的發(fā)展帶來了很大的沖擊。近年來，隨著新能源汽車產(chǎn)量的增加，2023年，我國的汽車年產(chǎn)量已經(jīng)突破了三千萬大關(guān)，對汽車精鍛零件的市場需求越來越大，鍛件產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來越高。以人工為主的鍛造生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足高速發(fā)展下的汽車產(chǎn)業(yè)巨大的市場需求，盡量縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期越來越成為鍛造企業(yè)提高競爭力的先決條件之一，即時交貨和隨時供應(yīng)是目前時代發(fā)展的迫切需要，隨著主機廠訂單集中化采購的不斷深入，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式越來越影響到企業(yè)的發(fā)展和訂單承接，今后，只有實現(xiàn)高效低成本生產(chǎn)的鍛造企業(yè)才有機會獲得訂單。以人工為主的生產(chǎn)企業(yè)將會逐漸遠離主機市場，并最終被市場所淘汰，企業(yè)只有進行技術(shù)升級。采用自動化、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)的自動化信息化技術(shù)

鍛造自動化技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，基于勞動力短缺和人工成本增加下的高效鍛造自動化生產(chǎn)線的建設(shè)得到了長足的發(fā)展與進步，以人工為主的、傳統(tǒng)的鍛造模式正在加速向自動化生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)變，越來越多的生產(chǎn)線工人被機器人所代替，以雙碳發(fā)展為目標的能源結(jié)構(gòu)變化正在推動鍛造產(chǎn)業(yè)向低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型，隨著自動化技術(shù)的普及與提高，鍛件產(chǎn)品由普通級逐漸地向精密級轉(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，進一步促進了后續(xù)的加工效率，進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

與自動化相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)也取得了進步，越來越多的鍛造企業(yè)正在加大鍛造自動化、信息化技術(shù)的應(yīng)用水平和范圍，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、機器人、移動式機械臂、步進式輸送機構(gòu)、在線檢測系統(tǒng)、總線控制系統(tǒng)等自動化技術(shù)手段，在實現(xiàn)設(shè)備之間互聯(lián)互通和生產(chǎn)過程實時監(jiān)控的同時，也實現(xiàn)了鍛造生產(chǎn)過程從自動上料、加熱、除鱗、成形、切邊、整形、再到檢測、碼垛、包裝等全線的自動化生產(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)保潤滑、鍛件全流程的質(zhì)量追溯技術(shù)，鍛造工藝過程參數(shù)在線自動監(jiān)測、鍛件關(guān)鍵尺寸的在線檢測(圖4)、基于大數(shù)據(jù)的工藝參數(shù)優(yōu)化和調(diào)控補償?shù)认冗M的數(shù)字化技術(shù)也開始越來越多應(yīng)用于鍛造行業(yè)。

圖4 鍛件關(guān)鍵尺寸在線檢測

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

鍛造自動化技術(shù)最新進展

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

圖5 自動化生產(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)的推動下，鍛造自動化生產(chǎn)線正在向高度集成化方向發(fā)展，原來的多設(shè)備單工位組成的長流程鍛造自動化線正在被單設(shè)備多工位集成的短流程自動化線代替。這種變化帶來的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在生產(chǎn)資源的降低和生產(chǎn)效率的提升，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的減碳化和產(chǎn)品市場競爭力的提升。原來需要采用多臺設(shè)備完成的生產(chǎn)線，現(xiàn)在只在一臺鍛壓設(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)的熱處理工序通過先進的免熱處理材料技術(shù)，也能實現(xiàn)與鍛造工序的一體化集成，這種短流程的自動化生產(chǎn)線模式(圖6)今后將成為鍛造行業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的主要方向。

圖6 短流程的自動化生產(chǎn)線模式

下料單元自動化技術(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，高速圓盤鋸切下料以及普通帶鋸機下料。如圖7 所示，普通帶鋸機下料由于生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)損耗大、生產(chǎn)過程存在污染環(huán)境、下料精度差等問題，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鋸切下料。

圖7 鍛造自動化下料方式

對剪床下料來說，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，一臺設(shè)備可以為多條鍛造生產(chǎn)線提供下料供應(yīng)。因此，對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進行，與鍛造自動生產(chǎn)線不進行集成，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上料平臺，由中頻感應(yīng)單元中的自動上料系統(tǒng)完成坯料到中頻爐加熱進料口的輸送。但是，對于少品種大批量生產(chǎn)的自動化鍛造線來說，可以將下料工序集成到自動化生產(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，剪床可以完成從長棒料的剪切前的提升定位到棒料的自動化在線測量剪切與自動化重量分選，再到料頭、料尾的自動化處理，見圖8，從而實現(xiàn)從長棒料的上料到感應(yīng)加熱單元之間的全自動化生產(chǎn)。同時為了保證生產(chǎn)過程的品種更換，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 自動化產(chǎn)線

對于在線熱剪下料工藝，國內(nèi)鍛造企業(yè)主要在軸承行業(yè)有部分應(yīng)用，國外這項技術(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)加熱組成一個單元，或者與成形設(shè)備進行集成，剪切過程借助鍛造壓力機來完成，這樣不用再額外增加動力系統(tǒng)，較與中頻系統(tǒng)集成的優(yōu)勢更明顯。目前國內(nèi)在這一領(lǐng)域有待鍛壓裝備制造企業(yè)共同努力，早日實現(xiàn)這一先進下料技術(shù)在鍛造自動化生產(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小噸位開式單點壓床完成熱剪切工序，由于加熱溫度達不到鍛造溫度，因此該工序結(jié)束后，仍需要通過中頻加熱爐二次加熱，然后再進行后續(xù)的鍛造工位的生產(chǎn)。這種在線熱剪方式與國外所普遍采用的在線熱剪技術(shù)增加了兩臺設(shè)備，生產(chǎn)成本有所上升。如圖9 所示，國內(nèi)某軸承鍛造企業(yè)在20世紀90年代曾經(jīng)從國外進口了一條全自動軸承套圈生產(chǎn)線，在主機上完成熱剪下料工序，是國內(nèi)最早采用熱剪下料的自動化鍛造生產(chǎn)線，目前這條生產(chǎn)線仍然在運行。

圖9 國內(nèi)最早采用熱剪下料的自動化鍛造生產(chǎn)線

隨著汽車產(chǎn)量的迅猛增加，基于對冷溫熱精密鍛件的市場需求的上升以及少無飛邊鍛造技術(shù)、多向精密模鍛技術(shù)、高效低成本生產(chǎn)等先進成形工藝的廣泛應(yīng)用，對于下料精度的要求也越來越高，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現(xiàn)，同時又能很好的適應(yīng)不同鍛造工藝的自動化生產(chǎn)。從目前的自動化發(fā)展趨勢來看，剪床下料有逐漸被高速鋸切下料替代的趨勢。

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，對于某些產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)線，如果要采用高速圓盤鋸床在線下料的話，需要采用多對一的設(shè)備生產(chǎn)線組合形式才能確保整條自動化生產(chǎn)線節(jié)拍的一致性。國內(nèi)某4000t 乘用車曲軸鍛件自動化生產(chǎn)線，采用兩條高速鋸切設(shè)備與一臺搬運機器人組成自動化下料單元，與感應(yīng)加熱爐單元、鍛造設(shè)備單元共同組成一條自動化生產(chǎn)線。來完成曲軸的自動化生產(chǎn)過程。對于下料方式的選擇，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，投資產(chǎn)出比等綜合考慮，從而找出最佳的實施方案。以上四種下料方式對比分析如表1 所示。

表1 四種下料方式對比分析

《我國鍛造自動化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展》(中)見《鍛造與沖壓》2024 年第11 期