等速萬向節(jié)多機(jī)器人溫鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線

文/葉曉東·中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所

唐成，徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

等速萬向節(jié)多機(jī)器人溫鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線

文/葉曉東·中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所

唐成，徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

我國汽車零部件產(chǎn)業(yè)引入先進(jìn)的質(zhì)量管理理念和標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)都依賴人工的溫鍛生產(chǎn)線，生產(chǎn)節(jié)拍和溫度控制難以完全受控，已不能滿足汽車零部件精密毛坯配套的要求。因此，原有生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造是鍛造企業(yè)發(fā)展的必然之路。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所針對(duì)江蘇森威精鍛有限公司在鍛造自動(dòng)化方面的改造需求，于2013年3月11日立項(xiàng)建設(shè)用于汽車等速萬向節(jié)多工序、多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)的溫鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線。在雙方的共同努力下，用了不到一年的時(shí)間就完成了該自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，于2013年12月投入試生產(chǎn)，并于2014年2月完成企業(yè)驗(yàn)收。

森威精鍛生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是汽車等速萬向節(jié)外套精密鍛件，其鍛造工藝流程為感應(yīng)加熱→溫鍛正擠壓→溫鍛鐓粗→溫鍛反擠壓，如圖1所示。

等速萬向節(jié)外套精密鍛件在日本和歐洲普遍采用大型多工位自動(dòng)溫鍛生產(chǎn)線來完成。我國鍛壓裝備產(chǎn)業(yè)尚不能提供大型多工位自動(dòng)溫鍛壓力機(jī)，除少數(shù)外資和合資企業(yè)使用進(jìn)口多工位自動(dòng)溫鍛生產(chǎn)線生產(chǎn)外，國內(nèi)等速萬向節(jié)鍛造廠大都采用多臺(tái)單工位壓力機(jī)聯(lián)線生產(chǎn)的模式，鍛件按成形工序在多臺(tái)壓力機(jī)之間逐次成形。壓力機(jī)之間的工件由快速輸送滑道傳輸，壓力機(jī)的上、下料由人工手持夾鉗完成，壓力機(jī)的操縱靠手動(dòng)按鈕操作，如圖2所示。

圖1 等速萬向節(jié)溫鍛工藝流程

上述生產(chǎn)線建設(shè)方案的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)線投資小，建設(shè)周期短；生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝容易掌握；鍛件質(zhì)量基本達(dá)到使用要求。但上述生產(chǎn)線的缺點(diǎn)也比較明顯：

⑴手動(dòng)傳遞多工序之間的工件缺少嚴(yán)格的節(jié)拍時(shí)間約束，工件在傳遞過程中的溫度變化缺乏嚴(yán)格的控制手段，使鍛件成形過程中毛坯溫度波動(dòng)大，鍛件組織不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。

圖2 由多臺(tái)壓力機(jī)組成的等速萬向節(jié)溫鍛生產(chǎn)線

⑵工人工作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

⑶操作工貼近壓力機(jī)和模具，鍛造的振動(dòng)、噪聲和石墨冷卻液的噴濺對(duì)工人的身體健康產(chǎn)生不利的影響。

20世紀(jì)90年代，國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)剛剛起步時(shí)，類似的由多臺(tái)壓力機(jī)組成的手動(dòng)溫鍛生產(chǎn)線在很大程度上解決了汽車關(guān)鍵零部件精密鍛件的國產(chǎn)化配套問題,為國內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展作出了一定的貢獻(xiàn)。

隨著國內(nèi)汽車零部件產(chǎn)業(yè)引入先進(jìn)的質(zhì)量管理理念和標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)都依賴人工的溫鍛生產(chǎn)線，由于生產(chǎn)節(jié)拍和溫度控制難以完全受控，已不能滿足汽車零部件精密毛坯配套的要求。另外，隨著社會(huì)進(jìn)步和人們生活水平的提高，一線鍛造工人的生產(chǎn)環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度也亟需改善。

在以上各種因素的推動(dòng)下，常州所和森威精鍛合作立項(xiàng)，在多臺(tái)壓力機(jī)聯(lián)線生產(chǎn)的工藝基礎(chǔ)上，縮短壓力機(jī)之間的安裝距離，取消快速輸送滑道，用機(jī)器人在各臺(tái)壓力機(jī)模具之間完成上料、下料和工序之間的傳遞。

在具體設(shè)計(jì)方案中，我們選用了ABB公司專門為鑄鍛行業(yè)開發(fā)的IRB6640R 6軸機(jī)器人。該機(jī)器人的特點(diǎn)是負(fù)荷能力大，密封措施好，能夠在鑄鍛等有粉塵和液體噴濺的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。為了減少自動(dòng)化生產(chǎn)線操作工人數(shù)，我們對(duì)中頻加熱爐和控制冷卻設(shè)備進(jìn)行了自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)了無人化生產(chǎn)。

同時(shí),我們還增加了半自動(dòng)的快速換模設(shè)施，減少了換模的時(shí)間。自動(dòng)化溫鍛生產(chǎn)線投產(chǎn)后，毛坯從加熱爐上料開始，經(jīng)過三道溫鍛成形工序，到終鍛件進(jìn)入控溫爐完成控制冷卻，全部由自動(dòng)化設(shè)備完成，如圖3所示。

生產(chǎn)線員工經(jīng)短期培訓(xùn)后，都能在較短時(shí)間內(nèi)掌握機(jī)器人的操作和調(diào)整，多數(shù)員工上線不久就能夠達(dá)到或者超過正常班產(chǎn)。經(jīng)過2個(gè)多月的試生產(chǎn)，多機(jī)器人溫鍛自動(dòng)生產(chǎn)線各項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的手動(dòng)溫鍛生產(chǎn)線：

圖3 多機(jī)器人自動(dòng)化溫鍛生產(chǎn)線

圖4 等速萬向節(jié)溫—冷聯(lián)合成形工藝流程化生產(chǎn)線

⑴操作工由5人壓縮到2人，將來還可以進(jìn)一步壓縮到1.5人(3人共管2條生產(chǎn)線),大幅縮減了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)效率。

⑵生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定、可控。

⑶生產(chǎn)線可以24h滿負(fù)荷生產(chǎn),不需要工人加班加點(diǎn)。

⑷溫鍛件在工序中溫度波動(dòng)小，終鍛毛坯溫度一致性好，受控冷卻條件穩(wěn)定，鍛件組織合格、硬度離散值小。

⑸工人在生產(chǎn)線上的主要工作是過程監(jiān)控和質(zhì)量檢驗(yàn)，中途檢驗(yàn)不影響生產(chǎn)線節(jié)拍的正常運(yùn)行，工人工作環(huán)境變得安全。

該生產(chǎn)線的不足之處有以下兩點(diǎn)：

⑴機(jī)器人價(jià)格昂貴，配套的機(jī)器人價(jià)格已超過配套鍛造設(shè)備的價(jià)格。目前節(jié)約的人工費(fèi)用至少需要5年才能和自動(dòng)化投資的成本相抵。

⑵工廠缺少機(jī)器人的使用經(jīng)驗(yàn)，出現(xiàn)一點(diǎn)故障就要請(qǐng)專家來指導(dǎo)排除。為減少故障出現(xiàn)頻次，就不敢選用價(jià)格較低的國產(chǎn)設(shè)備。而國外品牌機(jī)器人的價(jià)格高昂，又反過來制約了機(jī)器人在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。

在項(xiàng)目實(shí)施前期，森威精鍛在手動(dòng)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，全面預(yù)測(cè)了對(duì)多機(jī)器人協(xié)調(diào)生產(chǎn)可能遇到的不利因素，并提出了具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；我們認(rèn)真聽取了森威精鍛的意見，針對(duì)森威精鍛提出的改善項(xiàng)目，策劃了應(yīng)對(duì)措施。實(shí)施中期，在設(shè)備集成和調(diào)試階段，遇到的具體問題基本上都及時(shí)得到解決。

實(shí)施后期，主要是穩(wěn)定性和安全性的測(cè)試。在這個(gè)過程中，森威精鍛對(duì)生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況進(jìn)行詳細(xì)的跟蹤與記錄，并把問題反饋給常州所分析解決。目前自動(dòng)化生產(chǎn)線已經(jīng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行了，每班產(chǎn)量都能達(dá)到或超過預(yù)期目標(biāo)。產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)工序中的關(guān)鍵要素穩(wěn)定、可控，而且在生產(chǎn)操作上將工人的雙手解放出來，使其主要負(fù)責(zé)監(jiān)控、檢驗(yàn)和調(diào)整，一方面提高了鍛造過程的質(zhì)量控制水平，另一方面員工勞動(dòng)的安全性也得到了保障。

在這次自動(dòng)化技術(shù)改造項(xiàng)目完成后，森威精鍛準(zhǔn)備再建設(shè)兩條自動(dòng)化溫鍛生產(chǎn)線。這兩條溫鍛線將在第1條機(jī)器人生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步，將溫鍛的下料工序和后續(xù)拋丸→潤(rùn)滑→冷精整工序集成到生產(chǎn)線里，等速萬向節(jié)精密成形的全過程按照“一個(gè)流”的原則建成一條完整的生產(chǎn)線，達(dá)到精益生產(chǎn)的模式水平，如圖4所示。

等速萬向節(jié)溫—冷聯(lián)合成形工藝流程化生產(chǎn)線主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴取消了工序之間的庫存，減少了制品在車間內(nèi)的滯留，降低了流動(dòng)資金的壓力。

⑵工件在生產(chǎn)各工序之間的流轉(zhuǎn)時(shí)間壓縮到最低，生產(chǎn)周期最短，提高了生產(chǎn)效率。

⑶提高了制造的快速反應(yīng)能力，充分滿足客戶小批量多品種供貨的要求。

⑷生產(chǎn)中質(zhì)量問題可以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，有能力將不良品的數(shù)量控制在極少的數(shù)量范圍內(nèi)。

⑸為汽車零件的可追溯性管理提供了可靠的實(shí)現(xiàn)條件。

在質(zhì)量管理越來越嚴(yán)格和勞動(dòng)力成本不斷上升的今天，自動(dòng)化是當(dāng)前鍛造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。常州所和森威精鍛的合作，走出了一條具有中國特色的精密鍛造之路，同時(shí)也為其他企業(yè)的自動(dòng)化項(xiàng)目改造提供了很好的借鑒作用。

葉曉東，中科院合肥研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所科研項(xiàng)目辦主任兼實(shí)驗(yàn)室主任，高級(jí)工程師，碩導(dǎo)，現(xiàn)任中國人工智能學(xué)會(huì)智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)委員。主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲信c機(jī)器人技術(shù)，已獲授權(quán)專利15項(xiàng)，獲軟件著作權(quán)2項(xiàng)。