淺談綠色自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

文/杜蓮蓮，高磊·東風(fēng)日產(chǎn)PT技術(shù)部鍛造技術(shù)科

實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)技術(shù)革新和鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化是我國(guó)鍛造企業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)，也是我國(guó)鍛造行業(yè)走向世界的一級(jí)階梯，打破陳舊的生產(chǎn)模式，積極探索研發(fā)適合我國(guó)鍛造生產(chǎn)的新技術(shù)、新裝備，是我國(guó)鍛造行業(yè)的發(fā)展方向。

我國(guó)的鍛造生產(chǎn)線長(zhǎng)期以來(lái)一直處于半機(jī)械、半人工的生產(chǎn)狀態(tài)，小鍛件的中轉(zhuǎn)搬運(yùn)基本上都由人工實(shí)現(xiàn)，大鍛件的中轉(zhuǎn)搬運(yùn)由機(jī)械手實(shí)現(xiàn)，設(shè)備和機(jī)械手之間的信號(hào)傳遞采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，靠人工判斷進(jìn)行操作，生產(chǎn)效率低下、依賴工人經(jīng)驗(yàn)等都造成了產(chǎn)品難以走向國(guó)際市場(chǎng)。

隨著鍛造產(chǎn)品需求量的逐步加大，產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高，我國(guó)鍛造生產(chǎn)模式受到越來(lái)越大的沖擊，鍛造生產(chǎn)線正面臨著新線高起步和舊線改造的局面，實(shí)現(xiàn)鍛造生產(chǎn)技術(shù)革新和鍛造生產(chǎn)線自動(dòng)化是我國(guó)鍛造企業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。本文所述鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線是以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線高度自動(dòng)化為理念進(jìn)行的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)思路

物流設(shè)計(jì)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(jīng)過(guò)噴丸再到最終入庫(kù)，這樣的布局保證了鍛件生產(chǎn)的流水性。因此必須要對(duì)生產(chǎn)線的物料流通進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證鍛件的順利流通，提高生產(chǎn)的效率。

曲軸自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的物流設(shè)計(jì)的宗旨是：將材料切斷、毛坯鍛壓、中間庫(kù)存、熱處理、后處理各個(gè)工藝，布置在同一個(gè)車間的同一個(gè)生產(chǎn)流水線上，如圖1所示。實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從原材料到成品入庫(kù)的整個(gè)流程在同一條直線上完成，避免了車間的轉(zhuǎn)運(yùn)及工序間遠(yuǎn)距離的轉(zhuǎn)運(yùn)，既縮減了物流的工作量又方便生產(chǎn)管理。生產(chǎn)線設(shè)置了中間庫(kù)存區(qū)，中間庫(kù)存用于存放控溫冷卻后的半成品，每個(gè)部品約有1.5天的庫(kù)存量，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)備停止及生產(chǎn)線前后工序之間的部品生產(chǎn)安排，便于生產(chǎn)計(jì)劃的靈活調(diào)整，也便于后工序產(chǎn)品需求變更時(shí)進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

圖1 曲軸自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的物流布局圖

工藝設(shè)計(jì)思路

進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)選擇工藝方案主要從以下四個(gè)方面考慮：

⑴節(jié)約原材料。原材料成本在鍛造成本構(gòu)成中占到60%以上，而我國(guó)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(dāng)可觀。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)主要注意以下幾方面：

1)工藝方案選擇時(shí)，要把節(jié)約材料消耗作為一項(xiàng)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(zhì)量，減少后續(xù)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(shí)現(xiàn)精密鍛造的先決條件之一，是節(jié)材較可行的方案。大批量生產(chǎn)可采用精密棒料剪切機(jī)，下料質(zhì)量精度可小于0.5%，端面斜度可小于1.5°，中小批量生產(chǎn)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(wú)氧化加熱，不但減少氧化損耗而且節(jié)能。比如感應(yīng)加熱方式，燒損率小于0.5%，僅為燃?xì)饧訜釥t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(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jié)約燃耗的主要措施包括：

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

2)余熱利用技術(shù)。鍛造余熱熱處理是一種鍛造和熱處理相結(jié)合的綜合工藝，是一種節(jié)能降耗又環(huán)保的先進(jìn)工藝，并具有產(chǎn)品質(zhì)量最穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。因此，在鍛造車間設(shè)計(jì)時(shí)，鍛造余熱熱處理應(yīng)納入工廠設(shè)計(jì)，把熱處理爐安排在大批量生產(chǎn)的熱模鍛設(shè)備機(jī)組內(nèi)，組成鍛造生產(chǎn)線和自動(dòng)化生產(chǎn)線。

⑶環(huán)保與安全。鍛造車間的振動(dòng)、噪聲、煙塵等對(duì)工人健康造成危害，污染環(huán)境，必須采取適當(dāng)措施進(jìn)行治理。

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

2)降噪與防噪。鍛造車間噪聲主要來(lái)自于鍛錘、機(jī)械壓力機(jī)、剪板機(jī)、各種風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)、滾筒清理設(shè)備等，采用振動(dòng)相對(duì)小的鍛壓機(jī)；設(shè)置隔音罩、隔音室把噪聲源與外界隔離；當(dāng)鍛造車間的強(qiáng)噪聲難以控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)時(shí)，為了防止強(qiáng)噪聲對(duì)鍛工的危害，在鍛造車間內(nèi)必須采取個(gè)人防護(hù)措施。

3)廢氣、煙塵處理。廢氣、煙塵是鍛造車間主要的環(huán)境污染因素之一，主要來(lái)源于燃煤和燃油加熱爐的燃燒產(chǎn)物、脫模劑蒸發(fā)以及噴丸和噴砂清理產(chǎn)生的金屬塵埃等。新建、擴(kuò)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(fā)、噴丸、噴砂排放的煙塵需通過(guò)有組織的排煙裝置進(jìn)行排放，不得直接排入車間內(nèi)工作場(chǎng)所。

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

節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保與安全是鍛造車間設(shè)計(jì)時(shí)需要重視的幾個(gè)方面，在當(dāng)前國(guó)家大力推動(dòng)節(jié)能減排的形勢(shì)下，貫徹節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的“綠色鍛造”理念，對(duì)鍛造車間的工藝設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

工藝流程

根據(jù)曲軸的產(chǎn)品形狀及綠色自動(dòng)化鍛造的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)曲軸鍛造生產(chǎn)線工藝流程如圖2所示。

圖2 曲軸鍛造生產(chǎn)線工藝流程

切斷

在鍛造前需將原材料切斷成所需的長(zhǎng)度，即將棒材根據(jù)不同工件鋸斷成不同長(zhǎng)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(chǎn)過(guò)程中，切屑及不合格材料可自動(dòng)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(yōu)化內(nèi)部成分和組織，將工件加熱至1200～1280℃。該工序可以實(shí)現(xiàn)坯料溫度自動(dòng)篩選，過(guò)熱料收集至1個(gè)料箱內(nèi)報(bào)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(shè)計(jì)4個(gè)工步，壓扁→預(yù)鍛→終鍛→切邊，根據(jù)實(shí)際工藝設(shè)計(jì)各工序模具。該工序可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手、步進(jìn)梁自動(dòng)送料及搬送，整個(gè)鍛造過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在鍛打過(guò)程中設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行模具潤(rùn)滑，利用脫模劑再生循環(huán)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脫模劑重復(fù)利用，且同時(shí)配備了自動(dòng)集塵機(jī)收集鍛造過(guò)程中產(chǎn)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(guò)程中發(fā)生的鍛件彎曲的情況進(jìn)行校直，確保鍛件的直線度滿足圖紙要求。該工序根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求設(shè)計(jì)校正模，校正過(guò)程中使用機(jī)械手進(jìn)行鍛件的夾取和放置，設(shè)備可對(duì)模具進(jìn)行自動(dòng)冷卻，整個(gè)過(guò)程自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)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(tǒng)的再次加熱的熱處理方式，既減小了熱處理過(guò)程中的鍛件變形量，又節(jié)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(dá)到較好的表面質(zhì)量。

目視檢查

目視檢查工序?yàn)槿斯?duì)每一個(gè)鍛件的表面進(jìn)行100%的目視檢查，主要檢查鍛件的表面缺陷。此工序?yàn)槿斯ぷ鳂I(yè)。

彎曲檢測(cè)

彎曲檢測(cè)工序是使用自動(dòng)彎曲檢測(cè)裝置對(duì)鍛件的直線度進(jìn)行100%的檢查，此工序?yàn)樽詣?dòng)檢查，超出公差范圍的鍛件能夠自動(dòng)篩選到廢料箱中。

防銹處理

彎曲檢查合格的工件通過(guò)機(jī)械手夾持到防銹槽中浸泡到防銹液中進(jìn)行防銹，浸泡完成后用壓縮空氣吹干，然后再使用機(jī)械手將工件轉(zhuǎn)入下一工序，此工序?yàn)樽詣?dòng)化作業(yè)。

裝箱入庫(kù)

機(jī)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(jìn)行入庫(kù)管理。生產(chǎn)線的工藝布置如圖3所示。

設(shè)備選型

鍛造生產(chǎn)線的基本工序中，能耗最大的為加熱工序，而生產(chǎn)自動(dòng)化的瓶頸工序是熱鍛工序，因此為了實(shí)現(xiàn)綠色自動(dòng)化鍛造的目標(biāo)，尤其需要對(duì)這兩個(gè)工序的設(shè)備進(jìn)行多方面的對(duì)比選擇。

表1 生產(chǎn)線各工步設(shè)備

6 7 8 9 10 11中間庫(kù) 噴丸 目視檢查 彎曲檢測(cè) 防銹 裝箱履帶式噴丸機(jī) 自動(dòng)彎曲檢測(cè)機(jī) 自動(dòng)防銹裝置 自動(dòng)裝箱裝置

圖3 生產(chǎn)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(huán)，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(yōu)點(diǎn)：升溫快、爐溫易控制、氧化和脫碳少、勞動(dòng)條件好、便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等。根據(jù)生產(chǎn)線綠色自動(dòng)化鍛造的設(shè)計(jì)理念，加熱工序選用中頻感應(yīng)加熱的方式，在節(jié)能降耗方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

熱鍛工序

產(chǎn)品要求的精度較高，生產(chǎn)方式為大批量的連續(xù)生產(chǎn)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)建設(shè)自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)目標(biāo)，鍛造主機(jī)選擇熱模鍛壓力機(jī)。生產(chǎn)線設(shè)備詳見(jiàn)表1。

該鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線除了以上主要設(shè)備外，還包括快速換模裝置（圖4）、脫模劑再生循環(huán)裝置（圖5）、自動(dòng)集塵裝置（圖6），以及7臺(tái)機(jī)器人等設(shè)備。

圖4 快速換模裝置

圖5 脫模劑再生循環(huán)裝置

圖6 自動(dòng)集塵裝置

結(jié)束語(yǔ)

該生產(chǎn)線以高智能化的主機(jī)輔以機(jī)器人及自動(dòng)傳送帶為核心，利用信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用總線的控制為主要方式，把生產(chǎn)線的設(shè)備完全連接在一起，形成自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線，這是生產(chǎn)全面自動(dòng)化的體現(xiàn)。