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）

鍛造行業發展背景

鍛造行業作為裝備制造業中的基礎制造產業，在汽車船舶、軌道交通、航空航天、農業科技等許多領域都有著廣泛的應用基礎，其關鍵部件的生產制造工藝，大都采用鍛造成形的方式加工而成。一般傳統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；鍛造過程產生的煙塵、有害氣體、噪聲及振動等環保問題對員工身心健康構成嚴重的威脅，導致現在愿意從事鍛造行業的人員越來越少，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，鍛造企業招工難、一線工人匱乏等問題對鍛造行業的發展帶來了很大的沖擊。近年來，隨著新能源汽車產量的增加，2023年，我國的汽車年產量已經突破了三千萬大關，對汽車精鍛零件的市場需求越來越大，鍛件產品質量要求也越來越高。以人工為主的鍛造生產方式已經不能滿足高速發展下的汽車產業巨大的市場需求，盡量縮短產品生產周期越來越成為鍛造企業提高競爭力的先決條件之一，即時交貨和隨時供應是目前時代發展的迫切需要，隨著主機廠訂單集中化采購的不斷深入，傳統生產模式越來越影響到企業的發展和訂單承接，今后，只有實現高效低成本生產的鍛造企業才有機會獲得訂單。以人工為主的生產企業將會逐漸遠離主機市場，并最終被市場所淘汰，企業只有進行技術升級。采用自動化、信息化技術將是鍛造企業必須要發展的方向。

圖1 傳統的鍛造方式中人工操作

圖2 鍛造企業的自動化信息化技術

鍛造自動化技術現狀

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線的建設得到了長足的發展與進步，以人工為主的、傳統的鍛造模式正在加速向自動化生產方向轉變，越來越多的生產線工人被機器人所代替，以雙碳發展為目標的能源結構變化正在推動鍛造產業向低碳化、零碳化轉型，隨著自動化技術的普及與提高，鍛件產品由普通級逐漸地向精密級轉移，鍛件材料由調質鋼逐漸向節能型非調質鋼轉移，重量尺寸公差控制的提高和控溫冷卻技術的應用，進一步促進了后續的加工效率，進一步降低了制造成本(圖3)。

圖3 鍛造產業向低碳化、零碳化轉型

與自動化相關的應用技術也取得了進步，越來越多的鍛造企業正在加大鍛造自動化、信息化技術的應用水平和范圍，通過數據采集系統、機器人、移動式機械臂、步進式輸送機構、在線檢測系統、總線控制系統等自動化技術手段，在實現設備之間互聯互通和生產過程實時監控的同時，也實現了鍛造生產過程從自動上料、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。隨著信息化技術的不斷發展，在新技術應用方面，模塊化加熱技術，節能型伺服鍛壓設備、環保潤滑、鍛件全流程的質量追溯技術，鍛造工藝過程參數在線自動監測、鍛件關鍵尺寸的在線檢測(圖4)、基于大數據的工藝參數優化和調控補償等先進的數字化技術也開始越來越多應用于鍛造行業。

圖4 鍛件關鍵尺寸在線檢測

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

鍛造自動化技術最新進展

一條完整的鍛造自動化生產線，按照鍛件生產工序單元劃分，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產線布局要求、生產工藝參數、設備成形特點、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線，如圖5 所示。

圖5 自動化生產線

近幾年，隨著新技術的不斷涌現，在高效低成本生產的推動下，鍛造自動化生產線正在向高度集成化方向發展，原來的多設備單工位組成的長流程鍛造自動化線正在被單設備多工位集成的短流程自動化線代替。這種變化帶來的優勢主要體現在生產資源的降低和生產效率的提升，最終實現產品的減碳化和產品市場競爭力的提升。原來需要采用多臺設備完成的生產線，現在只在一臺鍛壓設備上就能完成壓扁預鍛、終鍛、切邊、沖孔、整形等工序。后續的熱處理工序通過先進的免熱處理材料技術，也能實現與鍛造工序的一體化集成，這種短流程的自動化生產線模式(圖6)今后將成為鍛造行業自動化技術發展的主要方向。

圖6 短流程的自動化生產線模式

下料單元自動化技術

下料單元主要是為后續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效率低、生產損耗大、生產過程存在污染環境、下料精度差等問題，目前正逐漸被行業所淘汰，應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，行業應用最多的是冷剪下料，由于其生產效率高，一臺設備可以為多條鍛造生產線提供下料供應。因此，對于大批量多品種生產的鍛造企業，是首選的下料方式，由于節拍較鍛造設備高。所以，一般是將下料工序單獨進行，與鍛造自動生產線不進行集成，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，由中頻感應單元中的自動上料系統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的自動化鍛造線來說，可以將下料工序集成到自動化生產線中，將剪床生產節拍調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，從而實現從長棒料的上料到感應加熱單元之間的全自動化生產。同時為了保證生產過程的品種更換，現在的冷剪裝備還具有剪切模具的快換功能，能夠實現與成形設備模具快換周期的同步。

圖8 自動化產線

對于在線熱剪下料工藝，國內鍛造企業主要在軸承行業有部分應用，國外這項技術在曲軸、轉向節、連桿等產品領域應用非常廣泛，在線熱剪下料技術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，具有明顯的節能效果，目前這種技術主要采用的是將剪切系統集成到中頻感應加熱系統中與感應加熱組成一個單元，或者與成形設備進行集成，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，較與中頻系統集成的優勢更明顯。目前國內在這一領域有待鍛壓裝備制造企業共同努力，早日實現這一先進下料技術在鍛造自動化生產線上應用。軸承行業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，因此該工序結束后，仍需要通過中頻加熱爐二次加熱，然后再進行后續的鍛造工位的生產。這種在線熱剪方式與國外所普遍采用的在線熱剪技術增加了兩臺設備，生產成本有所上升。如圖9 所示，國內某軸承鍛造企業在20世紀90年代曾經從國外進口了一條全自動軸承套圈生產線，在主機上完成熱剪下料工序，是國內最早采用熱剪下料的自動化鍛造生產線，目前這條生產線仍然在運行。

圖9 國內最早采用熱剪下料的自動化鍛造生產線

隨著汽車產量的迅猛增加，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、多向精密模鍛技術、高效低成本生產等先進成形工藝的廣泛應用，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在行業內得到了快速發展。如圖10所示，由于其設備一次性投資不高，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，同時又能很好的適應不同鍛造工藝的自動化生產。從目前的自動化發展趨勢來看，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

但是，由于其下料方式的局限性，對于某些產品的自動化生產線，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備生產線組合形式才能確保整條自動化生產線節拍的一致性。國內某4000t 乘用車曲軸鍛件自動化生產線，采用兩條高速鋸切設備與一臺搬運機器人組成自動化下料單元，與感應加熱爐單元、鍛造設備單元共同組成一條自動化生產線。來完成曲軸的自動化生產過程。對于下料方式的選擇，需要從企業適用的角度出發，根據不同的產線要求，產品的精度高低、成形工藝的特點，投資產出比等綜合考慮，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現狀與發展》(中)見《鍛造與沖壓》2024 年第11 期