文/錢浩臣，曾琦·北京機(jī)電研究所

國內(nèi)外全自動鍛造生產(chǎn)線的現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)理念

文/錢浩臣，曾琦·北京機(jī)電研究所

現(xiàn)代化的鍛造生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的柔性化，可快速實(shí)現(xiàn)多品種、多工藝的轉(zhuǎn)換。在生產(chǎn)線聯(lián)線設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以上多種產(chǎn)品的物流和模具更換時(shí)的擺放，同時(shí)又能對整個(gè)鍛造過程進(jìn)行全程監(jiān)控和管理。鍛造自動化生產(chǎn)線中的鍛造生產(chǎn)并不是孤立進(jìn)行，而是針對不同產(chǎn)品、不同材質(zhì)、不同爐號進(jìn)行鍛、熱、表面處理一體化的設(shè)計(jì)?！耙惑w化”設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在聯(lián)線設(shè)計(jì)中不同產(chǎn)品物流方向、節(jié)拍控制、各監(jiān)控單元的可協(xié)調(diào)性，并對可利用價(jià)值的能源進(jìn)行合理匹配的精細(xì)設(shè)計(jì)和量化設(shè)計(jì)。根據(jù)訂單來組織原材料，并進(jìn)行鍛造生產(chǎn)的全程監(jiān)控與管理。

自動鍛造生產(chǎn)線的目的

自動鍛造生產(chǎn)線的目的是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的高效、高質(zhì)、低成本、高可靠性、高安全性和信息化。高效即提高生產(chǎn)節(jié)拍和有效開工率，保證單位時(shí)間的產(chǎn)出；高質(zhì)是提高鍛造產(chǎn)品的質(zhì)量，包括產(chǎn)品的尺寸精度、表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)、批首尾鍛件的一致性等性能指標(biāo)；低成本是指通過提高生產(chǎn)節(jié)拍和實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化來降低單位產(chǎn)品能耗；高可靠性是指自動鍛造生產(chǎn)線上每臺設(shè)備和每個(gè)生產(chǎn)要素單元在額定開工期內(nèi)能夠可靠運(yùn)行，不產(chǎn)生中斷；高安全性主要是針對設(shè)備和人身安全而言，對于一條高效鍛造生產(chǎn)線，速度決定了利潤，但是速度也帶來了安全隱患，想要消除安全隱患，必須采用多項(xiàng)安全措施保證生產(chǎn)線的安全；信息化是以信息化技術(shù)和智能化工具來提升生產(chǎn)力，形成具有龐大規(guī)模的、自上而下的、有組織的信息網(wǎng)絡(luò)體系，從而帶來鍛造生產(chǎn)的革命性進(jìn)步。

自動鍛造生產(chǎn)線的分類

自動鍛造生產(chǎn)線有多種分類方法，按其生產(chǎn)產(chǎn)品功能分：有單一產(chǎn)品的自動鍛造生產(chǎn)線，如國內(nèi)多條前軸自動鍛造生產(chǎn)線，稱為剛性功能自動鍛造生產(chǎn)線；二是可以實(shí)現(xiàn)多種類型產(chǎn)品生產(chǎn)的自動鍛造生產(chǎn)線，稱為柔性鍛造生產(chǎn)線。柔性鍛造生產(chǎn)線按控制原理可分為剛性控制自動線和柔性控制自動線。

表1 國內(nèi)現(xiàn)有的萬噸鍛造生產(chǎn)線

剛性控制自動線是指僅靠簡單機(jī)械位置信號連接實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)線，這種生產(chǎn)線雖然能夠自動進(jìn)行鍛件搬運(yùn)和中轉(zhuǎn)，但整個(gè)生產(chǎn)過程需要人工監(jiān)控和干預(yù)，并且生產(chǎn)過程中任何故障都可能造成因每次全線停產(chǎn)而產(chǎn)生的大量廢品。

柔性控制自動線不再是設(shè)備的簡單銜接，而是設(shè)備的信息信號通過總控智能化處理后的柔性連接，并且通過對整個(gè)鍛造過程進(jìn)行全程監(jiān)控和管理，有效在線識別并處理設(shè)備和模具故障，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

表1為國內(nèi)現(xiàn)有的萬噸鍛造生產(chǎn)線。

自動鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

自動鍛造生產(chǎn)線的設(shè)備配置

⑴下料及原材料的整理。

在傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)理念中，認(rèn)為每條鍛造線配置一臺下料設(shè)備是一種浪費(fèi)，但新型工業(yè)化企業(yè)理念是每天24h開機(jī)生產(chǎn)，盡量減少在線的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，保證生產(chǎn)線最大開機(jī)量。在這個(gè)前提下，一條自動鍛造生產(chǎn)線配置一臺下料設(shè)備就不足為奇了，這樣不僅可以減少坯料中轉(zhuǎn)的工作量，減少下料和生產(chǎn)的不連續(xù)性脫離，而且坯料尺寸可以在總控智能化管理下隨鍛件體積變化而隨機(jī)調(diào)整，同時(shí)使原材料的化學(xué)成分得到細(xì)分管理，為后續(xù)熱處理和鍛件的機(jī)械性能建立可靠的保證體系，盡可能減少廢品。

下料后的坯料直接進(jìn)入中頻爐加熱并進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)，不同批次的來料型號將與鍛件號一起記錄，這樣產(chǎn)品的質(zhì)量可以追溯到原材料。此外，生產(chǎn)過程中也可根據(jù)產(chǎn)品抽檢情況隨時(shí)變更下料參數(shù)，保證最優(yōu)下料尺寸。

⑵加熱。

近年來國際上新建的生產(chǎn)線已經(jīng)逐步往單排爐的方向發(fā)展，盡可能將中頻爐功率開到滿負(fù)荷，減少無功功率的出現(xiàn)。因?yàn)楦袘?yīng)加熱爐的能耗是自動鍛造生產(chǎn)線中能耗最高的設(shè)備，其中10%的無功能耗幾乎接近全線其他設(shè)備能耗的總和。

⑶鍛后熱處理。

為了減少能耗，提高生產(chǎn)效率，現(xiàn)代的生產(chǎn)線技術(shù)將鍛造工序和熱處理工序集成起來，充分利用鍛后的鍛件余熱進(jìn)行熱處理，避免了鍛件的二次加熱，因此降低了能耗和生產(chǎn)成本。

對于非調(diào)質(zhì)鋼的鍛件熱處理而言，鍛后將鍛件懸掛在鏈?zhǔn)郊t進(jìn)行控冷處理，即在鍛造后增加一條控冷爐；對于調(diào)質(zhì)鋼的鍛件熱處理而言，鍛后進(jìn)懸掛正火爐，鍛件的心部溫度小于600℃，即先升溫加熱到淬火溫度進(jìn)行淬火，后進(jìn)回火爐，從而節(jié)省大量能耗。

⑷去除氧化皮裝置。

在鍛造生產(chǎn)過程中，中頻加熱后鍛件表面會產(chǎn)生一次氧化皮，由于該氧化皮較厚，在后續(xù)工藝中不易去除，鍛打過程中很容易打壓嵌入到鍛件表面，噴丸處理后，鍛件表面就會形成凹坑，從而嚴(yán)重影響鍛件的表面質(zhì)量。但是，國外采購我國的鍛件，均對產(chǎn)品的表面質(zhì)量提出較高的要求，同時(shí)也對鍛造生產(chǎn)提出了去除氧化皮的要求，可以說，加熱后的坯料去除氧化皮是鍛造的必然趨勢。

⑸模具的清掃、冷卻、潤滑。

對于自動化鍛造生產(chǎn)線而言，噴霧潤滑是個(gè)難點(diǎn)，也是制約鍛造線實(shí)現(xiàn)無人化的關(guān)鍵。噴霧潤滑并不是簡單地吹氣、冷卻和噴潤滑劑，而是需要根據(jù)產(chǎn)品的模具形狀、鍛造中金屬材料流動特點(diǎn)和模具的溫升情況動態(tài)調(diào)整噴霧潤滑參數(shù)，從而達(dá)到良好的冷卻和潤滑效果，保證自動生產(chǎn)線的順利運(yùn)行。

⑹快速轉(zhuǎn)換模具機(jī)構(gòu)。

對于自動鍛造生產(chǎn)線而言，模具更換速度決定了生產(chǎn)線的模具切換速度，并最終決定了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，因此，模具的更換方式是決定生產(chǎn)線設(shè)計(jì)是否合理的重要組成部分。

目前國外的先進(jìn)鍛造生產(chǎn)線基本上都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全線所有模具快速換模，根據(jù)生產(chǎn)線的規(guī)模大小不同，模具更換時(shí)間可控制在30～60min之間。但國際常用的快速換模方式是模具模座一起更換，這需要用戶再投資一套模座，相對于用戶而言將是一筆較大的投資。為了實(shí)現(xiàn)快速換模，又能達(dá)到投資最小化，可以采用僅更換模具的快速換模方式，這樣用戶只需準(zhǔn)備一套模架、兩套以上模具和一個(gè)用于模具預(yù)熱的臺車爐即可實(shí)現(xiàn)快速換模。

自動鍛造生產(chǎn)線的控制

現(xiàn)場總線

制造技術(shù)的生產(chǎn)方式經(jīng)歷了手工→機(jī)械化→單機(jī)自動化→剛性流水自動化→柔性自動化→智能自動化的一個(gè)發(fā)展過程?，F(xiàn)場總線技術(shù)將感知部件、各種操作終端和各單機(jī)設(shè)備控制器連接并集中至總控PLC進(jìn)行統(tǒng)一控制。消除各單機(jī)設(shè)備的“自動化孤島效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的柔性化、智能化。

PROFIBUS是德國標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。其中PROFIBUS-DP用于分散外設(shè)間高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于加工自動化領(lǐng)域。PROFIBUSDP支持主―從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率在9.6kbit/s～12Mbit/s之間，最大傳輸距離在9.6kbit/s下為1200m，在12Mbit/s下為200m，可采用中繼器延長至10km，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

現(xiàn)場布線路徑復(fù)雜，使得PROFIBUS-DP總線絕對長度增加，對提高總線通信速率造成障礙；且現(xiàn)場存在多臺變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動器等諧波干擾源。針對上述技術(shù)難點(diǎn)，完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理應(yīng)用，才能做到整個(gè)設(shè)備現(xiàn)場總線合理分配網(wǎng)段，根據(jù)設(shè)備類型和安裝位置把生產(chǎn)線上總線設(shè)備分配到不同的網(wǎng)段，需要電氣隔離的特殊設(shè)備分配到單獨(dú)網(wǎng)段。

管理總線

現(xiàn)場總線統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總上傳給管理總線，管線總線是負(fù)責(zé)連接車間級生產(chǎn)線，并與企業(yè)ERP系統(tǒng)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)在辦公室對生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，打通企業(yè)管理與車間管理的信息紐帶。管理總線包括產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、成本統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、故障統(tǒng)計(jì)、工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)和生產(chǎn)管理等功能。

安全總線

在壓力機(jī)與機(jī)器人這種高速重載，現(xiàn)場設(shè)備離散分布的復(fù)雜鍛造環(huán)境下，一旦出現(xiàn)重大事故對人員和設(shè)備的傷害都是巨大的。基于歐盟最新安全標(biāo)準(zhǔn)，鍛造生產(chǎn)線安全風(fēng)險(xiǎn)的評估如圖1所示。S表示受傷害的程度，S1為輕傷，S2為重傷或死亡；F表示面臨危險(xiǎn)的時(shí)間和頻率，F(xiàn)1為從無到經(jīng)常發(fā)生，F(xiàn)2為從經(jīng)常發(fā)生到持續(xù)發(fā)生；P表示避免危險(xiǎn)的可能性，P1為在特定條件下可能避免危險(xiǎn)，P2為幾乎不可能避免危險(xiǎn)。

圖1 鍛造生產(chǎn)線安全風(fēng)險(xiǎn)評估

對于鍛造生產(chǎn)線，根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)評估如下：

⑴機(jī)器人能夠擊中人體，壓力機(jī)可能切斷手或手臂，導(dǎo)致重傷或死亡（S2）。

⑵生產(chǎn)節(jié)拍15～50s不等，一天24小時(shí)，意味著機(jī)器人平均32.5s搬運(yùn)工件一次，壓力機(jī)32.5s內(nèi)工作一次到兩次，潛在危險(xiǎn)持續(xù)發(fā)生（F2）。

⑶機(jī)器人運(yùn)動平均速度為900mm/s，壓力機(jī)完成一次打擊約為2s，操作人員幾乎不可能避免此危險(xiǎn)情況（P2）。

依據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)EN ISO13849-1，鍛造生產(chǎn)線的危險(xiǎn)等級為e級，因此安全控制電路的設(shè)計(jì)也要求為e級，要求能夠及時(shí)檢測出單一故障以防止安全功能的丟失；先前累計(jì)的故障不會導(dǎo)致安全功能的丟失。

因此模鍛生產(chǎn)線采用了SAFTYBUS P安全總線系統(tǒng)。通過該安全總線可以將分散在現(xiàn)場的安全輸入信號通過一根電纜集中至PSS主站進(jìn)行控制，確保設(shè)備和人員的絕對安全。總控安全PLC通過該安全總線連接分布式安全輸入/輸出模塊，安全模塊以雙回路的形式與各單機(jī)設(shè)備連接急停及安全門信號，并與現(xiàn)場的安全門鎖、安全光柵、急停按鈕連接。

遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控是現(xiàn)代鍛造生產(chǎn)線的一個(gè)遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)系統(tǒng)，它基于INTERNET和VPN技術(shù)，通過VPN網(wǎng)關(guān)連接到INTERNET進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，構(gòu)建一個(gè)虛擬的局域網(wǎng)，從而可以按照局域網(wǎng)內(nèi)部的訪問方式來互相訪問。

采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)不僅便于企業(yè)管理者對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，還便于生產(chǎn)線的總控工程師在生產(chǎn)線故障的第一時(shí)間連通生產(chǎn)現(xiàn)場，找出故障點(diǎn)和故障原因，及時(shí)為用戶提供維護(hù)信息和幫助，保證生產(chǎn)快速恢復(fù)。

郭俊敏,鍛造研發(fā)工程師。