文/錢(qián)浩臣，曾琦·北京機(jī)電研究所

國(guó)內(nèi)外全自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的現(xiàn)狀及設(shè)計(jì)理念

文/錢(qián)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(xiàn)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(xiàn)聯(lián)線(xiàn)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(duì)整個(gè)鍛造過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控和管理。鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中的鍛造生產(chǎn)并不是孤立進(jìn)行，而是針對(duì)不同產(chǎn)品、不同材質(zhì)、不同爐號(hào)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(xiàn)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(duì)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(lái)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(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的目的

自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的目的是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)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(kāi)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(guò)提高生產(chǎn)節(jié)拍和實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化來(lái)降低單位產(chǎn)品能耗；高可靠性是指自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)上每臺(tái)設(shè)備和每個(gè)生產(chǎn)要素單元在額定開(kāi)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(duì)設(shè)備和人身安全而言，對(duì)于一條高效鍛造生產(chǎn)線(xiàn)，速度決定了利潤(rùn)，但是速度也帶來(lái)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(xiàn)的安全；信息化是以信息化技術(shù)和智能化工具來(lái)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(lái)鍛造生產(chǎn)的革命性進(jìn)步。

自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的分類(lèi)

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

表1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的萬(wàn)噸鍛造生產(chǎn)線(xiàn)

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

柔性控制自動(dòng)線(xiàn)不再是設(shè)備的簡(jiǎn)單銜接，而是設(shè)備的信息信號(hào)通過(guò)總控智能化處理后的柔性連接，并且通過(guò)對(duì)整個(gè)鍛造過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控和管理，有效在線(xiàn)識(shí)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(guó)內(nèi)現(xiàn)有的萬(wàn)噸鍛造生產(chǎn)線(xiàn)。

自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)的設(shè)計(jì)理念中，認(rèn)為每條鍛造線(xiàn)配置一臺(tái)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(kāi)機(jī)生產(chǎn)，盡量減少在線(xiàn)的生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，保證生產(chǎn)線(xiàn)最大開(kāi)機(jī)量。在這個(gè)前提下，一條自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)配置一臺(tái)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?gòu)U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(lái)料型號(hào)將與鍛件號(hào)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(guò)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(lái)國(guó)際上新建的生產(chǎn)線(xiàn)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(kāi)到滿(mǎn)負(fù)荷，減少無(wú)功功率的出現(xiàn)。因?yàn)楦袘?yīng)加熱爐的能耗是自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)中能耗最高的設(shè)備，其中10%的無(wú)功能耗幾乎接近全線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)將鍛造工序和熱處理工序集成起來(lái)，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(duì)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(duì)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(guò)程中，中頻加熱后鍛件表面會(huì)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(guò)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(huì)形成凹坑，從而嚴(yán)重影響鍛件的表面質(zhì)量。但是，國(guó)外采購(gòu)我國(guó)的鍛件，均對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量提出較高的要求，同時(shí)也對(duì)鍛造生產(chǎn)提出了去除氧化皮的要求，可以說(shuō)，加熱后的坯料去除氧化皮是鍛造的必然趨勢(shì)。

⑸模具的清掃、冷卻、潤(rùn)滑。

對(duì)于自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線(xiàn)而言，噴霧潤(rùn)滑是個(gè)難點(diǎn)，也是制約鍛造線(xiàn)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化的關(guān)鍵。噴霧潤(rùn)滑并不是簡(jiǎn)單地吹氣、冷卻和噴潤(rùn)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(dòng)特點(diǎn)和模具的溫升情況動(dòng)態(tài)調(diào)整噴霧潤(rùn)滑參數(shù)，從而達(dá)到良好的冷卻和潤(rùn)滑效果，保證自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的順利運(yùn)行。

⑹快速轉(zhuǎn)換模具機(jī)構(gòu)。

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

目前國(guó)外的先進(jìn)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)基本上都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全線(xiàn)所有模具快速換模，根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)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(guó)際常用的快速換模方式是模具模座一起更換，這需要用戶(hù)再投資一套模座，相對(duì)于用戶(hù)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(hù)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(tái)車(chē)爐即可實(shí)現(xiàn)快速換模。

自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的控制

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)

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(dòng)化→剛性流水自動(dòng)化→柔性自動(dòng)化→智能自動(dòng)化的一個(gè)發(fā)展過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)化孤島效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的柔性化、智能化。

PROFIBUS是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(dòng)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(zhǎng)至10km，最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)路徑復(fù)雜，使得PROFIBUS-DP總線(xiàn)絕對(duì)長(zhǎng)度增加，對(duì)提高總線(xiàn)通信速率造成障礙；且現(xiàn)場(chǎng)存在多臺(tái)變頻器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等諧波干擾源。針對(duì)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(chǎng)總線(xiàn)合理分配網(wǎng)段，根據(jù)設(shè)備類(lèi)型和安裝位置把生產(chǎn)線(xiàn)上總線(xiàn)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(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)統(tǒng)計(jì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)匯總上傳給管理總線(xiàn)，管線(xiàn)總線(xiàn)是負(fù)責(zé)連接車(chē)間級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)，并與企業(yè)ERP系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)在辦公室對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，打通企業(yè)管理與車(chē)間管理的信息紐帶。管理總線(xiàn)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(xiàn)

在壓力機(jī)與機(jī)器人這種高速重載，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)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(wú)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(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)于鍛造生產(chǎn)線(xiàn)，根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)評(píng)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(dòng)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(xiàn)的危險(xiǎn)等級(jí)為e級(jí)，因此安全控制電路的設(shè)計(jì)也要求為e級(jí)，要求能夠及時(shí)檢測(cè)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(huì)導(dǎo)致安全功能的丟失。

因此模鍛生產(chǎn)線(xiàn)采用了SAFTYBUS P安全總線(xiàn)系統(tǒng)。通過(guò)該安全總線(xiàn)可以將分散在現(xiàn)場(chǎng)的安全輸入信號(hào)通過(guò)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(duì)安全?？偪匕踩玃LC通過(guò)該安全總線(xiàn)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(mén)信號(hào)，并與現(xiàn)場(chǎng)的安全門(mén)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(xiàn)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(guò)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(fǎng)問(wèn)方式來(lái)互相訪(fǎng)問(wèn)。

采用遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)不僅便于企業(yè)管理者對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控，還便于生產(chǎn)線(xiàn)的總控工程師在生產(chǎn)線(xiàn)故障的第一時(shí)間連通生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，找出故障點(diǎn)和故障原因，及時(shí)為用戶(hù)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。