文/木下裕次,劉建華,陳巖·(日本)株式會社栗本鐵工所
鍛造自動化生產(chǎn)線
文/木下裕次,劉建華,陳巖·(日本)株式會社栗本鐵工所
在熱鍛和溫鍛的加工過程中,手動操作者的工作環(huán)境往往具有溫度高、噪聲大、振動強等特點。因此,如果大批量生產(chǎn)單一品種的鍛件,企業(yè)使用自動化鍛造設(shè)備會收到很好的效果。本文將對株式會社栗本鐵工所(以下簡稱栗本公司)鍛造設(shè)備自動化的設(shè)計與技術(shù)特點進行介紹。
自動化設(shè)備在價格上要比手動設(shè)備高一些,一般來說自動化設(shè)備生產(chǎn)線的投資金額相當于手動設(shè)備的2倍左右。如果從生產(chǎn)能力上進行比較,自動化設(shè)備的生產(chǎn)能力比手動設(shè)備高2~3倍甚至更多,因此如果所生產(chǎn)的產(chǎn)品批量大的話,自動化設(shè)備的投資更為合算。圖1為手動設(shè)備和自動化設(shè)備。
手動設(shè)備和自動化設(shè)備進行比較,其具有以下4個特點:
⑴手動設(shè)備初期投資金額少。
⑵手動設(shè)備生產(chǎn)效率相對較低,大概為9s/件。
⑶手動設(shè)備對操作人員的技能水平要求比較高。
⑷手動設(shè)備主要由人工搬運鍛件和坯料,因此可以搬送形狀復(fù)雜的鍛件。
自動化設(shè)備可以總結(jié)出以下4個特點:
⑴自動化設(shè)備初期投資大,約為手動設(shè)備的2倍。
⑵自動化設(shè)備生產(chǎn)效率較高,生產(chǎn)速度為3s/件。
⑶如果自動化設(shè)備的鍛造條件設(shè)定正確的話,該設(shè)備對操作人員鍛造技能的要求較低。
⑷從自動搬送的角度來講,自動化設(shè)備適用于搬運形狀規(guī)則的鍛件。
圖1 手動設(shè)備和自動化設(shè)備
從生產(chǎn)能力來考慮
例如,一家企業(yè)的生產(chǎn)能力為每月60萬件,如果使用一臺生產(chǎn)能力為3s/件的自動化設(shè)備,每天的生產(chǎn)時間按照20h來計算,則每個月需要的工作天數(shù)為60×10000×3÷3600÷20=25天。所以只需投資一臺自動化生產(chǎn)線就可以滿足生產(chǎn)任務(wù)。
如果投資手動設(shè)備的話,假設(shè)生產(chǎn)能力可以達到9s/件,則需要三條手動生產(chǎn)線才能滿足生產(chǎn)任務(wù),同時還需要增加熟練操作工的人數(shù)。所以,選擇自動化設(shè)備還是手動設(shè)備,需要從企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)和工人生產(chǎn)能力等方面來考慮。
從產(chǎn)品品質(zhì)來考慮
在使用手動設(shè)備的情況下,操作工人需要時刻關(guān)注鍛造的生產(chǎn)過程,其技能和體力直接影響到產(chǎn)品品質(zhì)。只有在操作工人技能水平較高,并且保證不透支體力的情況下,才能生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。所以說對于手動設(shè)備來說,存在著操作工操作熟練度和身體素質(zhì)影響產(chǎn)品品質(zhì)的問題。
在使用自動化設(shè)備的情況下,對員工的技能要求不高,自動化設(shè)備的鍛造條件設(shè)定對產(chǎn)品品質(zhì)起決定性作用。如果自動化設(shè)備的鍛造條件設(shè)定正確的話,即使操作工人的技能不是很高,也能生產(chǎn)出高品質(zhì)的鍛件。
從產(chǎn)品形狀來考慮
對于自動化設(shè)備來說,產(chǎn)品的形狀分為適合自動生產(chǎn)的形狀和不適合自動生產(chǎn)的形狀,圖2為自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)出來的鍛件。由于自動化設(shè)備的多工位鍛造模具都在設(shè)備內(nèi)部,所以要求鍛件形狀符合搬送設(shè)備的搬送條件(例如,搬送高度必須保持一致)。對于不符合搬送條件的鍛件則不能在自動化設(shè)備上進行生產(chǎn)。
圖2 自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)的鍛件
壓力機
自動化生產(chǎn)線為了實現(xiàn)多工位鍛造,從結(jié)構(gòu)上來看,對于偏心載荷需要有較強的適應(yīng)能力,栗本公司生產(chǎn)的壓力機如圖3所示,采用雙連桿構(gòu)造來實現(xiàn)抗高強度偏心載荷能力。
圖3 對應(yīng)多工位鍛造的機械構(gòu)造
自動化設(shè)備在生產(chǎn)開始和生產(chǎn)結(jié)束環(huán)節(jié)由于設(shè)備內(nèi)的工件數(shù)量不同,負載也不相同,設(shè)備框架產(chǎn)生的彈性變形會影響到產(chǎn)品的精度,所以安裝自動模高調(diào)整機構(gòu)是十分必要的。圖4描述了安裝自動模高調(diào)整機構(gòu)的必要性。
圖4 自動模高調(diào)整機構(gòu)的必要性
自動模高調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng),如圖5所示。圖中上半部分的三維圖形為模高調(diào)整的機械結(jié)構(gòu),通過液壓油缸推動偏心軸進行轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)垂直方向的微小位移,達到模高調(diào)整的目的。
圖5 自動模高調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)
步進梁送料機構(gòu)
步進梁裝置的構(gòu)造已經(jīng)開始從過去的單純機械式構(gòu)造,向伺服電機式的構(gòu)造進行轉(zhuǎn)變。伺服式步進梁裝置可以自由變換搬送行程,可以運送多種鍛件產(chǎn)品,圖6為5軸步進梁機構(gòu)。
為了防止鍛造結(jié)束后產(chǎn)品落下產(chǎn)生磕碰傷,壓力機出口處必須有開放的空間以便鍛件水平搬出,對應(yīng)此要求,栗本公司近年來開發(fā)出10軸步進梁如圖7所示,深受用戶喜愛。
圖6 5軸步進梁機構(gòu)
圖7 10軸步進梁機構(gòu)
圖8 步進梁主控模式下行程周期曲線圖例
步進梁主控模式
一般的自動化設(shè)備,滑塊每次在上死點會停止,在其停留的時間之內(nèi),步進梁會進行一系列的工件搬送動作。然后在合適的時間給壓力機發(fā)出信號,引導(dǎo)壓力機進行下一次鍛造。由于壓力機和步進梁的動作分別獨立,所以只要工件滿足搬送高度一致的條件,即可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
搬送的動作曲線如圖8所示。圖中每條曲線表示的是在每一時刻,在各個方向上的每個動作行程,將壓力機、步進梁、脫模劑移動噴嘴這三者進行細致的設(shè)計校驗,進行精確的時間和機器配合,來實現(xiàn)迅速而穩(wěn)定的工件搬送及鍛造。
圖9 兩種運行模式對比
壓力機主控模式
在這種模式下,壓力機連續(xù)運轉(zhuǎn),在滑塊抬起的過程中步進梁進行工件的搬運動作,這種模式過去主要通過機械式的聯(lián)動機構(gòu)來實現(xiàn)。近幾年伺服式步進梁和電氣系統(tǒng)的聯(lián)動成為主流,已經(jīng)應(yīng)用于等速萬向節(jié)(CVJ)及軸承圈的鍛造領(lǐng)域,可以實現(xiàn)30~50spm(平均1.2~2s生產(chǎn)1件)的高速鍛造。
在這種模式下,因為需要在壓力機滑塊抬起的時間間隙里進行步進梁的動作,往往工件在被下頂模銷頂起之后也需要被夾持完畢,所以在模具設(shè)計與夾爪控制等方面需要有較高程度的配合才能實現(xiàn)。
電氣控制模式
這種設(shè)備將上述的步進梁主控模式和壓力機主控模式集成在一臺設(shè)備上,可以通過電氣控制來進行切換,根據(jù)工件的不同可以使用不同的運行模式,因此可以用一臺設(shè)備對多種產(chǎn)品進行鍛造。步進梁主控模式的優(yōu)勢為采用上死點停止的運轉(zhuǎn)模式,滑塊停止時可以實現(xiàn)充分的模具潤滑。壓力機主控模式的優(yōu)勢為采用上死點不停止的運轉(zhuǎn)模式,提高生產(chǎn)效率,節(jié)約能源。
在步進梁主控模式下,壓力機可以用較快的速度進行運轉(zhuǎn),適用于扁平鍛件。同時步進梁和壓力機的配合相對簡單,所以復(fù)雜的自動化鍛造設(shè)備一般較多使用步進梁主控模式進行控制。
在通過用高速鍛造來提高生產(chǎn)能力的情況下,壓力機主控模式會比較有利,其對壓力機和步進梁的配合有很高的要求。同時,由于壓力機運轉(zhuǎn)速度相對較慢,所以這種運轉(zhuǎn)模式比較適用于軸類鍛件。
對于生產(chǎn)多品種小產(chǎn)量、扁平類鍛件或者軸類鍛件,需要2臺專用壓力機來進行生產(chǎn)。但是如果使用雙模復(fù)式壓力機,則通過電氣控制即可切換步進梁主控模式和壓力機主控模式,這樣1臺設(shè)備就具有2臺設(shè)備的生產(chǎn)能力,所以這類設(shè)備的性價比較高,有較好的實用性。
M2M遠程服務(wù)系統(tǒng)
鍛造設(shè)備的構(gòu)成正在從單純的機械方面向機電一體化的方向進行轉(zhuǎn)變。步進梁的動作機構(gòu)正在向伺服電機的方向進行轉(zhuǎn)變,同時在壓力機的控制部分里PLC所占的比重也有了很大的增加?;谶@種情況,當機械出現(xiàn)異常的時候,通過查看電氣系統(tǒng)來查找問題原因,也逐漸成為一種必要的方式。
栗本公司為國外客戶供應(yīng)設(shè)備的機會越來越多,為客戶服務(wù)的方式——M2M遠程服務(wù)系統(tǒng)被開發(fā)、建立起來。以往,當設(shè)備出現(xiàn)異常時,一般會與客戶通過電話和郵件交流來進行解決。但是往往由于客戶對出現(xiàn)異常的原因也不能詳細把握,以至于維修人員不能正確理解問題,通常會在解決問題的過程中花費許多無用的時間。M2M遠程服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用,使得栗本公司的技術(shù)人員可以盡可能地對設(shè)備的異常情況進行了解,從而使問題處理的時間大為短縮。
鍛造加工的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代工業(yè),隨著汽車等產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化程度越來越高,對鍛造產(chǎn)品的生產(chǎn)速度要求也越來越快。如果企業(yè)有大批量生產(chǎn)的鍛件,以往的手工鍛造就不能滿足生產(chǎn)速度的要求,加上近年來人工成本的逐漸增加,導(dǎo)致鍛造加工越來越傾向于采用自動化生產(chǎn)的模式。