自動化生產線應用情況 論文
進入二十壹世紀以來，中國汽車工業壹直保持著持續發展的勢頭。上世紀九十年代以前，國內汽車工業的主導產品是貨車，經過近十年的發展，出現了以轎車為領頭羊的可喜格局。汽車工業重點發展轎車的戰略轉移，給裝備制造業帶來前所未有的發展機遇。各行各業中，與裝備制造業關聯最大的就是汽車工業。有關資料表明，美國機床的50%以上、工業機器人的60%以上用於汽車工業，因此美國成為汽車王國的同時，也成為機床生產大國。發達國家汽車工業的發展史無不證明這壹點，汽車工業的發展提升了裝備制造業特別是機床制造業，機床制造業的提升在技術與工藝上，支撐和保證汽車工業的繁榮。鍛壓機械作為機床制造業的重要部分與汽車工業的發展更是息息相關。本文僅以轎車典型金屬板材沖壓件和典型鍛件為例，淺談汽車工業對鍛壓機械的應用。
典型金屬板材沖壓件的工藝裝備
在轎車的整車生產中，沖壓、焊裝、塗裝和總裝統稱轎車生產四大工藝。據統計，在轎車的2000餘個零件中，按件數計算金屬板材沖壓件占40%以上，沖壓工藝裝備在汽車工業的地位可見壹斑。當今轎車生產凸現車型個性化特點，令換型周期越來越短。轎車換型主要表現在車身形狀和結構的變化，而與之相適應的是金屬板材沖壓件的千變萬化。金屬板材沖壓件大致可分為三大類，即車身覆蓋件、車身結構件和中小型沖壓件。車身覆蓋件和車身結構件是具有保持車身形狀功能的零件，如車門、頂蓋、側圍、行李箱蓋等，是金屬板材沖壓件的主體。中小型沖壓件在轎車中的分布較分散，如車輪、離合器、車用空調、微特電機等部件，都有大量的沖壓件。研究轎車典型金屬板材沖壓件的工藝裝備，毫無疑問地要將車身覆蓋件的工藝裝備作為龍頭對待。
金屬覆蓋件的工藝裝備
自車身覆蓋件工業化生產以來，機械壓力機始終是其裝備主體，典型的組合是壹臺雙動機械壓力機與數臺單動機械壓力機組成的沖壓生產線。沖壓生產線的形式雖然壹直被普遍采用，但其內涵卻不斷變化。首先是隨著單機自動化水平的提高，自動快速調整技術及自動快速換模技術的應用，增強了沖壓生產線的柔性化程度；其次是沖壓生產線的結構形式不斷改進，由人工上下料的流水生產線發展為半自動沖壓線和自動沖壓線；其三，更具技術進步意義的是，多工位壓力機進入沖壓生產線，以及激光加工與沖壓加工相集成，組成廣義的沖壓自動線。
圖1 多工位壓力機
中國鍛壓機械行業在車身覆蓋件工藝裝備方面的進步是有目***睹的。通過“八五”以來的科技攻關，鍛壓機械行業的自主開發能力明顯提高了。在此基礎上，有關企業通過引進德國舒勒、美國維爾森、日本小松等著名公司的設計制造技術，或采取與國外廠商合作生產的方式，為中國轎車生產企業提供了幾十條沖壓生產線，並在國際市場中占有壹席之地。
當前，車身覆蓋件沖壓技術的快速發展令人矚目，主要表現在液壓機的加盟、多工位壓力機的使用和柔性化技術趨於成熟這三方面。
如前所述，機械壓力機是沖壓生產線的主體，長時間裏沒有其他裝備能動搖其霸主地位。然而，隨著液壓機某些關鍵技術的突破，液壓機在沖壓方面的優勢和潛能得到充分發揮，生產率明顯提高，以及行程同步、與傳送裝置連鎖等問題的圓滿解決，產生液壓機作為沖壓生產線主機的趨勢。當然，這並不意味著液壓機將取代機械壓力機，雖然沖壓生產線可以全部采用液壓機，也可以液壓機與機械壓力機混排使用，但機械壓力機作為主機組成的沖壓生產線畢竟仍是主流。
早期較廣泛使用的沖壓生產線，由壹臺雙動機械壓力機與數臺單動機械壓力機組成，兩者之間設置壹個工件翻轉裝置。多工位板料自動壓力機的出現，以其壹次行程進行多工序加工、結構緊湊、生產效率高等特點，倍受汽車工業的青睞。多工位壓力機作為主機用於沖壓生產線，比單機使用的難度大得多，必須解決驅動系統、傳送系統以及檢測系統等壹系列技術問題。近年來，隨著以上技術難題的逐壹解決，多工位壓力機作為主機進入沖壓生產線才成為可能。
圖2 串聯壓力機生產線
柔性化技術趨於成熟，是轎車車身覆蓋件生產最重要的技術進步。首先，組成沖壓生產線的設備的數控化，奠定了沖壓生產線自動化的基礎。而柔性傳送技術、機外仿真技術、脫機編程技術的日臻完善，特別是包括模具自動倉庫、模具自動識別與提取、模具工作參數自動調整等功能的模具系統實用化，標誌著車身覆蓋件柔性化技術已趨成熟，使大型覆蓋件的“個性化”生產、按定單生產和“準時生產”成為可能。
柔性沖壓自動線問世，表示柔性化技術發展逐漸完備。柔性沖壓自動線的基本結構，仍是壹臺雙動壓力機與數臺單動壓力機串聯布置。在雙動壓力機之前有拆垛裝置，由上料車、液壓頂升器、磁力分層器、真空吸盤提升器、雙料檢測器、磁力輥道、雙料排除器、清洗塗油裝置和送料裝置組成；雙動壓力機與單動壓力機之間有上下料裝置，包括下料器、翻轉裝置、傳送裝置和上料器；單動壓力機之間的上下料裝置，由下料器、傳送裝置和上料器組成；最後壹臺單動壓力機之後是碼垛裝置，由下料器，傳送裝置和碼垛車組成。此外，自動快速換模系統、自動快速調整系統、故障檢測系統以及廢料排除與運輸系統都是必不可少的。由於對機器人技術、微電子技術和液壓技術的充分應用，不僅實現了沖壓過程的自動化，而且帶來生產組織的柔性化。
大型多工位壓力機自動沖壓生產線代表了先進的組合方式，應當特別關註。大型多工位壓力機的不斷完善和轎車大型覆蓋件生產的需求，促進了大型多工位壓力機自動沖壓生產線的發展。較原始的組合是，由壹臺雙動拉伸壓力機與壹臺單動大型多工位壓力機組成，二者之間配備壹套翻轉裝置和同步裝置，在壹定程度上提高了生產節拍，並減少占地面積。第二代生產線的配置大為簡化，壹臺帶雙動拉伸工位的多工位壓力機在其前後分別配備了拆垛裝置和碼垛裝置，便組成了壹條自動沖壓生產線。此類多工位壓力機多為四柱三滑塊結構，第壹滑塊下的第壹工位是雙動拉伸工位，其餘工位為單動沖壓工位。由於拉伸工位采取了反向拉伸的方式，從而避免了工件的翻轉，因此不需要翻轉裝置，使生產率進壹步提高、占地面積也減少了。帶數控液壓氣墊的大型多工位壓力機的出現，摒棄了傳統的雙動拉伸工藝理念，真正將拉伸與其他沖壓工藝組合到壹臺壓力機上完成。自動沖壓生產線的硬件組成仍是壹臺主機配備拆垛裝置和碼垛裝置，主機是帶數控液壓氣墊的多工位壓力機，而數控液壓氣墊是其技術核心。數控液壓氣墊通過四角控制，可調節拉伸工作的壓邊力，從而實現單動深拉伸。采用數控液壓氣墊使單動壓力機代替傳統的雙動壓力機，不僅簡化了壓力機的結構、取消了翻轉裝置，且實現了壓邊力的優化控制、提高拉伸件的質量、降低工件的廢品率。
中國汽車工業對設備需求呈現長期多樣性的局面，因此大型覆蓋件的生產工藝也是多種多樣的。隨著技術發展的進程，眾多企業已經或將要把人工上下料的流水線改造為半自動沖壓線和自動沖壓線，但使用柔性沖壓自動線的企業仍為數不多。大型多工位壓力機自動沖壓生產線由於造價昂貴及技術方面的問題，在國內推廣使用尚待時日。目前，中國鍛壓機械行業不僅能夠自主提供傳統配置的沖壓生產線、半自動沖壓線和自動沖壓線，而且具有提供柔性沖壓自動線和大型多工位壓力機自動沖壓線的能力。
鋼板成型車輪的工藝裝備
在結構上，轎車車輪主要分為組合式車輪和整體式車輪，從材質上分則有鋼板成型車輪和鋁合金車輪。當前，組合式鋼板成型車輪占有相當重要的位置，短期內不會出現整體式鋁合金車輪壹統天下的局面。組合式鋼板成型車輪主要由輪輞和輪輻組成，輪輞與輪輻的生產工藝壹直備受關註。現時，生產輪輞的工藝方法大致有兩種，壹是滾壓生產工藝，二是旋壓生產工藝；生產輪輻的工藝方法主要有兩種，即沖壓成形工藝和旋壓成形工藝。
滾壓工藝生產轎車輪輞的自動生產線的典型配置，按工藝性質可分為三部分：第壹部分包括自動開卷機組、校平剪切機組，將卷料制備成加工輪輞的定長板料；第二部分包括卷圓機組、焊接及焊縫清理機組、倒角及擴口機組，將前工序的板料卷成輪輞所需的環形毛坯；第三部分包括滾壓成形機組（通常由三臺滾壓成形機組成）、精整擴徑機組，將環形坯料滾壓成成型輪輞。滾壓工藝的優點是生產率高，國外此類自動生產線的生產率壹般為800-1200件/小時。
旋壓工藝生產轎車輪輞的優點是，通過有效控制金屬的塑性流動，可加工出變截面等強度輪輞，以提高輪輞質量。可是，旋壓工藝存在生產率低的缺點，國外典型生產線的生產率通常為200-250件/小時，因此不適於大批量生產輪輞的企業。比較常見的做法是，利用旋壓工藝具有的柔性化特點，用於新產品開發和小批量輪番生產。旋壓工藝轎車輪輞自動生產線的配置，第壹、第二兩部分與滾壓工藝相類似，第三部分旋壓成形機代替了滾壓成形機。
沖壓成形生產輪輻的工藝比較間單，早期采用多臺單工位壓力機分序成型的方法，後來采用多工位壓力機在壹臺設備上連續完成。沖壓成形的輪輻等厚壁、重量大，不能滿足轎車高速行駛的需要，而且材料利用率和車輪壽命都較低。旋壓工藝可獲得變厚壁等強度結構輪輻，不僅提高了材料利用率和車輪壽命，而且增加轎車高速行駛的安全性和可靠性。旋壓成形生產線的典型工藝包括落料、強力旋壓、修邊、沖孔等工序。旋壓成形生產線的主機是數控旋壓成形機，第壹滾輪對坯料預旋壓完成布料，第二滾輪將壁厚旋壓至預定值。
中國轎車車輪的生產工藝裝備比較落後，滾壓工藝與旋壓工藝均有極大的發展空間。從國外的發展趨勢看，旋壓工藝雖然有生產效率低的缺點，但其加工精度高、可生產變截面等強度輪輞和輪輻、制件剛度大回彈小等優點仍不容忽視，特別適合新產品開發和中小批量生產。隨著旋壓工藝生產率的不斷提高和控制技術的日臻完善，在車型變化周期越來越短的今天，人們可能將重新審視對旋壓成形工藝的評價。
典型鍛件的工藝裝備
汽車工業是鍛件生產企業最重要的用戶，因為大約60%以上的鍛件為汽車工業應用。與機械工業相比，汽車工業更註重鍛件的精度、鍛件細微結構和中空部位的成型以及最大程度的減輕重量。由於鍛件的高強度和高可靠性，轎車的重要零件壹直采用鍛件作毛坯，典型鍛件有發動機的曲軸、連桿，變速箱的齒輪、軸類零件，操縱系統中的輪架、拉桿、轉向節零件等。轎車典型鍛件的鍛造可分兩大類，即普通模鍛和特種模鍛。普通模鍛采用小飛邊、無飛邊工藝在鍛錘和熱模鍛壓力機上進行，特種模鍛采用楔橫軋工藝、擺動輾壓工藝和徑向鍛造工藝。
發動機連桿鍛造工藝裝備
轎車發動機連桿鍛造工藝主要有兩種，壹是采用熱模鍛壓力機生產線，二是采用電液模鍛錘生產線。前者適用於大批量生產，後者則適應中小批量、多品種生產方式。熱模鍛壓力機生產線的基本組成是，棒料庫、棒料自動排列和送進裝置、感應加熱爐、出料裝置、棒料剪切機構和熱模鍛壓力機等。熱模鍛壓力機生產線采用壹模兩件的鍛造工藝，生產率可高達800-1200件/小時，材料利用率為95%以上。熱模鍛壓力機生產線雖然有經濟技術方面的優勢，但受投資大、專業化程度高、模具制造和維修費用高、必須有70%以上的開動率等因素的制約，使許多生產廠家望而生畏。電液模鍛錘生產線生產轎車發動機連桿鍛件，采用壹模壹件的鍛造工藝，將棒料剪切成坯料後加熱再進行鍛造。電液模鍛錘生產線的基本組成是，棒料剪切機、感應加熱爐、送料裝置、楔橫軋機或輥鍛機、電液模鍛錘、切邊校正機等。隨著控制技術的發展，電液模椴錘可控制和調整打擊能量、打擊次數、打擊間隔時間等工藝參數，以最佳打擊力滿足鍛件成形的能量要求，不僅能提高鍛件的質量，而且延長了模具的壽命。雖然電液模鍛錘生產線的生產率通常只有熱模鍛壓力機生產線的二分之壹左右，但其投資只相當於後者的三分之壹，組織生產十分靈活，故深受中小批量生產規模廠家的青睞。
轎車發動機連桿鍛造的技術發展趨勢是，提高鍛造生產線的機械化、自動化水平和采用新的鍛造工藝方法。顯而易見，提高鍛造生產線的機械化和自動化水平是業內人士的***識。采用機械化上下料裝置、機械化傳送裝置、機械手和自動控制技術對流水生產線進行技術改造，減少人工操作環節、實現自動化或半自動化生產，是目前發達國家的普遍做法。新鍛造工藝方法的嘗試有兩種，壹是粉末鍛造工藝，即將金屬粉末燒結的坯料加熱後進行模鍛成形；二是在多工位自動熱鐓機上高速鍛造成形。前者的優點有鍛件重量偏差小和能生產形狀復雜鍛件等，特別適合於動平衡要求高的高級發動機，為諸多生產廠家所采用；後者因經濟批量的門檻值過高和設備過於昂貴而難以被廠家接受。
圓盤齒坯鍛造工藝裝備
圓盤齒坯是轎車盤類鍛件的典型代表，由於數量大，要求采用高精度、高效率、低成本的工藝方法生產。早期的生產工藝采用鍛錘、機械壓力機、螺旋壓力機或熱模鍛壓力機為主機，將棒料剪切成坯料後加熱，分幾個工序完成，生產效率低、鍛件精度底、加工餘量大、材料利用率低。自從出現毛坯精化的理念後，高速熱鐓機自動生產線成為生產圓盤齒坯最理想的選擇。高速熱鐓機自動生產線的典型配置為料架、自動上料裝置、感應加熱爐、滾輪式送料機構和多工位高速熱鐓機。加熱的棒料進入高速熱鐓機後，依次完成毛坯切斷、整形、預鍛、終鍛、沖孔等全部工序，鍛件在各工位之間的轉送由機械手自動完成。高速熱鐓機自動生產線可實現真正的毛坯精化，鍛件的尺寸、形狀接近機加工零件，提高材料利用率並節省機加工工時，鍛件具有更理想的金相組織和機械性能，生產率是普通鍛造方法的數倍甚至十倍，其綜合經濟效益是十分顯著的。
齒輪軸鍛造工藝裝備
轎車齒輪軸是變速箱的重要零件，是典型的轎車軸類件，具有細長和多臺階的特點。生產軸類件的傳統工藝是在模鍛錘或熱模鍛壓力機上模鍛，但這種工藝生產出的鍛件精度低、材料利用率低、加工餘量大，楔橫軋工藝的出現有效解決這壹難題。楔橫軋工藝是高效、節能、節材的新技術，加熱的棒料進入楔橫軋機，楔橫軋模在壹個工作循環中對金屬連續擠壓分布，形成滿足形狀和尺寸要求的階梯軸鍛件，而且可以用管材作坯料生產空心軸鍛件。由於楔橫軋工藝適合加工對稱零件，因而往往將壹對零件對稱布置設計模具，使工藝性和生產率雙受益。楔橫軋工藝的特點是，壹次行程可獲得壹個或壹對零件，生產效率高；金屬連續變形、變形力小、模具壽命高；鍛件尺寸精度、高加工餘量小、材料利用率高。楔橫軋自動生產線的構成比較簡單，通常由自動上料裝置、感應加熱爐和楔橫軋機組成。楔橫軋機有兩輥式和平板式的結構形式，平板式楔橫軋機利用機械或液壓驅動，兩塊平板式模板作直線往復運動搓軋坯料；兩輥式楔橫軋機的模具是壹對軋制輥輪，毛坯在旋轉的軋輥中成形。前者的優點是結構簡單、調整方便、模具造價低廉、鍛件精度高；缺點卻是行程受限、變形程度小、有空程、生產效率低；後者的結構緊湊、可實現連續生產、生產效率高，缺點是模具制造困難、鍛件精度較低。
縱觀中國汽車工業的鍛壓機械應用情況，沖壓工藝裝備的水平高於鍛造，表現在工藝及裝備的先進性、生產線的自動化及柔性化程度、集約化生產水平等諸多方面。雖然國內鍛壓機械行業可以為汽車工業提供幾乎所有的沖壓與鍛造裝備，但毋庸諱言，中國鍛壓機械行業的水平和實力在國際市場上還不算是強者。鍛壓機械行業在汽車工業中的地位，既取決於鍛壓機械行業的技術進步和結構調整，也取決於汽車工業的發展戰略與市場前景。