河南亚兴精锻股份有限公司
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制约自动化线生产效率提升的因素
自动化和智能化近年来逐渐成为制造流，很多公司根据自身情况，对现有设备进行改造，或者引进自动化设备。无论是改造还是引进，都是锻造自动化万里长征的步，无论单工位或者多工位锻造，整条生产线或者局部自动化都是一个庞大的工程，需要对所有生产环节进行信号收集及联锁，实现对工件传输与设备控制的系统化整合。通过系统化整合减少人工、降低人力成本和提高生产效率，使生产工艺平稳可控，终保证产品质量。
以我公司某条锻造生产线为例，整条自动化生产线主要包含备料、自动上料、加热炉加热、自动分选出料、压力机自动锻造、自动送料装置（机械手和传送带配合）、自动润滑系统、余热正火等关键节点。根据多年的自动化改造经验，将制约现有自动化线生产效率的因素总结，与大家分享。
精密下料
精密下料部分主要实现根据坯料的材质选择下料方式，应确保坯料的重量和端面的质量符合工艺要求，尤其坯料端面不能有毛刺和锯屑且倾斜度不能**过1.5°，避免端面斜度大而产生折叠等缺陷，同时为自动上料和后续锻件充满良好做好准备，避免上料过程出现卡料等故障。精密下料是自动化平稳运行的步，是产品一致性达标的基础，较大影响着自动线生产效率。精密下料系统如图1所示。
自动上料和加热系统
翻料机系统
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图1 精密下料系统
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图2 翻料机
精密下料后的坯料，通过传送带或者叉车，放入中频感应加热炉的料箱翻斗内，翻料机（图2）根据阶梯上料的料斗缺料信号进行翻转将料送至阶梯式自动上料机。采取阶梯上料方式；为确保能有效上料，上料过程配备打料系统或者料斗振动系统，确保站立的坯料自动剔除或倒下；在料斗内坯料不够时能自动报警提示操作工进行上料。
加热炉前输送系统
在传送带上坯料通过变频夹料系统、气缸推料、滚轮三种方式进入加热炉，如图3所示。送料系统配备失速卡料报警装置，来监测坯料的运行状态，坯料正常运行时，监测机构发出稳定的脉冲信号，坯料传输过程中由于卡料或者传输不畅等因素导致坯料未能按设定的速度传输时，脉冲信号异常，与PLC连接的控制系统马上报警并切断中频电源，系统报警或者停机，以确保坯料不会熔化在炉膛里，避免损坏打结炉衬。
稳定的负反馈加热炉加热
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图3 传送带控制方式
自动上料机夹辊轮或者气缸将坯料送入加热炉，棒料以连续均匀的速度通过加热感应线圈加热至设定温度。为确保生产的稳定性，整条加热炉必须实现负反馈加热，在出炉口安装红外测温仪光电检测探头，进行实时温度采集。当温度**过或者低于设定温度时，PLC自动调节补偿电压，确保坯料温度的平稳性。如果没有负反馈系统，加热炉很容易受到电网电压波动和附近设备启停的影响，导致料温不断波动，不能在要求的温度内锻造，造成过热或者欠温。
进、出炉分选系统
进入炉膛前对坯料重量进行分选，确保进入加热炉的坯料满足工艺要求。炉膛出口设置测温系统，但能实现炉内测温，避免炉口测温因坯料氧化导致误差较大。坯料通过快速出料系统，经过测温系统传输信号给PLC，温度显示到触摸屏上，比对后控制三路分选机构（图4）。加热过的工件唯有经过PLC判断后，才能被过热、欠温、合格三路分选装置分选流转送至下步工序，高温料和低温料分别滑入各自的滑道，符合温度要求的坯料进入锻造工序。
压机自动锻造
⑴目前高能螺旋压力机在国内使用的比较多，大多通过工业机器人实现制坯、预锻、终锻成形；系统集成了压力机、中频加热炉、工业机器人及自动喷墨等设备(图5)，该套系统必须具备完善的状态信息查看及故障报警、显示功能，能够快速判断故障并迅速解决。
⑵生产中，首先要保证坯料从加热炉出来以符合要求的横放或者竖放的状态输送到位置，该处位置不能随意波动，定位工装需要考虑高温环境，防止受热变形影响定位，必须保证精准定位，便于输送装置的夹爪夹持。
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图4 三路分选机构
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图5 锻造自动化系统
⑶自动输送装置（机械手）或者机器人负责将棒料从位置装入模腔，我们以目前大多数厂家给高能压机配套的多工位模腔为例，工步型腔锻造完后，锻造机械手负责将锻件从个型腔挪动到*二个型腔和锻造完后取出放到传送带上，锻件自动传送到压床工位位置。无论机械手还是机器人，相似件可以通用一种卡爪（卡爪通常还会有定位元件，用来确定工件在卡爪中的正确位置），差异大的件必须重做卡爪，每次更换品种的时候更换卡爪，将工件分类，尽量减少卡爪的投制量，同时设计的时候要考虑卡爪抓卡的部位，形状简单的水平飞边可以考虑飞边上下两侧，工件上有大面积的可以考虑抓该部位，总之设计的准则就是考虑抓取位置的稳定性。
⑷高能压机必须保证锻件可以**出型腔，**出必须具有保持功能，而且要求**出的工件必须平稳，每次的**出状态一致，这样才可以确保机械手每次抓卡的位置一致，精准传输。锻件**出的位置和高低需要技术人员根据具体情况设计，以保证**出的锻件是平稳有利于抓取的，否则机械手会因为抓取时受力不稳而报警或者碰坏卡爪，造成生产延误。
⑸整个锻造过程是一个软系统，每个步骤保证按PLC系统的设置进行，对机器人运行轨迹进行编程，机器人的自动启动、再启动和手动操作时，必须确认必要的操作条件，确保设备不损坏，避免发生人员伤亡事故。
自动润滑
脱模剂自动喷涂系统（图6），能够根据锻件形状移动喷嘴喷洒脱模剂及吹气，在操控面板通过合适润滑和吹气时间调整的组合，来实现优化的喷涂。自动喷涂系统和机器人与压机实现互锁，任何一个工作的时候其他都不可以动作，机器人通过PLC集成，每次锻造完成后，卡爪拿走锻件，给自动喷雾装置信号，装置运动到模具型腔进行润滑和冷却，回位后给机器人信号，放料，开始新一轮的锻造。在整个自动润滑的过程中，关键的是脱模剂的选择和润滑喷洒的效果（图7）。
切边冲孔工序
锻造完成后，锻件通过传输带传输到压床附近，并且实现自动定位，方便三轴摆臂手抓取，根据每个产品外形参数，选择卡具，设置机械手运行路线，先手动操作，与压床联机，使双方达到互锁，等一切调试好后，可以使用自动模式，通过机械手进行抓取放置到冲孔切边凹模上，切边压床进行切边冲孔，完成后锻件掉到床下面，传输带直接将锻件传到产品料箱，机械手取走飞边放置飞边箱内，完成一个操作循环。
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图6 自动润滑系统
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图7 不同脱模剂润滑效果
生产线自动控制系统
⑴控制系统采用PLC系统控制机器人、压机等协调动作，采用触摸屏操作界面，进行各项参数设定。主要参数包括：运行程序设置、运行速度、行程、控制权限等。
⑵自动警示。整条生产线设备需要采用多处光电传感技术，提醒操作人员及**操作安全。自动警示包括：送料缺料警示、机器人漏取料警示、机器人异常安全停机警示和压床异常安全停机警示等。
⑶设备运行模式。运行模式采用自动模式和手动模式两种，手工模式在调试时使用，自动模式在整条线都具备实现工况的条件下开始使用。所有人员必须遵守安全规则，划定机器人或者机械手运行的范围，在不确定安全状态下严禁进入，等设备调试顺畅后，所**械手运行轨迹都要封闭。
⑷停止模式。1)切断电源停止：通过关闭操作屏上电源按钮或切断设备电源。2)紧急停止：在发生事故时使用紧急停止按钮，紧急停止按钮必须装在机械手附近，方便操作工以快的时间停止设备，按下紧急停止按钮后使机械手的所有动作立即停止。
模具设计思路
自动化模具设计必须考虑模具寿命，快速锻造模具温升过快，模具排水排气，锻件抓取等问题。锻造工艺的设计，首先从锻造图出发，想象几种可能的锻造变形工序。对各变形工序的材料流动以及所需吨位进行计算分析后，设计模具、制模、试模、修模，后应用于生产。尽管锻件的形状千姿百态，但通过总结也不难发现所有的形状都是由一些规则的变形样式组合得到的，这些变形样式可归类为端面矫正（对于剪床下料）正挤压、反挤压、镦粗、闭式锻造、穿孔、各种精整加工以及上述简单加工方法的组合。
⑴分体模具设计。
模具在加强热处理和模具材料提升的前提下，在工艺设计方面相应改进，将容易磨损的部分、圆角要求较小导致残余应力大的模具部分做成小法兰结构直接替换，避免做整个模具镶块，这样就大大减少了模具费用方面的损失。为保证镶块的稳定性，冲头和镶块采用过盈配合，并且冲头和内孔采用数控机床加工，增加模具精密性。
⑵模具设计后的CAE模拟分析。
锻造工艺数值模拟技术是一种较为的成形工艺分析与优化技术，能使工艺设计人员提早发现设计缺陷，提高设计可靠性和准确性。目前使用Creo4.0进行了锻件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v10.1进行工艺的数值模拟，确保投入试制之前工艺方案的可靠性，使成形工艺参数趋于优。图8是我们设计的一种深型腔法兰件产品，通过模拟，找到了的模具设计方案。
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图8 深型腔法兰模拟图
快速换模系统和快速换产系统
生产线配有快速换模系统，由换模小车、导轨和换模支撑台组成，压力机配有两套模座，一套在压力机上进行锻造，另一套可进行组装备用，通过这种更换方式，我们将大量的内部换模作业转化为外部作业，从而缩短设备停机时间，提高设备生产效率，如图9所示。
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图9 两套模座方案
自动线上更换模具或者换产是时间长的，我们称之为内部作业时间。在生产过程中，我们努力将内部作业时间转化为外部作业时间。在我们初步投产时，换产调试一个产品的时间是6.5小时，经过我们进行快速换产SMED（图10）项目后，换产时间下降到2.6小时，大大提高了设备的OEE。我们主要优化了换产步骤和人员配置的标准化作业和流程，模具安装的标准化作业，内外部作业区分转化表等多项工作，将换产时间和更换模具时间大幅压缩。图11是换产过程中时间问题点分析和对策，逐一将时间进行减少，来降低换产时间。
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图10 快速换产步骤图
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图11 换产用时时间分析
人才梯队是自动化实现的**
自动化降低了人的体力劳动，但是对人员的综合技能要求更高，为了让自动化线生产率提高，必须消除人为因素对生产效率和产品质量的影响，提高设备稳定性和一致性，更需要一支高素质的自动化设备保养维护团队，这个团队才是自动化线提高生产效率的核心**。人才的投资培养，甚至更重于设备的投入。一个自动化率的生产，需要工艺技术人员、设备维护人员和熟练的操作技工互相配合。我公司采取自我培养和外部进修的方式，自我培养从员工进入公司之时就制定明确的培养计划，打造机电一体的培养体系；对外进行技能提高培训，加强与外部的学习和交流。
总结
工业自动化的应用越来越广泛，传统的锻造行业是高危、高污、高温行业，实现自动化生产迫在眉睫，自动化装备代替人工，合理配置生产线，使其发挥效益，提高产品质量，提高企业生产能力，终推动公司由“制造”向“智造”转型。
凿岩机在凿岩时应合理施加轴推力。轴推力过小，机器产生回跳，振动，凿岩效率降低;过大则钎子**紧眼底，使机器在**负荷下运转，易过早磨损零件并使凿岩速度减慢。凿岩机卡钎时，机器处于**负荷下运转，如不迅速消除，较易损坏零件。卡钎时，应立即减小轴推力，通常凿岩机可逐步趋于正常。若仍然无效，应立即停机，先使用扳手慢慢转动钎杆，再开中气压使钎子徐徐转动。禁止用敲打钎杆的方法处理。
应经常观察排粉情况，排粉正常时，泥浆水顺孔口徐徐流出。若排粉不正常，要强力吹孔。若仍然无效，要先检查钎子的水孔和钎尾状态，再检查水针情况，更换损坏零件。凿岩机冲击频率很高，不能无油作业，要注意观察注油器的储油量和出油情况，调节好注油量。无油作业容易使运动零件过早磨损，当润滑油过多时，会造成工作面污染，影响操作者的健康。
凿岩机操作时注意凿岩机的声响，观察其运转情况，发现问题，立即停机处理。注意检查钎子的T作状态，钎头损坏或磨钝，钎尾变形或打裂，要及时更换。若钎头上的硬质合金片破裂或掉角，必须将碎片从孔中掏出，才能继续凿岩。操作向上式凿岩机时注意气腿的给气量，防止凿岩机上下摆动夹钎或折断钎杆。手握机器时，不要握得过紧，不能骑在气腿上凿岩，以防断钎伤人。气腿的支承点要可靠，以防气腿滑动而导致伤人损机。
基于数值模拟的多楔带轮成形工艺研究
带轮作为一种重要的传动零件， 广泛应用于汽车、农机、水泵以及机床等机械设备传动中。带轮传统加工方法是采用铸、锻毛坯经切削加工而成，特点是浪费材料、生产效率低，产品具有精度低、笨重、转动惯量大等缺点。随着科学技术的发展进步，锻压及旋压技术以其节能节材、生产效率高、产品性能好、合格率高等优点，逐步推广应用到带轮的实际生产中。
带有凸台的多楔带轮的成形采取锻压与旋压相结合的成形工艺，而关于影响复杂结构多楔带轮成形质量的工艺参数，并没有明确的研究结果可以参考，故零件生产多结合有限元模拟和试验分析得到较为合适的参数，并在此基础上进行下一步的优化。根据材料的拉伸系数计算拉伸道次，结合冲压与锻造技术并采用有限元模拟软件DEFORM-3D进行数值模拟，分析成形过程中的应力、应变分布，为锻压成形多楔带轮的实际生产提供参考。
零件结构分析
带有凸台的多楔带轮结构如图1、图2所示，在旋压成形多楔齿之前需经过锻压成形内筒及凸台，其中凸台的成形难度较大。多楔带轮材料为DD13钢，基本力学性能如下：屈服强度为325MPa，密度为7.851g/cm3，弹性模量为205GPa，泊松比为0.29。
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图1 多楔带轮结构图
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图2 多楔带轮三维示意图
锻压成形工艺分析
根据体积不变原理，利用Pro/Engineer对多楔带轮体积进行计算，同时考虑预留加工余量，确定选用厚度为3mm，直径为206mm的板坯进行制坯。根据零件结构特点制定其锻压成形工艺路线：多道次拉深成形内筒→冷锻内筒→成形凸台→成形外圆弧。
内筒的多道次拉深成形工艺参数可查询冲压手册，为尽可能降低板坯减薄程度，设计三道次拉深成形内筒。通过查阅带凸缘拉深系数表并且结合生产实际，设计次拉深系数m1=0.52。由拉深系数计算公式：
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其中，m为拉深系数，d为筒壁直径(mm），D为毛坯直径(mm）。计算得拉深直径为d1=107mm。后两道次拉深系数通过查询冲压手册并结合实际取m2=0.75，m3=0.77。故拉深直径分别为d2=80mm，d3=61.3mm。凹模圆角半径的计算公式如公式2所示：
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其中，t 为坯料厚度(mm），D 为毛坯直径(mm），d为次拉深后筒壁直径(mm）。计算出*1次拉深中凹模圆角半径r1为14mm。由此可确定出后续拉深的凹模圆角半径为：r2=10mm，r3=7mm。由于内筒的成形属于变薄拉深，在经过三道次的拉深成形之后需经过冷镦工步对内筒筒壁增厚，故**道次的拉深高度需大于零件内筒的图纸尺寸，结合实际生产经验**道次拉深高度为h=24mm。
有限元模型建立
利用Pro/Engineer建立工件和各道次模具的三维模型，基于Deform-3D软件对多道次成形过程进行模拟分析，模拟采用“SI”公制单位，实际生产中材料为DD13，模拟选择材料库中与之相近的AISI-1008，坯料设置为塑性体，模具为刚性体，网格数量划分为150000个，并运用局部网格细化技术对坯料中间部分进行网格细化分。根据生产实际将摩擦因数设置为0.12，冲压速度为10mm/s，温度为20℃。图3所示为道次模具结构。
模拟结果分析
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图3 *1道次拉深成形模具图
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图4 至*三道次等效应变分布图
道次至*三道次有限元模拟的等效应变分布如图4所示。由图4(a）可见应变值较大处出现在内筒上下圆角处，即内筒上下圆角处变形程度较大。由于*二道次和*三道次的拉深高度不再变化，只在筒径上发生变化，故内筒的上侧圆角处应力较为集中，如图4(b）和图4(c）所示。*三道次筒径缩小到61.3mm，已近似于零件内筒直径61mm，此时内筒圆角及筒壁处壁厚发生了减薄。有限元模拟过程中未出现刮料、折叠缺陷，成形质量较好。
*四道次冷镦成形内筒。由于**道次的拉深使内筒筒壁及圆角处有所减薄，所以冷镦内筒的目的是增厚内筒筒壁及内筒上侧圆角以保证后续零件的成形质量。冷镦工艺是一种精密塑性成形技术，具有制品的机械性能好、生产率高和材料利用率高，特别适合于大批量生产等优点。由图5等效应变分布图可知，坯料内筒上圆角处应变值较大，因上圆角处圆角半径较大，在上模下压时坯料上圆角处与下模发生刮蹭，故出现应力集中的现象。从成形结果上看内筒筒壁及上侧圆角处金属充填饱满，满足后续加工要求。锻压成形过程中载荷出现在该道次，*四道次载荷图如图6所示，载荷为184吨。
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图5 *四道次等效应变分布图
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图6 *四道次载荷图
*五道次冲压预成形凸台以及轮辐与内筒相接的圆角，*六道次通过局部加载凸台处的上模具将凸台锻造至零件要求壁厚。通过锻造工艺使凸台处近净成形，减少机加工量；同时使金属材料向四周圆角处流动充填，提高产品表面光洁度和产品精度；并且可以改变金属组织，提高金属性能。*五道次至*六道次等效应变分布图如图7所示。成形过程中没有出现刮料、折叠等缺陷，但是从图7(b）可见凸台圆角处未充填饱满，这是由于凸台高度较高，冲压过程中减薄较严重引起的。
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图7 *五道次至*六道次等效应变分布图
工艺优化
为解决成形方案中凸台圆角处充填不饱满的问题，考虑在成形凸台之前增加一道次，在内筒与轮辐之间作圆弧过渡，使坯料在凸台处聚料，后两道次按照成形方案的模具进行模拟。增加在凸台处聚料的道次及成形凸台后一道次的应变分布图如图8、图9所示。从成形结果看，凸台圆角处充填饱满，并且没有缺陷产生，成形效果较好，故该成形方案可以有效地解决凸台处减薄严重的问题。对比各道次等效应变值可以发现，随着道次的增加，材料内累积的应变值越来越大。
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图8 增加道次的等效应变图
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图9 凸台成形等效应变图
后一道次冲压成形外圆弧，该道次是为后续旋压成形轮缘及多楔齿做准备，等效应变图如图10所示。可见内筒上圆角和凸台处的应变值较大。终成形结果图如图11所示，成形效果良好。经过测量各处壁厚均达到后续加工要求。
试验验证
根据模拟分析结果，利用YQK-200型液压机进行试验，得到了合格的样件，多楔带轮锻压试件如图12所示。可以看出凸台部分成形质量较好，试件表面光洁度较高，未出现刮料、叠料等现象，经测量试件各关键部位处壁厚均达到后续加工要求。通过试验验证了该锻压工艺的正确性，可为实际生产提供。
结论
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图10 终成形等效应变分布图
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图11 终模拟结果图
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图12 多楔带轮锻压试件
通过对双凸台多楔带轮锻压工艺方案进行深入分析，将冲压工艺和锻造工艺相结合，采用有限元软件Deform-3D对其成形工艺进行了数值模拟，分析了其成形过程中的应力应变分布，并进行了工艺试验验证，结论如下。
⑴双凸台多楔带轮结构较复杂，为控制内筒的减薄程度，内筒需采用多道次拉深成形，结合材料的拉深系数计算拉深道次，并计算各道次拉深的工艺参数。成形过程中应变主要集中在内筒上下圆角处，有轻微的减薄，后续通过冷镦工艺对筒壁及圆角处进行了有效增厚。
⑵凸台的成形需结合冲压技术和锻造技术，控制金属流动方向和速度，保证其成形质量。并通过工艺优化解决了凸台处壁厚减薄严重的问题。
⑶结合有限元模拟结果，通过试验验证了工艺的可行性，得到了符合要求的锻压件。
耙斗机安好尾滑轮并且进行有关的安全检查，便可启动电动机，开始装岩工作。工作时，拉紧工作滚筒的操纵杆，工作滚筒便牵引耙斗，扒取岩石，沿料槽卸人矿车。然后松开工作滚筒操纵杆，拉紧滚筒操纵杆，使空耙斗回到迎头，重复扒岩动作。连扒2—3次便可装满一矿车。
耙斗机还可用于倾斜巷道装岩，但在坡度较大时，除使用原有的前轨器外，还应增设阻车装置，加强防滑措施和安全保护。为保证较高的生产率及便于铺设前轨器，装岩机工作时，离开迎头远不宜**过 15m。为避免放炮时机器受损，机器离迎头一般不小于6m。
耙斗机安好固定楔后，便可把尾轮挂在楔体的圆环上，尾轮的悬挂位置随巷道情况而定，一般悬挂在迎头岩石堆上面800～1000mm高度处为佳，为减轻工作劳动，提高机器的装载率，应视岩石堆积情况而左右移动悬挂位置，以扒净中间和两侧货物为准。在悬挂和取下尾轮时，应先将绞车滚筒边缘的刹车弹簧松载，以便人工能轻松地拉动钢丝绳，便于悬挂，待尾轮悬挂好后，再将弹簧复位或调节到合适压力。
