关于锻造企业自动化与信息化建设的思考_兰芳.pdf

锻造与冲压 2023.920Features专题 综述关于锻造企业自动化与信息化建设的思考 文兰芳，沈军舰，曹超，汪祥，李小涛武汉新威奇科技有限公司 国内锻造线发展历程锻造是一种古老的工艺，中国的锻造历史可追溯到 2000 多年前，考古研究表明商代中期就存在热锻工艺，直至近代，锻造主要是以人工作坊的生产方式延续下来。洋务运动时期，通过引进西方国家的蒸汽锤，锻造发展为工业生产。20世纪 50 年代，新中国从苏联、东德、捷克等国家进口水压机、热模锻压力机及模锻锤等锻造设备，锻造工业进一步发展。到 20 世纪 60 年代，中国已经可以自主生产国产锻压设备，锻造行业得以快速发展。截至 21 世纪初，国内的锻造线主要是以人工生产方式进行，锻造环境比较恶劣，大多厂家还是采用自由锻或模锻，精密模锻较少。随着中国汽车工业的发展，每年对锻件的需求急剧增加，锻造行业开始真正进入快速发展阶段，锻造设备、工艺、现场管理等都有了较大的进步，在这个快速扩张阶段，锻造工艺及生产线发展迅速，但是距离国际先进水平还有巨大差距，锻造行业大而不强。随着近几年汽车工业增速放缓，锻件需求下降，锻造行业竞争愈发激烈，转型升级迫在眉睫。锻造线升级的必要性与方向锻造行业的转型升级目标在于“提质、降本、增效”，着重提升产品质量、降低生产运营成本、提高生产效率，以此提高企业竞争力。要达到这些转型升级目标，每个企业都有自己的规划，武汉新威奇科技技术发展部部长，工程师；主要从事塑性成形装备及工艺的研发工作，参与的高性能汽车复杂零件智能精锻技术与应用项目获湖北省科技进步二等奖；在核心期刊发表学术论文3 篇，申请专利 11 项。兰芳锻造与冲压 2023.922Features专题 综述深耕锻造行业 30 余年，针对锻造企业的转型升级给出的建议是锻造生产线升级为自动化生产线，生产管理升级为数据化管理。自动化生产线升级的内容主要有以下几点，具体建议见表 1。锻造企业的生产管理升级包含以下内容，详见表 2。以上对锻造企业转型升级方向提出的建议是新威奇科技多年锻造自动线“交钥匙”工程项目中获得的知识总结，并在与众多锻造企业交流过程中获取的经验，接下来，我将对生产线自动化、信息化建设及案例进行介绍。自动化锻造生产线建设及案例分享自动化锻造生产线建设最重要的指标是生产线的稳定性，这直接关系到生产线升级的成败，而锻造自动线的稳定性取决于各生产环节中稳定性最差的一环，因此，在做生产线自动化升级时必须考虑全面。下面主要从锻造装备及锻造工艺稳定两个方面介绍。生产线装备稳定性影响生产线装备稳定性主要有三个要素：锻造装备、模具工装、辅助设备。锻造装备的稳定性。根据锻造工艺过程，不同工步设备的稳定性需求见表 3。模具工装的稳定性。模具、模座的稳定直接影响产品质量的稳定，人工生产时工人会在每次终锻后目视检测产品是否有缺陷。在自动化生产时则必须通过模具及模座的设计、加工保证在设计的使用寿命内模具、模座能稳定工作。事项内容锻造工艺升级将传统手工锻造工艺升级为适合自动化生产的锻造工艺锻造装备升级锻造装备稳定可靠，能实现自动化控制且维护简单、方便辅助设备升级上料、加热、除鳞、制坯、喷墨、换模等辅助工装升级，减少人工依赖模具寿命提高提高模具尺寸稳定性且减少模具更换时间表 1 自动化升级建议事项内容采用数字化工具CAE 软件指导、辅助产品工艺设计、开发，提高新产品开发速度锻造经验数据化将工人及工程师的锻造工艺数据化、标准化，不再依靠工人经验锻造工艺数据库建立锻造工艺数据库，解决知识传承及员工培养问题数字化生产管理引入适合企业自身的 PDMPLMMES 系统表 2 数字化升级建议事项内容下料设备料段端面平整，重量波动小，必要时需增加重量筛选加热上料能适应不同高径比材料，持续稳定的供料加热设备加热稳定，无粘料，温度一致性好加热出料温度分选可靠，出料无粘连，出料姿态及位置一致性好制坯设备坯料形状尺寸一致性好，温降较小锻造主机设备打击力、能稳定，运行稳定故障少，信号交互稳定表 3 设备稳定性要点锻造与冲压 2023.924Features专题 综述对模具、模座稳定性需求见表 4。辅助设备稳定性。锻造生产线涉及的设备除了主机外，还需配备一些辅助设备来保障生产线的稳定运行，而且多是非标设备，其稳定性同样重要，稳定性需求见表 5。锻造工艺稳定性要点锻造工艺稳定性至关重要，要点见表 6。环类锻件自动化生产线建设实例传统的环类锻件锻造工艺是采用自由锻制坯，然后辗环机辗环，最后由摩擦压力机锻造成形。这种工艺存在诸多问题，如镦粗后毛坯形状不规则，冲孔位置也不准确，辗环后环形毛坯尺寸不固定，摩擦压力机锻打后产品高度尺寸离散度大等。为了提高产品质量和一致性，必须采用新的制坯工艺，同时采用新的设备，为此武汉新威奇科技开发了适用于自动化生产的锻造工艺。将新、旧两种工艺做对比，详见表 7。新威奇科技为江苏某专业生产齿轮的上市公司采用伺服液压机三工位制坯、自动辗环机制坯、电动螺旋压力机精锻工艺建设全自动锻造生产线(图 1、图2)，在生产电动汽车主动减速齿锻件(图 3)时，单项目内容模具寿命模具寿命长且稳定，避免班内频繁换模模具管理模具全寿命周期管理，避免非生产因素损坏模具预热采用安全高效的模具预热方式，保证模具热尺寸稳定换模系统换模系统安全高效，减少劳动风险表 4 模具工装稳定性要点项目内容除鳞设备水压稳定、无漏水，毛坯降温少，除鳞率 90%搬运设备机械臂或步进梁稳定可靠，故障少，与工艺匹配性好润滑系统雾化效果好，无滴水，具备自动清洗功能，运动轨迹可规划其他工装传送链、夹钳、气缸、传感器等稳定可靠，防护到位表 5 辅助设备稳定性要点项目内容制坯采用辊锻机、楔横轧、辗环机等取代传统自由锻制坯定位各工序之间转换需考虑姿态、定位问题切边、冲孔后需保证锻件与飞边、连皮的脱离及定位问题脱模锻件不能粘上模润滑系统稳定可靠设备上、下顶料系统稳定可靠锻件脱模斜度设计合理锻件无跳模现象模具排水、排气通畅设备顶料刚性好冲孔、切边卸料锻件切边、冲孔不变形，飞边、连皮易拿取表 6 锻造工艺稳定性要点锻造与冲压 2023.926Features专题 综述都有一定差距，更遑论信息化的生产和管理建设。因此，目前锻造企业发展数据化建设更加迫在眉睫，只有完成数据化转型，积累生产数据，才能为信息化建设打好数据基础。采用 CAE 软件指导产品开发目前行业内产品锻造工艺开发主要由工艺工程师承担，一个好的工艺工程师需要 5 10 年的现场生产经验才能成长起来，这种培养模式注定了行业亟缺工艺工程师。采用 CAE 模拟仿真软件可以降低对工艺人员经验的要求，同时也可以提高工艺人员的经验积累速度。国外锻造企业采用 CAE 模拟仿真软件历史有 50多年，国内近些年采用CAE软件的企业也在逐步增多，但是，根据与客户的交流发现，把 CAE 软件用好的企业非常少，主要原因是缺少对有限元计算的理论知识理解和建模过程中边界条件的理解，而且缺乏后处理分析能力。这些情况就导致很少企业能够把模拟软件用好，CAE 软件也没有起到应有的作用。工步旧工艺新工艺改进后优势加热半自动中频炉自动中频炉自动进料，温度分选，锻件温度更均匀制坯空气锤三工位伺服液压机环坯尺寸更稳定辗环辗环机自动辗环机辗环后环坯尺寸一致性好成形摩擦压力机电动螺旋压力机锻件精度高，模具寿命长喷墨人工喷墨自动喷墨模具温度稳定，喷墨均匀表 7 环类件生产工艺改进对比图 1 伺服液压机制坯图 2 自动化锻造生产线图 3 减速齿锻件件产品减重 15%，产品精锻后无需粗车，大大提高了产品精度，降低了生产成本。锻造企业数字化建设锻造企业属于传统制造行业，行业内大多数企业起点较低，企业前期都是通过手工作业一步一步发展起来，在企业研发、生产、管理等方面都是依靠人工经验；目前国内外都已推出信息化生产管理模式，但是我们认为目前业内很多厂家距离数字化生产、管理锻造与冲压 2023.928Features专题 综述锻造工艺经验数据化建设锻造过程中影响产品质量的因素非常多，例如加热温度、保温时间、制坯形状、模具温度、喷墨量、工件摆放等等，这些影响因素和工艺参数通常都是依靠工人经验来判断，不同的工人对于这些生产因素的判断是不一样的，导致产品质量一致性不好，要解决这个问题就需要将生产工艺参数由经验转变为数据。将锻造工艺参数转变为数据，很多企业都已经在做，并形成了完整的工艺文件，但是，这里需要说的不仅仅是制定工艺文件。我们在走访很多客户的过程中发现，很多企业确实是具备完善的工艺文件，但是很少能看到执行这些工艺文件的工具。例如，对于模具温度的控制，极少见到有采用测温仪对模具温度进行检测及监控的工具；很多企业仍然采用人工喷墨，喷墨时间和轨迹都不可控；也很少有企业对设备打击力和能量进行监控，等等。严格执行工艺文件并配备相应的工具，这样才能真正实现将锻造经验数据化，并不断根据执行结果对工艺文件进行修正，积累有效的工艺数据，为后续建立工艺数据库打好基础。工艺数据库的建立将解决锻造企业知识传承，员工培养等一系列问题，从而真正解决锻造企业缺少工艺人才的难题。锻造企业的信息化建设在锻造企业解决了设备和生产线自动化、数字化升级转型等问题后，企业才能进行下一步的信息化建设。锻造企业为什么要进行信息化建设，信息化建设的意义和目的又是什么呢？这是目前很多企业高层经常问到的问题。简单来说，信息化的目的就是为决策提供依据，为提高效率提供支持，为降低成本提供方向。为决策提供依据目前，很多企业管理过程中都会有各种汇报机制，不管是表单还是会议，汇报的本质是信息的传递和共享，通过信息化建设，将各种基层的生产数据、物流数据、采购数据进行整合，这些更加真实，未经人工加工的数据将为决策者提供更多的有效信息，避免因为信息不对称带来的决策失误。为提高效率提供支持企业信息化建设的过程就是对企业管理的一次重新梳理，将企业管理规范化、简便化，信息透明化。当企业建立完备的信息化体系后，企业内部管理更加规范，岗位职责更加明晰，每个人都能得到清晰定位，提高工作效率。为降低成本提供方向通过企业的信息化建设，将各种生产成本、管理成本、财务成本进行收集和整理，这些成本信息会更加详细和具体，例如，在锻造生产过程中，采用不同的锻造温度，加热能耗、设备能耗、材料损耗等都会有差异，传统的管理方式无法将这些细微的差异进行统计分析，但当设备、生产线、管理实现信息化后，这些细微差异就可以体现出来，这些信息可以为降低生产成本提供方向。信息化建设可以针对企业的实际情况提供准确、完备的数据支持，为企业的经营管理和未来的发展提供更大的空间。锻造生产线信息化案例武汉新威奇科技近年来在锻造生产线的信息化建设方面不断进行探索和研究，为客户建立了数条信息化生产线。接下来，以风电轴承钢球为例展开介绍。钢球锻造生产线的信息化平台(图 4)可以收集三条锻造生产线的生产数据，然后对生产数据进行处理(图 5)，可以对生产线优化提供依据。针对以下 2条信息为例：三条生产线的班、日、月、季度及年产量，以及各不同型号钢球的产量信息；锯床下料后，对每件棒料进行称重，按照重量划分不同等级。糖醋鲤鱼八大菜系鲁最早起源于济南泺口，为鲁菜的代表菜品之一，色泽金黄，外焦内嫩，酸甜可口，香鲜味美。29 2023.9 Forging&MetalformingFeatures专题 综述根据信息，管理者可以分析每种型号钢球的客户订单需求规律，按照分析结果进行原材料备货及生产准备；也可以根据客户总体订单的需求规律，合理安排生产周期，做好设备停机维护安排；根据信息，生产人员根据模具的磨损程度，在不同的模具使用周期内安排不同重量的棒料进行生产，这样就可以保证不会因为不同重量的毛坯混用导致锻件质量问题，同时也可以保证在不同重量批号内，产品重量的一致性。以上案例只是对生产线信息化运用的简单尝试，企业的信息化建设将对企业产生更加深远的影响和意义。结束语国内锻造工艺及生产线发展迅速，但是距离国际先进水平还有巨大的差距，锻造行业大而不强，锻造行业转型升级迫在眉睫。我们也要注意，锻造自动化、数据化、信息化转型升级是一个系统