连杆自动化锻造生产线工艺设计

文／史延辰，岳海军，韩薇，任静，王勋·南宫市精强连杆有限公司

近些年社会高速发展，制造行业的相关技术同样也有了质的变革，由原来的人工低端设备制造走向了自动化生产。其中，最有代表性的行业就是汽车零部件的生产制造，但是汽车零部件的锻造又是环境差、强度大、节拍快、批量大、精度高、要求产品一致性好的行业。发动机连杆作为非调质钢锻件，其整个生产过程的温度控制直接影响到连杆的硬度、金相组织和机械强度，故实现自动化生产很有必要。本文以连杆生产为例，论述实现自动化生产的各种技术设计。

工艺路线设计

根据车间现场场地结合各设备尺寸、间距等情况，经计算设计，该生产线需桁架机械手4台，机器人4台，连杆锻件重量1 ～5kg，机器人设计型号为35kg。生产线布局见图1。

图1 生产线布局

自动化生产的过程设计

⑴下料。下料设备主要有棒料剪和锯床，棒料剪优点是无材料浪费，缺点是切口有变形，影响后工序的夹持，且棒料剪对于料节的长度控制公差较大，而锯床和棒料剪的优缺点相对。经综合分析，采用数控锯床实现下料。

⑵下好料的料节进入中频加热炉需要相应的设备来代替人工，故需设计一套自动提升送料机构(图2)来实现，通过红色动板上下提升，将料节有序的提升到加热炉料道。加热设备采用中频加热炉。棒料加热温度是关键参数之一，故在中频加热炉末端设计红外测温监控设备，红外测温监控设备和PLC 相连接，对温度过高及温度过低的料节进行分选剔除。

图2 自动提升送料机构

⑶温度合格的料节流入自动推送器卡口，感应到料节信号后，推料器将加热的料节推送到自动辊锻机处，自动辊锻机感应到信号后，进行自动辊锻。而辊锻模的设计不同于人工操作生产线，因采用自动生产线，连杆的辊坯不再需要钳头，这样每支连杆可以节省30g 左右的钢材，但同时也带来弊病，人工用钳子夹持能有效地防止辊坯滚动，而自动生产线需要一次定位合格，不能有滚动发生。经反复测试并根据VERACAD 模拟软件模拟，设计出一套扁平式且无折叠的辊坯(图3)。

图3 扁平式且无折叠的辊坯

⑷经辊锻过后的辊坯经过桁架机械手和机器人的配合操作，将辊坯放置在压扁工序，压扁过后机器人将辊坯放置在预锻模腔上，辊坯经过锻压后，需要机器人将连杆转运至终锻工步，因机器人不同于人工操作，需要有一定夹持空间，故设计连杆顶出装置，将连杆顶出一定高度，考虑预锻、终锻均需要顶出，故设计带顶出装置的模具来满足自动化生产要求(图4)。

图4 带顶出装置的模具

⑸预锻终锻完成后，机器人和桁架机械手配合将毛坯转运至切边工序。切边完成后，同样需要机器人转运，故将切边工装与PLC 相连接，由机器人将连杆转运至热矫正工序，然后切边工装下面将剩余切边顶出，桁架机械手将飞边转运至废料箱。

⑹BY 处理、探伤、抛丸等工序均需转运车人工操作至设备处进行相应的作业。

设备安排及节拍分析

工艺流程设计完成后，设备已确定完毕，进而对工序的节拍进行分析，合理安排每台设备的作业时间，力争瓶颈工序与一般工序相差更少。对整个流程作业节拍统计(表1)。根据表1 统计，按照设备进行节拍分析，其中，模锻设备为瓶颈工序，其节拍Tpress=T7+T8+T9+T10+T11+T12+T13=16s，整合节拍，R1 机器人将辊坯转运至压扁工步的同时，对预锻模腔喷石墨，同样，在R1 机器人将压扁的辊坯转运至预锻工步时终锻模腔喷石墨。这样就可以整合两个工步，节省节拍6s，最终确定节拍为10s。

表1 各工序节拍统计

自动化生产线的弊端控制

自动化生产线其弊端有：辊锻机械手抓取位置错误导致辊锻机闷车，锻模粘模后下一个辊坯重复锻造导致废品甚至闷车，毛坯周转位置偏离导致废品甚至闷车，毛坯抓取失败导致设备空打影响后工序的抓取及节拍等。

分析以上缺点，设计了一套完善的PLC 控制系统及位置监控系统，任何动作没有完成或者位置错误，均报警，此时自动化生产线的监控人员进行人工干预，防止事故发生。同时在机器人的周边设计红外安全防错，当人员靠近机器人时，机器人自动停机，保证人员的安全。

结束语

工业自动化作为现代工业技术的核心，是工业现代化的物质基石和重要标志。特别是现代汽车工业的发展，主机厂要求产品质量的稳定性和一致性。锻造生产环境相对恶劣，一线操作人员匮乏，且生产过程需要多人操作，劳动强度大，锻造自动化能够有效的保证产品的一致性和解放生产力。对模具进行优化设计，采用机器人对锻造连杆生产过程的热料进行夹钳、转运，生产节拍由原来的13s 提升至10s，且避免了人为因素的节拍不一致，降低了劳动强度，节省了人力资源，提高了生产效率，产品质量得到了更大保证。