浅谈自动生产线的应用
21世纪以来，中国汽车工业保持了持续发展的势头。90年代以前，国内汽车行业的主导产品是卡车。经过近十年的发展，出现了以轿车为龙头的可喜格局。汽车工业重点发展轿车的战略转移，给装备制造业带来了前所未有的发展机遇。在各行各业中，汽车行业与装备制造业关联度最高。相关数据显示，美国50%以上的机床和60%以上的工业机器人用于汽车工业，因此美国成为机床生产大国，也是汽车王国。发达国家汽车工业的发展历史证明了这一点。汽车工业的发展促进了装备制造业，尤其是机床制造业。机床制造业的提升，从技术和工艺上支撑和保证了汽车工业的繁荣。锻压机械作为机床制造业的重要组成部分，与汽车工业的发展密切相关。本文以汽车典型冲压件和锻件为例，论述了锻压机械在汽车工业中的应用。
典型金属薄板冲压件的工艺装备
在整个汽车生产中，冲压、焊接、涂装、总装统称为汽车生产的四大流程。据统计，在汽车的2000多个零件中，钣金冲压件按件数计算占40%以上，冲压工艺装备在汽车行业的地位可见一斑。现在的汽车生产突出了汽车车型的个性化特征，使得改款周期越来越短。车型的变化主要表现在车身形状和结构的变化，与不断变化的钣金冲压件相适应。钣金冲压件大致可以分为三大类，即车身覆盖件、车身结构件和中小型冲压件。车身板件和车身结构件是具有保持车身形状功能的零件，如车门、车顶、侧墙、行李箱盖等。、和是钣金冲压件的主要零件。中小型冲压件分散在汽车中，如车轮、离合器、汽车空调、微电机等零部件，有大量的冲压件。毫无疑问，在研究汽车典型钣金冲压件的工艺装备时，车身覆盖件的工艺装备应该作为一个龙头来对待。
金属覆盖件的工艺装备
自从车身覆盖件工业化生产以来，机械压力机一直是主要设备，典型的组合是由一台双作用机械压力机和多台单作用机械压力机组成的冲压生产线。虽然冲压生产线的形式已被广泛应用，但其内涵也在不断变化。首先，随着单机自动化水平的提高，自动快速调整技术和自动快速换模技术的应用增强了冲压生产线的柔性；其次，冲压生产线结构不断完善，从人工装卸流水线发展到半自动冲压线和自动冲压线；第三，多工位压力机进入冲压生产线，激光加工和冲压加工一体化，形成广义的冲压自动线，这对于技术进步更有意义。
图1多工位压力机
中国锻压机械工业在车身覆盖件工艺和装备方面的进步有目共睹。通过“八五”以来的科技攻关，锻压机械行业的自主开发能力明显提高。在此基础上，有关企业通过引进舒勒、Wirseen、小松等著名公司的设计制造技术，或与国外厂商合作，为中国汽车厂商提供了数十条冲压生产线，在国际市场上占有了一席之地。
目前，车身覆盖件冲压技术的快速发展令人瞩目，主要表现在液压机的加入、多工位压力机的使用以及柔性技术的成熟。
如前所述，机械压力机是冲压生产线的主体，其他任何设备都无法长期撼动其霸主地位。但随着液压机一些关键技术的突破，液压机在冲压方面的优势和潜力得到了充分发挥，生产率得到了明显提高，行程同步和与输送装置联锁等问题得到了圆满解决，从而出现了液压机成为冲压生产线主机的趋势。当然，这并不意味着液压机将取代机械压力机。虽然冲压生产线可以使用所有的液压机，也可以和机械压力机混合使用，但是以机械压力机为主机组成的冲压生产线仍然是主流。
早期广泛使用的冲压生产线，由一台双作用机械压力机和几台单作用机械压力机组成，两者之间设有工件翻转装置。多工位自动钣金压力机的出现，因其具有一次完成多工序加工、结构紧凑、生产效率高的特点，受到汽车行业的青睐。多工位压力机作为主机，在冲压生产线上的应用要比单机困难得多，必须解决驱动系统、输送系统、检测系统等一系列技术问题。近年来，随着上述技术问题的逐一解决，多工位压力机作为主机进入冲压生产线成为可能。
图2系列压机生产线
柔性技术趋于成熟，这是车身覆盖件生产中最重要的技术进步。首先，构成冲压生产线的设备的数控化为冲压生产线的自动化奠定了基础。柔性传动技术、板外仿真技术和离线编程技术的提高，特别是包括自动模具库、自动模具识别和提取、自动调整模具工作参数等功能的模具系统的实际应用，标志着车身覆盖件的柔性技术已经成熟，使大规模覆盖件的个性化、订单化和准时化生产成为可能。
柔性冲压自动线的出现标志着柔性技术的发展逐渐完备。柔性冲压自动线的基本结构仍然是一台双作用压力机和几台串联布置的单作用压力机。双动压机前有卸垛装置，由装车、液压千斤顶、磁力脱层机、真空吸料升降机、双料检测器、磁力辊道、双料顶出器、清洗加油装置和送料装置组成。在双作用压机和单作用压机之间设有送料装置，包括送料器、翻转装置、输送装置和送料器；单动压力机之间的进出料装置由进料器、输送装置和进料器组成；在最后一台单动压力机之后是码垛装置，它由一台给料机、一台输送机和一台码垛车组成。此外，自动快速换模系统、自动快速调整系统、故障检测系统和废料清除和运输系统都是必不可少的。由于机器人技术、微电子技术和液压技术的充分应用，不仅实现了冲压过程的自动化，还带来了生产组织的柔性化。
大型多工位压力机自动冲压生产线代表了一种先进的组合模式，应予以特别关注。大型多工位压力机的不断完善和大型汽车覆盖件生产的需求，推动了大型多工位压力机自动冲压生产线的发展。原组合由一台双作用拉伸压力机和一台单作用大型多工位压力机组成，两者之间配有一套翻转装置和同步装置，提高了生产节奏，一定程度上减少了占地面积。第二代生产线的配置大大简化。一种具有双动拉伸工位的多工位压力机，在其前后装有卸垛装置和码垛装置，从而形成自动冲压生产线。大多数多工位压力机有四个立柱和三个滑块。第一滑块下方的第一工位为双作用拉伸工位，其余工位为单作用冲压工位。由于拉伸工位采用反向拉伸的方式，避免了工件的翻转，因此不需要翻转装置，进一步提高了生产率，减少了占地面积。数控液压气垫大型多工位压力机的出现，摒弃了传统的双动拉伸工艺概念，真正将拉伸和其它冲压工艺合二为一。自动冲压生产线的硬件组成仍然是配备有卸垛装置和码垛装置的主机。主机是带数控液压气垫的多工位压力机，数控液压气垫是其技术核心。数控液压气垫可以通过四角控制来调节拉深工作的压边力，从而实现单动拉深。用数控液压气垫代替传统的单动压力机，不仅简化了压力机的结构，取消了翻转装置，而且实现了压边力的最优控制，提高了拉深件的质量，降低了零件的废品率。
中国汽车行业对设备的需求长期多样化，因此大型面板的生产工艺也是五花八门。随着技术的发展，许多企业已经或将要将人工装卸流水线改造成半自动冲压线和自动冲压线，但很少有企业采用柔性冲压自动线。由于成本高和技术问题，大型多工位压力机自动冲压生产线在国内推广使用还需要一段时间。目前，我国锻压机械行业不仅可以独立提供传统冲压生产线、半自动冲压线和自动冲压线，还可以为大型多工位压力机提供柔性冲压自动线和自动冲压线。
用钢板成型车轮的工艺设备
汽车车轮在结构上主要分为组合式车轮和整体式车轮，在材质上有钢板成型车轮和铝合金车轮。目前组合钢板成型车轮占据了非常重要的地位，整体铝合金车轮一统天下的局面短期内不会出现。组合钢板成型车轮主要由轮辋和轮辐组成，轮辋和轮辐的生产工艺一直备受关注。目前生产钢圈大致有两种方法，一种是滚压生产，一种是旋压生产；生产轮辐的方法主要有两种，即冲压成型工艺和旋压成型工艺。
轧制法生产汽车轮辋自动生产线的典型配置按工艺性质可分为三部分:第一部分包括自动开卷单元和平整剪切单元，将钢卷制成定长板材，用于加工轮辋；第二部分包括倒圆单元、焊接和焊缝清理单元、倒角和扩口单元，将前一工序中的金属板材轧制成轮辋所需的环形毛坯；第三部分包括辊轧成形单元(通常由三台辊轧成形机组成)和精加工和扩展单元，其将环形坯料辊轧成成形轮辋。轧制技术的优点是生产率高。国外这种自动生产线的生产率一般是800-1200件/小时。
旋压技术生产汽车轮辋的优点是通过有效控制金属的塑性流动，可以加工出变截面等强度的轮辋，提高轮辋质量。然而，纺丝工艺具有生产率低的缺点。国外典型生产线的生产率通常为200-250件/小时，不适合大批量生产轮辋的企业。通常的做法是利用纺纱工艺的柔性特点依次进行新产品开发和小批量生产。旋压工艺汽车轮辋自动生产线的配置，第一、二部分与滚压工艺相似，第三部分旋压成型机代替滚压成型机。
冲压生产轮辐的工艺比较简单。早期采用多台单工位压力机依次成型轮辐，后来采用多工位压力机在一台设备上连续完成。冲压成型的轮辐厚壁厚重，不能满足汽车高速行驶的需要，材料利用率和车轮寿命低。旋压工艺可以获得等强度的可变厚壁轮辐，不仅提高了材料利用率和车轮寿命，还增加了汽车高速行驶的安全性和可靠性。旋压生产线的典型工艺有落料、强力旋压、切边、冲孔等工序。旋压生产线的主机是数控旋压成型机。第一辊预旋转坯料以完成布料分配，第二辊将壁厚旋转到预定值。
中国汽车车轮的生产技术和设备相对落后，轧制技术和旋压技术有很大的发展空间。从国外的发展趋势来看，旋压工艺虽然存在生产效率低的缺点，但其加工精度高、可生产变截面等强度轮辋和轮辐、刚度大、回弹小等优点不容忽视，特别适合新产品开发和中小批量生产。随着旋压工艺生产率的不断提高和控制技术的改进，在车型更换周期越来越短的今天，人们可能会重新审视旋压成形工艺的评价。
典型锻件的工艺装备
汽车行业是锻件生产企业最重要的用户，因为60%左右的锻件用于汽车行业。与机械行业相比，汽车行业更注重锻件的精度、锻件的精细结构、空心件的成型以及最大限度的减重。由于锻件的高强度和可靠性，锻件一直被用作汽车重要零件的毛坯。典型的锻件有发动机的曲轴和连杆、变速箱的齿轮和轴类零件、轮架、控制系统中的拉杆和转向节零件等。典型汽车锻件的锻造可分为普通模锻和特种模锻两大类。普通模锻在小飞边和无飞边的锻锤和热模锻压力机上进行，特种模锻采用楔横轧工艺、摆辗工艺和径向锻造工艺。
发动机连杆锻造工艺设备
汽车发动机连杆的锻造工艺主要有两种，一种是热模锻压力机生产线，另一种是电液模锻锤生产线。前者适合大批量生产，后者适合中小批量、多品种的生产方式。热模锻压机生产线基本由棒料库、棒料自动排列及送料装置、感应加热炉、出料装置、棒料剪切机构和热模锻压机组成。热模锻压机生产线采用一模两件的锻造工艺，生产率可高达800-1200件/小时，材料利用率达95%以上。热模锻压机生产线虽然具有经济和技术优势，但受到投资大、专业化程度高、模具制造和维护成本高、开工率需要达到70%以上等诸多因素的制约，让很多厂家望而生畏。电液模锻锤生产线生产汽车发动机连杆锻件，采用一模一件的锻造工艺，棒料切割成毛坯后加热锻造。电液模锻锤生产线的基本部件有棒料剪切机、感应加热炉、送料装置、楔横轧机或辊锻机、电液模锻锤、修边校正器等。随着控制技术的发展，电液模锤可以控制和调整冲击能量、冲击次数、冲击间隔时间等工艺参数，以最佳冲击力满足锻造成形的能量要求，不仅可以提高锻件质量，还可以延长模具寿命。虽然电液模锻锤生产线的生产率通常只有热模锻压机生产线的一半左右，但其投资只有后者的三分之一，而且生产的组织非常灵活，因此受到中小型批量生产厂家的青睐。
汽车发动机连杆锻造的技术发展趋势是提高锻造生产线的机械化和自动化水平，采用新的锻造技术。显然，提高锻造生产线的机械化和自动化水平是业内人士的知识。采用机械化装卸装置、机械化输送装置、机械手和自动控制技术改造流水线，减少人工操作环节，实现自动化或半自动生产，是发达国家的通行做法。新的锻造技术有两种尝试。一种是粉末锻造技术，即将金属粉末烧结的坯料加热后进行模锻。二是在多工位自动热镦机上高速锻造成形。前者具有锻件重量偏差小，能生产形状复杂的锻件等优点，特别适用于动平衡要求高的先进发动机，被许多厂家采用。后者因为经济批量门槛太高，设备太贵，很难被厂家接受。
盘形齿轮毛坯锻造工艺设备
盘形齿轮毛坯是汽车盘形锻件的典型代表。由于其数量大，要求加工精度高、效率高、成本低。早期的生产工艺以锻锤、机械压力机、螺旋压力机或热模锻压机为主机，将棒料切割成毛坯再加热，分几道工序完成。生产效率低，锻造精度低，加工余量大，材料利用率低。自从坯料细化概念出现以来，高速热镦机自动化生产线成为生产盘形齿轮坯料最理想的选择。高速热镦机自动化生产线的典型配置是料架、自动送料装置、感应加热炉、滚轮送料机构和多工位高速热镦机。加热后的棒材进入高速热镦机后，依次完成切坯、整形、预锻、终锻、冲孔等所有工序，锻件在工位间的转移由机械手自动完成。高速热镦机自动化生产线可以实现真正的坯料细化，锻件尺寸和形状接近被加工零件，提高了材料利用率，节约了加工时间。锻件具有更理想的金相组织和力学性能，生产率是普通锻造方法的几倍甚至十几倍，其综合经济效益十分显著。
齿轮轴锻造工艺设备
汽车齿轮轴是变速箱的重要零件，是典型的汽车轴，具有细长多台阶的特点。生产轴类零件的传统工艺是在模锻锤或热模锻压力机上进行模锻，但这种工艺生产的锻件精度低，材料利用率低，加工余量大。楔横轧技术的出现有效地解决了这一问题。楔横轧技术是一种高效、节能、节材的新技术。加热后的棒材进入楔横轧机，楔横轧模具在一个工作循环中不断挤压和分配金属，形成符合形状和尺寸要求的阶梯轴类锻件，以管材为坯料可生产空心轴类锻件。由于楔横轧工艺适用于加工对称零件，所以常常将一对零件对称排列来设计模具，这样既有利于工艺性，又有利于生产率。楔横轧工艺的特点是一次可以获得一个或一对零件，生产效率高；金属连续变形，变形力小，模具寿命长；锻件尺寸精度高，加工余量小，材料利用率高。楔横轧自动化生产线比较简单，通常由自动送料装置、感应加热炉和楔横轧机组成。楔横轧机有两辊平板结构。平板楔横轧机由机械或液压驱动，两块平板模板做直线往复运动摩擦轧制坯料。二辊楔横轧机的模具是一对轧辊，坯料在旋转的轧辊中成形。前者结构简单，调整方便，模具成本低，锻造精度高；缺点是行程有限，变形小，行程自由，生产效率低；后者具有结构紧凑、连续生产、生产效率高的优点，但缺点是模具制造困难、锻造精度低。
纵观锻压机械在中国汽车工业中的应用，冲压技术装备水平高于锻造，表现在工艺装备的先进性、生产线的自动化和柔性化程度、集约化生产水平等诸多方面。虽然国内锻压机械行业几乎可以为汽车行业提供所有的冲压锻造设备，但不言而喻，中国锻压机械行业的水平和实力在国际市场上并不强。锻压机械行业在汽车工业中的地位不仅取决于锻压机械行业的技术进步和结构调整，还取决于汽车工业的发展战略和市场前景。