大型压力机单机自动化冲压生产工艺研究

陈培丽

（山东英才学院，山东 济南 250104）

冲压成形是金属成形中最有效的工艺方法之一。通过冲压设备一定强度的冲压力，使模具中板件发生塑性变形，以此来获得一定的形状、大小和性能的产品组件。冲压技术在汽车、航天、家电、五金、医疗器械等领域应用广泛，冲压产品亦成为制造业中不可或缺的必需品。

随着现代制造技术的发展，冲压技术越发趋于高速度、自动化和柔性化[2]。为此，针对目前国内大部分企业生产状况，在已有设备上进行更经济、实用的设计改造，开发一种适用于中小企业大型压力机冲压生产的单机自动化上下料系统，以少量资金投入实现冲压生产自动化，为资金较薄弱的中小企业探索生产线改造及自动化转型过渡提供了可行性方案。

1 单机自动化上下料系统基本设计要求

根据加工冲压件的生产工艺、生产方式、冲压主机的结构特点、客户的生产要求以及现场的工艺条件，自主设计研发的单机自动化上下料系统需满足以下设计要求：

（1）保证产品冲压质量。用于冲压生产的汽车覆盖件板件结构尺寸通常较大，材料厚度为lmm左右，刚性较差，工人的搬运或操作中可能会造成一定变形和表面划伤，增加产品废品率。课题提出的单边冲压自动化上下料系统，取代人工送料上下料，减少人为操作不良率，可极大保护冲压件生产质量。

（2）提升效率，减少成本。企业原汽车覆盖件冲压生产线中，通常在压机设备两旁安排工人进行工件进给送料、定位加工等操作，小型件1～2人，中大型件通常4～5 人，生产效率低，节拍较不稳定。单边冲压自动化上下料系统应尽量减少人员配置，在满足基本生产需求的同时，降低生产成本。

（3）合理工艺，提高柔性。工艺设计合理，布局设计占用工作空间和跨度尽可能小，以增强工件流动性，且能保证一定的清洁度和环保要求。单机自动化上下料系统能高效便捷地进行调试，尽可能适用不同类型汽车覆盖板件冲压加工，具有较强的通用性和较广的适应性，可为企业后续发展节约资金投入。

（4）自动化连续生产，增加产能，减轻劳动强度。冲压加工的工件，最重的25kg 左右，人工连续搬运劳动强度大，订单需求量大时，工人工作任务繁重。因此设计的单边冲压自动化上下料系统在减少人员配置的基础上，能够实现与压力机自动配合工作，实现自动化连续生产，不需要人工操作机床和上下料，从而增加产能，降低工人劳动强度。

（5）冲压生产安全性高。车间生产现场存在操作人员失误、设备意外故障等安全隐患，因此需要对系统引入安全系数较高的控制系统[3]，尽可能排除一切安全隐患。

2 单机自动化上下料系统工艺流程

单机自动化上下料系统主要工艺流程如图1 所示。

图1 单机自动化上下料系统工艺流程图

具体步骤为：①设备系统回归原位。设备启动生产前，保证压力机处于原位，送料、上下料系统设备全部回归原点；②料垛定位。通过叉车或行车将料垛板料放置在上料台指定位置；③料垛分张。料垛在上料台上通过磁力分张器进行单张分离，便于上料机械手端拾器抓取板料；④送料工序。送料机械手通过气动端拾器，将板料从上料台抓取至对中台上；⑤板料定位工序。板料在进入压力机模具前，在对中台上完成一次对中，精确定位，确保上料机械手可准确将板料放置于压力机模具中，使板料与模具间有确定的位置关系；⑥上料工序。上料机械手接收信号通过电磁吸盘端拾器从对中台上抓取板料至压力机模具中，完成一次上料；⑦冲压工序。压力机接收信号，开始冲压动作，完成工件的一次冲压加工，液压垫顶起；⑧落料放料工序。下料机械手接收信号从压力机模具上抓取已加工工件至落料台上，完成一次落料放料，一次冲压生产完成。

3 方案分系统模块

单机自动化上下料系统在14s 完成上下料任务，且还需要完成送料、对中定位等工作，时间要求紧，难度较大。

把工作空间分成六个部分，依次为：分张模块、送料模块、对中模块、压机模块、上下料模块、安全防护，如图2 所示。

图2 单机自动化上下料系统模块图

通过对系统进行工作空间分离[3]，使各生产工序同时进行，如在压力机冲压动作时，分张、送料、对中等工作可同时进行，压力机冲压动作完毕，下料桁架机械手开始取料，与对中上料同步，大大减少了时间浪费。各模块包括：①分张模块。上料台、叉车或行车，磁力分张器；②对中模块。对中台、对中台支架；③送料模块。送料桁架机械手、送料机械手支架；④压机模块。YT28-1030 油压机；⑤上下料模块。上料桁架机械手、下料桁架机械手、牛头支座、机械手桁架、落料台；⑥安全防护。安全警报、安全围栏、安全门。

由于工作空间分离，压力机工作过程中，送料、对中等工作可同时进行，每次可转移板料一件，冲压完成工件一件，可提高工作效率，减少上料桁架机械手的运动次数。

4 具体布局设计

分析上述工艺流程和分系统模块可得，冲压生产的主体设备主要有上料台、磁力分张器、对中台、送料机械手、上料机械手、下料机械手、落料台。

为了让冲压自动化上下料系统在使用过程中发挥最大的生产能力，在设计过程中，我们有必要对冲压自动化上下料系统进行合理的布局和规划。总体布局图及尺寸图如图3、图4 所示，总体效果图如图5 所示。具体布局设计步骤如下。

图3 系统各模块布局图

图4 总体布局具体尺寸图

图5 系统方案总体效果图

（1）对车间现场实际工况和压力机周边场地进行现场考察，进行各模块设备位置的合理安排和布局设计。首先根据压力机的工人工作区域和模具更换方式，确定单侧上下料布局方式；然后根据模具高度和滑块行程，确定送料机械手桁架支座和上下料机械手桁架牛头支座高度为1.85m；再根据厂方生产要求和桁架机械手的行程范围，确定对中台等其他设备的位置；电控箱等控制设备放置至合理位置，保证操作方便；最后进行干涉检验，避免机械手运动时与其他设备特别是压力机发生任何干涉。

（2）规划合理的配线路径。按照各模块控制实际要求和功率，根据配线的规格数量和现场实况，在路径尽量短，尽量避免干扰源的情况下，合理规划配线路径，方便接线。

（3）简单合理化电、气连线布局。根据各模块布局的位置，确定电和气管的接口位置，保证合理简单。

5 冲压生产现状分析

5.1 冲压生产工艺一般设计流程

依据产品样式，分析工艺，审查制定方案，选择模具类型、冲压设备及传输方式，配置人员于各工序，最终完成工艺文件的编写[6]。其设计流程如图6所示。

图6 冲压生产工艺设计流程图

5.2 冲压生产方式分析

冲压板料通常借助外力使其变形而获取所需指标[5]，效率高，不需要对材料进行额外的切削加工，冲压的工件轻薄均匀具有较高的强度，较其他加工方式具有无可比拟的优势，目前在制造业与重型工业生产加工方面应用较为广泛，比重较大。

冲压工艺包括分离和成形两大工序[7]。冲压件则有一般冲压件、覆盖件、结构件三种。单机自动化上下料系统冲压生产件主要为汽车覆盖件，尺寸偏大，具有较高精度，薄且形状较复杂，表面质量好，但多数不能一次成形，一般采用多工序模具生产，可在各生产工位间相互转移[8]。

汽车覆盖件材料多为冷轧钢板，基本数据如表1所示，具有高强度、好的延展性，较抗撞击且容易成形[6]。料垛数据如表2 所示。

表1 汽车覆盖件板料数据

表2 汽车覆盖件料垛数据表

5.3 冲压主机结构特点

压力机主机为YT28-1030 油压机，属于框架式结构，刚度好，精度高，其外形结构如图7 所示。由于四根立柱的干涉，只能从压力机前后两个方向进行上下料的工作。该机由于移动工作台只能在一个方向移动，所以模具更换也只能在一侧进行。机械手上料，利用压机模块间距，完成一次动作；冲压结束，工人按下工作站按钮。

图7 YT28-1030 冲压主机外形结构示意图

5.4 汽车覆盖件生产工艺实例分析

以高锻公司L0500440502A0 某车门左侧B 柱内板冲压生产为例。坯料尺寸为1015mm×670mm×0.8mm，采用汽车覆盖件常用材料冷轧板，深冲板ST16/0.8 材质。成形过程中材料变薄率一般控制在20%以内，超出该值则存在开裂风险；成形后的零件可能会存在回弹变形，可在拉伸工序模具设计时考虑回弹补偿来解决。其主要生产工序简图如图8 所示。公司生产汽车覆盖件，采用单机生产方式，现场生产状况如图9 所示，每一道工序，生产一个标准摞后，由物流人员转送至下一道工序生产。该生产方式主要有以下几个问题：

图9 现场工作实况图

（1）存在安全风险。冲压生产中，各工序为人工上下料，工人身体部分会伸入油压机工作区域内部，存在较大的安全隐患；

（2）冲压件质量不稳定。人工上下料，出于运送时间、操作等因素的不同步性，产品质量不稳定，易报废；

（3）工人劳动强度高。每件汽车覆盖件从冷板到冲压加工成品，中间需要人工上下料4～5 次，以主要产品L0500440502A0 为例，按照班产量1000 件计算，每班所需搬运的总吨位为1000×8×15=120000（kg），即l20t；

（4）人均工装成本高，生产效率低。例如L0500440502A0 冲压件，每班生产1000 件，生产过程需要10 人，生产效率每人每班100 件，每小时费用为150 元/人，总共为1500 元；

（5）设备利用率低。以YT28-1030 油压机为例，该设备多以汽车覆盖件板料冲压加工多，由于人工上下料，各个工序间存在一定的顺序性，且每个工序生产加工能力不同，加之换模运料等时间耗费，导致若前期板料加工输出慢，其他设备均会存在生产滞留现象。

6 单机冲压自动化上下料系统实现方案

针对以上问题，从安全性、经济性、生产效率、自动化程度等方面考虑[9]，提出三种可选方案。

（1）方案一：YT28-1030 大型闭式油压机+多轴送料机器人

通过长期的实践与探索，黄河流域已初步形成以流域为单元，流域与区域相结合、水利与环保相联合的黄河水资源保护管理体系，同时，黄河流域在构建流域水功能区划及水资源保护规划体系、依法强化以入河排污口为重点的水功能区管理、积极探索水生态系统保护与修复、完善突发性水污染事件应急机制、加强水质监测网络体系建设、不断提高水资源保护现代化水平和科技支撑能力等方面也取得了显著成效。这些有益的探索，为形成有黄河流域特色的水功能区纳污红线管理模式打下了坚实的基础。

工业领域机器人通常为四轴、六轴等，根据冲压加工所选压机，采用两个、四个或六个自由度的多轴机器人对板料和冲压件进行抓取，设置搬运机器人完成板料输送与对中工作。

方案组成：上料台，对中台，上下料机器人，搬运机器人。

工作方式：压力机一侧设置有上料台，对中台，通过搬运机器人，输送对中板料，上料机器人抓取对中台板料送至压力机模具正上方落料，压力机一次冲压动作，下料多轴机器人对冲压件进行抓取落件，完成一次上下料工作。

特点：多轴机器人上下料运动精准，编程方便，柔性高，运载能力较高，通常适合大批量生产使用。但其结构最复杂，节拍慢，成本较为昂贵，轨迹规划复杂。

若针对中小企业，以高锻公司为例，汽车覆盖件生产品种多样，中小批量，专门设计配用上下料机器人，费用极其昂贵，性价比并不高。因此综合考虑，选择应用高效便捷、成本低、经济性好的机械手进行上下料工作最为合适。

经调查比较，最终选用并设计了适合在大型设备上对大型板件进行搬运且可安装在压力机立柱上的桁架机械手，其结构主要由框架、X 轴、Y 轴、Z 轴组件、工装夹具以及控制柜六部分组成。具有以下特点：①效率高，各轴驱动可用伺服电机快速响应，具有较高直线运行速度；②稳定性好，重复性误差极小，最高可达0.05mm；③强度高，可取代人工，连续不间断地7×24h 工作；④精度高，定位精度可达0.02mm；⑤操作控制简单，控制基于直角坐标系较为简便，运动参数简单，操作易上手；⑥性价比高，相对于机器人上下料，负载重量较机器人大，设计制造成本低，中小型企业适用，符合中国智造的基本国情。

方案组成：上料台，对中台，前立柱支架，后立柱支架，送料支架，上料桁架机械手，下料桁架机械手，送料桁架机械手。

工作方式：压力机立柱前后各安装有前立柱支架和后立柱支架，分别装有上料桁架机械手和下料机械手，进行上下料动作，送料桁架机械手安装在送料支架上，上料时，送料桁架机械手抓取板料至对中台，上料桁架机械手抓取对中台板料送至压机模具，压力机完成冲压动作，下料桁架机械手从压力机另一侧抓取已加工冲压件落件，完成一次上下料工作。

特点：高效迅速，干涉少，控制方便容易，稳定性高，操作简便，成本较低。但占用空间大，对于部分小批量冲压件加工，工人不方便手动操作，且一侧换模空间狭小，所以综合考虑选择设计单边上下料的自动送料系统是非常有必要的，且比较适合基本生产状况。

（3）方案三：YT28-1030 大型闭式油压机+单边上下料机械手

方案组成：上料台，对中台，立柱支架，送料支架，上料桁架机械手，下料桁架机械手，送料桁架机械手。

工作方式：压力机非换模一侧安装有一立柱支架，配合装有两个桁架机械手，一个上料桁架机械手，一个下料桁架机械手。上料时，送料桁架机械手动作抓取上料台板料，并输送至对中台对中；上料桁架机械手至对中台抓取已对中板料送至压力机模具正上方落料；压力机冲压动作，完成后下料桁架机械手抓取已加工冲压件落件，完成一次上下料工作。

特点：较方案二，本方案选择在一侧上下料，既节省了工作空间，为压力机单侧换模便利，又能够实际生产中针对多品种有选择的进行自动和手工上下料模式切换，且在同一根横梁支架上动作，节省了一定的成本，具有较高的灵活性，高效稳定，加工精度高，针对企业生产现状，较好的解决了人工上下料的弊端，节约了人工成本，以较低的成本和形式，实现了上下料自动化，提高了企业竞争力。

7 结论

本文对企业冲压生产现状进行考察分析，包括冲压生产工艺、生产方式及压机结构特点，并以汽车覆盖件加工实例进行阐述，发现并总结现存问题，针对单机提出取代人工上下料生产方式的自动化上下料方案，通过多种方案对比，提出最终可行性方案即方案三。该方案高效稳定，灵活性高，成本低，较好地实现单机上下料自动化，为企业节省人工成本，提高企业综合竞争力。