大型覆蓋件沖壓車間工藝設計要點淺析

文／代二國·東風商用車有限公司

大型覆蓋件沖壓車間工藝設計要點淺析

文／代二國·東風商用車有限公司

代二國，技術科主任，高級工程師，專業方向為薄板冷沖壓，主持規劃的2400t沖壓自動線和630t開卷落料線于2016年投入生產。

覆蓋件沖壓生產具有規模化、批量化、多品種化的特點。先進合理的沖壓車間工藝規劃設計，應該充分體現出自動化水平的提高、生產節拍的提升、沖壓件成本的降低以及沖壓件品質的提高等。本文結合某沖壓主機廠沖壓車間的規劃設計，闡述了如何根據生產綱領確定生產工藝及設備并進行車間工藝布置，以及在此基礎上提出配套土建及公用設施要求，供工藝設計人員參考。

沖壓工藝和設備選擇

沖壓線規劃的前提條件

隨著新車型投產及產量攀升，同時伴隨沖壓行業零件大型化、質量標準的不斷提高，工廠沖壓生產條件面臨幾方面的主要問題亟待解決。

⑴大型沖壓件的生產負荷問題。根據生產綱領，以現有條件核算，大型沖壓件的生產負荷問題將在今后幾年內愈演愈烈，達到甚至超過150%的程度，遠遠超出生產能力范圍。而周邊地區沒有大型沖壓件的批量生產能力，所以必須新增大型沖壓生產線解決該問題。

⑵產品質量保證能力。隨著市場對中重載商用車質量要求的提高，工廠迫切需要提升沖壓質量保證能力，以此支撐質量標準，提高生產效率，降低生產成本。質量保證能力的提高是對應沖壓全過程的整體改善工程，必須從原材料準備、沖壓生產、倉儲物流等多方面綜合布局，改變、改善生產條件，提升管理水平。

⑶壓力機噸位不足。高端商用車車型的導入，不但提高了工廠大型件（增加20個流水）的生產負荷，同時對壓力機噸位需求超出現有條件。目前企業最大壓力機額定噸位1600t，最大件實際需求超過2200t。結合工廠實際，綜合核算經濟性得出結論：需要引進更大噸位的壓力機，結合公司產品發展規劃及行業規律，定義為最大額定噸位2400t。

⑷生產效率低下，工人勞動強度大。工廠沖壓生產線均為手動生產線，大型件效率較低，SPH不超過240次。同時，工人勞動強度較大，單班經手質量超過10t，最大超過15t。

綜合以上分析，同時結合工廠對于安技環保、庫存管理、技術先進性等方面的提升訴求，需要完成以下建設內容：⑴對現有條件進行清理、改造、整合，以適應“沖壓中心”項目分期建設需要。⑵更新630t開卷落料線1條。⑶新建2400t沖壓自動化生產線1條。⑷同期完成諸如模具改造、廢料線、起重設備、物流設備、工位器具等方面的配套。

生產工藝及設備

沖壓車間的生產工藝主要有沖壓毛坯的生產和沖壓件的生產，其他還有試模、模具維修、沖壓件返修、廢料輸送等輔助工作。

⑴坯料生產。落料是將卷材加工成沖壓件生產所需的料片，其生產工藝為：卷材上料→開卷→剪料頭→清洗→校平→送進→落料壓機落料或剪切→堆垛。

為滿足料片生產，車間需配備全自動開卷落料生產線或全自動剪切生產線，其中前者既可用于落料又可用于剪切，后者僅可用于剪切。目前國內該類設備以進口為主，國產為輔。開卷落料線實例如圖1所示。

由于開卷落料線的價格較高，所以在配置經濟性上需有一定考慮，通常一條開卷落料線的產量可匹配三條全自動機械式沖壓生產線的產量，在選配該設備時需根據車間產品和產量而定。

圖1 開卷落料線

⑵沖壓生產。

大型覆蓋件沖壓生產工藝主要有拉深、切邊、翻邊、成形、沖孔、整形等，根據沖壓件形狀、結構的不同有所調整、組合，部分產品的典型生產工藝為：1)整體門框。拆垛上料裝置→拉延成形→修邊沖孔→斜楔修邊沖孔→翻邊整形→下線。2)頂蓋板。拆垛上料裝置→拉延成形→修邊沖孔→斜楔翻邊整形→整形沖孔→下線。

沖壓生產的壓機連線布置，壓機的數量則需根據沖壓件成形工藝及沖壓模具形式來定，三序、四序、五序、六序皆有，一般以四序居多。應該說工序越少則相應壓機數量越少，車間固定投資就越低，但同時需考慮模具設計的可行性及模具復雜后所引起的費用增加。而壓機設備的參數如公稱壓力、臺面尺寸、閉合高度等需根據產品工藝而定。壓機線數量的選擇則根據產品、產量、壓機線生產率而定，公式為：壓機線數量=∑(模具套數×生產綱領)÷壓機線生產率(ASPM)÷設備年時基數。

其中，1)模具套數和生產綱領為規劃時已定。2)壓機線生產率同壓機本身運行速度及沖壓件的輸送方式相關，壓機運行速度為設備固有數值，而沖壓件輸送一般有兩種形式，一種為手工上下料，另一種為全自動上下料(分為機器人和機械手)，機械手的輸送速度最快，其次為機器人輸送，人工最慢，相應地投資也是由高到低。3)設備年時基數可從《機械工廠年時基數設計標準》中查取，或者根據公司體制從相關文件規定中獲得。1×2400t+3×1000t全自動沖壓生產線如圖2所示。

⑶輔助區域。

1)模具維修。沖壓車間內一般設置簡單機修設備用于模具的日常小修，若壓機生產線負荷率較高，則需要在模具維修區域設置試模壓機，試模壓機的參數與生產線上最大設備的參數相同。

2)廢料輸送。沖壓生產中會產生沖裁下來的廢料，在壓機線基礎上可設廢料輸送線用于收集廢料并集中排出。

3)沖壓件返修。在線上下料的沖壓件需設置整修區域用于整修沖壓件毛刺及表面缺陷。

圖2 1×2400t+3×1000t全自動沖壓生產線

車間布置及物流

車間布置

根據沖壓件生產工藝，沖壓車間一般由卷料存放區、開卷落料生產區、料片堆放區、模具堆放區、模具維修區、沖壓生產區、沖壓件暫存區、沖壓件維修區等組成，另外還有廢料間、叉車存放區域、車間辦公區、生活區等。圖3所示為沖壓車間布置。

物流

沖壓車間的物流路線是比較清晰明了的，主要是以下幾條線路。

⑴沖壓生產，生產物流路線如圖4所示。

將云服務提供商履行SLA的程度，作為信任模型的評估證據，更準確地表達CSP的可信性。本文評估云服務提供商信任過程中檢測這些指標是否得到了切實的保證，并且利用馬爾科夫模型預測CSP不能保證這些指標的可能性，提前對CSP進行調整。如果CSP及時地進行了調整，則認為CSP履行了其承諾，則信任值高，反之就低。

⑵模具，模具物流路線如圖5所示。

土建及公用配套要求

在沖壓車間的生產綱領、工藝、設備均確定以后就要對土建提出相應的要求，以滿足生產需要。

土建

⑴車間尺寸。

1)車間跨度。主要根據壓機換模的形式而定，通常壓機有3種上模形式：前面上模、側面上模、左右上模。其中前上模所占面積最小，跨度為15m的廠房即可；側上模其次，廠房跨度要求24m；左右上模所占面積最大，目前沖壓車間通常均采用全自動生產線，為提高整線生產效率也以采用左右上模居多，這也決定了沖壓車間的跨度一般為30m或36m。沖壓件倉庫的跨度一般要求在24m以上，以方便叉車運輸。

圖3 沖壓車間平面布置簡圖

圖4 沖壓生產的物流路線

圖5 沖壓模具的物流路線

2)車間長度。根據該跨內的壓機布置形式而定，一般全自動沖壓生產區域所需長度為60m左右，模具堆放區域的長度需根據模具數量來測算。若一跨只布置一條沖壓線，一般車間長度在120m左右即可，若模具數量多，則車間還需適當延長。相應開卷落料跨的長度也為120m。

3)柱距。考慮到跨與跨之間的模具運輸及設備維修時所需的壓機大件運輸要求和廠房的經濟性，沖壓車間的柱距一般設置在9～12m之間。

4)車間高度。沖壓車間的高度根據壓機高度而定，由于生產大型覆蓋件的壓機一般最大為2400t壓機，其地面以上高度約為11～11.5m，考慮安全距離后，車間天車的軌頂高度一般為13～14m，再根據所選天車的高度可定出沖壓車間屋架下弦高度約為17m。其中壓機和天車的選用對車間高度的影響至關重要。開卷落料跨的高度受開卷落料線上壓機影響，軌頂高度為12m。沖壓件倉庫的高度根據所堆沖壓件料架的高度及層數而定，僅考慮叉車運輸的倉庫一般為7m即可。

⑵建筑形式。

沖壓車間的建筑形式一般有混凝土結構、鋼結構、鋼混結構三種形式，可視具體項目而定。以前沖壓車間以混凝土結構居多，而現在由于鋼結構的造價與混凝土相差不多，而且鋼結構的制作、安裝簡單方便且建設周期短，所以目前大多數沖壓車間均采用鋼結構形式。

車間地坪要求干凈、耐磨。環氧樹脂地坪、高強度耐磨地坪均可，要求更高的也可使用鋼砂地坪。

⑶載荷要求。

1)壓機載荷。根據壓機荷重、換模小車重量、模具重量而定，由于機械壓力機在工作時會產生很大的沖擊荷載，所以在計算壓機載荷時需考慮動載荷。

2)天車載荷。沖壓車間所用天車一般需選用32t和50t天車，需根據天車產品規格提出自重、輪壓、輪距等參數。

3)地坪荷載。沖壓車間除壓機線區域外，大部分面積用于堆放模具，一般模具堆放層數為二層，所以車間的地坪荷載為100kPa左右。卷料或板料堆放區域需根據堆放形式而定，使用專用料架堆放并超過二層的話，地坪荷載需考慮150kPa。

4)管線荷載。沖壓車間柱子上會有水、電、氣、風、消防等管道，其載荷在計算時需一并考慮。另外，在壓機線邊的柱子上，一般需設電柜平臺用于放置壓機及自動化裝置的配電柜，該柱子的荷載也需考慮。

⑷壓機基礎。

沖壓車間內自動化壓機線的基礎是一項非常重要的土建內容，其形式有獨立基礎、貫通式基礎、地下室基礎三種形式。獨立基礎為壓機線上的每臺壓機均為獨立基礎，互相之間不連通，這一基礎形式造價最便宜，但每臺壓機設備需要單獨出廢料，并在車間內運輸，相對大批量生產而言，會對車間生產和物流產生很大的影響，所以這種形式目前不多見。貫通式基礎是將每臺壓力機基礎貫通布置，并在基礎內設置廢料輸送線，收集沖壓廢料，并集中輸送到廢料間，由于這一形式使廢料物流與生產物流完全分開，同時增加了壓力機維修的方便性，故目前較常用。地下室基礎是在壓力機范圍內做一地下室或將壓機線布置在二樓，由于這一形式使壓力機基礎成為一個大空間，除布置壓力機設備、廢料輸送線外還可布置公用動力、配電設施及部分維修區域，使車間使用面積大大增加，但由于造價過高，目前使用也不多。

貫通式壓力機基礎根據設備情況而定，不同供應商的產品數據會有所不同，通常4工位的壓機線地坑凈寬9.5m、深7m、長約35m。除此之外，還需為廢料輸送線主線設置地坑，其與壓力機地坑相接并垂直布置，深度同壓力機地坑相同或較淺，寬度約為4m。

公用動力配套設施

沖壓車間的公用配套設施一般較為簡單，水、電、氣為設備必需，另外就是根據項目情況決定是否上送冷風、采暖、除濕等設施。

⑴電。電力是沖壓車間使用的主要能源，使用區域主要集中在全自動沖壓線和開卷落料線，所以車間變壓器在布置時盡量靠近設備。

⑵壓縮空氣。沖壓車間內的用氣點主要在沖壓設備、模修、沖壓件維修等區域，壓縮空氣的品質要求為：氣源壓力6bar，壓縮空氣中油的含量為25mg/m3，顆粒直徑40μm，顆粒含量10mg/m3。

⑶循環冷卻水。循環冷卻水主要用于壓力機設備，進水溫度32℃，出水溫度37℃，需要使用軟水或純水以防結垢損傷設備。

⑷生產環境。為了防止沖壓件生銹，車間的相對濕度應控制在65%以內。因沖壓件表面質量要求，車間需要清潔的環境，除地面需防塵處理外，正式生產前廠房需要做深度清潔，生產時也要嚴格控制空氣中的含塵量。

表1 四工位沖壓線人員配置對比

⑸其他。1)消防。沖壓車間屬戊類生產，其對消防、排煙等均無特殊要求。2)環保。沖壓車間所產生的環境影響主要為壓力機生產所引起的噪聲、振動和廢料輸送線所引起的噪聲。所以沖壓車間的門、墻需用隔聲材料，窗用雙層真空玻璃窗，而壓力機下需安裝隔振墊，以減小噪聲及振動對周邊環境的影響。當然在總圖布置時也必須考慮沖壓車間周邊盡量減少住宅、學校、醫院等民用設施。

車間人員規劃

自動線與手工線相比，每班人數明顯減少，人員配置由高勞動負荷的沖壓工向高技能要求的自動化操作人員轉變，工人體力勞動強度降低，如表1所示。

相對自動化線，人員配備差異較大的原因主要在于對生產穩定性、質量穩定性的重視程度：對于大型件，自動化線的產能是手動線的3倍以上，自然設備保全、模具保全人數更多，以維持穩定生產。同時，增加大量在線檢查人員以及早發現質量問題，維持質量穩定。需要注意的是，新增加工種的技能、素質需要培訓儲備。

結束語

沖壓車間負荷較大，對土建、公用配置的要求較高，本文從工程設計的角度出發，對沖壓車間在設計中所涉及的幾個方面進行了統一闡述，希望對負責設計該類型車間的工藝技術人員起到參考作用。