Master's Thesis

Automation of an axisymmetric forging production line

Final Thesis 6.53 MB Appendix 937.08 kB

Author of thesis: Bc. Zdeněk Kolář

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Řiháček, Ph.D.

Abstract:

This Master's thesis deals with the design of manufacturing technology for a connection piece made of S355J2 low-carbon steel and the automation of the workstation designated for its production. Among the considered manufacturing methods, hot die forging technology was selected for production. A suitable forging shape was designed for the component, for which an initial billet in the form of a round bar with a diameter of 90 mm and a length of 154 mm was determined. The calculated forging force of 13.06 MN confirmed the technological capability of the LVH 4000 hydraulic screw press. A three-operation forging process was designed, for which modular dies and an upsetting punch were developed. The tool design was verified using forging simulation in Simufact Forming software. Automation is implemented using four KUKA robots for handling and lubrication. To verify the proposed automation and determine the line cycle time, a simulation was conducted in the Siemens Process Simulate environment in cooperation with DEL a.s. By implementing a multi-nozzle lubricating arm, the cycle time was reduced from 28 s to 25 s, resulting in an annual production increase of 96,000 pieces.

Keywords:

die forging, automation, robotics, S355J2 steel

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Diplomant seznámil komisi s obsahem a výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky vedoucího, oponenta a dalších členů komise. V průběhu obhajoby byly zodpovězeny následující doplňující otázky: 1. Jaká byla motivace použít Vámi zvolený materiál? zodpovězeno 2. V jakém stavu je nyní řešený projekt ve spolupracující firmě? zodpovězeno 3. Co si představujete pod pojmem Průmysl 4.0? zodpovězeno 4. Co je to digitální dvojče? zodpovězeno Otázky členů komise byly zodpovězeny.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Manufacturing Technology (N-STG-P)

Specialization

Manufacturing Technology and Management in Industry (STM)

Composition of Committee

doc. Ing. Karel Kouřil, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D. (místopředseda)
doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jan Řehoř, Ph.D. (člen)
Ing. Michael Fafílek, Ph.D. (člen)
Ing. Martina Sasínková, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Dvořáček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Miroslav Jopek, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Zdeňka Koláře se zabývá aktuální problematikou automatizace kovací linky pro výrobu rotačně symetrických výkovků. Autor zvolil téma odpovídající současným trendům v oblasti průmyslové automatizace a Průmyslu 4.0, které reflektují jak technologický vývoj, tak i změny na trhu práce a snižující se dostupnost kvalifikované pracovní síly.

Autor se v práci zaměřuje na robotizaci a automatizaci kovacích linek pro výrobu rotačních výkovků z oceli. Cílem práce bylo zpracovat literární rešerši v oblasti manipulace v kovárenské výrobě, analyzovat dostupné technologie a navrhnout koncepční řešení automatizace. Autor tento cíl v zásadě naplnil a výsledkem je návrh komplexního uspořádání kovací linky se zaměřením na manipulaci a optimalizaci výrobního taktu. Řešeným výrobkem je přípojka k tlakové lahvi. Autor na základě porovnání variant zvolil technologii zápustkového kování, která odpovídá výrobnímu zaměření společnosti CPF, modernizující své kovárenské pracoviště vybavené lisem LVH 4000 a ostřihovacím lisem LKO 500. Autor provedl návrh výkovku včetně konstrukce uzavřené výronkové drážky a následně zpracoval kontrolní výpočet kovací síly dle normy ČSN 22 8306. Výrobní postup byl stanoven ve třech operacích, pro které byly navrženy odpovídající nástroje (kovací zápustky a pěchovadlo). Navržené řešení autor ověřil numerickou simulací v programu Simufact Forming 16.0, což zvyšuje věrohodnost zvoleného technologického postupu.V další části práce autor navrhl koncepci automatizace pracoviště s ohledem na jeho dispoziční možnosti. Pro manipulaci s výkovkem zvolil průmyslové roboty KUKA, které zajišťují materiálový tok mezi jednotlivými operacemi – od indukčního ohřevu přes kovací lis až po ostřihování a paletizaci. Mazání zápustek autor řeší robotem KUKA s aplikační hlavicí pro nanášení grafitového maziva. Manipulace s odpadem z děrování a ostřihování řešil standardním dopravníkovým systémem pod ostřihovacím lisem. Autor ve spolupráci s firmou DEL a.s. provedl verifikaci navržené manipulace v prostředí Siemens Process Simulate a vyhodnotil časovou strukturu jednotlivých operací. Jako kritický bod procesu identifikoval mazání a ofukování zápustek. Na základě této analýzy navrhl alternativní řešení s robotickým mazacím ramenem umožňujícím paralelní obsluhu více pozic. Simulační ověření prokázalo zkrácení taktu linky z 28 s na 25 s, což představuje relevantní zlepšení procesní efektivity. Ekonomické vyhodnocení s ohledem na navýšení roční produkce o cca 96 000 ks vyznělo ve prospěch této varianty.

Po celou dobu zpracování práce autor prokazoval odpovídající míru samostatnosti a systematický přístup k řešení zadaných úkolů. Pravidelně konzultoval postup prací, připomínky vedoucího zapracovával a v technických otázkách prokazoval schopnost hledat vlastní řešení. Pozitivně lze hodnotit zejména jeho schopnost analytického myšlení a orientaci v komplexním technologickém celku. Předložená diplomová práce splňuje požadavky kladené na závěrečné práce navazujícího magisterského studia. Autor prokázal schopnost řešit komplexní inženýrský problém, aplikovat teoretické znalosti v praxi a interpretovat výsledky technicky korektním způsobem. Celkově lze práci hodnotit jako zdařilou a odborně přínosnou.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Řiháček, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Zdeňka Koláře se zabývá vysoce aktuálním a průmyslově využitelným tématem, kterým je návrh technologie výroby přípojky z nízkouhlíkové oceli S355J2 a následná automatizace kovacího pracoviště určeného pro její produkci. V rámci práce byl úspěšně navržen vhodný tvar výkovku a stanoven výchozí polotovar. Výpočtem stanovená kovací síla potvrdila technologickou způsobilost zvoleného strojního vybavení, konkrétně lisu LVH 4000. Pro samotnou výrobu autor navrhl tříoperační postup kování, pro který zhotovil modulární zápustky a pěchovadlo.

Rešeršní část práce je vypracována na dobré úrovni, poskytuje solidní teoretický základ pro navazující návrhovou část a svědčí o dobré orientaci autora v řešené problematice. Z hlediska formálního zpracování a jazykového projevu je text na odpovídající úrovni. V textu se sice vyskytují občasné překlepy, ty však nijak zásadně nesnižují srozumitelnost či odbornou kvalitu dokumentu a jiné větší formální problémy se zde neobjevují.

V praktické návrhové části práce je nutné velmi kladně hodnotit detailní rozvahu nad geometrií v jednotlivých krocích výroby, tedy při pěchování, předkování a dokování (kalibraci). Autor k tomuto účelu správně využil numerickou simulaci v programu Simufact Forming, což bezesporu přispělo ke zpřesnění celého procesu a jednoznačně ověřilo správnost navrženého konceptu nástrojů. Velkým přínosem práce je rovněž projekt automatizace linky s využitím čtyř robotů KUKA pro manipulaci a mazání, který byl realizován ve spolupráci s firmou DEL a.s. v prostředí Siemens Process Simulate. Přínos spočívá také v implementaci vícetryskového mazacího ramena, díky čemuž došlo ke zkrácení taktového času linky, a představuje tak ekonomický a praktický benefit. I přes nesporné kvality a vysoký přínos se však v práci nachází několik slabších míst. V technologické části postrádám bližší a detailnější popis uvažované geometrie výkovku v průběhu jednotlivých fází kování a v přílohové části mi chybí výkres teplého výkovku. Ačkoliv to nebylo vysloveně definováno v cílech práce, celkové úrovni by prospělo také bližší specifikování rozměrů zápustek, ideálně formou výkresové dokumentace. V kapitole 3.8.4, která řeší robotizaci, autor sice popisuje automatizaci pracoviště, avšak chybí zde hlubší technická specifikace zvolených čelistí robotů. Postrádám zde ověření jejich schopnosti spolehlivě uchopit požadované geometrie polotovaru i výkovku a stanovení dalších parametrů, jako je například potřebná úchopová síla. Samotný simulační software Siemens Process Simulate mohl být využit ještě o něco více. Autor mohl jeho prostřednictvím lépe dokumentovat dosahy robotických ramen v celém prostoru pracoviště, a rozšířit tak komplexní úvahu nad počtem a vybavením jednotlivých robotů. V současné podobě práce je prostorové uspořádání doloženo pouze pomocí layoutů, které jsou podle mého názoru nedostatečně popsány, v důsledku čehož se v nich čtenář může poměrně snadno ztratit.
I přes uvedené výhrady a kritické připomínky se jedná o zdařilou diplomovou práci. Předložený projekt je ucelený, metodicky správný a poskytuje cenné a prakticky využitelné informace pro reálné plánování výroby dané součásti.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Z jakého důvodu jste volil přídavek na obrábění 2,5 mm okolo celého povrchu součásti?
  2. Blíže popište parametry Vámi zvolených čelistí pro úchop a přenos polotovaru, viz obr. 78 a doložte funkčnost vašeho řešení, tj. silovou, geometrickou a kinematickou analýzu.
  3. Blíže popište zvolený systém mazání v kombinaci s použitým robotem.
  4. Blíže vysvětlete, např. s využitím layoutu, náčrtu nebo softwaru Siemens Process Simulate, trajektorie robotických ramen v procesu výroby.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová