王軍，張文旭，楊程，成小樂，胡陽虎，張宗元

(1. 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，陜西 西安 710032；2. 中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；3. 西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 前言

鍛造行業(yè)耗材、耗能，下料是鍛造工藝的第一道工序，下料工藝的選擇是否合理不僅關(guān)系到鍛件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、原材料和能源消耗、也關(guān)系到環(huán)境保護、生產(chǎn)成本和企業(yè)的發(fā)展。一些工業(yè)發(fā)達國家在上世紀80年代就已經(jīng)完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，由剪切精度低、節(jié)能、節(jié)材效果差的普通棒料剪切，向剪切精度高、節(jié)材、節(jié)能效果好的精密剪切轉(zhuǎn)型。我國也將精密剪切納入了鍛造行業(yè)節(jié)能減排課題[1-5]。

鍛造下料中節(jié)能減排是盡量以無屑加工代替有屑加工，以精密剪切取代自由剪切，以一次加熱取代二次加熱，使原材料和能源消耗達到國際先進水平，噪聲、室內(nèi)氣體和污水排放符合環(huán)保要求。

生產(chǎn)中對于大規(guī)格棒材即直徑在Ф50～Ф60 mm以上的棒材，為了降低設(shè)備噸位，提高下料模具的使用壽命，一般普便采用先加熱到一定溫度再剪切成相應(yīng)尺寸的坯料。對于一些質(zhì)地較硬的合金鋼，例如軸承鋼GCr15，為防止在室溫剪切時出現(xiàn)剪切裂紋影響后續(xù)的鍛造工藝和鍛件質(zhì)量，也常采用先加熱再剪切的方式來獲得相應(yīng)的坯料[7-11]。

這一類坯料備料的普遍方式是加熱，剪切，儲存，然后運送到鍛壓機或生產(chǎn)線，再次加熱后鍛造。如普通的軸承鋼下料方法就是將軸承鋼加熱至700～800 ℃，在剪切機上剪切后放置在料斗上自然冷卻，鍛造時需要二次加熱到鍛造溫度開始鍛造(俗稱兩火鍛)工藝，這種下料方式獲得的坯料精度不高、材料利用率低、能耗大、坯料需要二次加熱，坯料庫與加熱爐之間難以實現(xiàn)機械化運輸，增加運輸成本[6]。在熱模鍛機上進行無飛邊模鍛時，這種鍛造過程要求坯料體積隨時可以改變，事先剪切好的坯料難以實現(xiàn)這一點，從軋鋼廠出來的熱軋棒材，一般其截面的面積變化范圍為4%，如果采用正常的剪切工藝，通常是遠離生產(chǎn)線的，所得到的坯料往往是體積過大或過小相混雜的，普通的剪切工藝一般不考慮因模具磨損而引起的體積變化。

國外先進的鍛造企業(yè)已經(jīng)使用原棒材或方坯直接加熱到鍛造溫度，然后剪切得到相應(yīng)坯料，接著鍛造成形。這種下料方式稱為高溫剪切下料也叫鍛造溫度下料，這種下料工藝可有效的節(jié)能節(jié)材和實現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)化，大大降低了生產(chǎn)成本。

本文系統(tǒng)的介紹了高溫剪切下料工藝，分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，根據(jù)高溫剪切下料存在的問題，基于現(xiàn)有設(shè)備提出了高溫剪切下料技術(shù)的發(fā)展方向，并對高溫剪切下料的應(yīng)用前景進行了總結(jié)和展望。

1 高溫剪切下料工藝及國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.1 高溫剪切下料工藝

高溫剪切下料分兩種形式：一種是在棒料感應(yīng)加熱器出口處安裝熱剪機，這種形式主要用于自動線。另一種是在多工位自動壓力機上設(shè)置剪切工位，這種形式多用于多工位自動壓力機上。

自動線上的下料是將備料工序包括在鍛壓自動線上的一種形式，根據(jù)鍛壓所需坯料的直徑配備剪切設(shè)備。

鍛造工藝的高效化和完善化實現(xiàn)的主要方式是：當(dāng)大批量生產(chǎn)時，建立機械化、自動化、擁有自動加熱裝置、采用棒料模鍛、實現(xiàn)在鍛造溫度下的高溫剪切下料，以此來實現(xiàn)生產(chǎn)線連續(xù)化自動化生產(chǎn)，因此高溫剪切下料工藝的主要形式是在棒料感應(yīng)加熱器出口處安裝熱剪機，應(yīng)用于自動線上。

在國外有將剪切機通過加料機與熱模鍛壓力機連接，組成半自動鍛壓生產(chǎn)線如圖1所示。在加熱器的出口，有一臺棒料剪斷機，能在鍛造溫度下對坯料進行高溫剪切，且剪切獲得的毛坯尺寸精度高，并且斷面平直，切下來的熱坯料經(jīng)送料機送入壓力機，實現(xiàn)半自動化的鍛造[7]。例如，BOFORS公司的160 MN熱模鍛壓力機鍛造曲軸、前軸全自動線，為了節(jié)省工時，在感應(yīng)加熱爐的出口處配置液壓傳動的2 MN熱剪機，進行高溫下料。在與熱鍛機相連的感應(yīng)加熱爐出口配置熱剪機進行高溫剪切下料，獲得的毛坯的質(zhì)量準確、斷面平直、坯料可直接進入鍛壓機鍛造成型。

在多工位自動壓力機上配置熱剪切設(shè)備，可減少坯料的運輸，節(jié)約能源，達到更精確的剪切，很容易滿足精鍛毛坯的質(zhì)量要求。如瑞士HATEBUR公司制造的AMP系列高速熱鍛機具有熱剪切裝置可用于高溫剪切下料。另一個例子是德國Eumuco公司設(shè)計生產(chǎn)的無飛邊模鍛前輪鍛造自動線上的多工位熱模鍛機，也可以進行高溫剪切下料剪切。

圖1 半自動鍛壓生產(chǎn)線

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在國外采用高溫剪切下料較為普遍，例如在熱模鍛機上進行無飛邊模鍛法蘭、齒輪類鍛件和軸承環(huán)鍛件時采用高溫剪切下料。

國外企業(yè)大都使用長棒料加熱，因此配置熱剪切機更為常見。意大利西蒙鍛造廠(SIMONSRL)10、12、16、18、25 MN熱鍛壓機生產(chǎn)線5條，主要用于閉式鍛造生產(chǎn)法蘭、齒輪等鍛件。在感應(yīng)加熱爐出口全部安裝液壓熱剪切機，包括ELIND公司設(shè)計制造的Ф80 mm熱剪兩種見表1，F(xiàn)ICEP公司生產(chǎn)的Ф100 mm和Ф140 mm各一臺。[7-11]

表1 ELIDN T型熱剪機可剪坯料尺寸 mm

目前中國鍛壓企業(yè)基本上沒有采用熱剪機，且目前國內(nèi)還沒有專業(yè)的長棒料熱剪機制造廠家，雖然一些私營企業(yè)也設(shè)計生產(chǎn)長棒料熱剪切設(shè)備，但受限于技術(shù)能力，最多只是模仿制造業(yè)發(fā)達國家熱剪機結(jié)構(gòu)外形，為了減少投資，結(jié)構(gòu)相對簡單，功能比較單一，實用性不大，在小型鍛造生產(chǎn)線上還能勉強使用，但在大中型鍛壓生產(chǎn)線和高效自動化生產(chǎn)線上使用就難以滿足生產(chǎn)要求。

南平鋁業(yè)有限公司通過分析國外熱剪的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合自身在生產(chǎn)維修中的經(jīng)驗，自主開發(fā)，加以創(chuàng)新，實現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化，使設(shè)備達到國際先進水平，該設(shè)計與國外同類熱剪設(shè)備的對比如表2所示[10]。

表2 與國內(nèi)外同類熱剪設(shè)備對比分析

軸承鋼的一火鍛工藝下料是目前大力推廣的工藝，而一火鍛工藝下料技術(shù)需要在鍛造溫度下剪切下料，如果使用傳統(tǒng)的冷剪機剪切下料會由于剪切行程不足、獲得的毛坯精度差、軸線彎曲度大、端面出現(xiàn)明顯的馬蹄形壓塌、不能保證后續(xù)的鍛造工序的順利進行。且因為目前國內(nèi)沒有專門針對鍛造溫度下料的高溫剪切設(shè)備，所以大多數(shù)用戶采用在普通的鍛壓機上配置自制模具進行熱剪切，這樣獲得的毛坯尺寸精度不高。沈陽建興利鍛壓機床廠對日本的剪床測繪后經(jīng)過若干的改進設(shè)計了相關(guān)的QR42系列高溫剪切機其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3所示[6,9]。

表3 QR42系列剪切機相關(guān)技術(shù)參數(shù)

目前國內(nèi)高溫剪切雖沒有廣泛應(yīng)用，但隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,高溫剪切下料技術(shù)必將會得到鍛造企業(yè)的青睞。

2 高溫剪切下料工藝的發(fā)展方向

高溫剪切主要包括加熱、剪切、送料3個工序。其中剪切決定著坯料的質(zhì)量，影響著鍛件的質(zhì)量，是整個高溫剪切下料工藝最重要的工序。

2.1 剪切工序

2.1.1剪切工序下料方式

國內(nèi)外學(xué)者為提高棒料的剪切精度進行了深入的研究，認為影響棒料剪切精度的關(guān)鍵問題有兩點：坯料的剪切過程中彎曲；剪切的坯料體積有正負超差。

普通的棒剪模具通常由平刀或圓弧形刀組成。在剪切過程中，被剪坯料不僅受到動靜剪刃的剪切力，而且在剪刃剪切力的作用下產(chǎn)生向下彎曲如圖2所示。因此，動靜剪刃和剪切的坯料沿著剪刀不均勻地接觸，在剪切面附近區(qū)域局部接觸，從而增加了該局部區(qū)域的應(yīng)力如圖2所示。這種大的局部接觸導(dǎo)致金屬塑性變形。在變形過程中金屬沿著剪切面橫向流動，導(dǎo)致剪切坯料端面塌陷形成圖3所示缺陷。變形的金屬在軸向流動，使得被剪坯料端局部伸長。在這種變形后被切割的坯料形成圖3所示的形狀(所謂的“馬蹄形”)，有限元模擬結(jié)果也驗證了上述分析[12-14]。

圖2 普通棒料剪切受力圖

圖3 剪切缺陷

從圖2、圖3可以看出，剪切過程中剪切面處的受力狀態(tài)決定著棒料剪切毛坯的斷面質(zhì)量，這是提高剪切毛坯質(zhì)量精度的一個主要問題。

為確保精密鍛造和擠壓等精密成型工藝的順利進行，需保證坯料的體積(重量)誤差很小。鍛壓廠目前廣泛使用的熱軋圓棒直徑誤差較大，而傳統(tǒng)的坯料下料方式料和鍛壓生產(chǎn)線分離，只是根據(jù)坯料的長度定位，獲得的坯料的體積(重量)都有較大的正負誤差。為了解決這個問題，一些國外企業(yè)使用計算機與自動稱量設(shè)備配合，根據(jù)測量所剪切坯料直徑來確定毛料長度，通過自動調(diào)整定位塊的位置，確保所剪切的坯料體積(重量)公差在允許范圍。但系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高、設(shè)備投資大、對工作環(huán)境要求也高。

為解決此問題，首先必須改變剪切過程中的剪切面受力狀態(tài)。就是要減少在剪力的作用下棒料向下彎曲的可能性，如圖4所示為斜面加壓剪切形式。

圖4 斜面加壓剪切形式

研究發(fā)現(xiàn)改變移動剪刀的動作形式，從傳統(tǒng)的直線形運動到圍繞一點的弧形擺動，如果其擺動中心位置的設(shè)計合理，將有助于補償馬蹄形缺陷，如圖5所示。在剪切過程中，剪切坯料由于剪切力P和P′作用下逆時針旋轉(zhuǎn)，并且由于R>R’，點A的位移大于點B的位移。待剪切坯料端的B點向上移動以被剪坯料向下彎曲，從而減少了剪切毛坯的傾斜角和塌陷。

圖5 斜面加壓剪切機理

其次就是要解決傳統(tǒng)下料工藝造成的坯料的體積超差。將備料工序包括在鍛壓生產(chǎn)線中，熱剪機上設(shè)有測量儀器以保證定位和測量所切坯料的長度，這樣便保證了切斷長度的均一性。當(dāng)棒料變短，廢料探測器可以鑒定料頭，以保證不論是過長或是太短的料頭，不至于進入壓力機。同時通過采用電子計算機控制，在需要改變坯料體積時，可立即給剪切測量儀器一個信息，測量儀器根據(jù)每一種材料的要求進行自動調(diào)節(jié)。棒料在加熱前自動稱量，每單位長度的質(zhì)量是一定的，鍛件的體積輸入計算機，而儀器自動按每一種棒料的要求重新調(diào)整，質(zhì)量偏差在±1%以內(nèi)，全自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率提高，生產(chǎn)投資成本降低。這種下料方式將是今后的發(fā)展趨勢。如圖6所示為其中的一種剪切機控制示意圖[7]。

2.1.2剪切設(shè)備和剪切模具

高溫剪切需要更長的行程才能使刀片掃過整個斷面。剪切刀片在下料生產(chǎn)中要采取有效的冷卻措施，材料為耐熱工具鋼，而且高溫剪切間隙小?，F(xiàn)有棒料剪切機實現(xiàn)剪切的方式有機械式、氣液式和液氣式。普通的機械式由于工作行程短，主要應(yīng)用于直徑較小棒料的剪切，不適合棒料的高溫剪切,但日本萬陽株式會社發(fā)明的杠桿式壓力機的公稱載荷是將曲柄滑塊發(fā)生的載荷經(jīng)過杠桿放大約2.5倍，再傳遞到滑塊上。因此,杠桿式壓力機的公稱載荷能力比普通的曲柄壓力機的公稱載荷能力大，壓力行程長，適宜于大規(guī)格棒料的高溫剪切下料，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。缺少緩沖和回程太慢是氣液式的最大缺點；液氣式雖然克服了氣液式的缺點，但控制方式還是過于復(fù)雜。本文介紹一種液液式的即剪切油缸的工作行程和回程都使用液壓油，其結(jié)構(gòu)如圖8所示[15-16]。

圖7 杠桿式壓力機

圖8 精密棒料剪切機結(jié)構(gòu)圖

下料模具如圖9所示。套筒刀、活動刀板(方形4口型)基體材料為45#鋼，熱處理后硬度為HRC28～40；工作刃口部位用A402( E310-16) 耐熱不銹鋼焊條堆焊，如果刃口部位使用中有磨損、裂紋等缺陷出現(xiàn)，只需再重復(fù)堆焊一遍，然后在車床上加工至需要尺寸，即可再次使用。堆焊前對基體進行預(yù)熱，堆焊后進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?回火)，既可以提高堆焊層熔敷金屬的性能，又能減小或消除殘余應(yīng)力，改善過渡區(qū)金屬結(jié)合性能下料生產(chǎn)中要采取有效的冷卻措施對模具進行充分冷卻，以提高使用壽命[21-26]。

圖9 改進后的下料模具

2.2 加熱工序

棒料在剪切前需加熱,但因加熱溫度較高(在鍛造溫度),會產(chǎn)生少量的氧化皮,因此不建議采用燃氣爐火焰加熱，應(yīng)盡可能采用低頻、中頻和工頻電加熱爐進行加熱，并在加熱爐出口處都設(shè)由高壓水除鱗設(shè)備用于去除加熱時產(chǎn)生的少量氧化皮。

2.3 送料工序

熱剪切是先將坯料加熱至一定溫度然后剪切，剪切得到的坯料放置在專門的料斗中冷卻至室溫，待需要進行鍛造時由專門的送料小車送至加熱爐后進行二次加熱，這種送料方式投資成本高，人工干預(yù)比重大，增加了勞動強度。這種送料方式顯然不適合高溫剪切工藝，高溫剪切工藝是在線剪切，剪切得到的坯料直接送入鍛壓機進行鍛造，這就要求送料機構(gòu)實現(xiàn)自動化和連續(xù)化送料，設(shè)計一種自動化的送料線是目前的最重要的工作，圖10所示為一種數(shù)控沖床送料設(shè)備。

圖10 送料設(shè)備

3 結(jié)論

本文總結(jié)了高溫剪切下料工藝國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，對比普通的冷剪技術(shù)總結(jié)了高溫剪切下料的優(yōu)點，并通過對現(xiàn)有的裝備和技術(shù)水平進行分析提出了高溫剪切下料工藝的剪切形式和發(fā)展方向。

(1)在國外采用高溫剪切下料較為普遍，例如在熱模鍛機上，無飛邊模鍛法蘭、齒輪類鍛件和軸承環(huán)鍛件時采用高溫剪切下料。相關(guān)企業(yè)也已研制開發(fā)了多種類型的熱剪機用于高溫剪切下料。

(2)目前國內(nèi)高溫剪切雖沒有廣泛應(yīng)用，只有少數(shù)企業(yè)對高溫剪切下料工藝有一定的應(yīng)用和研究，但其熱剪切機大多是對國外先進熱剪切機的結(jié)構(gòu)外形仿制，下料精度不高，坯料體積超差，但隨著工業(yè)的發(fā)展,該項工藝和設(shè)備必將會得到鍛造企業(yè)的重視和青睞。

(3)通過對現(xiàn)有裝備和技術(shù)水平的分析提出，高溫剪切下料技術(shù)的發(fā)展方向是將備料工序包括在鍛造工藝中，同時采用計算機控制使得生產(chǎn)線自動化程度更高。

(4)通過對影響坯料剪切精度的主要因素的分析，提出了斜面加壓剪切是最合適的金屬棒料高溫剪切下料的剪切形式。

21世紀節(jié)能、節(jié)材的綠色剪切下料方式被越來越多的重視，高溫剪切下料由于其工藝的先進性也逐漸被企業(yè)重視和青睞，在今后的工業(yè)發(fā)展中高溫剪切下料工藝將逐漸替代普通的冷剪切應(yīng)用于鍛造行業(yè)的下料。