高速圓盤鋸在精鍛行業的應用

文/徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

高速圓盤鋸在精鍛行業的應用

文/徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

多年來，國內汽車行業的高速發展，推動了汽車零部件的生產越來越多地采用精密鍛造成形。隨著精鍛應用技術的推廣和技術水平的提高，精鍛行業迫切需要找到一種優質、高效、低成本的精密下料方法。高速圓盤鋸在精鍛行業的推廣應用，使我國精鍛行業找到了與我國國情基本適應的精密下料方法。

精密鍛造具有少、無切削特征，一般都是少飛邊或無飛邊鍛造成形。因此，精密鍛造對下料的精度要求高于普通鍛造。首先是下料的坯料要求較高的體積精度，在鍛造成形時能保證充滿模腔，同時又限制形成過大的飛邊，甚至損壞模腔。其次，精鍛坯料的幾何精度要高于普通鍛造，特別是自動化鍛造線上的精鍛坯料，為保證送料順暢，對坯料的形狀精度及端面倒角等，提出了嚴格的要求。

精鍛坯料的質量要求——體積精度和幾何精度

坯料的體積精度

(1）小飛邊鍛造和開式鍛造：體積誤差1%～3%。

帶有小飛邊的精鍛件，例如汽車后軸法蘭軸、汽車發電機爪極、汽車等速萬向節滑套和汽車變速箱輸入、輸出軸精鍛毛坯等，具有小飛邊，或是開放式擠壓成形，對坯料體積精度比較寬松，下料體積精度允許在1%～3%之間。案例：汽車后軸法蘭軸、汽車發電機爪極、端面開放的汽車等速萬向節滑套、汽車變速箱輸出軸（見圖1、圖2）。

圖1 乘用車后軸的小飛邊鍛造工藝過程

圖2 汽車發電機爪極、等速萬向節滑套、汽車變速箱輸出軸

(2）一般冷鍛和溫鍛場合：體積誤差1%。

通常，采用溫-冷聯合成形的傳動齒輪精鍛件、端面封閉的等速萬向節鐘形殼精鍛件等，屬無飛邊鍛造，下料的體積精度要求達到1%左右。案例：農機傳動齒輪、等速萬向節鐘形殼、端面封閉成形的等速萬向節滑套（見圖3）。

圖3 體積誤差1%左右的精密鍛件

(3）閉塞鍛造場合：體積誤差≤0.5%。

在閉塞冷鍛、閉塞溫鍛和小規格齒輪的無飛邊成形方面，為保證成形精度和獲得一定的模具壽命，對下料的體積精度要求控制在0.5%以內。案例：電動工具傳動齒輪、等速萬向節星形套、等速萬向節三銷套、汽車起動電機減速齒環、汽車差速器行星齒輪（見圖4）。

圖4 體積精度≤0.5%的精密鍛件

坯料的幾何精度

(1）坯料的幾何精度描述。

坯料的幾何精度就是坯料的形狀精度，它包括了坯料的直線度、柱度、端面垂直度，并包括毛刺、裂紋、折疊等描述。

①剪切坯料。傳統的方法是剪切下料。普通剪切坯料的幾何精度一般不高，有毛刺、折疊等缺陷發生，很難滿足精密鍛造對坯料的質量要求（見圖5、圖6）。

圖5 剪切坯料的幾何精度描述

圖6 普通剪切的坯料

②鋸切坯料。另一種傳統的下料方法是鋸切下料。鋸切下料不會改變原材料的外形精度，因此，與鋸切有關的下料精度是長度和端面垂直度，以及兩端面的平行度誤差（見圖7）。

圖7 鋸切坯料的幾何精度描述

下料精度選擇

根據不同的精鍛產品和精鍛工藝，對下料精度有不同的選擇。表1是針對不同的精鍛工藝推薦的下料體積精度和形狀精度以及斷面質量選擇。

表1 精密鍛造推薦的下料精度

坯料形狀和尺寸要求

(1）精密的毛坯尺寸和規整的毛坯形狀有利于自動化送料。

(2）坯料與模腔間的間隙過大及不均勻都將影響反擠壓鍛件的同軸度。

(3）坯料兩端面的平行度直接影響模具壽命，特別是影響反擠壓沖頭的壽命。

因此，精密鍛造特別是冷鍛對坯料的體積精度和形狀、尺寸精度提出了嚴格的要求。

中國精密鍛造行業的國情

與歐美、日本相似，中國的精密鍛造企業主要集中在汽車零部件制造業。在歐美和日本，汽車零部件已形成大批大量的集約化生產。針對每一種零部件，都有自動化、高效率的生產設備，包括精密下料設備，例如高效率的精密剪切機床，或者用高速冷成形機將無屑下料和預鐓鍛成形形成一體化生產。

由于歷史的原因，中國的汽車零部件制造業，至今為止，還沒有完成規模化和集約化的整合。除少數外資或合資企業外，大多數企業的生產規模還處于少批量多品種生產與大批量生產并存的狀態。因此，具有極高生產效率的高度自動化下料設備有時并不適合于國內企業的生產現狀。

面對國內精鍛行業大批大量和多品種少批量生產并存的現狀，我們必須找到一種能被多種生產模式兼容的下料方法，并且能夠在下料精度和下料成本方面滿足精密鍛造的要求。

精密鍛造的下料方法

普通剪切下料

(1）普通剪切下料的優點。

①材料損耗接近零損耗；

②生產效率高，一般可達到20～80件/分鐘；

③下料成本低。

(2）普通剪切下料的缺點。

①剪切的坯料幾何精度較差，有塌頭、彎曲、毛刺等缺陷；

②坯料體積精度差，體積誤差達到3%～5%；

③有產生剪切裂紋的潛在風險。

圖8 普通斷料機及剪切的坯料

普通剪切采用曲柄-聯桿或偏心驅動的剪料機（見圖8）。

結論：普通剪切不適合于大多數精密鍛造場合。

當代先進的精密剪切概念——約束剪切

當代先進的精密剪切為高速剪切和約束剪切。由于高速剪切的振動和噪聲極大，因此實際生產中主要應用的是約束剪切。圖9為采用約束剪切概念的當代先進的精密剪切機床。

圖9 日本萬陽LBS系列精密斷料機

約束剪切的下料精度和端面質量能夠滿足大多數精密鍛造的要求。但是，對于熱軋狀態的低碳鋼和低碳合金鋼，由于硬度偏低，剪切時會產生一定的塑性變形，并且在剪切斷面上有發生微裂紋的風險，即使在約束剪切狀態也不能完全避免發生剪切裂紋。因此，精密剪切主要用于硬度較高的中碳鋼和中碳合金鋼的下料。

將低碳鋼和低碳合金鋼通過冷拔加工，在提高棒材直徑精度的同時，將棒材硬度調整到有利于精密剪切的硬度，就可以安全進行高效率的約束剪切生產。顯然，冷拔加工適合于大批大量生產場合。

約束剪切生產效率很高，中等規格的精密剪切機床，每分鐘剪切鋼坯可達60件以上，而且實現了自動化生產。但是，這一類剪切機價格非常昂貴，因此，只有滿負荷生產才能得到合理的經濟效益。

帶鋸鋸切下料

帶鋸是精鍛行業普遍使用的精密下料設備。在精鍛企業用于下料生產的主要有半自動帶鋸和全自動帶鋸兩種類型。圖10是當前國內精鍛企業普遍使用的半自動帶鋸機。

圖10 半自動帶鋸

(1）帶鋸下料優點。

①鋸縫損耗較小；

②下料長度精度較高；

③切斷過程中棒材無變形；

④切斷面沒有潛在的裂紋風險；

⑤設備投資不大；

⑥容易實現下料自動化。

(2）帶鋸下料缺點。

①生產效率較低；

②鋸條用鈍后鋸縫逐漸“跑偏”，使下料精度變差（見圖11）。

圖11 鋸縫跑偏引起的下料誤差

為了改善鋸條用鈍后的“跑偏”，需要對帶鋸鋸切的坯料進行端面切削，不但增加了材料損耗，而且使下料效率進一步下降，下料成本明顯增加。

當前，自動和半自動帶鋸以其設備投資小的優勢，在國內精密鍛造行業中，仍占有一定份額。隨著精密剪切和高速圓盤鋸切的推廣使用，帶鋸鋸切最終將在中小規格棒料的下料工序中漸漸淡出。

預計在不久的將來，帶鋸將從中小規格棒料的下料工序中徹底退出，但將保持大規格棒材的低成本鋸切優勢。

高速圓盤鋸切下料

高速圓盤鋸是現代高效率下料設備。高速鋸片沿圓周鑲焊了硬質合金刀片，相當于厚度很薄的硬質合金3面刃銑刀。圓鋸的切削原理與帶鋸有所差異，更接近于三面刃銑刀的切削原理。

中、小規格的高速圓盤鋸鋸片厚度2mm左右，因此高速圓盤鋸下料的鋸縫損耗與帶鋸相當，但由于刀刃鑲焊了硬質合金，切削線速度比對焊高速鋼的帶鋸要高，因此圓盤鋸的生產效率遠高于帶鋸。

高速圓盤鋸普遍采用自動上料和自動送進鋸切，生產過程由PC自動控制，自動化水平較高（見圖12）。

(1）高速圓盤鋸優點。

①自動化程度和生產效率高，一人可操作多臺鋸床；

②鋸切坯料的尺寸精度、端面垂直度、兩端面平行度、鋸切面粗糙度等各方面都能充分滿足精密鍛造要求；

圖12 高速圓盤鋸和鑲焊硬質合金刀片的圓鋸片

③鋸片用鈍不會產生“跑偏”現象，能長期保持鋸切精度，也不會影響坯料的兩端面平行度；

④可以鋸切硬度較高的鋼材；

⑤鋸片使用壽命長，生產成本低于帶鋸下料。

由于高速圓盤鋸的突出優點，被大量應用于當代中、小規格鋼鐵精密鍛造場合。

(2）高速圓盤鋸缺點。

①設備價格昂貴，使一般企業望而止步；

②鋸切坯料的直徑受制于鋸片直徑和設備能力，直徑超過100mm后將不經濟；

③對特別硬和特別軟的材料鋸切效果不好；

④料尾較長，需另行處理。

以上原因，特別是高速圓盤鋸設備價格昂貴的缺點，曾經嚴重影響到該設備的推廣使用。

高速圓盤鋸在國內精鍛行業的應用

先進技術和設備的引入

(1）作為一種先進高效的精密下料設備，我國鍛造行業早在90年代初就有少數企業開始應用。但由于設備價格昂貴并由于國內沒有鋸片配套，而進口鋸片的渠道不夠順暢，因此，這種先進下料技術并沒有得到及時推廣。

(2）市場啟動。

十多年前，一些臺資企業將圓盤鋸引入江蘇、上海地區組裝推銷，價格低于進口設備和臺灣原裝設備，從而推動了圓盤鋸的銷售。

(3）重點企業的帶動效應。

五、六年前，江蘇森威精鍛、江蘇太平洋精鍛等國內精鍛行業骨干企業陸續淘汰帶鋸，購置高速圓盤鋸。這些重點企業的實踐帶動了國內鍛造行業對圓盤鋸的推廣。

國內設備廠家的努力

(1）國內設備制造業看好高速圓盤鋸市場，及時推出國產化的高速圓盤鋸，價格遠低于進口設備和臺資企業的設備價格。

(2）鋸片的本地化生產。

同時，國外鋸片廠商看好國內鍛造行業，相繼到中國國內設廠，完成高速鋸片的本地化生產。在以上環境下，近年來高速圓盤鋸在精鍛行業的應用有飛速發展的趨勢，大部分企業都在淘汰陳舊的帶鋸的同時，積極購置圓盤鋸，建設新的精密下料生產線。

國產化高速圓盤鋸與國外圓盤鋸的主要差距

切割效率和鋸片壽命不及國外名牌設備

國外高速圓盤鋸中的名牌產品：德國RSA公司的高速圓盤鋸，切割83mm×83mm的中碳合金鋼方鋼，每小時可達到295個；而我們用國產（包括臺灣部件組裝機臺）高速圓盤鋸，鋸切直徑60mm的同類鋼材，每小時只有270個，每小時切割面積為德國設備的38%，速度再提升時極易打刀。

設備精度保持性差

國產圓盤鋸，往往投產第一年使用狀態尚好，但到第二、第三年各項精度就有明顯下降。這方面臺資或合資企業的產品不明顯，自主研發的低價位設備存在這種問題的較多。

精鍛行業對高速圓盤鋸的技術期望

精鍛行業迫切希望圓盤鋸床當前的改進方向

(1）希望進一步提高圓盤鋸的切割效率。

考慮到國產設備走低價位路線，希望初步提高到國外先進水平的50%，以后再作改善。

(2）解決料尾鋸割問題。

圖13 普通圓鋸機出料口高度低，需用提升機與生產線聯接

這一方面已有企業完成了自主開發，通過夾具的改進和切割程序的調整達到了無尾料鋸切。希望在價格提升不多的前提下普及這項技術。

(3）解決切割管材時容易打刀的問題。

(4）出料口高度普遍偏低，不利于在生產流水線上在線布置（見圖13）。

高速圓盤鋸用于流程化生產線

(1）隨著生產管理往精益生產方向進步，流程化生產線顛覆了傳統的生產線布置，更多的企業將下料設備直接安裝在鍛造生產線上，使下料與鍛造生產同步進行。

對于中小規格精密鍛件，如果將圓盤鋸的鋸割效率提高到5～10個/分，那么一臺圓盤鋸的生產節拍可與手動鍛造生產線同步；2～3臺圓盤鋸并聯運行，可滿足一條自動化鍛造線的在線下料。在線下料的實現，最大限度壓降了鍛造前的坯料庫存，并且為壓降原材料庫存創造了條件（見圖14）。

流程化鍛造生產線優點

(1）在制品庫存壓降，甚至可做到無中間庫存。

(2）原材料庫存大幅度壓降。

(3）生產過程時間壓縮到最低。

(4）產品規格和品種變更快，具有快速反應能力。

高速圓盤鋸使用前景

高速圓盤鋸將在精密鍛造行業的以下場合首先得到應用，然后必將在全行業得到推廣：

(1）中、小規格精密鍛件的多品種小批量和大批量生產并存的場合。

(2）不能容忍存在切斷面微裂紋潛在風險的下料場合。

(3）最適合直徑30～70mm的圓棒料或相應的方鋼，或有色金屬棒材的下料。

(4）在精密鍛造行業的骨干企業將首先得到推廣，然后將在全行業得到普及。

目前，高速圓盤鋸的下料成本已在多數精鍛企業的長期使用中得到驗證，被證實稍低于帶鋸下料。阻礙高速圓盤鋸進一步推廣的障礙是設備的投資成本太高。一般精鍛企業往往更新全部下料設備就需要采購4～10臺高速圓盤鋸，目前，按每臺40～50萬的價格，一般企業難以下決心置換。

因此，如果設備制造廠能夠在付款條件上作出變通，就能迅速改變當前大部分精鍛企業在下料設備的更新方面猶豫不決的現象。有的高速圓盤鋸生產廠家，為了打開設備銷售局面，干脆在精鍛公司廠區內以圓盤鋸作為投資建設高速鋸切下料車間，全面承包了精鍛公司的下料業務，從而達到了雙贏的效果。

圖14 采用高速圓盤鋸下料的流程化生產線