高溫剪切下料工藝研究

王軍，張文旭，楊程，成小樂(lè)，胡陽(yáng)虎，張宗元

(1. 金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032；2. 中國(guó)重型機(jī)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(hù)、生產(chǎn)成本和企業(yè)的發(fā)展。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)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(guó)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(wú)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(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)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(lái)獲得相應(yīng)的坯料[7-11]。

這一類(lèi)坯料備料的普遍方式是加熱，剪切，儲(chǔ)存，然后運(yùn)送到鍛壓機(jī)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(jī)上剪切后放置在料斗上自然冷卻，鍛造時(shí)需要二次加熱到鍛造溫度開(kāi)始鍛造(俗稱(chēng)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(kù)與加熱爐之間難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化運(yùn)輸，增加運(yùn)輸成本[6]。在熱模鍛機(jī)上進(jìn)行無(wú)飛邊模鍛時(shí)，這種鍛造過(guò)程要求坯料體積隨時(shí)可以改變，事先剪切好的坯料難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，從軋鋼廠出來(lái)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(yuǎn)離生產(chǎn)線的，所得到的坯料往往是體積過(guò)大或過(guò)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(guó)外先進(jìn)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(chēng)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(shí)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，根據(jù)高溫剪切下料存在的問(wèn)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(duì)高溫剪切下料的應(yīng)用前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。

1 高溫剪切下料工藝及國(guó)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(jī)，這種形式主要用于自動(dòng)線。另一種是在多工位自動(dòng)壓力機(jī)上設(shè)置剪切工位，這種形式多用于多工位自動(dòng)壓力機(jī)上。

自動(dòng)線上的下料是將備料工序包括在鍛壓自動(dòng)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(shí)現(xiàn)的主要方式是：當(dāng)大批量生產(chǎn)時(shí)，建立機(jī)械化、自動(dòng)化、擁有自動(dòng)加熱裝置、采用棒料模鍛、實(shí)現(xiàn)在鍛造溫度下的高溫剪切下料，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線連續(xù)化自動(dòng)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(jī)，應(yīng)用于自動(dòng)線上。

在國(guó)外有將剪切機(jī)通過(guò)加料機(jī)與熱模鍛壓力機(jī)連接，組成半自動(dòng)鍛壓生產(chǎn)線如圖1所示。在加熱器的出口，有一臺(tái)棒料剪斷機(jī)，能在鍛造溫度下對(duì)坯料進(jìn)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(lái)的熱坯料經(jīng)送料機(jī)送入壓力機(jī)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的鍛造[7]。例如，BOFORS公司的160 MN熱模鍛壓力機(jī)鍛造曲軸、前軸全自動(dòng)線，為了節(jié)省工時(shí)，在感應(yīng)加熱爐的出口處配置液壓傳動(dòng)的2 MN熱剪機(jī)，進(jìn)行高溫下料。在與熱鍛機(jī)相連的感應(yīng)加熱爐出口配置熱剪機(jī)進(jìn)行高溫剪切下料，獲得的毛坯的質(zhì)量準(zhǔn)確、斷面平直、坯料可直接進(jìn)入鍛壓機(jī)鍛造成型。

在多工位自動(dòng)壓力機(jī)上配置熱剪切設(shè)備，可減少坯料的運(yùn)輸，節(jié)約能源，達(dá)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(jī)具有熱剪切裝置可用于高溫剪切下料。另一個(gè)例子是德國(guó)Eumuco公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的無(wú)飛邊模鍛前輪鍛造自動(dòng)線上的多工位熱模鍛機(jī)，也可以進(jìn)行高溫剪切下料剪切。

圖1 半自動(dòng)鍛壓生產(chǎn)線

1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)外采用高溫剪切下料較為普遍，例如在熱模鍛機(jī)上進(jìn)行無(wú)飛邊模鍛法蘭、齒輪類(lèi)鍛件和軸承環(huán)鍛件時(shí)采用高溫剪切下料。

國(guó)外企業(yè)大都使用長(zhǎng)棒料加熱，因此配置熱剪切機(jī)更為常見(jiàn)。意大利西蒙鍛造廠(SIMONSRL)10、12、16、18、25 MN熱鍛壓機(jī)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(jī)，包括ELIND公司設(shè)計(jì)制造的Ф80 mm熱剪兩種見(jiàn)表1，F(xiàn)ICEP公司生產(chǎn)的Ф100 mm和Ф140 mm各一臺(tái)。[7-11]

表1 ELIDN T型熱剪機(jī)可剪坯料尺寸 mm

目前中國(guó)鍛壓企業(yè)基本上沒(méi)有采用熱剪機(jī)，且目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的長(zhǎng)棒料熱剪機(jī)制造廠家，雖然一些私營(yíng)企業(yè)也設(shè)計(jì)生產(chǎn)長(zhǎng)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(dá)國(guó)家熱剪機(jī)結(jié)構(gòu)外形，為了減少投資，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，功能比較單一，實(shí)用性不大，在小型鍛造生產(chǎn)線上還能勉強(qiáng)使用，但在大中型鍛壓生產(chǎn)線和高效自動(dòng)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(guò)分析國(guó)外熱剪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合自身在生產(chǎn)維修中的經(jīng)驗(yàn)，自主開(kāi)發(fā)，加以創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，使設(shè)備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，該設(shè)計(jì)與國(guó)外同類(lèi)熱剪設(shè)備的對(duì)比如表2所示[10]。

表2 與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)熱剪設(shè)備對(duì)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(jī)剪切下料會(huì)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(jìn)行。且因?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)鍛造溫度下料的高溫剪切設(shè)備，所以大多數(shù)用戶(hù)采用在普通的鍛壓機(jī)上配置自制模具進(jìn)行熱剪切，這樣獲得的毛坯尺寸精度不高。沈陽(yáng)建興利鍛壓機(jī)床廠對(duì)日本的剪床測(cè)繪后經(jīng)過(guò)若干的改進(jìn)設(shè)計(jì)了相關(guān)的QR42系列高溫剪切機(jī)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(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

目前國(guó)內(nèi)高溫剪切雖沒(méi)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(huì)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(gè)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(gè)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(guó)內(nèi)外學(xué)者為提高棒料的剪切精度進(jìn)行了深入的研究，認(rèn)為影響棒料剪切精度的關(guān)鍵問(wèn)題有兩點(diǎn)：坯料的剪切過(guò)程中彎曲；剪切的坯料體積有正負(fù)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(guò)程中，被剪坯料不僅受到動(dòng)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(dòng)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(guò)程中金屬沿著剪切面橫向流動(dòng)，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(dòng)，使得被剪坯料端局部伸長(zhǎng)。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(yàn)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(guò)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(gè)主要問(wèn)題。

為確保精密鍛造和擠壓等精密成型工藝的順利進(jìn)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(zhǎng)度定位，獲得的坯料的體積(重量)都有較大的正負(fù)誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些國(guó)外企業(yè)使用計(jì)算機(jī)與自動(dòng)稱(chēng)量設(shè)備配合，根據(jù)測(cè)量所剪切坯料直徑來(lái)確定毛料長(zhǎng)度，通過(guò)自動(dòng)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(duì)工作環(huán)境要求也高。

為解決此問(wèn)題，首先必須改變剪切過(guò)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(dòng)剪刀的動(dòng)作形式，從傳統(tǒng)的直線形運(yùn)動(dòng)到圍繞一點(diǎn)的弧形擺動(dòng)，如果其擺動(dòng)中心位置的設(shè)計(jì)合理，將有助于補(bǔ)償馬蹄形缺陷，如圖5所示。在剪切過(guò)程中，剪切坯料由于剪切力P和P′作用下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且由于R>R’，點(diǎn)A的位移大于點(diǎn)B的位移。待剪切坯料端的B點(diǎn)向上移動(dòng)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(jī)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(jī)上設(shè)有測(cè)量?jī)x器以保證定位和測(cè)量所切坯料的長(zhǎng)度，這樣便保證了切斷長(zhǎng)度的均一性。當(dāng)棒料變短，廢料探測(cè)器可以鑒定料頭，以保證不論是過(guò)長(zhǎng)或是太短的料頭，不至于進(jìn)入壓力機(jī)。同時(shí)通過(guò)采用電子計(jì)算機(jī)控制，在需要改變坯料體積時(shí)，可立即給剪切測(cè)量?jī)x器一個(gè)信息，測(cè)量?jī)x器根據(jù)每一種材料的要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。棒料在加熱前自動(dòng)稱(chēng)量，每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量是一定的，鍛件的體積輸入計(jì)算機(jī)，而儀器自動(dòng)按每一種棒料的要求重新調(diào)整，質(zhì)量偏差在±1%以?xún)?nèi)，全自動(dòng)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(shì)。如圖6所示為其中的一種剪切機(jī)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(zhǎng)的行程才能使刀片掃過(guò)整個(gè)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。現(xiàn)有棒料剪切機(jī)實(shí)現(xiàn)剪切的方式有機(jī)械式、氣液式和液氣式。普通的機(jī)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(wàn)陽(yáng)株式會(huì)社發(fā)明的杠桿式壓力機(jī)的公稱(chēng)載荷是將曲柄滑塊發(fā)生的載荷經(jīng)過(guò)杠桿放大約2.5倍，再傳遞到滑塊上。因此,杠桿式壓力機(jī)的公稱(chēng)載荷能力比普通的曲柄壓力機(jī)的公稱(chēng)載荷能力大，壓力行程長(zhǎng)，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(diǎn)；液氣式雖然克服了氣液式的缺點(diǎn)，但控制方式還是過(guò)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(jī)

圖8 精密棒料剪切機(jī)結(jié)構(gòu)圖

下料模具如圖9所示。套筒刀、活動(dòng)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(chē)床上加工至需要尺寸，即可再次使用。堆焊前對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱，堆焊后進(jìn)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(guò)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(duì)模具進(jìn)行充分冷卻，以提高使用壽命[21-26]。

圖9 改進(jìn)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(huì)產(chǎn)生少量的氧化皮,因此不建議采用燃?xì)鉅t火焰加熱，應(yīng)盡可能采用低頻、中頻和工頻電加熱爐進(jìn)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(shí)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(zhuān)門(mén)的料斗中冷卻至室溫，待需要進(jìn)行鍛造時(shí)由專(zhuān)門(mén)的送料小車(chē)送至加熱爐后進(jìn)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(dòng)強(qiáng)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(jī)進(jìn)行鍛造，這就要求送料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)化送料，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)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(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比普通的冷剪技術(shù)總結(jié)了高溫剪切下料的優(yōu)點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的裝備和技術(shù)水平進(jìn)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(guó)外采用高溫剪切下料較為普遍，例如在熱模鍛機(jī)上，無(wú)飛邊模鍛法蘭、齒輪類(lèi)鍛件和軸承環(huán)鍛件時(shí)采用高溫剪切下料。相關(guān)企業(yè)也已研制開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的熱剪機(jī)用于高溫剪切下料。

(2)目前國(guó)內(nèi)高溫剪切雖沒(méi)有廣泛應(yīng)用，只有少數(shù)企業(yè)對(duì)高溫剪切下料工藝有一定的應(yīng)用和研究，但其熱剪切機(jī)大多是對(duì)國(guó)外先進(jìn)熱剪切機(jī)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(xiàng)工藝和設(shè)備必將會(huì)得到鍛造企業(yè)的重視和青睞。

(3)通過(guò)對(duì)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(shí)采用計(jì)算機(jī)控制使得生產(chǎn)線自動(dòng)化程度更高。

(4)通過(guò)對(duì)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(jì)節(jié)能、節(jié)材的綠色剪切下料方式被越來(lái)越多的重視，高溫剪切下料由于其工藝的先進(jìn)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。