文/杜立東，劉文新，梁士玉，趙春霞·中國重汽集團(tuán)濟(jì)南動力有限公司鑄鍛中心

在線熱剪切在熱模鍛自動線中的應(yīng)用

文/杜立東，劉文新，梁士玉，趙春霞·中國重汽集團(tuán)濟(jì)南動力有限公司鑄鍛中心

傳統(tǒng)鍛造行業(yè)工作環(huán)境存在高溫、噪聲、振動、粉塵、高勞動強(qiáng)度等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著勞動者的身心健康及鍛造行業(yè)的發(fā)展。隨著中國社會逐漸步入老齡化，還有就是年輕勞動者健康意識的提高，鍛造行業(yè)勞動力日益短缺。同時人工操作鍛造產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、效率低、競爭層次低等問題制約著鍛造企業(yè)的升級發(fā)展。

勞動力結(jié)構(gòu)性短缺及制造業(yè)勞動成本上升迫使企業(yè)從依靠資本和勞動的投入轉(zhuǎn)向依靠技術(shù)進(jìn)步和全要素生產(chǎn)率的提高。鍛造企業(yè)向智能化、數(shù)字自動化發(fā)展成為必然趨勢。全自動精密模鍛生產(chǎn)線的應(yīng)用在提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約勞動成本和提升企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平等方面具有很大優(yōu)勢，為企業(yè)跨越式發(fā)展提供了機(jī)會。

在線熱剪切技術(shù)的現(xiàn)狀

國內(nèi)模鍛生產(chǎn)線用坯料大都采用鋼廠熱軋圓鋼長棒料，按材料消耗定額要求，使用冷剪切、溫剪切、帶鋸機(jī)、圓盤鋸等設(shè)備下料，然后把坯料加熱至始鍛溫度進(jìn)行鍛造。重型汽車發(fā)動機(jī)曲軸、前軸使用的材料規(guī)格在φ（120～160）mm之間，一般采用帶鋸機(jī)或圓盤鋸等設(shè)備切割成料段，再使用中頻感應(yīng)加熱爐加熱至始鍛溫度后，在熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造。

國內(nèi)此類熱模鍛自動化生產(chǎn)線還沒有應(yīng)用在線熱剪切技術(shù)的成功案例。利用中頻感應(yīng)加熱爐加熱長棒料鋼材熱剪切成料段后，直接送到鍛造設(shè)備上進(jìn)行鍛造，節(jié)約了能源成本，具有良好的使用前景，如圖1所示。中國重汽集團(tuán)濟(jì)南動力有限公司鑄鍛中心參考國外最具代表性的兩條大噸位熱模鍛自動化生產(chǎn)線進(jìn)行工藝改進(jìn)。

⑴第一條熱模鍛自動化生產(chǎn)線是BHARAT FORGE DAUN 股份有限公司的80MN熱模鍛壓機(jī)全自動卡車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造生產(chǎn)線，熱軋長棒料在4200kW中頻感應(yīng)加熱爐中進(jìn)行加熱，生產(chǎn)效率為8～9.5t/h。長為6～12m的方棒料由輸送輥道送進(jìn)中頻感應(yīng)加熱爐的感應(yīng)線圈內(nèi)，對整根長棒料進(jìn)行加熱。連續(xù)兩根棒料軸向距離在0.5～1m之間，保證熱剪后加熱的長坯料可順利退回到感應(yīng)圈內(nèi)保溫等待下次剪切。加熱好的長棒料由約3MN液壓剪切機(jī)直接熱剪切，熱剪切機(jī)的出料端設(shè)有自動分料裝置，料頭和不合格的料段通過特設(shè)的分選通道進(jìn)入廢料箱；合格料段通過熱剪切機(jī)配套的機(jī)器人夾緊托起送到鍛造工序的工位上。

⑵第二條熱模鍛鍛造自動生產(chǎn)線是巴勒特Kilsta鍛造公司的160MN熱模鍛壓機(jī)全自動曲軸、前軸生產(chǎn)線。巴勒特 Kilsta鍛造公司是世界最先進(jìn)的鍛造公司之一，同時也是歐洲最大的前軸制造商和第二大的重型曲軸制造商。160MN熱模鍛壓機(jī)全自動曲軸、前軸生產(chǎn)線配有帶自動翻轉(zhuǎn)的上料裝置，長棒料在中頻感應(yīng)加熱爐中加熱到始鍛溫度后，由ASEA公司生產(chǎn)的熱剪切設(shè)備進(jìn)行下料。熱剪設(shè)備最大剪切棒料規(guī)格為φ200mm，感應(yīng)加熱爐的加熱能力為25t/h。

電爐輸送輥道驅(qū)動輪將長棒料送入電爐感應(yīng)器中，亦可反向轉(zhuǎn)動將棒料退出感應(yīng)器。感應(yīng)器出口溫度檢測裝置如果檢測到溫度低的棒料，電爐輸送輥道反轉(zhuǎn)將棒料退回爐內(nèi)繼續(xù)加熱。中頻感應(yīng)加熱爐可以將長棒料加熱至1270℃，當(dāng)檢測棒料溫度符合工藝要求時，輸送輥道將棒料送入剪床，剪切好的料段由液壓機(jī)機(jī)械手取出，放到輸送輥道送入高壓水去除氧化皮，余下長棒料由電爐輸送輥道反轉(zhuǎn)退回感應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)加熱，等待下一次輸出剪切，過熱的棒料經(jīng)剪切后由機(jī)械手送到廢料箱。

在線棒料熱剪切技術(shù)的優(yōu)勢

鍛造在線長棒料熱剪切技術(shù)相對其他下料方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴鍛造生產(chǎn)線采用加熱長棒料在線熱剪切工藝，相對圓盤鋸、鋸床下料等有屑加工工藝來說，可以節(jié)省鋸口材料，具有較高的材料利用率。對于大批量、連續(xù)生產(chǎn)的鍛造自動化生產(chǎn)線來說，每年節(jié)約的原材料采購費(fèi)用相當(dāng)可觀。

⑵傳統(tǒng)的冷切削剪切下料設(shè)備需要配置專門的備料廠房、下料設(shè)備和相應(yīng)人員。利用長棒料加熱后在線熱剪切工藝，可以減少備料工序，大幅節(jié)省了廠區(qū)內(nèi)車間建設(shè)、下料設(shè)備的投入，以及材料廠區(qū)儲存、物流成本和勞動力的工資成本。在中頻感應(yīng)加熱工序無需額外增加人力成本，僅需一次性增加熱剪切設(shè)備即可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

⑶在線熱剪切工藝可以節(jié)省不必要的能源浪費(fèi)。有些大直徑棒料抗拉強(qiáng)度和硬度都比較高，例如40C、42CrMo，常溫下不能對其進(jìn)行冷剪切，一般需要將材料加熱到400℃左右進(jìn)行溫剪切，溫剪切完還要把料段冷卻到室溫，才能轉(zhuǎn)送到鍛造工序，然后要對料段重新加熱到可以進(jìn)行鍛造的始鍛溫度，這樣二次加熱就造成了不必要的能源浪費(fèi)。在線熱剪切工藝相對溫剪只需一次加熱至始鍛溫度，熱剪切下來的合格料段直接進(jìn)行鍛造，無需二次加熱，節(jié)省了能源。

⑷冷剪機(jī)工藝在剪切裂紋敏感材料時，料段可能出現(xiàn)裂紋等工藝缺陷，在線熱剪切可以避免出現(xiàn)類似缺陷。

⑸長棒料在線熱剪切工藝作為鍛造生產(chǎn)線工藝系統(tǒng)的一部分，將原本相對獨(dú)立的備料工序集成到生產(chǎn)線中，便于系統(tǒng)自動化集成處理，為鍛造全工序自動化提供了可能。

在線棒料熱剪切技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)

鍛造自動化生產(chǎn)線長棒料在線熱剪切技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其在生產(chǎn)實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用還存在以下8點(diǎn)亟需解決的問題：

⑴鍛造自動化生產(chǎn)線由于其熱加工的特性，各種工藝生產(chǎn)設(shè)備一般按工藝流程串聯(lián)布局，整線的開機(jī)率為單臺設(shè)備開機(jī)率的乘積，自動化生產(chǎn)中節(jié)點(diǎn)越多，出現(xiàn)故障的幾率就越大，整線開機(jī)率就越低，單臺設(shè)備的故障率直接影響整條生產(chǎn)線的開機(jī)率，這就要求自動化鍛造生產(chǎn)線中的熱剪切設(shè)備具有很好的設(shè)備開機(jī)率。

⑵鍛造所需長棒料材料等級需要提高。目前，熱模鍛鍛造原材料主要采用直條熱軋圓鋼或方鋼長棒料，按照目前實(shí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 702-2008《熱軋圓鋼和方鋼尺寸外形重量及允許偏差》的要求，長棒料的外形彎曲度為4mm/m，鋼廠發(fā)貨長度一般為6～8m，外形累計(jì)彎曲度可能達(dá)到24～32mm，中頻電加熱爐進(jìn)料時彎曲的長棒料可能對爐膛線圈造成損害。若為此加大線圈直徑避免可能的損害，則會大大降低中頻感應(yīng)加熱爐的加熱效率，造成不必要的能源浪費(fèi)。

⑶在線熱剪切工藝的可替代性差。當(dāng)長棒料在線熱剪切出現(xiàn)工藝或設(shè)備問題，無法提供滿足鍛造生產(chǎn)所需的料段時，整條鍛造生產(chǎn)線從加熱到鍛造、校正所有工序都無法正常工作，只能是等待狀態(tài)。

⑷隨著鍛造企業(yè)對節(jié)能降耗的要求，工藝水平的不斷提高，精密鍛造、閉式鍛造的廣泛使用，對毛坯體積精確度提出了更高要求，原材料鋼廠出廠應(yīng)滿足φ（110～150）±1.8mm的要求，對熱剪切后坯料斷面斜度、圓度、應(yīng)力應(yīng)變量S2=t/d的精確提出更高要求，同時在處理較軟、粘性材料時，熱切口塑性變形大，易出現(xiàn)圓度、應(yīng)力應(yīng)變量超差等工藝缺陷。

⑸鍛造自動線產(chǎn)品切換時，除了機(jī)器人夾鉗、中頻感應(yīng)加熱爐線圈爐膛切換，模具通過換模小車自動切換，還要轉(zhuǎn)換對應(yīng)產(chǎn)品棒料的切刀，對整條自動化生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)來說增加了難度。熱剪切刀片刃口使用調(diào)試、更換周期與鍛造模具使用周期不同，加大了模具管理難度。

⑹長棒料在中頻感應(yīng)加熱爐加熱至1270℃，一般電爐檢測坯料顯示溫度與實(shí)際坯料溫度存在至少有±10℃的差值，提高長棒料加熱溫度可能造成棒料過燒風(fēng)險，造成長棒料不合格，既浪費(fèi)材料又浪費(fèi)能源。長棒料在剪切機(jī)熱剪完后退回爐膛保溫，待下一個節(jié)拍再輸出爐膛進(jìn)行剪切，中頻爐加熱坯料心表一般存在±15℃的溫差，棒料兩次出爐易造成熱剪后料段心表溫差加大，可能會影響到材料塑性成形的性能。

⑺為避免料頭浪費(fèi)及能源浪費(fèi)，曲軸、前軸采用倍尺采購鋼材的方式。根據(jù)目前執(zhí)行的《熱軋圓鋼和方鋼尺寸外形重量及允許偏差》，鋼廠出廠鋼材倍尺或定尺允許偏差為±50mm，因此為保證料段精度和熱剪切適應(yīng)性，在加熱前一般需采用較為精確的冷鋸對長棒料齊頭。

⑻熱剪切后坯料料段采用溫度分選將加熱剪切合格棒料、過熱坯料、低溫坯料分別分選到相應(yīng)存放區(qū)域。溫度分選不合格料段無法反復(fù)在長棒料加熱爐進(jìn)行二次加熱，只能廢掉，即浪費(fèi)了材料又浪費(fèi)了能源。

結(jié)束語

據(jù)了解，瑞典巴勒特 Kilsta公司新增的140MN熱模鍛壓力機(jī)自動化生產(chǎn)線沒有采用長棒料在線熱剪切技術(shù)，而是采用高速圓盤鋸下料。在國外制造業(yè)較為先進(jìn)的環(huán)境下，在線長棒料熱剪切工藝仍然不是鍛造企業(yè)的首選，可見在線長棒料熱剪切工藝的推廣應(yīng)用還存在一定的問題。未來實(shí)現(xiàn)鍛造自動化生產(chǎn)是每一個鍛造企業(yè)追求的目標(biāo)和長久發(fā)展的必然趨勢。鍛造行業(yè)內(nèi)的專家通過協(xié)力合作，在解決了其應(yīng)用過程中存在的問題后，其節(jié)能、低成本的優(yōu)點(diǎn)必將為未來的精密模鍛自動化生產(chǎn)提供重要支持。