在線熱剪切在熱模鍛自動線中的應用

文/杜立東，劉文新，梁士玉，趙春霞·中國重汽集團濟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用

文/杜立東，劉文新，梁士玉，趙春霞·中國重汽集團濟南動力有限公司鑄鍛中心

傳統鍛造行業工作環境存在高溫、噪聲、振動、粉塵、高勞動強度等缺點，嚴重影響著勞動者的身心健康及鍛造行業的發展。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，鍛造行業勞動力日益短缺。同時人工操作鍛造產品質量一致性差、效率低、競爭層次低等問題制約著鍛造企業的升級發展。

勞動力結構性短缺及制造業勞動成本上升迫使企業從依靠資本和勞動的投入轉向依靠技術進步和全要素生產率的提高。鍛造企業向智能化、數字自動化發展成為必然趨勢。全自動精密模鍛生產線的應用在提高產品質量、節約勞動成本和提升企業現代化生產水平等方面具有很大優勢，為企業跨越式發展提供了機會。

在線熱剪切技術的現狀

國內模鍛生產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、圓盤鋸等設備下料，然后把坯料加熱至始鍛溫度進行鍛造。重型汽車發動機曲軸、前軸使用的材料規格在φ（120～160）mm之間，一般采用帶鋸機或圓盤鋸等設備切割成料段，再使用中頻感應加熱爐加熱至始鍛溫度后，在熱模鍛壓力機上進行鍛造。

國內此類熱模鍛自動化生產線還沒有應用在線熱剪切技術的成功案例。利用中頻感應加熱爐加熱長棒料鋼材熱剪切成料段后，直接送到鍛造設備上進行鍛造，節約了能源成本，具有良好的使用前景，如圖1所示。中國重汽集團濟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線進行工藝改進。

⑴第一條熱模鍛自動化生產線是BHARAT FORGE DAUN 股份有限公司的80MN熱模鍛壓機全自動卡車轉向節鍛造生產線，熱軋長棒料在4200kW中頻感應加熱爐中進行加熱，生產效率為8～9.5t/h。長為6～12m的方棒料由輸送輥道送進中頻感應加熱爐的感應線圈內，對整根長棒料進行加熱。連續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圈內保溫等待下次剪切。加熱好的長棒料由約3MN液壓剪切機直接熱剪切，熱剪切機的出料端設有自動分料裝置，料頭和不合格的料段通過特設的分選通道進入廢料箱；合格料段通過熱剪切機配套的機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線是巴勒特Kilsta鍛造公司的160MN熱模鍛壓機全自動曲軸、前軸生產線。巴勒特 Kilsta鍛造公司是世界最先進的鍛造公司之一，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熱模鍛壓機全自動曲軸、前軸生產線配有帶自動翻轉的上料裝置，長棒料在中頻感應加熱爐中加熱到始鍛溫度后，由ASEA公司生產的熱剪切設備進行下料。熱剪設備最大剪切棒料規格為φ200mm，感應加熱爐的加熱能力為25t/h。

電爐輸送輥道驅動輪將長棒料送入電爐感應器中，亦可反向轉動將棒料退出感應器。感應器出口溫度檢測裝置如果檢測到溫度低的棒料，電爐輸送輥道反轉將棒料退回爐內繼續加熱。中頻感應加熱爐可以將長棒料加熱至1270℃，當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機械手取出，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退回感應器內繼續加熱，等待下一次輸出剪切，過熱的棒料經剪切后由機械手送到廢料箱。

在線棒料熱剪切技術的優勢

鍛造在線長棒料熱剪切技術相對其他下料方式具有以下優點：

⑴鍛造生產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，可以節省鋸口材料，具有較高的材料利用率。對于大批量、連續生產的鍛造自動化生產線來說，每年節約的原材料采購費用相當可觀。

⑵傳統的冷切削剪切下料設備需要配置專門的備料廠房、下料設備和相應人員。利用長棒料加熱后在線熱剪切工藝，可以減少備料工序，大幅節省了廠區內車間建設、下料設備的投入，以及材料廠區儲存、物流成本和勞動力的工資成本。在中頻感應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備即可取得良好的經濟效益。

⑶在線熱剪切工藝可以節省不必要的能源浪費。有些大直徑棒料抗拉強度和硬度都比較高，例如40C、42CrMo，常溫下不能對其進行冷剪切，一般需要將材料加熱到400℃左右進行溫剪切，溫剪切完還要把料段冷卻到室溫，才能轉送到鍛造工序，然后要對料段重新加熱到可以進行鍛造的始鍛溫度，這樣二次加熱就造成了不必要的能源浪費。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行鍛造，無需二次加熱，節省了能源。

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

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

在線棒料熱剪切技術的應用難點

鍛造自動化生產線長棒料在線熱剪切技術具有諸多優點，但是其在生產實踐中的廣泛應用還存在以下8點亟需解決的問題：

⑴鍛造自動化生產線由于其熱加工的特性，各種工藝生產設備一般按工藝流程串聯布局，整線的開機率為單臺設備開機率的乘積，自動化生產中節點越多，出現故障的幾率就越大，整線開機率就越低，單臺設備的故障率直接影響整條生產線的開機率，這就要求自動化鍛造生產線中的熱剪切設備具有很好的設備開機率。

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，按照目前實行的國家標準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，鋼廠發貨長度一般為6～8m，外形累計彎曲度可能達到24～32mm，中頻電加熱爐進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加熱爐的加熱效率，造成不必要的能源浪費。

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

⑷隨著鍛造企業對節能降耗的要求，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，原材料鋼廠出廠應滿足φ（110～150）±1.8mm的要求，對熱剪切后坯料斷面斜度、圓度、應力應變量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，易出現圓度、應力應變量超差等工藝缺陷。

⑸鍛造自動線產品切換時，除了機器人夾鉗、中頻感應加熱爐線圈爐膛切換，模具通過換模小車自動切換，還要轉換對應產品棒料的切刀，對整條自動化生產線的柔性化生產來說增加了難度。熱剪切刀片刃口使用調試、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長棒料在中頻感應加熱爐加熱至1270℃，一般電爐檢測坯料顯示溫度與實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險，造成長棒料不合格，既浪費材料又浪費能源。長棒料在剪切機熱剪完后退回爐膛保溫，待下一個節拍再輸出爐膛進行剪切，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為避免料頭浪費及能源浪費，曲軸、前軸采用倍尺采購鋼材的方式。根據目前執行的《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存放區域。溫度分選不合格料段無法反復在長棒料加熱爐進行二次加熱，只能廢掉，即浪費了材料又浪費了能源。

結束語

據了解，瑞典巴勒特 Kilsta公司新增的140MN熱模鍛壓力機自動化生產線沒有采用長棒料在線熱剪切技術，而是采用高速圓盤鋸下料。在國外制造業較為先進的環境下，在線長棒料熱剪切工藝仍然不是鍛造企業的首選，可見在線長棒料熱剪切工藝的推廣應用還存在一定的問題。未來實現鍛造自動化生產是每一個鍛造企業追求的目標和長久發展的必然趨勢。鍛造行業內的專家通過協力合作，在解決了其應用過程中存在的問題后，其節能、低成本的優點必將為未來的精密模鍛自動化生產提供重要支持。