在线热剪切在热模锻自动线中的应用

文/杜立东，刘文新，梁士玉，赵春霞·中国重汽集团济南动力有限公司铸锻中心

在线热剪切在热模锻自动线中的应用

文/杜立东，刘文新，梁士玉，赵春霞·中国重汽集团济南动力有限公司铸锻中心

传统锻造行业工作环境存在高温、噪声、振动、粉尘、高劳动强度等缺点，严重影响着劳动者的身心健康及锻造行业的发展。随着中国社会逐渐步入老龄化，还有就是年轻劳动者健康意识的提高，锻造行业劳动力日益短缺。同时人工操作锻造产品质量一致性差、效率低、竞争层次低等问题制约着锻造企业的升级发展。

劳动力结构性短缺及制造业劳动成本上升迫使企业从依靠资本和劳动的投入转向依靠技术进步和全要素生产率的提高。锻造企业向智能化、数字自动化发展成为必然趋势。全自动精密模锻生产线的应用在提高产品质量、节约劳动成本和提升企业现代化生产水平等方面具有很大优势，为企业跨越式发展提供了机会。

在线热剪切技术的现状

国内模锻生产线用坯料大都采用钢厂热轧圆钢长棒料，按材料消耗定额要求，使用冷剪切、温剪切、带锯机、圆盘锯等设备下料，然后把坯料加热至始锻温度进行锻造。重型汽车发动机曲轴、前轴使用的材料规格在φ（120～160）mm之间，一般采用带锯机或圆盘锯等设备切割成料段，再使用中频感应加热炉加热至始锻温度后，在热模锻压力机上进行锻造。

国内此类热模锻自动化生产线还没有应用在线热剪切技术的成功案例。利用中频感应加热炉加热长棒料钢材热剪切成料段后，直接送到锻造设备上进行锻造，节约了能源成本，具有良好的使用前景，如图1所示。中国重汽集团济南动力有限公司铸锻中心参考国外最具代表性的两条大吨位热模锻自动化生产线进行工艺改进。

⑴第一条热模锻自动化生产线是BHARAT FORGE DAUN 股份有限公司的80MN热模锻压机全自动卡车转向节锻造生产线，热轧长棒料在4200kW中频感应加热炉中进行加热，生产效率为8～9.5t/h。长为6～12m的方棒料由输送辊道送进中频感应加热炉的感应线圈内，对整根长棒料进行加热。连续两根棒料轴向距离在0.5～1m之间，保证热剪后加热的长坯料可顺利退回到感应圈内保温等待下次剪切。加热好的长棒料由约3MN液压剪切机直接热剪切，热剪切机的出料端设有自动分料装置，料头和不合格的料段通过特设的分选通道进入废料箱；合格料段通过热剪切机配套的机器人夹紧托起送到锻造工序的工位上。

⑵第二条热模锻锻造自动生产线是巴勒特Kilsta锻造公司的160MN热模锻压机全自动曲轴、前轴生产线。巴勒特 Kilsta锻造公司是世界最先进的锻造公司之一，同时也是欧洲最大的前轴制造商和第二大的重型曲轴制造商。160MN热模锻压机全自动曲轴、前轴生产线配有带自动翻转的上料装置，长棒料在中频感应加热炉中加热到始锻温度后，由ASEA公司生产的热剪切设备进行下料。热剪设备最大剪切棒料规格为φ200mm，感应加热炉的加热能力为25t/h。

电炉输送辊道驱动轮将长棒料送入电炉感应器中，亦可反向转动将棒料退出感应器。感应器出口温度检测装置如果检测到温度低的棒料，电炉输送辊道反转将棒料退回炉内继续加热。中频感应加热炉可以将长棒料加热至1270℃，当检测棒料温度符合工艺要求时，输送辊道将棒料送入剪床，剪切好的料段由液压机机械手取出，放到输送辊道送入高压水去除氧化皮，余下长棒料由电炉输送辊道反转退回感应器内继续加热，等待下一次输出剪切，过热的棒料经剪切后由机械手送到废料箱。

在线棒料热剪切技术的优势

锻造在线长棒料热剪切技术相对其他下料方式具有以下优点：

⑴锻造生产线采用加热长棒料在线热剪切工艺，相对圆盘锯、锯床下料等有屑加工工艺来说，可以节省锯口材料，具有较高的材料利用率。对于大批量、连续生产的锻造自动化生产线来说，每年节约的原材料采购费用相当可观。

⑵传统的冷切削剪切下料设备需要配置专门的备料厂房、下料设备和相应人员。利用长棒料加热后在线热剪切工艺，可以减少备料工序，大幅节省了厂区内车间建设、下料设备的投入，以及材料厂区储存、物流成本和劳动力的工资成本。在中频感应加热工序无需额外增加人力成本，仅需一次性增加热剪切设备即可取得良好的经济效益。

⑶在线热剪切工艺可以节省不必要的能源浪费。有些大直径棒料抗拉强度和硬度都比较高，例如40C、42CrMo，常温下不能对其进行冷剪切，一般需要将材料加热到400℃左右进行温剪切，温剪切完还要把料段冷却到室温，才能转送到锻造工序，然后要对料段重新加热到可以进行锻造的始锻温度，这样二次加热就造成了不必要的能源浪费。在线热剪切工艺相对温剪只需一次加热至始锻温度，热剪切下来的合格料段直接进行锻造，无需二次加热，节省了能源。

⑷冷剪机工艺在剪切裂纹敏感材料时，料段可能出现裂纹等工艺缺陷，在线热剪切可以避免出现类似缺陷。

⑸长棒料在线热剪切工艺作为锻造生产线工艺系统的一部分，将原本相对独立的备料工序集成到生产线中，便于系统自动化集成处理，为锻造全工序自动化提供了可能。

在线棒料热剪切技术的应用难点

锻造自动化生产线长棒料在线热剪切技术具有诸多优点，但是其在生产实践中的广泛应用还存在以下8点亟需解决的问题：

⑴锻造自动化生产线由于其热加工的特性，各种工艺生产设备一般按工艺流程串联布局，整线的开机率为单台设备开机率的乘积，自动化生产中节点越多，出现故障的几率就越大，整线开机率就越低，单台设备的故障率直接影响整条生产线的开机率，这就要求自动化锻造生产线中的热剪切设备具有很好的设备开机率。

⑵锻造所需长棒料材料等级需要提高。目前，热模锻锻造原材料主要采用直条热轧圆钢或方钢长棒料，按照目前实行的国家标准GB／T 702-2008《热轧圆钢和方钢尺寸外形重量及允许偏差》的要求，长棒料的外形弯曲度为4mm/m，钢厂发货长度一般为6～8m，外形累计弯曲度可能达到24～32mm，中频电加热炉进料时弯曲的长棒料可能对炉膛线圈造成损害。若为此加大线圈直径避免可能的损害，则会大大降低中频感应加热炉的加热效率，造成不必要的能源浪费。

⑶在线热剪切工艺的可替代性差。当长棒料在线热剪切出现工艺或设备问题，无法提供满足锻造生产所需的料段时，整条锻造生产线从加热到锻造、校正所有工序都无法正常工作，只能是等待状态。

⑷随着锻造企业对节能降耗的要求，工艺水平的不断提高，精密锻造、闭式锻造的广泛使用，对毛坯体积精确度提出了更高要求，原材料钢厂出厂应满足φ（110～150）±1.8mm的要求，对热剪切后坯料断面斜度、圆度、应力应变量S2=t/d的精确提出更高要求，同时在处理较软、粘性材料时，热切口塑性变形大，易出现圆度、应力应变量超差等工艺缺陷。

⑸锻造自动线产品切换时，除了机器人夹钳、中频感应加热炉线圈炉膛切换，模具通过换模小车自动切换，还要转换对应产品棒料的切刀，对整条自动化生产线的柔性化生产来说增加了难度。热剪切刀片刃口使用调试、更换周期与锻造模具使用周期不同，加大了模具管理难度。

⑹长棒料在中频感应加热炉加热至1270℃，一般电炉检测坯料显示温度与实际坯料温度存在至少有±10℃的差值，提高长棒料加热温度可能造成棒料过烧风险，造成长棒料不合格，既浪费材料又浪费能源。长棒料在剪切机热剪完后退回炉膛保温，待下一个节拍再输出炉膛进行剪切，中频炉加热坯料心表一般存在±15℃的温差，棒料两次出炉易造成热剪后料段心表温差加大，可能会影响到材料塑性成形的性能。

⑺为避免料头浪费及能源浪费，曲轴、前轴采用倍尺采购钢材的方式。根据目前执行的《热轧圆钢和方钢尺寸外形重量及允许偏差》，钢厂出厂钢材倍尺或定尺允许偏差为±50mm，因此为保证料段精度和热剪切适应性，在加热前一般需采用较为精确的冷锯对长棒料齐头。

⑻热剪切后坯料料段采用温度分选将加热剪切合格棒料、过热坯料、低温坯料分别分选到相应存放区域。温度分选不合格料段无法反复在长棒料加热炉进行二次加热，只能废掉，即浪费了材料又浪费了能源。

结束语

据了解，瑞典巴勒特 Kilsta公司新增的140MN热模锻压力机自动化生产线没有采用长棒料在线热剪切技术，而是采用高速圆盘锯下料。在国外制造业较为先进的环境下，在线长棒料热剪切工艺仍然不是锻造企业的首选，可见在线长棒料热剪切工艺的推广应用还存在一定的问题。未来实现锻造自动化生产是每一个锻造企业追求的目标和长久发展的必然趋势。锻造行业内的专家通过协力合作，在解决了其应用过程中存在的问题后，其节能、低成本的优点必将为未来的精密模锻自动化生产提供重要支持。