高温剪切下料工艺研究

2019-01-07王军张文旭杨程成小乐胡阳虎张宗元

重型机械 2018年6期

王军，张文旭，杨程，成小乐，胡阳虎，张宗元

(1. 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，陕西西安 710032；2. 中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032；3. 西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055)

0 前言

锻造行业耗材、耗能，下料是锻造工艺的第一道工序，下料工艺的选择是否合理不仅关系到锻件质量、生产效率、原材料和能源消耗、也关系到环境保护、生产成本和企业的发展。一些工业发达国家在上世纪80年代就已经完成产业转型，由剪切精度低、节能、节材效果差的普通棒料剪切，向剪切精度高、节材、节能效果好的精密剪切转型。我国也将精密剪切纳入了锻造行业节能减排课题[1-5]。

锻造下料中节能减排是尽量以无屑加工代替有屑加工，以精密剪切取代自由剪切，以一次加热取代二次加热，使原材料和能源消耗达到国际先进水平，噪声、室内气体和污水排放符合环保要求。

生产中对于大规格棒材即直径在Ф50～Ф60 mm以上的棒材，为了降低设备吨位，提高下料模具的使用寿命，一般普便采用先加热到一定温度再剪切成相应尺寸的坯料。对于一些质地较硬的合金钢，例如轴承钢GCr15，为防止在室温剪切时出现剪切裂纹影响后续的锻造工艺和锻件质量，也常采用先加热再剪切的方式来获得相应的坯料[7-11]。

这一类坯料备料的普遍方式是加热，剪切，储存，然后运送到锻压机或生产线，再次加热后锻造。如普通的轴承钢下料方法就是将轴承钢加热至700～800 ℃，在剪切机上剪切后放置在料斗上自然冷却，锻造时需要二次加热到锻造温度开始锻造(俗称两火锻)工艺，这种下料方式获得的坯料精度不高、材料利用率低、能耗大、坯料需要二次加热，坯料库与加热炉之间难以实现机械化运输，增加运输成本[6]。在热模锻机上进行无飞边模锻时，这种锻造过程要求坯料体积随时可以改变，事先剪切好的坯料难以实现这一点，从轧钢厂出来的热轧棒材，一般其截面的面积变化范围为4%，如果采用正常的剪切工艺，通常是远离生产线的，所得到的坯料往往是体积过大或过小相混杂的，普通的剪切工艺一般不考虑因模具磨损而引起的体积变化。

国外先进的锻造企业已经使用原棒材或方坯直接加热到锻造温度，然后剪切得到相应坯料，接着锻造成形。这种下料方式称为高温剪切下料也叫锻造温度下料，这种下料工艺可有效的节能节材和实现生产的连续化，大大降低了生产成本。

本文系统的介绍了高温剪切下料工艺，分析了国内外的研究现状，根据高温剪切下料存在的问题，基于现有设备提出了高温剪切下料技术的发展方向，并对高温剪切下料的应用前景进行了总结和展望。

1 高温剪切下料工艺及国内外现状分析

1.1 高温剪切下料工艺

高温剪切下料分两种形式：一种是在棒料感应加热器出口处安装热剪机，这种形式主要用于自动线。另一种是在多工位自动压力机上设置剪切工位，这种形式多用于多工位自动压力机上。

自动线上的下料是将备料工序包括在锻压自动线上的一种形式，根据锻压所需坯料的直径配备剪切设备。

锻造工艺的高效化和完善化实现的主要方式是：当大批量生产时，建立机械化、自动化、拥有自动加热装置、采用棒料模锻、实现在锻造温度下的高温剪切下料，以此来实现生产线连续化自动化生产，因此高温剪切下料工艺的主要形式是在棒料感应加热器出口处安装热剪机，应用于自动线上。

在国外有将剪切机通过加料机与热模锻压力机连接，组成半自动锻压生产线如图1所示。在加热器的出口，有一台棒料剪断机，能在锻造温度下对坯料进行高温剪切，且剪切获得的毛坯尺寸精度高，并且断面平直，切下来的热坯料经送料机送入压力机，实现半自动化的锻造[7]。例如，BOFORS公司的160 MN热模锻压力机锻造曲轴、前轴全自动线，为了节省工时，在感应加热炉的出口处配置液压传动的2 MN热剪机，进行高温下料。在与热锻机相连的感应加热炉出口配置热剪机进行高温剪切下料，获得的毛坯的质量准确、断面平直、坯料可直接进入锻压机锻造成型。

在多工位自动压力机上配置热剪切设备，可减少坯料的运输，节约能源，达到更精确的剪切，很容易满足精锻毛坯的质量要求。如瑞士HATEBUR公司制造的AMP系列高速热锻机具有热剪切装置可用于高温剪切下料。另一个例子是德国Eumuco公司设计生产的无飞边模锻前轮锻造自动线上的多工位热模锻机，也可以进行高温剪切下料剪切。

图1 半自动锻压生产线

1.2 国内外发展现状

在国外采用高温剪切下料较为普遍，例如在热模锻机上进行无飞边模锻法兰、齿轮类锻件和轴承环锻件时采用高温剪切下料。

国外企业大都使用长棒料加热，因此配置热剪切机更为常见。意大利西蒙锻造厂(SIMONSRL)10、12、16、18、25 MN热锻压机生产线5条，主要用于闭式锻造生产法兰、齿轮等锻件。在感应加热炉出口全部安装液压热剪切机，包括ELIND公司设计制造的Ф80 mm热剪两种见表1，FICEP公司生产的Ф100 mm和Ф140 mm各一台。[7-11]

表1 ELIDN T型热剪机可剪坯料尺寸 mm

目前中国锻压企业基本上没有采用热剪机，且目前国内还没有专业的长棒料热剪机制造厂家，虽然一些私营企业也设计生产长棒料热剪切设备，但受限于技术能力，最多只是模仿制造业发达国家热剪机结构外形，为了减少投资，结构相对简单，功能比较单一，实用性不大，在小型锻造生产线上还能勉强使用，但在大中型锻压生产线和高效自动化生产线上使用就难以满足生产要求。

南平铝业有限公司通过分析国外热剪的结构特点，结合自身在生产维修中的经验，自主开发，加以创新，实现设备国产化，使设备达到国际先进水平，该设计与国外同类热剪设备的对比如表2所示[10]。

表2 与国内外同类热剪设备对比分析

轴承钢的一火锻工艺下料是目前大力推广的工艺，而一火锻工艺下料技术需要在锻造温度下剪切下料，如果使用传统的冷剪机剪切下料会由于剪切行程不足、获得的毛坯精度差、轴线弯曲度大、端面出现明显的马蹄形压塌、不能保证后续的锻造工序的顺利进行。且因为目前国内没有专门针对锻造温度下料的高温剪切设备，所以大多数用户采用在普通的锻压机上配置自制模具进行热剪切，这样获得的毛坯尺寸精度不高。沈阳建兴利锻压机床厂对日本的剪床测绘后经过若干的改进设计了相关的QR42系列高温剪切机其相关技术参数如表3所示[6,9]。

表3 QR42系列剪切机相关技术参数

目前国内高温剪切虽没有广泛应用，但随着工业技术的发展,高温剪切下料技术必将会得到锻造企业的青睐。

2 高温剪切下料工艺的发展方向

高温剪切主要包括加热、剪切、送料3个工序。其中剪切决定着坯料的质量，影响着锻件的质量，是整个高温剪切下料工艺最重要的工序。

2.1 剪切工序

2.1.1剪切工序下料方式

国内外学者为提高棒料的剪切精度进行了深入的研究，认为影响棒料剪切精度的关键问题有两点：坯料的剪切过程中弯曲；剪切的坯料体积有正负超差。

普通的棒剪模具通常由平刀或圆弧形刀组成。在剪切过程中，被剪坯料不仅受到动静剪刃的剪切力，而且在剪刃剪切力的作用下产生向下弯曲如图2所示。因此，动静剪刃和剪切的坯料沿着剪刀不均匀地接触，在剪切面附近区域局部接触，从而增加了该局部区域的应力如图2所示。这种大的局部接触导致金属塑性变形。在变形过程中金属沿着剪切面横向流动，导致剪切坯料端面塌陷形成图3所示缺陷。变形的金属在轴向流动，使得被剪坯料端局部伸长。在这种变形后被切割的坯料形成图3所示的形状(所谓的“马蹄形”)，有限元模拟结果也验证了上述分析[12-14]。

图2 普通棒料剪切受力图

图3 剪切缺陷

从图2、图3可以看出，剪切过程中剪切面处的受力状态决定着棒料剪切毛坯的断面质量，这是提高剪切毛坯质量精度的一个主要问题。

为确保精密锻造和挤压等精密成型工艺的顺利进行，需保证坯料的体积(重量)误差很小。锻压厂目前广泛使用的热轧圆棒直径误差较大，而传统的坯料下料方式料和锻压生产线分离，只是根据坯料的长度定位，获得的坯料的体积(重量)都有较大的正负误差。为了解决这个问题，一些国外企业使用计算机与自动称量设备配合，根据测量所剪切坯料直径来确定毛料长度，通过自动调整定位块的位置，确保所剪切的坯料体积(重量)公差在允许范围。但系统复杂，生产成本高、设备投资大、对工作环境要求也高。

为解决此问题，首先必须改变剪切过程中的剪切面受力状态。就是要减少在剪力的作用下棒料向下弯曲的可能性，如图4所示为斜面加压剪切形式。

图4 斜面加压剪切形式

研究发现改变移动剪刀的动作形式，从传统的直线形运动到围绕一点的弧形摆动，如果其摆动中心位置的设计合理，将有助于补偿马蹄形缺陷，如图5所示。在剪切过程中，剪切坯料由于剪切力P和P′作用下逆时针旋转，并且由于R>R’，点A的位移大于点B的位移。待剪切坯料端的B点向上移动以被剪坯料向下弯曲，从而减少了剪切毛坯的倾斜角和塌陷。

图5 斜面加压剪切机理

其次就是要解决传统下料工艺造成的坯料的体积超差。将备料工序包括在锻压生产线中，热剪机上设有测量仪器以保证定位和测量所切坯料的长度，这样便保证了切断长度的均一性。当棒料变短，废料探测器可以鉴定料头，以保证不论是过长或是太短的料头，不至于进入压力机。同时通过采用电子计算机控制，在需要改变坯料体积时，可立即给剪切测量仪器一个信息，测量仪器根据每一种材料的要求进行自动调节。棒料在加热前自动称量，每单位长度的质量是一定的，锻件的体积输入计算机，而仪器自动按每一种棒料的要求重新调整，质量偏差在±1%以内，全自动化生产，生产效率提高，生产投资成本降低。这种下料方式将是今后的发展趋势。如图6所示为其中的一种剪切机控制示意图[7]。

2.1.2剪切设备和剪切模具

高温剪切需要更长的行程才能使刀片扫过整个断面。剪切刀片在下料生产中要采取有效的冷却措施，材料为耐热工具钢，而且高温剪切间隙小。现有棒料剪切机实现剪切的方式有机械式、气液式和液气式。普通的机械式由于工作行程短，主要应用于直径较小棒料的剪切，不适合棒料的高温剪切,但日本万阳株式会社发明的杠杆式压力机的公称载荷是将曲柄滑块发生的载荷经过杠杆放大约2.5倍，再传递到滑块上。因此,杠杆式压力机的公称载荷能力比普通的曲柄压力机的公称载荷能力大，压力行程长，适宜于大规格棒料的高温剪切下料，其结构如图7所示。缺少缓冲和回程太慢是气液式的最大缺点；液气式虽然克服了气液式的缺点，但控制方式还是过于复杂。本文介绍一种液液式的即剪切油缸的工作行程和回程都使用液压油，其结构如图8所示[15-16]。

图7 杠杆式压力机

图8 精密棒料剪切机结构图

下料模具如图9所示。套筒刀、活动刀板(方形4口型)基体材料为45#钢，热处理后硬度为HRC28～40；工作刃口部位用A402( E310-16) 耐热不锈钢焊条堆焊，如果刃口部位使用中有磨损、裂纹等缺陷出现，只需再重复堆焊一遍，然后在车床上加工至需要尺寸，即可再次使用。堆焊前对基体进行预热，堆焊后进行适当的热处理(回火)，既可以提高堆焊层熔敷金属的性能，又能减小或消除残余应力，改善过渡区金属结合性能下料生产中要采取有效的冷却措施对模具进行充分冷却，以提高使用寿命[21-26]。

图9 改进后的下料模具

2.2 加热工序

棒料在剪切前需加热,但因加热温度较高(在锻造温度),会产生少量的氧化皮,因此不建议采用燃气炉火焰加热，应尽可能采用低频、中频和工频电加热炉进行加热，并在加热炉出口处都设由高压水除鳞设备用于去除加热时产生的少量氧化皮。

2.3 送料工序

热剪切是先将坯料加热至一定温度然后剪切，剪切得到的坯料放置在专门的料斗中冷却至室温，待需要进行锻造时由专门的送料小车送至加热炉后进行二次加热，这种送料方式投资成本高，人工干预比重大，增加了劳动强度。这种送料方式显然不适合高温剪切工艺，高温剪切工艺是在线剪切，剪切得到的坯料直接送入锻压机进行锻造，这就要求送料机构实现自动化和连续化送料，设计一种自动化的送料线是目前的最重要的工作，图10所示为一种数控冲床送料设备。