在線熱剪切在熱模鍛自動(dòng)線中的應(yīng)用

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

在線熱剪切在熱模鍛自動(dòng)線中的應(yīng)用

文/杜立東，劉文新，梁士玉，趙春霞·中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)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(dòng)、粉塵、高勞動(dòng)強(qiáng)度等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著勞動(dòng)者的身心健康及鍛造行業(yè)的發(fā)展。隨著中國(guó)社會(huì)逐漸步入老齡化，還有就是年輕勞動(dòng)者健康意識(shí)的提高，鍛造行業(yè)勞動(dòng)力日益短缺。同時(shí)人工操作鍛造產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、效率低、競(jìng)爭(zhēng)層次低等問(wèn)題制約著鍛造企業(yè)的升級(jí)發(fā)展。

勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)性短缺及制造業(yè)勞動(dòng)成本上升迫使企業(yè)從依靠資本和勞動(dòng)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(dòng)化發(fā)展成為必然趨勢(shì)。全自動(dòng)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(dòng)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(shì)，為企業(yè)跨越式發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。

在線熱剪切技術(shù)的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)模鍛生產(chǎn)線用坯料大都采用鋼廠熱軋圓鋼長(zhǎng)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(pán)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(chē)發(fā)動(dòng)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(pán)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(guó)內(nèi)此類熱模鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線還沒(méi)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(zhǎng)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(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南動(dòng)力有限公司鑄鍛中心參考國(guó)外最具代表性的兩條大噸位熱模鍛自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行工藝改進(jìn)。

⑴第一條熱模鍛自動(dòng)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(dòng)卡車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造生產(chǎn)線，熱軋長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)整根長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)分料裝置，料頭和不合格的料段通過(guò)特設(shè)的分選通道進(jìn)入廢料箱；合格料段通過(guò)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(dòng)生產(chǎn)線是巴勒特Kilsta鍛造公司的160MN熱模鍛壓機(jī)全自動(dòng)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(shí)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(dòng)曲軸、前軸生產(chǎn)線配有帶自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的上料裝置，長(zhǎng)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(dòng)輪將長(zhǎng)棒料送入電爐感應(yīng)器中，亦可反向轉(zhuǎn)動(dòng)將棒料退出感應(yīng)器。感應(yīng)器出口溫度檢測(cè)裝置如果檢測(cè)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(zhǎng)棒料加熱至1270℃，當(dāng)檢測(cè)棒料溫度符合工藝要求時(shí)，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(zhǎng)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(guò)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(shì)

鍛造在線長(zhǎng)棒料熱剪切技術(shù)相對(duì)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(zhǎng)棒料在線熱剪切工藝，相對(duì)圓盤(pán)鋸、鋸床下料等有屑加工工藝來(lái)說(shuō)，可以節(jié)省鋸口材料，具有較高的材料利用率。對(duì)于大批量、連續(xù)生產(chǎn)的鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，每年節(jié)約的原材料采購(gòu)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(mén)的備料廠房、下料設(shè)備和相應(yīng)人員。利用長(zhǎng)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(chē)間建設(shè)、下料設(shè)備的投入，以及材料廠區(qū)儲(chǔ)存、物流成本和勞動(dòng)力的工資成本。在中頻感應(yīng)加熱工序無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)溫剪只需一次加熱至始鍛溫度，熱剪切下來(lái)的合格料段直接進(jìn)行鍛造，無(wú)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)獨(dú)立的備料工序集成到生產(chǎn)線中，便于系統(tǒng)自動(dòng)化集成處理，為鍛造全工序自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線長(zhǎng)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(wèn)題：

⑴鍛造自動(dòng)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(kāi)機(jī)率為單臺(tái)設(shè)備開(kāi)機(jī)率的乘積，自動(dòng)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(kāi)機(jī)率就越低，單臺(tái)設(shè)備的故障率直接影響整條生產(chǎn)線的開(kāi)機(jī)率，這就要求自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線中的熱剪切設(shè)備具有很好的設(shè)備開(kāi)機(jī)率。

⑵鍛造所需長(zhǎng)棒料材料等級(jí)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(zhǎng)棒料，按照目前實(shí)行的國(guó)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(zhǎng)棒料的外形彎曲度為4mm/m，鋼廠發(fā)貨長(zhǎng)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(shí)彎曲的長(zhǎng)棒料可能對(duì)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(huì)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(zhǎng)棒料在線熱剪切出現(xiàn)工藝或設(shè)備問(wèn)題，無(wú)法提供滿足鍛造生產(chǎn)所需的料段時(shí)，整條鍛造生產(chǎn)線從加熱到鍛造、校正所有工序都無(wú)法正常工作，只能是等待狀態(tài)。

⑷隨著鍛造企業(yè)對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)在處理較軟、粘性材料時(shí)，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(dòng)線產(chǎn)品切換時(shí)，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(guò)換模小車(chē)自動(dòng)切換，還要轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)產(chǎn)品棒料的切刀，對(duì)整條自動(dòng)化生產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)來(lái)說(shuō)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(zhǎng)棒料在中頻感應(yīng)加熱爐加熱至1270℃，一般電爐檢測(cè)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(zhǎng)棒料加熱溫度可能造成棒料過(guò)燒風(fēng)險(xiǎn)，造成長(zhǎng)棒料不合格，既浪費(fèi)材料又浪費(fèi)能源。長(zhǎng)棒料在剪切機(jī)熱剪完后退回爐膛保溫，待下一個(gè)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(huì)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(gòu)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(duì)長(zhǎng)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(guò)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(wú)法反復(fù)在長(zhǎng)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(yǔ)

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(dòng)化生產(chǎn)線沒(méi)有采用長(zhǎng)棒料在線熱剪切技術(shù)，而是采用高速圓盤(pán)鋸下料。在國(guó)外制造業(yè)較為先進(jìn)的環(huán)境下，在線長(zhǎng)棒料熱剪切工藝仍然不是鍛造企業(yè)的首選，可見(jiàn)在線長(zhǎng)棒料熱剪切工藝的推廣應(yīng)用還存在一定的問(wèn)題。未來(lái)實(shí)現(xiàn)鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)是每一個(gè)鍛造企業(yè)追求的目標(biāo)和長(zhǎng)久發(fā)展的必然趨勢(shì)。鍛造行業(yè)內(nèi)的專家通過(guò)協(xié)力合作，在解決了其應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題后，其節(jié)能、低成本的優(yōu)點(diǎn)必將為未來(lái)的精密模鍛自動(dòng)化生產(chǎn)提供重要支持。