精密剪切下料技術(shù)

文/李俊黨·沈陽市求實(shí)精密剪切機(jī)廠

精密剪切下料技術(shù)

文/李俊黨·沈陽市求實(shí)精密剪切機(jī)廠

國內(nèi)外狀況分析

鍛造行業(yè)是我國耗材、耗能大戶，而下料又是鍛造的第一道工序。下料工藝選擇是否合理不僅關(guān)系到鍛件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、原材料和能源消耗，也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)成本和企業(yè)的發(fā)展。

工信部和中國鍛壓協(xié)會將鍛造精密下料列入了《“十二五”鍛壓行業(yè)節(jié)能、減排篩選與評估》中，這充分說明了國家相關(guān)部門對鍛造下料行業(yè)的重視，同時也說明了鍛造行業(yè)的節(jié)能、減排工作，必須從基礎(chǔ)抓起、從第一道工序入手。

設(shè)備分類

我國鍛造下料設(shè)備的規(guī)格、型號很多，從有屑和無屑的角度可分為有屑下料和無屑下料兩大類。

⑴有屑下料的設(shè)備，包括往復(fù)鋸床、圓鋸床、砂輪切割、超高壓水射流切割等。

⑵無屑下料的設(shè)備，包括棒料剪斷機(jī)、型鋼剪斷機(jī)、聯(lián)合沖剪機(jī)、曲柄壓力機(jī)、冷鐓機(jī)和精密棒料剪斷機(jī)（溫剪、熱剪和高速剪）。

鍛造企業(yè)一般根據(jù)自身的產(chǎn)業(yè)規(guī)模、企業(yè)類型、材料特性等條件，因地制宜地選擇企業(yè)需要的下料設(shè)備，其中帶鋸床、棒料剪斷機(jī)和曲柄壓力機(jī)的應(yīng)用相對普遍。另外，精密棒料剪斷機(jī)是一項(xiàng)新興技術(shù)，最近幾年才開始在鍛造下料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

常用設(shè)備及剪切方式的節(jié)能減排分析

⑴帶鋸床。帶鋸床節(jié)能減排的優(yōu)勢十分明顯，特別適用于中、小型鍛造企業(yè)下料。設(shè)備投資不大，卻可獲得較高的下料精度，而且應(yīng)用范圍很廣。既可用于圓鋼下料，也可用于方鋼、管子下料，且與材料軟硬無關(guān)。帶鋸床的生產(chǎn)率是G607圓鋸床的1.5～2倍，是往復(fù)鋸床的5～10倍。鋸切同樣規(guī)格的材料，帶鋸床的安裝容量只有G607圓鋸床的1/2，鋸切單位的動能消耗是G607圓鋸床的1/4。對鋸切能力在250mm和400mm以下圓料的帶鋸床，其帶鋸厚度分別為0.9～1.06mm，切口損耗只有1.5mm左右，平均只有圓鋸床的1/5～1/4，或者往復(fù)鋸床的1/2。

帶鋸床若用于大型鍛造企業(yè)下料，它的劣勢就會暴露出來。因?yàn)閹т彺彩怯行技庸?，所以有鋸口損失，盡管鋸口較圓鋸床和往復(fù)鋸床小許多，但是以日產(chǎn)萬件計算，就有15000mm優(yōu)質(zhì)鋼材成為鋸末。另外，帶鋸條的成本也較高，每萬件產(chǎn)品的鋸條費(fèi)用要比刀片費(fèi)用高7倍左右。所以，采用帶鋸床下料，應(yīng)本著因地制宜的原則。

⑵用于室溫剪切的棒料剪斷機(jī)。棒料剪斷機(jī)屬于無屑加工，沒有切口損耗，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，生產(chǎn)效率很高，是一種為鍛造下料行業(yè)提供的專用設(shè)備。由于棒料剪斷機(jī)采用的是自由剪切，被剪棒料在剪切時先彎曲、后剪切，因此棒料壓塌嚴(yán)重、塑性變形大。對于室溫剪切，斷面傾斜度只能達(dá)到4°～6°。剪下的坯料在中頻爐中加熱時，容易將坯料拱起，造成斷路。因?yàn)樗苄宰冃未螅诶瓚?yīng)力和擠壓應(yīng)力作用下，剪切大直徑合金鋼時容易產(chǎn)生裂紋分支。為避免裂紋產(chǎn)生，不得不借助預(yù)熱剪切，而預(yù)熱剪切要消耗大量能源。棒料剪斷機(jī)對材料特性十分敏感，當(dāng)剪切硬度值較低材料時，剪切質(zhì)量會明顯下降。

鑒于以上種種原因，棒料剪斷機(jī)在冷剪下料領(lǐng)域，逐漸被帶鋸床、曲柄壓力機(jī)和精密剪切所取代。但是，棒料剪斷機(jī)在開式模鍛和有飛邊模鍛等場合還在應(yīng)用。

⑶用于藍(lán)脆剪切的棒料剪斷機(jī)。藍(lán)脆剪切就是將材料加熱到藍(lán)脆溫度后再進(jìn)行剪切，以45鋼為例，藍(lán)脆溫度在250～350℃區(qū)域內(nèi)。到達(dá)藍(lán)脆溫度以后，45鋼的抗拉強(qiáng)度將由625N/mm2提高到715N/mm2，抗拉強(qiáng)度提高以后，抗變形能力隨著提高，壓塌變形、彎曲變形顯著減少，從而使剪切精度提高。鋼材由韌性向脆性轉(zhuǎn)化以后，意味著其塑性變形和材料流動將被遏制，同時也避免了因晶粒位移而產(chǎn)生裂紋。

藍(lán)脆剪切屬于精密剪切的范疇，B·T梅謝林和г采曼（斯坦金）對預(yù)熱曾作如下論述：“不同金屬，采用不同的預(yù)熱溫度以后，可以提高韌性金屬的脆性、加大脆性金屬的韌性，達(dá)到提高剪切質(zhì)量、防止剪切裂紋產(chǎn)生的目的?！辈捎盟{(lán)脆剪切的方法提高剪切精度和防止剪切裂紋產(chǎn)生，在20世紀(jì)90年代以前應(yīng)用很普遍。但是，預(yù)熱要耗費(fèi)大量能源和費(fèi)用，而那時又沒有更好的下料手段。

⑷曲柄壓力機(jī)上的雙套筒模剪切。這種剪切方式也屬于精密剪切的范疇，屬于簡易型精密剪切。套筒在這里起到了一定間隙內(nèi)的剛性約束作用，只允許被剪棒料在剪切時在一定間隙內(nèi)彎曲，防止其自由彎曲。它的剪切精度雖然比不上約束剪切高，但與棒料剪斷機(jī)比較，剪切精度提高近1倍。以剪切40Cr、45鋼熱軋鋼為例，斷面傾斜度可以達(dá)到2°左右。這種下料方式在工具行業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)、鍛造下料行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

表1 鍛造下料國內(nèi)外技術(shù)水平對比

⑸高溫剪切。將被剪材料加熱到1150℃鍛造溫度后進(jìn)行剪切、鍛扁、沖孔、鍛造，這種方式用一次加熱取代了二次加熱，實(shí)現(xiàn)用小噸位剪斷機(jī)剪切較大直徑材料。用約束剪切取代自由剪切，既提高了剪切質(zhì)量，又降低了能源消耗。沈陽建興利鍛壓機(jī)床廠生產(chǎn)的QR42型高溫剪斷機(jī)就屬于這一類型。

⑹高速剪切。當(dāng)剪切速度提高到3m/s以上時，材料的斷裂韌性相對降低了，從而提高了材料的斷裂脆性，提高了剪切斷面的質(zhì)量。太原科技大學(xué)與長治鍛壓機(jī)床廠合作研制的4kJ液氣棒料精密剪切機(jī)就屬于這一類型。

⑺精密剪切。以沈陽市求實(shí)精密剪切機(jī)廠生產(chǎn)的S-Q45精密棒料生產(chǎn)線為例，通過應(yīng)用約束剪切原理、純剪切技術(shù)和刀具制造技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了以無屑加工取代了有屑加工，精密剪切下料與高速帶鋸下料比較，每萬件產(chǎn)品可節(jié)約鋸口損失15000mm；以約束剪切取代自由剪切，與普通棒料剪斷機(jī)比較，可提高剪切精度1～3倍；以室溫精密剪切取代預(yù)熱剪切。

對精密剪切使被剪棒料在剪切時受三向壓應(yīng)力作用，呈均布載荷，可防止應(yīng)力集中的產(chǎn)生，從而提高剪切質(zhì)量、防止產(chǎn)生剪切裂紋。這樣除了特別高硬度的材料（如GCr15）需要預(yù)熱外，一般如45鋼、40Cr、42CrMo、8620H等常用材料都不需預(yù)熱，可以節(jié)約大量預(yù)熱費(fèi)用。

國內(nèi)外的差距

我國目前的鍛造下料行業(yè)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家還存在很大差距，表1給出了行業(yè)中幾個技術(shù)指標(biāo)的國內(nèi)近期水平與國外90年代水平的對比情況。

精密剪切技術(shù)

原理

精密剪切技術(shù)主要采用了約束剪切原理和純剪切技術(shù)。

⑴約束剪切原理。給被剪棒料施加一個足夠大的徑向約束力和軸向約束力，使坯料在剪切過程中受三向壓應(yīng)力，既不可能產(chǎn)生彎曲，也不可能產(chǎn)生軸向位移，而只能沿著滑塊運(yùn)動方向平行移動，所以剪切的精度高。同時動刀、靜刀與被剪棒料是均勻接觸，載荷分布均勻，避免了應(yīng)力集中，有效地遏制剪切裂紋產(chǎn)生。

⑵純剪切技術(shù)。棒料在剪切時，對材料特性十分敏感，集中表現(xiàn)在刀片間隙上。刀片間隙是一項(xiàng)工藝參數(shù)，隨材料直徑的增大而增大，隨材料抗拉強(qiáng)度σb值、布氏硬度HB值的降低而增大。當(dāng)剪切σb和HB值較高的材料（如40Cr、45鋼）時，需要的刀片間隙小，即使采用普通剪切也過得去。當(dāng)采用約束剪切時，不僅能獲得優(yōu)良的剪斷面質(zhì)量，而且還可以防止剪切裂紋產(chǎn)生。然而當(dāng)剪切σb和HB值較低的金屬材料（08鋼、Q235A等軟材料）時，既要滿足材料特性需要，有較大的刀片間隙，還要使剪切線垂直中心線使剪切力偶壓縮至最低，形成純剪切，這樣才能防止二次剪切產(chǎn)生。如果刀片間隙增大以后形成不了純剪切，不僅會降低剪切精度，而且會增大剪切力偶，導(dǎo)致剪切裂紋產(chǎn)生。

綜上所述，純剪切技術(shù)、約束剪切原理及刀具制造技術(shù)的合理運(yùn)用，是提高軟、硬材料剪切質(zhì)量的有效方法。

適用條件

⑴以剪切45鋼熱軋鋼為例，精密剪切技術(shù)適用于滿足斷面傾斜度不大于1.5°、重量公差不大于0.5％、斷面圓度為0.96mm工藝要求的被剪坯料，可以滿足溫、熱精鍛和閉式模鍛等的下料要求。

⑵合理采用不同的精密剪切技術(shù)，既可精密剪切40Cr、45鋼、20CrMnTi、42CrMo等中硬材料，也可精密剪切08、10、15、Q235A等軟材料。

⑶剪切直徑在φ90mm以下的40Cr、45鋼、20CrMnTi、42CrMo等材料時，可以用室溫精密剪切取代預(yù)熱剪切。

⑷可以用于室溫剪切，也可以用于溫剪和熱剪。

⑸對剪切材料沒有特殊要求。凡符合國家標(biāo)準(zhǔn)的熱軋鋼、冷拔鋼和六角鋼等，都可以進(jìn)行精密剪切，即使表面已經(jīng)生銹也不影響剪切精度。

推廣應(yīng)用

應(yīng)用精密剪切技術(shù)的企業(yè)大致可分為以下四種類型。

⑴外資企業(yè)和合資企業(yè)。在歐美國家，精密剪切已成為鍛造下料的理想選擇。如希美克（廣州）實(shí)業(yè)有限公司、拉伊臺克株橋鐵路扣件（武漢）有限公司、江蘇龍城精鍛有限公司、廈門亨泰五金制品有限公司、潘得路（韓國）有限公司等。以上企業(yè)在選用下料設(shè)備時，首先選擇剪切精度高、節(jié)能、節(jié)材型設(shè)備。

⑵需要精密成形，生產(chǎn)批量較大的企業(yè)。如天津汽車鍛造有限公司、白城中一精鍛有限公司、廣州亮?xí)熚褰鹬圃煊邢薰尽⑸綎|高強(qiáng)緊固件有限公司、寧波三鉆飛輪有限公司等。以上企業(yè)選擇精密剪切的主要原因，是普通棒料剪斷機(jī)的剪切精度達(dá)不到他們所需的工藝要求。

⑶剪切直徑較大，防止坯料開裂的企業(yè)。如江蘇雙環(huán)齒輪有限公司、許昌中興鍛造有限公司、信盛（姜堰）鍛造有限公司、山東玉龍車輛股份有限公司等。以上企業(yè)選擇精密剪切的主要原因，是為了取代耗能較高的預(yù)熱剪切。

⑷對剪切精度要求較低、剪切直徑較小、生產(chǎn)批量較小的企業(yè)，采用普通壓力機(jī)、普通棒料剪斷機(jī)和帶鋸下料也能滿足生產(chǎn)和工藝需要，這些企業(yè)對提高剪切精度、節(jié)材、節(jié)能的要求就不像前三類企業(yè)那樣迫切。

所以，目前應(yīng)用精密剪切的企業(yè)，集中在對剪切精度要求高、生產(chǎn)批量大、防止剪切裂紋產(chǎn)生的企業(yè)。

成功的經(jīng)驗(yàn)及存在的問題

精密剪切技術(shù)之所以取得快速發(fā)展，成功的經(jīng)驗(yàn)得益于以下幾方面：

⑴得益于國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，特別是汽車、鐵路、工程機(jī)械等行業(yè)的高速發(fā)展。隨著產(chǎn)量的增加，精密剪切才提到議事日程上。

⑵得益于改革開放和各級政府對下料行業(yè)的大力支持。通過對外交流、對內(nèi)不定期開展精密剪切技術(shù)講座，解放了思想、開闊了眼界、明確了差距、看到了不足，從而促進(jìn)了精密剪切技術(shù)的快速發(fā)展。

⑶鍛造下料行業(yè)擁有一支堅韌不拔、敢于攀登科技高峰的研發(fā)隊(duì)伍。為了填補(bǔ)國內(nèi)空白、為了實(shí)現(xiàn)精密剪切，從20世紀(jì)60年代開始，經(jīng)過幾代人的努力，才有今天精密剪切的大好形勢。

⑷精密剪切能夠推廣應(yīng)用，與其自身具備的精密、高效、節(jié)材、節(jié)能優(yōu)勢是分不開的，一般只需2～3年，就可以用節(jié)省的鋸口或預(yù)熱的費(fèi)用購買一條精密棒料生產(chǎn)線。

與此同時，精密剪切技術(shù)也存在如下問題，精密剪切技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)滯后于生產(chǎn)發(fā)展。棒料剪斷機(jī)的精度標(biāo)準(zhǔn)JB3867-85制定于1985年，于1999年又重新進(jìn)行了修訂，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)編號為JB/T3867·2-1999，但是其技術(shù)內(nèi)容基本一致。棒料剪斷機(jī)的精度標(biāo)準(zhǔn)是指導(dǎo)剪切機(jī)行業(yè)生產(chǎn)的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，然而今天卻起不到指導(dǎo)作用，現(xiàn)以兩個精度檢驗(yàn)項(xiàng)目為例進(jìn)行說明。

⑴剪下棒料的斷面對棒料軸線的垂直度。以剪切45鋼熱軋鋼，L/D＝2為例，Ⅰ級精度為1°、Ⅱ級精度為3°、Ⅲ級精度為6°。Ⅰ級精度、Ⅱ級精度對制造廠沒有任何約束力，達(dá)到Ⅲ級精度就可以合格出廠，造成大量剪切精度低、節(jié)能節(jié)材效果差的剪切設(shè)備源源不斷流入社會。

⑵剪下棒料的長度偏差。剪切力為不大于1000kN時長度偏差為±1.0mm，1000～1600kN長度偏差為±1.2mm，1600～2500kN長度偏差為±1.6mm，2500～4000kN長度偏差為±2.0mm，4000～6300kN長度偏差為±2.5mm，6300～10000kN長度偏差為±3.2mm、10000～16000kN長度偏差為±4.0mm。

鍛造下料行業(yè)的節(jié)能減排是建立在提高剪切精度基礎(chǔ)上的，剪切精度不高的鍛件就只能是肥頭大耳，也就談不上節(jié)能減排。所以，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，首先要提高棒料剪斷機(jī)的出廠精度標(biāo)準(zhǔn)。

節(jié)能減排趨勢

一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)80、90年代，鍛造下料行業(yè)就已經(jīng)完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，由剪切精度低、節(jié)能節(jié)材效果差的普通棒料剪斷機(jī)，向剪切精度高、節(jié)能節(jié)材效果好的精密剪切轉(zhuǎn)型。進(jìn)入21世紀(jì)后，其產(chǎn)品升級速度更快了。日本萬陽株式會社對鍛造下料行業(yè)提出“現(xiàn)在是精密剪切下料的時代”，工業(yè)發(fā)達(dá)國家也相繼提出“精密剪切是鍛造下料的理想選擇”。最近，工信部、科技部和中國鍛壓協(xié)會也將鍛造精密剪切下料納入“十二五”鍛壓行業(yè)節(jié)能、減排課題。節(jié)能、減排對下料行業(yè)提出了奮斗目標(biāo)和努力方向，也給下料行業(yè)提供了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型極好的機(jī)會。由此可見，未來5年，鍛造下料行業(yè)必將朝著精密、高效、節(jié)材、節(jié)能方向發(fā)展。

至于下料行業(yè)中的節(jié)能、減排，要盡量以無屑加工取代有屑加工、以精密剪切取代自由剪切、以室溫剪切取代預(yù)熱剪切、以一次加熱取代二次加熱，使原材料和能源消耗達(dá)到國際先進(jìn)水平，噪聲、溫室氣體和污水排放符合環(huán)保要求，從而實(shí)現(xiàn)“十二五”鍛造下料行業(yè)節(jié)能、減排的目標(biāo)。

節(jié)能減排政策及建議

實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排是一項(xiàng)基本國策，我們建議抓好以下環(huán)節(jié)：

⑴產(chǎn)業(yè)升級刻不容緩。鍛造下料行業(yè)下料設(shè)備數(shù)量雖很多，但是剪切質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、節(jié)能節(jié)材效果顯著的卻不多。多數(shù)鍛造企業(yè)仍采用帶鋸床、壓力機(jī)和自由剪切下料，耗費(fèi)了大量的原材料、能源和勞動力，回報卻是每況愈下的微薄利潤。企業(yè)要擺脫這一困境，除了采用先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)之外，技術(shù)上也必須與國際接軌。

⑵棒料剪斷機(jī)精度標(biāo)準(zhǔn)也需定期或不定期升級。

⑶建議國家有關(guān)部門對剪切精度低、耗材高、節(jié)能減排效果差的設(shè)備限期整改或淘汰，使節(jié)能減排走上健康發(fā)展的軌道。

⑷建立鍛造行業(yè)節(jié)能減排獎勵機(jī)制。獎勵企業(yè)節(jié)能節(jié)材技術(shù)改造，鼓勵企業(yè)生產(chǎn)節(jié)能減排產(chǎn)品。

⑸充分發(fā)揮中國鍛壓協(xié)會在節(jié)能、減排工作中的作用。

⑹充分調(diào)動和發(fā)揮大專院校、科研院所在節(jié)能、減排工作中的作用。

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