高速圓盤鋸在精鍛行業(yè)的應(yīng)用

文/徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

高速圓盤鋸在精鍛行業(yè)的應(yīng)用

文/徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

多年來，國內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展，推動了汽車零部件的生產(chǎn)越來越多地采用精密鍛造成形。隨著精鍛應(yīng)用技術(shù)的推廣和技術(shù)水平的提高，精鍛行業(yè)迫切需要找到一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的精密下料方法。高速圓盤鋸在精鍛行業(yè)的推廣應(yīng)用，使我國精鍛行業(yè)找到了與我國國情基本適應(yīng)的精密下料方法。

精密鍛造具有少、無切削特征，一般都是少飛邊或無飛邊鍛造成形。因此，精密鍛造對下料的精度要求高于普通鍛造。首先是下料的坯料要求較高的體積精度，在鍛造成形時能保證充滿模腔，同時又限制形成過大的飛邊，甚至損壞模腔。其次，精鍛坯料的幾何精度要高于普通鍛造，特別是自動化鍛造線上的精鍛坯料，為保證送料順暢，對坯料的形狀精度及端面倒角等，提出了嚴格的要求。

精鍛坯料的質(zhì)量要求——體積精度和幾何精度

坯料的體積精度

(1）小飛邊鍛造和開式鍛造：體積誤差1%～3%。

帶有小飛邊的精鍛件，例如汽車后軸法蘭軸、汽車發(fā)電機爪極、汽車等速萬向節(jié)滑套和汽車變速箱輸入、輸出軸精鍛毛坯等，具有小飛邊，或是開放式擠壓成形，對坯料體積精度比較寬松，下料體積精度允許在1%～3%之間。案例：汽車后軸法蘭軸、汽車發(fā)電機爪極、端面開放的汽車等速萬向節(jié)滑套、汽車變速箱輸出軸（見圖1、圖2）。

圖1 乘用車后軸的小飛邊鍛造工藝過程

圖2 汽車發(fā)電機爪極、等速萬向節(jié)滑套、汽車變速箱輸出軸

(2）一般冷鍛和溫鍛場合：體積誤差1%。

通常，采用溫-冷聯(lián)合成形的傳動齒輪精鍛件、端面封閉的等速萬向節(jié)鐘形殼精鍛件等，屬無飛邊鍛造，下料的體積精度要求達到1%左右。案例：農(nóng)機傳動齒輪、等速萬向節(jié)鐘形殼、端面封閉成形的等速萬向節(jié)滑套（見圖3）。

圖3 體積誤差1%左右的精密鍛件

(3）閉塞鍛造場合：體積誤差≤0.5%。

在閉塞冷鍛、閉塞溫鍛和小規(guī)格齒輪的無飛邊成形方面，為保證成形精度和獲得一定的模具壽命，對下料的體積精度要求控制在0.5%以內(nèi)。案例：電動工具傳動齒輪、等速萬向節(jié)星形套、等速萬向節(jié)三銷套、汽車起動電機減速齒環(huán)、汽車差速器行星齒輪（見圖4）。

圖4 體積精度≤0.5%的精密鍛件

坯料的幾何精度

(1）坯料的幾何精度描述。

坯料的幾何精度就是坯料的形狀精度，它包括了坯料的直線度、柱度、端面垂直度，并包括毛刺、裂紋、折疊等描述。

①剪切坯料。傳統(tǒng)的方法是剪切下料。普通剪切坯料的幾何精度一般不高，有毛刺、折疊等缺陷發(fā)生，很難滿足精密鍛造對坯料的質(zhì)量要求（見圖5、圖6）。

圖5 剪切坯料的幾何精度描述

圖6 普通剪切的坯料

②鋸切坯料。另一種傳統(tǒng)的下料方法是鋸切下料。鋸切下料不會改變原材料的外形精度，因此，與鋸切有關(guān)的下料精度是長度和端面垂直度，以及兩端面的平行度誤差（見圖7）。

圖7 鋸切坯料的幾何精度描述

下料精度選擇

根據(jù)不同的精鍛產(chǎn)品和精鍛工藝，對下料精度有不同的選擇。表1是針對不同的精鍛工藝推薦的下料體積精度和形狀精度以及斷面質(zhì)量選擇。

表1 精密鍛造推薦的下料精度

坯料形狀和尺寸要求

(1）精密的毛坯尺寸和規(guī)整的毛坯形狀有利于自動化送料。

(2）坯料與模腔間的間隙過大及不均勻都將影響反擠壓鍛件的同軸度。

(3）坯料兩端面的平行度直接影響模具壽命，特別是影響反擠壓沖頭的壽命。

因此，精密鍛造特別是冷鍛對坯料的體積精度和形狀、尺寸精度提出了嚴格的要求。

中國精密鍛造行業(yè)的國情

與歐美、日本相似，中國的精密鍛造企業(yè)主要集中在汽車零部件制造業(yè)。在歐美和日本，汽車零部件已形成大批大量的集約化生產(chǎn)。針對每一種零部件，都有自動化、高效率的生產(chǎn)設(shè)備，包括精密下料設(shè)備，例如高效率的精密剪切機床，或者用高速冷成形機將無屑下料和預(yù)鐓鍛成形形成一體化生產(chǎn)。

由于歷史的原因，中國的汽車零部件制造業(yè)，至今為止，還沒有完成規(guī)模化和集約化的整合。除少數(shù)外資或合資企業(yè)外，大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模還處于少批量多品種生產(chǎn)與大批量生產(chǎn)并存的狀態(tài)。因此，具有極高生產(chǎn)效率的高度自動化下料設(shè)備有時并不適合于國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀。

面對國內(nèi)精鍛行業(yè)大批大量和多品種少批量生產(chǎn)并存的現(xiàn)狀，我們必須找到一種能被多種生產(chǎn)模式兼容的下料方法，并且能夠在下料精度和下料成本方面滿足精密鍛造的要求。

精密鍛造的下料方法

普通剪切下料

(1）普通剪切下料的優(yōu)點。

①材料損耗接近零損耗；

②生產(chǎn)效率高，一般可達到20～80件/分鐘；

③下料成本低。

(2）普通剪切下料的缺點。

①剪切的坯料幾何精度較差，有塌頭、彎曲、毛刺等缺陷；

②坯料體積精度差，體積誤差達到3%～5%；

③有產(chǎn)生剪切裂紋的潛在風(fēng)險。

圖8 普通斷料機及剪切的坯料

普通剪切采用曲柄-聯(lián)桿或偏心驅(qū)動的剪料機（見圖8）。

結(jié)論：普通剪切不適合于大多數(shù)精密鍛造場合。

當代先進的精密剪切概念——約束剪切

當代先進的精密剪切為高速剪切和約束剪切。由于高速剪切的振動和噪聲極大，因此實際生產(chǎn)中主要應(yīng)用的是約束剪切。圖9為采用約束剪切概念的當代先進的精密剪切機床。

圖9 日本萬陽LBS系列精密斷料機

約束剪切的下料精度和端面質(zhì)量能夠滿足大多數(shù)精密鍛造的要求。但是，對于熱軋狀態(tài)的低碳鋼和低碳合金鋼，由于硬度偏低，剪切時會產(chǎn)生一定的塑性變形，并且在剪切斷面上有發(fā)生微裂紋的風(fēng)險，即使在約束剪切狀態(tài)也不能完全避免發(fā)生剪切裂紋。因此，精密剪切主要用于硬度較高的中碳鋼和中碳合金鋼的下料。

將低碳鋼和低碳合金鋼通過冷拔加工，在提高棒材直徑精度的同時，將棒材硬度調(diào)整到有利于精密剪切的硬度，就可以安全進行高效率的約束剪切生產(chǎn)。顯然，冷拔加工適合于大批大量生產(chǎn)場合。

約束剪切生產(chǎn)效率很高，中等規(guī)格的精密剪切機床，每分鐘剪切鋼坯可達60件以上，而且實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)。但是，這一類剪切機價格非常昂貴，因此，只有滿負荷生產(chǎn)才能得到合理的經(jīng)濟效益。

帶鋸鋸切下料

帶鋸是精鍛行業(yè)普遍使用的精密下料設(shè)備。在精鍛企業(yè)用于下料生產(chǎn)的主要有半自動帶鋸和全自動帶鋸兩種類型。圖10是當前國內(nèi)精鍛企業(yè)普遍使用的半自動帶鋸機。

圖10 半自動帶鋸

(1）帶鋸下料優(yōu)點。

①鋸縫損耗較?。?/p>

②下料長度精度較高；

③切斷過程中棒材無變形；

④切斷面沒有潛在的裂紋風(fēng)險；

⑤設(shè)備投資不大；

⑥容易實現(xiàn)下料自動化。

(2）帶鋸下料缺點。

①生產(chǎn)效率較低；

②鋸條用鈍后鋸縫逐漸“跑偏”，使下料精度變差（見圖11）。

圖11 鋸縫跑偏引起的下料誤差

為了改善鋸條用鈍后的“跑偏”，需要對帶鋸鋸切的坯料進行端面切削，不但增加了材料損耗，而且使下料效率進一步下降，下料成本明顯增加。

當前，自動和半自動帶鋸以其設(shè)備投資小的優(yōu)勢，在國內(nèi)精密鍛造行業(yè)中，仍占有一定份額。隨著精密剪切和高速圓盤鋸切的推廣使用，帶鋸鋸切最終將在中小規(guī)格棒料的下料工序中漸漸淡出。

預(yù)計在不久的將來，帶鋸將從中小規(guī)格棒料的下料工序中徹底退出，但將保持大規(guī)格棒材的低成本鋸切優(yōu)勢。

高速圓盤鋸切下料

高速圓盤鋸是現(xiàn)代高效率下料設(shè)備。高速鋸片沿圓周鑲焊了硬質(zhì)合金刀片，相當于厚度很薄的硬質(zhì)合金3面刃銑刀。圓鋸的切削原理與帶鋸有所差異，更接近于三面刃銑刀的切削原理。

中、小規(guī)格的高速圓盤鋸鋸片厚度2mm左右，因此高速圓盤鋸下料的鋸縫損耗與帶鋸相當，但由于刀刃鑲焊了硬質(zhì)合金，切削線速度比對焊高速鋼的帶鋸要高，因此圓盤鋸的生產(chǎn)效率遠高于帶鋸。

高速圓盤鋸普遍采用自動上料和自動送進鋸切，生產(chǎn)過程由PC自動控制，自動化水平較高（見圖12）。

(1）高速圓盤鋸優(yōu)點。

①自動化程度和生產(chǎn)效率高，一人可操作多臺鋸床；

②鋸切坯料的尺寸精度、端面垂直度、兩端面平行度、鋸切面粗糙度等各方面都能充分滿足精密鍛造要求；

圖12 高速圓盤鋸和鑲焊硬質(zhì)合金刀片的圓鋸片

③鋸片用鈍不會產(chǎn)生“跑偏”現(xiàn)象，能長期保持鋸切精度，也不會影響坯料的兩端面平行度；

④可以鋸切硬度較高的鋼材；

⑤鋸片使用壽命長，生產(chǎn)成本低于帶鋸下料。

由于高速圓盤鋸的突出優(yōu)點，被大量應(yīng)用于當代中、小規(guī)格鋼鐵精密鍛造場合。

(2）高速圓盤鋸缺點。

①設(shè)備價格昂貴，使一般企業(yè)望而止步；

②鋸切坯料的直徑受制于鋸片直徑和設(shè)備能力，直徑超過100mm后將不經(jīng)濟；

③對特別硬和特別軟的材料鋸切效果不好；

④料尾較長，需另行處理。

以上原因，特別是高速圓盤鋸設(shè)備價格昂貴的缺點，曾經(jīng)嚴重影響到該設(shè)備的推廣使用。

高速圓盤鋸在國內(nèi)精鍛行業(yè)的應(yīng)用

先進技術(shù)和設(shè)備的引入

(1）作為一種先進高效的精密下料設(shè)備，我國鍛造行業(yè)早在90年代初就有少數(shù)企業(yè)開始應(yīng)用。但由于設(shè)備價格昂貴并由于國內(nèi)沒有鋸片配套，而進口鋸片的渠道不夠順暢，因此，這種先進下料技術(shù)并沒有得到及時推廣。

(2）市場啟動。

十多年前，一些臺資企業(yè)將圓盤鋸引入江蘇、上海地區(qū)組裝推銷，價格低于進口設(shè)備和臺灣原裝設(shè)備，從而推動了圓盤鋸的銷售。

(3）重點企業(yè)的帶動效應(yīng)。

五、六年前，江蘇森威精鍛、江蘇太平洋精鍛等國內(nèi)精鍛行業(yè)骨干企業(yè)陸續(xù)淘汰帶鋸，購置高速圓盤鋸。這些重點企業(yè)的實踐帶動了國內(nèi)鍛造行業(yè)對圓盤鋸的推廣。

國內(nèi)設(shè)備廠家的努力

(1）國內(nèi)設(shè)備制造業(yè)看好高速圓盤鋸市場，及時推出國產(chǎn)化的高速圓盤鋸，價格遠低于進口設(shè)備和臺資企業(yè)的設(shè)備價格。

(2）鋸片的本地化生產(chǎn)。

同時，國外鋸片廠商看好國內(nèi)鍛造行業(yè)，相繼到中國國內(nèi)設(shè)廠，完成高速鋸片的本地化生產(chǎn)。在以上環(huán)境下，近年來高速圓盤鋸在精鍛行業(yè)的應(yīng)用有飛速發(fā)展的趨勢，大部分企業(yè)都在淘汰陳舊的帶鋸的同時，積極購置圓盤鋸，建設(shè)新的精密下料生產(chǎn)線。

國產(chǎn)化高速圓盤鋸與國外圓盤鋸的主要差距

切割效率和鋸片壽命不及國外名牌設(shè)備

國外高速圓盤鋸中的名牌產(chǎn)品：德國RSA公司的高速圓盤鋸，切割83mm×83mm的中碳合金鋼方鋼，每小時可達到295個；而我們用國產(chǎn)（包括臺灣部件組裝機臺）高速圓盤鋸，鋸切直徑60mm的同類鋼材，每小時只有270個，每小時切割面積為德國設(shè)備的38%，速度再提升時極易打刀。

設(shè)備精度保持性差

國產(chǎn)圓盤鋸，往往投產(chǎn)第一年使用狀態(tài)尚好，但到第二、第三年各項精度就有明顯下降。這方面臺資或合資企業(yè)的產(chǎn)品不明顯，自主研發(fā)的低價位設(shè)備存在這種問題的較多。

精鍛行業(yè)對高速圓盤鋸的技術(shù)期望

精鍛行業(yè)迫切希望圓盤鋸床當前的改進方向

(1）希望進一步提高圓盤鋸的切割效率。

考慮到國產(chǎn)設(shè)備走低價位路線，希望初步提高到國外先進水平的50%，以后再作改善。

(2）解決料尾鋸割問題。

圖13 普通圓鋸機出料口高度低，需用提升機與生產(chǎn)線聯(lián)接

這一方面已有企業(yè)完成了自主開發(fā)，通過夾具的改進和切割程序的調(diào)整達到了無尾料鋸切。希望在價格提升不多的前提下普及這項技術(shù)。

(3）解決切割管材時容易打刀的問題。

(4）出料口高度普遍偏低，不利于在生產(chǎn)流水線上在線布置（見圖13）。

高速圓盤鋸用于流程化生產(chǎn)線

(1）隨著生產(chǎn)管理往精益生產(chǎn)方向進步，流程化生產(chǎn)線顛覆了傳統(tǒng)的生產(chǎn)線布置，更多的企業(yè)將下料設(shè)備直接安裝在鍛造生產(chǎn)線上，使下料與鍛造生產(chǎn)同步進行。

對于中小規(guī)格精密鍛件，如果將圓盤鋸的鋸割效率提高到5～10個/分，那么一臺圓盤鋸的生產(chǎn)節(jié)拍可與手動鍛造生產(chǎn)線同步；2～3臺圓盤鋸并聯(lián)運行，可滿足一條自動化鍛造線的在線下料。在線下料的實現(xiàn)，最大限度壓降了鍛造前的坯料庫存，并且為壓降原材料庫存創(chuàng)造了條件（見圖14）。

流程化鍛造生產(chǎn)線優(yōu)點

(1）在制品庫存壓降，甚至可做到無中間庫存。

(2）原材料庫存大幅度壓降。

(3）生產(chǎn)過程時間壓縮到最低。

(4）產(chǎn)品規(guī)格和品種變更快，具有快速反應(yīng)能力。

高速圓盤鋸使用前景

高速圓盤鋸將在精密鍛造行業(yè)的以下場合首先得到應(yīng)用，然后必將在全行業(yè)得到推廣：

(1）中、小規(guī)格精密鍛件的多品種小批量和大批量生產(chǎn)并存的場合。

(2）不能容忍存在切斷面微裂紋潛在風(fēng)險的下料場合。

(3）最適合直徑30～70mm的圓棒料或相應(yīng)的方鋼，或有色金屬棒材的下料。

(4）在精密鍛造行業(yè)的骨干企業(yè)將首先得到推廣，然后將在全行業(yè)得到普及。

目前，高速圓盤鋸的下料成本已在多數(shù)精鍛企業(yè)的長期使用中得到驗證，被證實稍低于帶鋸下料。阻礙高速圓盤鋸進一步推廣的障礙是設(shè)備的投資成本太高。一般精鍛企業(yè)往往更新全部下料設(shè)備就需要采購4～10臺高速圓盤鋸，目前，按每臺40～50萬的價格，一般企業(yè)難以下決心置換。

因此，如果設(shè)備制造廠能夠在付款條件上作出變通，就能迅速改變當前大部分精鍛企業(yè)在下料設(shè)備的更新方面猶豫不決的現(xiàn)象。有的高速圓盤鋸生產(chǎn)廠家，為了打開設(shè)備銷售局面，干脆在精鍛公司廠區(qū)內(nèi)以圓盤鋸作為投資建設(shè)高速鋸切下料車間，全面承包了精鍛公司的下料業(yè)務(wù)，從而達到了雙贏的效果。

圖14 采用高速圓盤鋸下料的流程化生產(chǎn)線