溫鍛與冷鍛之基本

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本

（連載二）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司
小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

汽車構(gòu)造產(chǎn)品的鍛造加工

利用鍛造加工的零件大都是需要具備一定強(qiáng)度和剛性的汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，這些零件因使用的部位不同而要求有不同的特性。

回轉(zhuǎn)傳動(dòng)產(chǎn)品：曲軸、凸輪軸、離合器軸、齒輪軸、齒輪、同步齒輪、傘齒輪、變速裝置的輸出軸、驅(qū)動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、等速萬(wàn)向節(jié)、車輪軸、方向盤(pán)軸等。

動(dòng)力傳動(dòng)產(chǎn)品：活塞銷、連桿、連桿外套、閥門(mén)挺桿、方向盤(pán)、肘桿、肘桿銷、十字頭、圓盤(pán)制動(dòng)器活塞等。

其他構(gòu)造產(chǎn)品：輪轂中心、車門(mén)轉(zhuǎn)軸、門(mén)鎖產(chǎn)品、后備箱蓋轉(zhuǎn)軸、座椅調(diào)節(jié)齒輪、摩擦凸輪等。

這些產(chǎn)品動(dòng)力傳動(dòng)效果高，傳遞中能量的損失少，沒(méi)有振動(dòng)也沒(méi)有噪聲的產(chǎn)生，有很高的信賴性。這種高精度、高強(qiáng)度的汽車產(chǎn)品就是用鍛造加工方法把材料做成坯材，再經(jīng)過(guò)沖壓、擠壓加工及切削加工的組合工序制成的。

上述剛性有幾種類型：

彎曲剛性是在彎曲力的作用下，彎曲難易程度的性質(zhì)。產(chǎn)品斷面的大小、特別是產(chǎn)品的寬窄對(duì)彎曲剛性有很大的影響。

扭曲剛性是在扭轉(zhuǎn)力的作用下材料變形難易程度的性質(zhì)。它和產(chǎn)品斷面的大小特別是粗細(xì)（直徑）有很大關(guān)系。

軸向壓縮剛性是向軸向施加壓力時(shí)，壓縮難易程度的性質(zhì)。影響壓縮剛性的因素除了產(chǎn)品斷面的大小以外，還有產(chǎn)品材質(zhì)的縱向彈性系數(shù)（楊氏彈性系數(shù)E）。

相似的性質(zhì)還有延伸剛性。同樣影響延伸剛性的因素除了產(chǎn)品斷面的大小以外，還有產(chǎn)品材質(zhì)的縱向彈性系數(shù)（楊氏彈性系數(shù)E）。

上面所講的尺寸小、剛性高的汽車構(gòu)造產(chǎn)品不是由板材制造的，而是用棒材或金屬塊（坯材）做成的，加工方法必然要用鍛造加工。

回彈和過(guò)壓現(xiàn)象

鍛造用的模具就是把產(chǎn)品的形狀和尺寸高精度表現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)加工后做成模子。鍛造加工就是把模具里所有的數(shù)據(jù)和信息將被加工的材料正確地復(fù)制出來(lái)的工法。實(shí)際上，產(chǎn)品是不可能完全達(dá)到理想的模具形狀的。無(wú)論是坯材成形的鍛造加工還是板材成形的沖壓加工都是通過(guò)被加工材料的彈性變形和塑性變形來(lái)進(jìn)行的。這個(gè)過(guò)程中雖然人們都能意識(shí)到彈性回彈的現(xiàn)象，但是卻又很難控制這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，這也就是說(shuō)產(chǎn)品的成形并不能完全達(dá)到模具的形狀和尺寸。

回彈就是被加工材料在加壓的模具中按照模具的形狀成形，但是在上下模分離的瞬間被加工產(chǎn)品就會(huì)向材料原有的形狀方向有或多或少的返回現(xiàn)象。在拉伸加工和折彎加工中也有同樣的現(xiàn)象發(fā)生。比如用端部為90°直角折彎沖頭和內(nèi)側(cè)角為90°的折彎下模進(jìn)行折彎加工時(shí)，得到產(chǎn)品的折彎角度往往就不可能達(dá)到90°，內(nèi)角會(huì)稍微張開(kāi)一點(diǎn)，可能是91°或92°，這就是回彈現(xiàn)象。如果把沖頭的前端半徑R做得比板厚要小一點(diǎn)，就可能得到折彎角度為90°以下的產(chǎn)品，這種現(xiàn)象叫做過(guò)壓現(xiàn)象。

目前，工藝生產(chǎn)有兩種方法防止回彈現(xiàn)象和過(guò)壓現(xiàn)象。一是加壓折彎。在用折彎沖頭和折彎形狀的下模進(jìn)行折彎加工的最后，向材料的板厚方向適當(dāng)?shù)厥┘訅嚎s力，此力量可以抑制回彈現(xiàn)象的發(fā)生。另一個(gè)方法是加熱折彎。將折彎的材料加熱到再結(jié)晶溫度以上，將其延伸性增加、硬度降低，也可以起到抑制回彈現(xiàn)象的發(fā)生。

把冷卻液注入到模具內(nèi)，利用模具內(nèi)加工產(chǎn)品的急劇冷卻而使其形狀固定下來(lái)的方法已經(jīng)問(wèn)世，這種方法叫做熱沖壓或驟冷成形。綜上所述，將被加工材料加熱成形的方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：

⑴因材料降低了強(qiáng)度也就使成形時(shí)的負(fù)荷大大減少。實(shí)現(xiàn)了用小負(fù)荷沖床進(jìn)行大型產(chǎn)品的成形加工，即實(shí)現(xiàn)了沖床的小噸位化，最終降低了加工成本。但問(wèn)題是模具的壽命卻大幅度降低。

⑵因材料的屈服點(diǎn)下降了，所以材料在很小的負(fù)荷下就開(kāi)始了塑性變形，可以在小負(fù)荷下加工大型產(chǎn)品，也就可以實(shí)現(xiàn)沖床的小噸位化，設(shè)備費(fèi)用降低，成本減少。

⑶材料的延伸性提高，使得成形性也隨之改善，可以減少汽車曲軸這樣形狀復(fù)雜產(chǎn)品的成形加工的工位。這樣模具數(shù)量就可減少，總體成本降低了。

⑷材料的流動(dòng)性增大了，使材料向狹窄的間隙和小孔徑的流動(dòng)變得容易。但其反面會(huì)產(chǎn)生模具的局部過(guò)熱，很容易使模具產(chǎn)生明顯損耗。

⑸基本上沒(méi)有回彈現(xiàn)象和過(guò)壓現(xiàn)象。在高強(qiáng)度材料的成形加工中困擾人們的回彈問(wèn)題得到減輕，有時(shí)還可以省去修整形狀的工序。

⑹模具鋼、渦輪盤(pán)、挖掘巖石用鉆頭等諸類用冷鍛方法不能成形的材料，而用熱鍛就可以使這些材料的成形加工成為可能。因?yàn)槭菬徨懠庸ぃ庸囟仁呛芨叩模?300℃前后），所以用來(lái)進(jìn)行成形加工的模具材料就必須具有耐熱性并具備高溫強(qiáng)度和高溫硬度。

⑺利用成形過(guò)后的殘留熱能也可以進(jìn)行熱處理。有時(shí)也用來(lái)控制熱鍛成形品的晶粒度，也可以在非調(diào)質(zhì)鋼上得到應(yīng)用。

雖然高強(qiáng)度鋼的熱鍛成形的優(yōu)點(diǎn)很多，但它也有氧化膜和冷卻時(shí)的收縮變形，還有模具會(huì)因?yàn)槔錈嶂钜鸺?xì)小的裂紋和脫碳。這些問(wèn)題我們將在以后期刊中講解。

熱鍛的加工工序

鍛造加工的基本工序是壓縮加工，要成形就必須對(duì)被加工材料施加數(shù)倍的拉伸強(qiáng)度和數(shù)倍的壓縮應(yīng)力。鋼材的含碳量與材料的拉伸強(qiáng)度、硬度等的關(guān)系用圖1表示。

圖1 鋼材含碳量對(duì)其他工序的影響

從圖1中可以看到拉伸強(qiáng)度和硬度幾乎是兩條同比率的平行線，經(jīng)過(guò)淬火硬度提高了，拉伸強(qiáng)度也隨之增大。降低了成形負(fù)荷的最大效果就是能夠延長(zhǎng)模具的壽命。正如前面所述鍛造（包括沖壓）加工就是模具與材料在很高的接觸壓力下材料與模具發(fā)生摩擦、并在模具表面上有滑動(dòng)的過(guò)程。特別是沖頭和下模的拐角處發(fā)生的高壓滑動(dòng)是非常劇烈的，即使是冷鍛加工中也會(huì)發(fā)生局部的燒結(jié)現(xiàn)象，這就說(shuō)明這個(gè)地方的溫度已經(jīng)達(dá)到了足以使金屬燒結(jié)的程度。

熱鍛除此之外，加上由于加工負(fù)荷帶來(lái)的劇烈沖擊力，使得模具壽命比緩慢成形加工方式的模具壽命降低了1/2，甚至2/3之多。鍛造的負(fù)荷使模具磨損、加工時(shí)的摩擦又使其發(fā)熱，發(fā)熱能使模具達(dá)到熱處理時(shí)回火處理的溫度。回火后的模具硬度隨加工次數(shù)逐漸下降，因而縮短了模具的使用壽命。

因此可以看出，無(wú)論是熱鍛、溫鍛，還是冷鍛都要在降低成形時(shí)的負(fù)荷上下功夫。即使是一點(diǎn)點(diǎn)降低，其效果也會(huì)很明顯。圖1簡(jiǎn)單地說(shuō)明了拉伸強(qiáng)度、硬度、添加元素、延伸性相互之間的關(guān)系。

碳含量只是在0.55％以下時(shí)對(duì)硬度上升有影響，碳含量超過(guò)了0.55％對(duì)材料的硬度幾乎沒(méi)有影響。要想提高硬度可以適當(dāng)?shù)丶尤隡n、Si、Cr、Mo、W、Co、B等元素，各種元素對(duì)硬度影響的程度是不同的。

粗略地計(jì)算鍛造加工時(shí)所必須負(fù)荷的方法是被加工產(chǎn)品在下模上面的投影面積與加工時(shí)的拉伸強(qiáng)度的乘積，也就是說(shuō)拉伸強(qiáng)度很高的高強(qiáng)度鋼在鍛造時(shí)的成形負(fù)荷是很大的。圖1 還反應(yīng)出拉伸強(qiáng)度是與成形性、延伸性成反比。

汽車的構(gòu)造產(chǎn)品使用的材料有含碳量為0.45％以上的高碳素鋼、也有為了提高鋼材的強(qiáng)度添加了Mo、Mn、Cr、Si等多種特殊元素的鋼材，也有以改善硬度、韌性和提高鋼材的淬火性能為目的而添加了許多元素的特殊鋼。這樣的鋼材和含碳量在0.2％以下的低碳鋼相比，拉伸強(qiáng)度提高了2～5倍，鍛造加工必須要對(duì)這么大的拉伸強(qiáng)度的材料施加數(shù)倍的壓縮應(yīng)力才能使其成形，因此材料的成形就受到了模具強(qiáng)度的限制。在對(duì)大尺寸的產(chǎn)品或形狀復(fù)雜的產(chǎn)品實(shí)施壓縮加工時(shí)，需要巨大的成形力，這就必須有大噸位的沖床，但能夠達(dá)到這樣大的加壓能力的沖床本身就是很難實(shí)現(xiàn)的。

另外，成形可能的加壓能力的制約也在于模具自身的強(qiáng)度。大部分的模具是使用SKD11（JIS規(guī)格），這種鋼的壓縮極限強(qiáng)度在2400MPa以下，即使是高強(qiáng)度模具鋼SKH51的壓縮極限強(qiáng)度也只有3100MPa。鍛造加工必須要在模具材料的壓縮強(qiáng)度以下進(jìn)行，因此被加工產(chǎn)品的大小也就成了被限制的重要內(nèi)容。

金屬材料被加熱后強(qiáng)度就會(huì)下降，用小能力的沖壓機(jī)械就能進(jìn)行成形加工。這是自從有了鍛造歷史以來(lái)就被使用的方法，但是模具因過(guò)熱而劣化的問(wèn)題也是不可避免的。把鋼材加熱后再施加壓縮應(yīng)力即熱鍛加工是在材料的溫度被加熱到1000～1100℃時(shí)進(jìn)行的，模具表面因反復(fù)地高溫加熱和急速冷卻而產(chǎn)生微細(xì)的加熱裂紋，同時(shí)模具表面會(huì)因發(fā)生碳化使硬度下降。為盡量減少加熱裂紋和碳化的產(chǎn)生，在熱鍛中一般盡量縮短高溫材料在模具里的停留時(shí)間。

在常溫與低碳鋼相比汽車產(chǎn)品所用的鋼材具有很高的強(qiáng)度和硬度，鍛造加工時(shí)必須向材料施加其拉伸強(qiáng)度4～5倍的壓縮力，否則就不能成形。SKH51是模具用鋼，可以用冷鍛方法加工，當(dāng)然加工用的模具必須是超硬合金。但對(duì)熱鍛來(lái)說(shuō)，被加工材料的強(qiáng)度和硬度都會(huì)比SKH51低，可以作為熱鍛的模具用鋼材。

溫度與材料特性

圖2 鋼材溫度與成形負(fù)荷的關(guān)系

圖2是鋼材溫度和成形負(fù)荷的關(guān)系。冷鍛加工一般是在200℃以下進(jìn)行的，熱鍛的加工范圍要超過(guò)鋼材的再結(jié)晶溫度（720℃），在900℃以上（一般在1000～1200℃范圍的比較多）進(jìn)行加工。這里所講的溫度是加熱爐中的溫度，實(shí)際上在模具內(nèi)鍛造時(shí)的溫度會(huì)低一些。更進(jìn)一步說(shuō)明：鋼材的溫鍛適合范圍是再結(jié)晶溫度720℃以下，冷鍛的溫度范圍雖然是在200℃以上，但一般是要避開(kāi)圖2所示的藍(lán)熱脆性溫度區(qū)。當(dāng)然因材質(zhì)和產(chǎn)品大小的不同有時(shí)也會(huì)超過(guò)800℃，所謂的溫鍛實(shí)際上也要超過(guò)再結(jié)晶溫度的720℃，這樣實(shí)際上也就是進(jìn)入了熱鍛的范疇。

從圖2上可以看出，在400～500℃的區(qū)域內(nèi)成形所需的負(fù)荷是上升的，這個(gè)區(qū)域叫做藍(lán)熱脆性溫度區(qū)。雖然在藍(lán)熱脆性溫度區(qū)域內(nèi)材料的強(qiáng)度和硬度有一點(diǎn)點(diǎn)上升，延伸性卻降低了，材料很容易被破壞，這是溫鍛要避開(kāi)的區(qū)域。鋼材在溫鍛溫度范圍的800～1000℃時(shí)進(jìn)入再結(jié)晶區(qū)域，從圖2可以看出，材料的強(qiáng)度已經(jīng)下降到室溫時(shí)強(qiáng)度的1/4～1/3，使得沖床的負(fù)荷下降了，這樣公稱能力較小的沖床也就可以使用了，這非常有利于節(jié)約制造成本。

因?yàn)樗{(lán)熱脆性的存在，在機(jī)械設(shè)計(jì)上就一定考慮到設(shè)備的使用要避開(kāi)這個(gè)脆性上升的溫度區(qū)域，但是也會(huì)有不得不在這個(gè)溫度區(qū)域使用的問(wèn)題，這時(shí)就要采用在這個(gè)溫度范圍內(nèi)脆性不降低的耐熱合金鋼。也就是說(shuō)在材質(zhì)的選擇上要慎重，不能讓產(chǎn)品因脆性而損壞。相反，在加工生產(chǎn)中也可以利用藍(lán)熱脆性，高強(qiáng)度鋼材的切斷就是例子。隨材料強(qiáng)度的上升，切割時(shí)的負(fù)荷就會(huì)增加，如果利用了脆性的特點(diǎn)就可以克服彈性變形進(jìn)行切斷，例如一些高強(qiáng)度材料的軸承鋼、耐熱鋼及不銹鋼的切斷就是這樣的。

等速萬(wàn)向節(jié)的溫鍛實(shí)例

下面結(jié)合一個(gè)具體的溫鍛實(shí)例詳細(xì)地介紹一些溫鍛技術(shù)。如前所述，汽車驅(qū)動(dòng)部分的產(chǎn)品有很多是使用高強(qiáng)度材料的，如圖3所示的等速萬(wàn)向節(jié)（CVJ）外套就是其中一例。等速萬(wàn)向節(jié)（CVJ）外套是把汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力（回轉(zhuǎn)力）以同等的回轉(zhuǎn)速度傳遞給車軸的產(chǎn)品。

在車軸的最前端安裝有車輪，根據(jù)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，改變前輪（因車型不同有的為后輪）相對(duì)于車軸的角度，同時(shí)還要根據(jù)道路的凹凸?fàn)顩r做上下運(yùn)動(dòng)。 裝有輪胎的車軸對(duì)于變速器的上下、前后角度會(huì)頻繁地發(fā)生微妙地變化。變速軸與車軸的角度發(fā)生變化，輪胎與地面接觸的回轉(zhuǎn)角度，即回轉(zhuǎn)速度就要變化，車體會(huì)發(fā)生振動(dòng)，方向盤(pán)的操作性不好導(dǎo)致開(kāi)車人的心情變壞。

圖3 等速萬(wàn)向節(jié)（CVJ）外套

在變速器與車軸的角度變化時(shí)要保持車輪的回轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，等速萬(wàn)向節(jié)的作用是很重要的。等速萬(wàn)向節(jié)要傳遞汽車的回轉(zhuǎn)力還要耐受道路的顛簸，首先等速萬(wàn)向節(jié)的構(gòu)造本身就必須將摩擦發(fā)熱減少到最小，因此就采用了在等速萬(wàn)向節(jié)和外套之間放入精細(xì)的滾珠或軸承的組合方法。

有一種軸承組合的等速萬(wàn)向節(jié)使用的材質(zhì)是SCM（鉻鉬鋼），用冷鍛加工或溫鍛加工方法成形。對(duì)于等速萬(wàn)向節(jié)外套軸來(lái)說(shuō)，因?yàn)榉湃霛L珠部分的外徑是很大的，制造時(shí)一般是截取棒材做坯料，先進(jìn)行鐓粗加工使其變粗。金屬材料在加工過(guò)程中產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，硬化又伴隨著拉伸強(qiáng)度的增大，因此棒材在被實(shí)施了鐓粗加工后拉伸強(qiáng)度和硬度都會(huì)增加。

已經(jīng)被加工硬化的材料還要進(jìn)入到下一個(gè)工序即放入滾珠部分的內(nèi)徑加工，與坯料鐓粗加工相比內(nèi)徑成形加工時(shí)對(duì)沖床的負(fù)荷要高出很多，當(dāng)然對(duì)模具的負(fù)荷也是很大的，因此模具的強(qiáng)度和耐久性就是非常重要的問(wèn)題了。為解決上述問(wèn)題，等速萬(wàn)向節(jié)外套的成形加工也采用溫鍛加工的方法。圖3的產(chǎn)品就是用溫鍛方法加工出來(lái)的。