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

（連載一）

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

從本期的鍛造篇開始，江蘇中興西田數(shù)控科技

有限公司將重點對溫鍛和冷鍛的理論知識和實例，進行逐步展開連載介紹，希望能對國內(nèi)突飛猛進的汽車制造業(yè)中零部件等制造工藝和加工方法起到拋磚引玉的作用。

在系列連載中，將就有關(guān)鍛造（包括溫鍛和冷鍛，本文都稱為鍛造）加工的以下內(nèi)容依次進行講述：鍛造加工的種類、鍛造加工工位的設(shè)定方法、鍛造加工的負(fù)荷計算、鍛造加工所必須的能量、適合特定加工件的沖壓機械選定方法、鍛造加工的自動化方法、鍛造用模具的基本構(gòu)造、材料及模具的加熱、鍛造沖壓機械的數(shù)控化和鍛造加工系統(tǒng)的自動化等。

在本文的連載中要使用方程式對鍛造負(fù)荷、所需能量等進行計算，具備一些數(shù)學(xué)知識有利于深入地理解其中的內(nèi)容。為了計算需要準(zhǔn)備可以進行函數(shù)計算的計算器，只有四則運算的計算器是不夠用的。

產(chǎn)品的制作是知識、技術(shù)以及技能應(yīng)用的綜合反應(yīng)，筆者希望讀者通過閱讀本文對解決工作中的實際問題有所幫助。

鍛造加工使用的材料和零件

冷鍛和溫鍛的出現(xiàn)

首先介紹一下鋼鐵鍛造中冷鍛的由來：鍛造方法在制造領(lǐng)域的歷史中，是僅次于鑄造的長期存在的加工方法。在四千多年前的青銅器時代，人們把銅塊加熱使其變軟，再通過敲打（鍛造）使材料得以延伸，這種方法在制作刀和劍等武器方面得到了很好的應(yīng)用，這個時代持續(xù)了很長時間。

在這之后發(fā)現(xiàn)了鐵，進入了鐵器時代，人們將鐵塊加熱再通過敲打使其成形，這就是熱鍛的開始。今天這種加工方法已成為產(chǎn)品制作中一種不可缺少的加工方法。

這時的鐵是沒有添加任何其他元素的純鐵狀態(tài)，后來人們在鐵中加入了碳元素從而進入了鋼的時代。鋼的強度增加了，加工難度也隨之增加，熱鍛的必要性就顯得更為突出，并延續(xù)下來。鋼的用途非常廣泛，后來又需要加入碳元素外的其他元素使強度進一步提高，這樣室溫狀態(tài)（冷鍛）的加工就變得更加困難了。

到了1930年左右，由于鋼材中冷鍛加工的必要性日益凸顯，人們就把模具材料換成了超硬合金，又發(fā)明了使用潤滑劑的磷酸鹽皮膜化合處理技術(shù)，從而開始了冷鍛的普及。但是溫鍛也好熱鍛也好，高溫鍛造是不能使用磷酸鹽皮膜化合處理（簡稱磷皂化處理）的，必須使用含有石墨或特殊鈣的高溫潤滑劑。

鍛造加工是將材料壓縮使其成形的一種加工方法，壓縮成形的時候?qū)δ＞叩臎_頭和模架施加的壓縮應(yīng)力一定要比材料變形所必須的壓縮應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出數(shù)倍（5～10倍以上）。另一方面，這種像鍛造一樣壓縮成形的模具中有一種材料的壓縮強度要達到4800MPa。在沖壓加工中，經(jīng)常使用的高速鋼（SKH51....JIS）的壓縮強度是3000MPa，特殊工具鋼（SDK11....JIS）的壓縮強度是2400MPa。按照一般沖壓加工時的壓縮應(yīng)力是沖頭材料壓縮強度的50％以下來考慮，上面提到的工具鋼在冷鍛加工中的使用范圍變得很狹窄，必須使用超硬合金（也稱為硬質(zhì)合金）作為主體材料成為冷鍛加工的關(guān)鍵，模具費用成了冷鍛加工工藝應(yīng)用道路上的瓶頸。為了打破這種局面，1960年左右美國開發(fā)了溫鍛的加工方法。

熱鍛、溫鍛及冷鍛的區(qū)分

鋼是化學(xué)元素Fe（95％以上）和C（大約0.05％～1.5％以下）的化合物，適當(dāng)增減Fe和C的前提是先添加一些特殊的元素做成特殊用途的鋼，無論是哪種化合物都是結(jié)晶體構(gòu)造。這種結(jié)晶體隨著溫度的變化而變化，鋼在760℃附近開始再結(jié)晶，結(jié)晶體會變得很粗大。

長期以來，是這樣區(qū)別熱鍛和冷鍛的：再結(jié)晶點溫度（≒760℃）以上的鍛造加工叫做熱鍛，在室溫（30℃以下）下的鍛壓加工叫做冷鍛加工。一般來說要在800℃以上進行熱鍛的話，就要把材料加熱到1000℃，鋼的拉伸強度會下降到室溫時的10％～40％。此時，技術(shù)人員利用高溫下金屬拉伸強度降低的特性，使高強度鋼的鍛造加工變得容易了很多。

但當(dāng)金屬被加熱到1000℃前后時，金屬表面的氧化膜就會變厚，鍛壓時氧化膜剝離脫落，就會增大模具的損耗，鍛壓出來產(chǎn)品的尺寸精度也會因此受到很嚴(yán)重的影響。而且，100mm的鋼溫度每變化1℃就會有0.001mm的膨脹收縮，那么在1000℃的情況下，把膨脹了1mm的金屬材料放在模具里進行加工，加工后冷卻到室溫時就要收縮1mm，這時的產(chǎn)品尺寸和模具尺寸就有了差異，這就是熱鍛的缺點。

因此比冷鍛的溫度高，又比熱鍛的溫度低的溫鍛就應(yīng)運而生了，現(xiàn)在溫鍛的溫度區(qū)域一般選擇在400～800℃。由于溫鍛的溫度較低、加熱的時間相對短，氧化膜的發(fā)生厚度較少、熱膨脹量少，鍛造產(chǎn)品的尺寸精度就比熱鍛好。但是，在超過400℃的溫度區(qū)域內(nèi)能有效降溫的潤滑劑幾乎是沒有的。這樣模具的負(fù)擔(dān)就很大，金屬材料的選定就成了難題。那么，將模具進行恰當(dāng)?shù)念A(yù)熱或者在加工過程中對模具進行冷卻就是必不可少的了。今天，冷鍛的溫度區(qū)域已被擴展到200℃以下。前面所講的磷酸鹽皮膜化合的磷皂化處理等潤滑劑的進步，模具材料及模具的鍍膜技術(shù)的進步都為此做出了很大的貢獻。

不論是溫鍛，還是冷鍛模具和潤滑劑都是重要的技術(shù)要素，僅把鋼材加熱到800℃并不能預(yù)示溫鍛的成功。如果沒有做好包括模具溫度控制等對策，還會有很多問題發(fā)生從而導(dǎo)致失敗。

熱鍛加工的產(chǎn)品

熱鍛制作的產(chǎn)品中，大的有質(zhì)量超過50t的軋鋼用輥軸、大型船舶的曲軸和螺旋驅(qū)動軸、水力發(fā)電機和火力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子主軸、噴氣發(fā)動機的回轉(zhuǎn)軸、大型礦山機械的部件（懸架裝置）等，稍微小一點的有飛機著陸輪部件（齒輪）、汽車的發(fā)動機曲軸、齒輪等零件，鋁制輪心蓋等也是鍛造產(chǎn)品。鍛造加工是汽車部件制作重要的加工方法，加工精度可達到0.1mm，最近鍛造加工的精度也提出有可能達到0.01mm。

汽車產(chǎn)品的鍛造

像汽車零件這樣大批量生產(chǎn)的鍛造產(chǎn)品，在適當(dāng)?shù)臒徨?、溫鍛或冷鍛加工后還要再追加切削、研磨和切齒等加工。汽車的發(fā)動機、變速器、懸架、制動裝置的構(gòu)成零件，需要嚴(yán)格的加工精度要求。有的零件在鍛壓加工后還要和機械加工的零件組合，有的是在切削加工后與鍛壓加工的零件組合。用鍛壓加工方法進行加工的典型零件，有曲軸、齒輪類和連桿等。

發(fā)動機的排氣量在1500～2000cc的中、小型轎車的平均質(zhì)量一般是1200～1500kg。當(dāng)然，汽車的生產(chǎn)廠家不同，車型不同，車體的重量也會變化。車體的平均質(zhì)量在1200～1500kg時，大約有30％即350～500kg 是板材的沖壓加工產(chǎn)品，鍛壓加工的產(chǎn)品有40～70kg。用鍛造方法制造的產(chǎn)品有發(fā)動機鍛件、變速器鍛件和曲軸等驅(qū)動部分鍛件，還有懸架裝置鍛件、方向盤鍛件、制動器鍛件，電器方面的鍛件也有很多。用鍛造方法制造的鍛件，具有代表性的有以下幾類：發(fā)動機中的代表性鍛件，有曲軸（圖1）、連桿、連桿罩、活塞、活塞銷、凸輪軸件、搖臂、正時齒輪等；變速裝置中的代表性鍛件，有變速齒輪、同步齒輪、換擋手柄等；驅(qū)動系統(tǒng)中的代表性鍛件，有離合器輪箍、軸、連軸器、等速萬向節(jié)、齒輪類等；懸架裝置中的代表性鍛件，有連桿、連桿銷、減振器等；駕駛裝置中的代表性鍛件，有肘桿、耦合器、齒輪齒條、齒輪軸；制動裝置中的代表性鍛件，有制動活塞、剎車片、制動盤等；電氣關(guān)系中的代表性鍛件，有發(fā)電機、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、點火塞等。除此以外，還有許多部件是用鍛造加工制造出來的。

圖1 熱鍛加工的汽車發(fā)動機曲軸

由于上述產(chǎn)品都是重要的保安產(chǎn)品，就必須要選擇正確的材料、條件適合的加工方法、正確的熱處理工藝、具有正確品質(zhì)管理的制造過程、使用指定檢查器具進行檢查和管理、記錄好產(chǎn)品的情況、保持長期信賴性的同時，尊重生命的高度意識都是必不可少的。

根據(jù)上面的闡述，發(fā)現(xiàn)對于溫鍛來說鋼材在插入模具后溫度要有800℃，這時即使是10℃的差別都會發(fā)生結(jié)晶粒的粗大化或結(jié)晶組織的缺陷。在正常的生產(chǎn)過程中，如果發(fā)現(xiàn)有一點點的異?；蛘邫z出信號判斷有問題時就必須立即將生產(chǎn)線停止，查明原因以防止問題再次發(fā)生，因為溫鍛并不是單純的高溫加工。

溫鍛與冷鍛是比較相近的模鍛加工技術(shù)，模具的密閉度需求很高，所以鋼材的體積公差幅度很窄，不但鋼材的直徑公差幅度小，長度公差也必須嚴(yán)格遵守。哪怕體積公差僅大一點點，也會對模具造成損壞，破損的模具碎片會造成操作人員的重傷。如果體積不足，就會造成鍛件缺肉，作為鍛件就是不合格的。不僅如此，缺肉會使得模具內(nèi)的壓力低下，材料得不到必要的壓力負(fù)荷，就會產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。

前面提到，產(chǎn)品要求有很高的強度和信賴性，如果沒有良好的素材管理（材質(zhì)、添加元素、體積管理、素材表面缺陷等）、溫度管理（素材預(yù)熱、素材加熱、冷卻速度、模具預(yù)熱、模具溫度調(diào)節(jié)等）、冷卻管理（非調(diào)質(zhì)鋼、調(diào)質(zhì)鋼等）、鍛造技術(shù)管理（加壓速度、模具的閉止時間、模具內(nèi)的材料流動等）、潤滑管理（潤滑量、潤滑時機、添加劑的比例等），就不可能制造出有高度信賴性的素材和產(chǎn)品。需要說明的是，文章中主要以汽車部件事例為主來進行說明，但并不是只限于汽車鍛件。

溫鍛的特點及注意事項

溫鍛的主要特點，包括以下幾方面：溫鍛適合的溫度范圍很狹窄。需要注意的是：

⑴可考慮冷鍛的方法。溫度的誤差與加工負(fù)荷緊密相連，直接影響部品精度。要絕對避免過熱。

⑵要求溫鍛的產(chǎn)品形狀精度和尺寸精度要接近冷鍛的產(chǎn)品。即使需要進行切削等后續(xù)加工時，也要考慮使加工量做到最小，這是按照冷鍛加工考慮的。因此沖頭圓角、模架的半徑要稍稍小于產(chǎn)品的形狀。

⑶沒有冷鍛應(yīng)用的廣泛。這是因為，熱鍛的模具材料要采用耐熱性和耐脫碳性的材質(zhì)。

鍛造的新技術(shù)動向

鍛造越來越向著更加精密化的方向發(fā)展，冷鍛向著無切削的精度邁進。為實現(xiàn)此目的，一種稱為板材鍛造的復(fù)合鍛造技術(shù)得到了發(fā)展。如前所述，冷鍛和溫鍛的加工必須有很大的負(fù)荷，模具的強度就成為了加工的界限之一。將這樣高的加工負(fù)荷（特別是沖頭和模架的面壓）降下來的技術(shù)，應(yīng)用到了鈑金加工技術(shù)上。鈑金加工和鍛造的組合應(yīng)用，不但使得加工負(fù)荷下降，還能使無切削化的鍛造得以實現(xiàn)，這就是板材鍛造（也稱為復(fù)合鍛造）加工技術(shù)。目前，這項技術(shù)正在迅速發(fā)展。

在后期的文章中，筆者將對精密加工的板材鍛造進行介紹，最新的板材鍛造技術(shù)可以使直徑φ80mm的帶齒輪的鍛件加工精度提高到μm。因此，汽車驅(qū)動系統(tǒng)的鍛件加工已經(jīng)開始使用這種方法了。因為有了優(yōu)異的材料、模具和機械，使得精密板材鍛造技術(shù)成為了可能，作為一項完全超越了切削加工的技術(shù)，將開始被廣泛的應(yīng)用和推廣。