溫鍛與冷鍛之基本（連載八）

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（連載八）

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

歸納以前講述的內(nèi)容可以得到這樣的結(jié)論，與冷鍛（冷擠壓）相比，溫鍛是一種受外界變動(dòng)因素影響較多的成形方法，是以高碳鋼、合金鋼等高強(qiáng)度鋼為主要對(duì)象的鍛造方法。它的特點(diǎn)是可以使形狀比較復(fù)雜的部件成形，而且為了盡量減少在后續(xù)工序的切削或者減少切削加工量，其成形精度與熱鍛相比至少要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

標(biāo)準(zhǔn)的溫鍛工藝一般是由素材制造裝置、素材加熱裝置、送料裝置和鍛造壓力機(jī)等構(gòu)成的，這些機(jī)械和裝置都需要具有抵御外界變動(dòng)因素影響的機(jī)能。本期只介紹素材制造裝置和加熱裝置的相關(guān)內(nèi)容。

素材制造裝置

溫鍛使用的素材很多都是圓棒的切斷材，因切斷方法的不同素材體積精度的好壞會(huì)有很大的差別。使用最多的棒鋼切斷裝置有棒材切斷機(jī)（也被稱為切割機(jī)）和剪切切斷機(jī)，這些切斷機(jī)的切斷刀具有半圓形或圓筒形，圓筒形刀具在切斷時(shí)，從棒鋼的軸向施加壓力，切斷部在壓縮力的作用下被切斷。素材切斷裝置的種類和特征見(jiàn)表1。

棒材切斷機(jī)的實(shí)例如圖1所示。

圖1a切斷裝置的右面是素材的堆積裝置和送料裝置，圖1b切斷裝置的右面是切斷下來(lái)的素材的收集裝置。這兩張圖片上的切斷機(jī)都是有離合制動(dòng)器的機(jī)械式?jīng)_壓切斷機(jī)。

圖1 棒材切斷機(jī)

圖1a中切斷前的成捆長(zhǎng)棒材用吊車或叉車送到材料堆垛裝置上，打開(kāi)綁帶準(zhǔn)備切斷。輥柱式定位送料裝置把長(zhǎng)長(zhǎng)的棒料一根一根地送進(jìn)切斷機(jī)，切斷工具（模具）為圓筒形，材料從圓筒中穿過(guò)，在規(guī)定長(zhǎng)度的位置上觸碰擋板，即被檢測(cè)出材料已送達(dá)指定位置。這時(shí)，切斷裝置的材料夾緊裝置就會(huì)緊緊抓住圓棒，其力度要保證材料在被切斷時(shí)不能發(fā)生后退、位置移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。棒材被切斷時(shí)的分力有使材料沿軸向后退的作用，所以要使用油壓氣缸進(jìn)行強(qiáng)制固定，但這個(gè)固定裝置一定不能給材料的表面造成傷痕，所以一般使用與材料外徑圓弧一致的抓手來(lái)完成。

■表1 素材切斷裝置的種類和特征

為了提高被切斷的鍛造素材的端面精度和品質(zhì)，切斷時(shí)的軸向壓縮力和高速的切斷速度是非常必要的。切斷速度一定要在400mm/s以上，現(xiàn)在有的切斷裝置的切斷速度已經(jīng)可以達(dá)到1000mm/s以上。尤其是對(duì)高強(qiáng)度材料進(jìn)行切割時(shí)，使用高速切斷速度的效果就會(huì)更加明顯。

棒材的切斷裝置和板材的切斷裝置的最大不同是，切斷能力發(fā)生點(diǎn)（公稱能力發(fā)生點(diǎn)）的位置與切斷結(jié)束點(diǎn)相比要高很多。用于鈑金加工的沖床的公稱能力發(fā)生點(diǎn)一般在下死點(diǎn)上方4～6mm，而棒材切斷機(jī)的公稱能力發(fā)生點(diǎn)一定要高出被切斷棒材的直徑數(shù)毫米以上，如果被切棒材的直徑是50mm，那么棒材切斷機(jī)的公稱能力發(fā)生點(diǎn)就必須在55mm以上。另外，切斷結(jié)束時(shí)（斷裂時(shí)）的沖擊（能量瞬間釋放）非常強(qiáng)烈，因此切斷機(jī)應(yīng)該具有簡(jiǎn)單、結(jié)實(shí)的構(gòu)造。圖1a、b所示的切斷機(jī)的機(jī)架剛性都很高，又在最大限度上減小了切斷用模具更換時(shí)所需要的空間，具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

雖然說(shuō)溫鍛的部件要比冷鍛的精度低，但為減輕后面切削工序的工作量也應(yīng)盡力提高鍛造的精度，即力求鍛造出“近似產(chǎn)品形狀”的鍛造品。要得到正確的形狀，其中非常重要的因素是素材的體積精度，體積精度不好時(shí)即使模具精度再好也不能得到正確的部品形狀。例如，金屬產(chǎn)品的重量是300g，其體積V＝38461mm3（鋼的密度為7.8g/cm3），用直徑φ50mm的圓棒制作時(shí)其長(zhǎng)度為19.6mm。但是當(dāng)直徑的誤差為1％時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：圓棒的直徑小1％即為49.5mm時(shí)，同樣是19.6mm的長(zhǎng)度，其體積會(huì)相差766mm3，也就是說(shuō)，如果比φ50mm棒材的直徑稍稍細(xì)了1％的棒材進(jìn)入了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，本來(lái)19.6mm長(zhǎng)的素材體積應(yīng)該是38461mm3，現(xiàn)在同樣是按19.6mm切斷的話，其體積就少了766mm3，體積減少了大約2％，這就意味著制品會(huì)出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象，也就是會(huì)出現(xiàn)不良品。因此，要得到高精度的優(yōu)良成形品，首先必須要有先天精度良好的素材。

此外，切斷長(zhǎng)度的精度也同樣非常重要，當(dāng)長(zhǎng)度少了1％時(shí)其體積也會(huì)減少1％，因此切斷作業(yè)時(shí)也同樣要非常注意這一點(diǎn)，以保證長(zhǎng)度精度。用來(lái)切斷棒材的裝置不能只是切斷而已，一定要是能保證體積精度的切斷機(jī)械。

素材的體積小了部品會(huì)出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象，而素材的體積大了的話同樣會(huì)造成模具的破裂現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，在購(gòu)買棒材時(shí)應(yīng)注意棒材上所標(biāo)示的直徑的精度。如果購(gòu)入了直徑誤差大的棒材，制造素材時(shí)就需要在維持一定體積上下功夫，這是一件非常困難和煩瑣的事情。

因此，從事這個(gè)行業(yè)的人員都知道優(yōu)良的沖床、優(yōu)良的模具、優(yōu)良的材料才能制造出優(yōu)良的溫鍛產(chǎn)品，這三項(xiàng)缺一不可。

素材加熱裝置

由于與熱鍛的素材加熱方法有所不同，所以溫鍛的加熱裝置必須有以下特點(diǎn)：

⑴氧化膜的發(fā)生量要小。

⑵為避免材料的加熱過(guò)度應(yīng)可以對(duì)素材逐個(gè)地進(jìn)行短時(shí)間的加熱。

⑶外圍和中心部不能有溫度差。

⑷鍛造沖床因緊急情況或模具檢修等問(wèn)題需要停止工作時(shí)，在爐內(nèi)的素材不能過(guò)熱。

⑸要保持良好的作業(yè)環(huán)境。

⑹要節(jié)省能源。

⑺加熱爐隨時(shí)都可以緊急停止。

由于有這些方面的要求，所以現(xiàn)在電阻爐、煤氣爐或重油爐等間歇式加熱爐已經(jīng)很少使用了。在自動(dòng)化的溫鍛生產(chǎn)系統(tǒng)中高頻誘導(dǎo)加熱爐是比較合適的，現(xiàn)在與低頻誘導(dǎo)裝置組合的設(shè)備也在逐步增加。

鋼材在加熱到超過(guò)720℃時(shí)開(kāi)始再結(jié)晶，此時(shí)的鋼材很難被磁化，由于頻率很高的誘導(dǎo)磁束能夠到達(dá)的距離很短，故只能加熱到素材的表面附近，對(duì)中心部的加熱效率不高；相反，低頻率的磁束能夠到達(dá)的距離較長(zhǎng)，能加熱到中心部，但對(duì)素材表面的加熱效率不高。目前，很多企業(yè)都采用下面的加熱方法：讓誘導(dǎo)加熱裝置在400～700℃附近進(jìn)行低頻預(yù)熱，然后在采用了抑制氧化膜發(fā)生措施的情況下保持待機(jī)狀態(tài)，在鍛造開(kāi)始之前再使用高頻誘導(dǎo)裝置急速加熱到鍛造溫度。

高頻加熱裝置對(duì)圓棒素材實(shí)施加熱的過(guò)程就是高頻率的電流流過(guò)誘導(dǎo)線圈，誘導(dǎo)素材產(chǎn)生磁場(chǎng)從而實(shí)行加熱的過(guò)程。由于流過(guò)誘導(dǎo)線圈的電流很大，所以誘導(dǎo)線圈的電線就必須很粗，要使素材加熱，線圈也要上升到同樣的溫度，線圈也和普通的電線一樣，在溫度升高的同時(shí)電線本身也要軟化，壽命也會(huì)縮短，因此線圈普遍使用銅管來(lái)制作。把銅管彎曲成線圈，在管子里通入冷水，冷水在管子內(nèi)部流動(dòng)，從內(nèi)側(cè)進(jìn)行吸熱、冷卻。從冷卻的效果來(lái)說(shuō)，雖然管子里冷水的流量越大，冷卻的效果就越好，但是如果管子太粗的話繞線圈的間距就會(huì)很長(zhǎng)，對(duì)于加熱的鋼材來(lái)說(shuō)，其相對(duì)的銅管面積就會(huì)減少，由此就會(huì)導(dǎo)致線圈的加熱效率會(huì)顯著下降，所以銅管也不能太粗。

線圈的內(nèi)徑與被加熱素材外圍的距離越近，誘導(dǎo)的效率就越高，加熱的效果就越好，根據(jù)素材來(lái)制作線圈是非常必要的。根據(jù)素材的材質(zhì)、直徑、加熱的必要時(shí)間以及1h內(nèi)能夠加熱的素材個(gè)數(shù)等來(lái)精確調(diào)整線圈的數(shù)量、頻率和電流值。

由于素材的軸端（前端、后端）的熱效率較低，需要的加熱時(shí)間較長(zhǎng)，所以在實(shí)施誘導(dǎo)加熱時(shí)使素材與素材之間無(wú)間隙地像連續(xù)材一樣地排列起來(lái)可以起到較好的效果。但是在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地存在必須要一個(gè)一個(gè)加熱的情形，所以為了使素材的溫度能夠均勻地上升，就必須實(shí)施自動(dòng)操作，具體的方法是讓線圈相對(duì)于素材往復(fù)動(dòng)作或讓素材相對(duì)于線圈移動(dòng)。

當(dāng)然，還必須在極力減少爐內(nèi)氧化膜的發(fā)生和增加上下功夫，比如向爐內(nèi)特別是高溫區(qū)域噴射氮?dú)猓ūM量是高溫狀態(tài)）以制造低氧的氣氛，這樣雖然會(huì)使成本有所增加，但可起到較好的效果。