溫鍛與冷鍛之基本（連載五）

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（連載五）

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溫鍛的使用

前面我們已經(jīng)講到過在鈑金加工過程中，沖孔、拉伸時(shí)對(duì)材料施加的應(yīng)力可以在被加工材料的屈服強(qiáng)度以下，與其相比，鍛壓加工的壓縮力如果達(dá)不到被加工材料屈服強(qiáng)度的3～5倍，就不能使材料充填到模具內(nèi)腔的邊邊角角。我們經(jīng)常把用作鍛造加工的典型材料的屈服強(qiáng)度歸納到表1中，同時(shí)也計(jì)算了其3～5倍的壓縮應(yīng)力。

表1 材質(zhì)和熱處理方法與室溫（冷擠壓）時(shí)的屈服強(qiáng)度

溫鍛的潤滑

在上一期我們講述了模具表面的加工和加工表面的粗糙度問題。無論在銑削加工表面、研削加工表面，還是拋光加工表面，雖然粗糙度有差別，但是連續(xù)不斷的尖端鋒利的毛刺仍然存在。很多有現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的人也會(huì)認(rèn)為，表面粗糙度在50μm的時(shí)候，表面就像連續(xù)不斷的刀山，而粗糙度在10μm時(shí)，表面就會(huì)像鏡子或滑冰場(chǎng)的表面一樣非常光滑，刀山一樣的毛刺就不存在了。其實(shí)不然，即使是經(jīng)過了拋光加工的模具表面也仍有像刀山或者是針山一樣的毛刺。用熱可塑性樹脂作為原料通過注塑射出成形方法制成的CD光盤或眼鏡鏡片等，其成形用的模具表面是經(jīng)過嚴(yán)格的鏡面研磨處理的，但實(shí)際上仍有數(shù)十nm（0.1μm以下）的刀山。為什么這樣的模具生產(chǎn)出來的CD光盤或眼鏡的鏡片等的表面很光滑、看不到粗糙的毛刺狀呢？這是因?yàn)闃渲锌伤苄?，表面張力很大，樹脂不能流入刀山的山谷?/p>

與鍛造相比，注塑射出成形加工在模具表面的垂直壓力非常低，幾乎為零，即使是可塑性的、軟化的樹脂也不能把模具表面的粗糙度復(fù)制出來。另外與鍛造相比，注塑射出成形的樹脂材料是在高壓的作用下，模具的表面不能滑動(dòng)而成形的，其摩擦系數(shù)與表面粗糙度沒有直接聯(lián)系。

但是鍛造加工就完全不同，鍛造壓力比注塑射出壓力要大很多，表面粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響是很大的。圖1是拋光加工表面的粗糙度，我們?cè)趫D上加上了粗糙度的數(shù)值。

圖1 拋光加工表面的粗糙度數(shù)值

在圖1中下面的0.0μm處是加工表面的最低處，我們用谷底來表示，以谷底為基準(zhǔn)而刀山的最高峰值有1.73μm。 圖1是從拋光研磨后的模具上切下的一小塊，面積是4μm×4μm， 是被放大的模具表面。從側(cè)面可以看到有很多地方都有尖銳的V字形的谷底。

鍛造加工是在這樣連續(xù)不斷的山頂上用很大的壓力將材料擠壓，讓材料在模具里滑動(dòng)使之成形的加工方法，如果使用的潤滑油的粘度低，就不能形成油膜，材料就會(huì)在與模具直接接觸的狀態(tài)下滑移。潤滑油進(jìn)入到模具表面與材料之間，使模具與材料在不直接接觸的狀態(tài)下擠壓成形，這是非常理想的狀態(tài)。然而，在高的壓力作用下油膜也可能被破壞。油膜一旦被破壞，摩擦系數(shù)自然就會(huì)加大，在沒有潤滑油油膜的狀態(tài)下，模具和材料直接接觸，就會(huì)產(chǎn)生足以使鋼材局部融化的高溫，這樣的狀況繼續(xù)下去，就會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)或者燒損。這樣的高溫會(huì)加速模具的損耗，即使是已經(jīng)熱處理過了、硬度提高的模具。

礦物油、合成油和植物油等油類在300℃以上都會(huì)燃燒，這對(duì)于溫鍛和熱鍛來說是沒有用處的，要加入石墨或石灰等成分。把石墨直接噴在模具的表面，就像是向高溫模具投撒了切碎了的麥秸，石墨燃燒為模具補(bǔ)充了碳。因此，石墨就是這樣成為了高溫加工時(shí)用的潤滑劑，但是石墨進(jìn)入到滑塊滑道等地方就會(huì)加速銅合金滑道板的磨損。所以，一定要在有間隙的地方設(shè)置罩殼，以防止石墨進(jìn)入到滑道油等沖床的潤滑油回路中。

還有一種可以在溫鍛的溫度區(qū)域內(nèi)使用的潤滑劑叫做二硫化鉬，它的價(jià)格雖然有點(diǎn)高，但是二硫化鉬的粒子非常細(xì)小，它可以滲透到模具表面細(xì)微的粗糙面的底部，像一種“軸承”避免了模具與高溫材料的直接接觸。因?yàn)閱渭兊?、?xì)微的二硫化鉬粒子不能附著在上模的下表面，所以與油劑混合使其膠化做成噴霧劑使用，當(dāng)然也可以直接噴涂放在下模的高溫材料上。噴涂的方法很重要，使用氣槍噴涂噴霧，擴(kuò)散的范圍較大，這會(huì)使周圍的工作環(huán)境惡化；如用泵壓把二硫化鉬油劑直接噴灑霧散量會(huì)少一些；也可以用毛刷涂抹，但由于涂抹的量容易過多而不經(jīng)濟(jì)。

溫鍛的工藝設(shè)計(jì)

與沖壓加工一樣，鍛造加工也是通過形狀的改變得到最終的產(chǎn)品，所以，工位的設(shè)計(jì)是非常重要的。這個(gè)工作一般是由模具的設(shè)計(jì)者來進(jìn)行的，但有時(shí)可由產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者來安排。一個(gè)比較熟練的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在進(jìn)行工位設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到模具的費(fèi)用、產(chǎn)品的制造成本、自動(dòng)化方法以及沖床的規(guī)格等諸多因素。如果對(duì)鍛造工藝不是十分理解，就必須與鍛造工程師進(jìn)行充分討論。一般來說，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者決定著制造成本的90％。

現(xiàn)在介紹圖2產(chǎn)品的鍛造工位設(shè)計(jì)的順序。⑴坯材的體積計(jì)算。產(chǎn)品尺寸如圖2所示，

材質(zhì)SCM340（含碳量約0.4％的鉻錳鋼），壁厚約3mm，φ48mm部分的內(nèi)孔尺寸是φ35mm、深12mm（齒形忽略不計(jì)），φ48mm圓筒部的高度是20mm。根據(jù)上面尺寸計(jì)算出來的產(chǎn)品體積大約是25000mm3。

圖2 溫鍛產(chǎn)品

⑵確定坯材的尺寸。

首先鍛造這個(gè)產(chǎn)品有三種方法可以考慮：

1）用φ48mm的材料，從φ48mm擠壓出φ25mm的部分。

2）用φ25mm的材料，用鐓粗的方法鐓出φ48mm的部分。

3）介于中間的方法，用φ35mm的材料先鐓粗加工做出頭部，再將下面部分?jǐn)D壓出來。

采用什么方法，要考慮工廠的設(shè)備、材料成本、材料的利用率和坯材的制作方法等各方面的條件，通過核算、權(quán)衡來選定工藝方案。加工方法、工位及工藝流程的選定在很大程度上體現(xiàn)著設(shè)計(jì)者的個(gè)性。

接下來確定坯材的尺寸，需要考慮以下幾點(diǎn)。

⑴采用第一種方法要注意，從φ48mm的材料擠壓出φ25mm的部分時(shí)，必須要考慮斷面減少率R，坯材直徑φ48mm的斷面面積約為1800mm2，φ25mm的斷面面積約為490mm2，這時(shí)的斷面減少率為：

R＝（1800－490）/1800≈73％

一般擠壓成形鍛造加工的斷面減少率在30％ 70％之內(nèi)，計(jì)算結(jié)果超過了正常范圍的3％，困難還不算太大。

⑵采用第二種方法時(shí)，要注意的是用φ25mm的材料，用鐓粗的方法鐓出φ48mm的部分時(shí)不能達(dá)到縱向彎曲的極限?？v向彎曲是對(duì)一根細(xì)長棒材施加軸向的壓縮負(fù)荷時(shí)，棒材從中途開始產(chǎn)生彎曲的現(xiàn)象。相對(duì)直徑而言，被壓縮的部分越長越容易發(fā)生彎曲。在鐓粗加工過程中，一般把壓縮部分的長度控制在坯材直徑的3倍以內(nèi)。需要說明的是，這個(gè)3倍是指坯材棒的上下兩端沒有固定的情況，如果坯材棒的上下兩端被固定，被壓縮部分的長度可以在3倍以上，但不能到達(dá)4倍或5倍。

φ25mm坯材其斷面是490mm2，產(chǎn)品的體積是25000mm3，用25000÷490，算出坯材的長度L需要51mm。需要鐓粗的51mm加上35mm，坯材棒的全長為86mm，已經(jīng)到達(dá)了直徑φ25mm 的3.44倍，縱向彎曲就會(huì)發(fā)生。但是坯材放在凹模的孔腔內(nèi)，從孔內(nèi)伸出來的部分只是51mm，這只是φ25mm直徑的兩倍，所以就不會(huì)發(fā)生縱向彎曲。

圖3 坯材棒料的尺寸

這個(gè)產(chǎn)品可以采用圖4的工藝來制作：

圖4 鍛造工藝圖

1）第一工位是切斷，將長的棒材切斷。切斷方法可以是鋸斷、車斷和電割等。重要的是做好以下三點(diǎn)：

①切斷后材料兩端的平行度。

②坯材中心線對(duì)兩端端面的垂直度。

③端面的平面度。

如果做不到這三點(diǎn)，鐓粗工位的啤酒桶形狀就不能做好，不但會(huì)出現(xiàn)不良品，還會(huì)造成模具的破損。

2）第二工位是整形鐓粗。在這個(gè)工位上要把切斷后的坯材的上下面平行度整形出來，還要有精確的外徑尺寸。因?yàn)檎午叴趾蟮摹捌【仆啊币M(jìn)入下一個(gè)工位的擠壓模具里，模具的內(nèi)徑與“啤酒桶”的間隙是很小的，如果“啤酒桶”太粗了進(jìn)不去，太細(xì)了在凹模的位置又不能穩(wěn)定，擠壓出來的制品的同心度就不好，甚至還會(huì)導(dǎo)致沖頭的折損。所以第二工位的鐓粗整形并不是“自由鐓粗”，而是模鍛整形，要在凹模里高精度成形。

3）第三工位是前方擠出。在擠出模的凹模φ25mm的內(nèi)徑中心下方，有一根外徑為φ18mm的芯棒，在擠出外徑為φ25mm部分的同時(shí)，φ18mm的內(nèi)孔也成形了。為了將擠壓后的成形品從下模中頂出來，必須要設(shè)置頂料桿。頂料桿的形狀是一根外徑φ25mm，內(nèi)徑φ18mm的管子，因?yàn)槭菧劐懶景粢驯患訜?，必須十分注意間隙。間隙太小，潤滑油進(jìn)入不夠順暢，芯棒的動(dòng)作就會(huì)受到阻礙；如果間隙過大，管狀的頂料桿的強(qiáng)度就會(huì)減弱，頂料桿材質(zhì)的選擇就必須受到重視。

4）頭部的鐓粗。為了使鐓粗后的φ48mm的頭部順利地進(jìn)入到下一個(gè)工位的模具中，就要在這個(gè)工位鐓粗時(shí)讓這個(gè)部位的尺寸比φ48mm略小0.1～0.2mm。為確保這個(gè)尺寸，在鐓粗的過程中就要用凹模來限制其外徑。因此，這也同樣不能用自由鐓粗的方法，而是要在凹模中鐓粗。

如果使用自由鐓粗方法考慮到外徑的后加工余量也可以作出，這樣就要使得鍛造出來的外徑要大出1mm（單邊），鐓粗后再對(duì)外徑切邊整形。所以用自由鐓粗需要多一個(gè)工位。而且在切邊整形工位時(shí)，為了確保內(nèi)外徑的同心度，在切邊整形過程中會(huì)有很薄的廢料從模具中排出，有時(shí)還需要設(shè)置傳感器來檢查。如果廢料的厚度小于0.5mm以下，就很難從模具內(nèi)排出，稍微有一點(diǎn)留在了模具內(nèi)都會(huì)造成偏心，形成的廢料就更難排出了。因此，要把切邊整形的余量盡量稍微留大一點(diǎn)才比較安全可靠。

5）第五工位是反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就是使工件上下顛倒。在使用了多工位搬運(yùn)裝置或機(jī)械手等自動(dòng)搬運(yùn)裝置的情況下，一定要注意確保定位的精度，在模具上下功夫。

6）第六工位是齒部鍛造。通過齒部的鍛造使外徑成為φ48mm。這個(gè)部件達(dá)到圖4工位，并沒有完成，還要繼續(xù)下面的工位。

7）再次反轉(zhuǎn)（回到原來狀態(tài)）。

8）鍛造齒部。

9）齒部整形，以提高齒部的精度。

10）齒部內(nèi)徑孔的修整加工。

到此為止，這個(gè)零件的加工全部完成了，但是如果想要φ48mm的外徑部分精度更加準(zhǔn)確，還需要增加外徑修邊工位，該工位可提高外徑精度和外形的光潔。

因?yàn)闇劐懸雅鞑募訜岬?00℃前后開始進(jìn)行，為抑制前面講述過的材料表面產(chǎn)生氧化膜，一般使用能在短時(shí)間內(nèi)加熱的高頻加熱或低頻加熱方法。鋼材在高溫下會(huì)變成非磁性，在高頻加熱時(shí)的電磁誘導(dǎo)率會(huì)降低，這需要有控制頻率數(shù)和波形的優(yōu)秀技術(shù)。電爐或氣爐加熱會(huì)產(chǎn)生很厚的氧化膜，所以要避免使用。

像圖4這樣的連續(xù)鍛造加工時(shí)，被加工材料從一個(gè)模具到另一個(gè)模具的搬運(yùn)過程中溫度會(huì)逐漸降低，為縮短搬運(yùn)時(shí)間，應(yīng)采用自動(dòng)化搬運(yùn)裝置。在這個(gè)加工例子中，如果使用手工搬運(yùn)即單沖加工，每一個(gè)工位的溫度都會(huì)下降很多，不能維持在高溫下連續(xù)加工，還必須在中間設(shè)置一個(gè)加熱脫皮的工序。如果中途溫度下降很大，加工的負(fù)荷就會(huì)明顯上升，所以必須要考慮中間退火或加熱，這樣連續(xù)加工就在這里中斷了。經(jīng)過了再加熱就必須進(jìn)行氧化皮的處理，否則，會(huì)嚴(yán)重地?fù)p傷后一個(gè)工位的模具。而且，已經(jīng)有了立體形狀的中間成形品的自動(dòng)搬運(yùn)是非常困難的，因此，在工藝設(shè)計(jì)上盡量不讓加工工位中斷而連續(xù)加工的方法是最高效的。下期講述溫鍛工藝設(shè)計(jì)的例子是等速轉(zhuǎn)向器的外套。