溫鍛與冷鍛之基本（連載六）

文/張清林·江蘇中興西田數控科技有限公司

小松勇·日本小松技術士事務所，江蘇中興西田數控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本（連載六）

文/張清林·江蘇中興西田數控科技有限公司

小松勇·日本小松技術士事務所，江蘇中興西田數控科技有限公司

汽車的零部件中，驅動部件和懸掛部件都需要有很好的耐用性，其材料大多使用拉伸強度高、硬度高的高強度材料。但是，高強度材料的冷擠壓成形（溫度在20～200℃之間）實現(xiàn)起來非常困難。圖1是FF式轎車車輪驅動軸所需等速萬向節(jié)的一種，使用的材料為鉻鉬鋼（符合JIS標準，特鋼型號為SCM435）。

材料SCM435室溫時的拉伸強度在2800MPa以上，冷擠壓加工成形實現(xiàn)起來非常困難。通過球化退火熱處理可以使材料的硬度下降、成形性得到改善。但是，仍然不能起到延長冷擠壓模具使用壽命的效果，而且這種條件下凸模沖頭和凹模在加工時，變形量很大，產品精度也不太穩(wěn)定。

圖1 等速萬向節(jié)

鍛造方法

尺寸參數設定

為了提高產品的綜合性能，將等速萬向節(jié)的加工方法改為溫鍛加工。但是，由于使用溫鍛加工產品成形精度會比較差，需要先使用溫鍛的方法使零件初步成形，再用冷擠壓方法進行精整（整出形狀和精度），這樣在形狀精度得到一定提高的基礎上再進行切削機加工，完成零部件的成形。在整個加工過程中，溫鍛只是零件初期成形的粗加工。以圖2所示的等速萬向節(jié)外套簡圖為例，介紹其鍛造方法及加工工藝步驟。

圖2 等速萬向節(jié)外套簡圖

圖中所示的零件尺寸是經過溫鍛后，切削加工之前的尺寸：頭部外徑為φ69mm、長度為70mm，軸部直徑為φ33mm、長度為65mm，頭部內徑為φ53mm、深度為60mm，總長度為140mm（鋼球槽忽略不計）。通過計算生產該零件所需要的體積為196508mm3。對這個零件的鍛造方法有以下兩種，如圖3所示。

圖3 坯料的鍛造方法

加工工藝

⑴考慮第一個工位（坯料制作）擠壓加工后的斷面減少率。原材料從加工前的φ69mm到加工后的φ33mm，斷面減少率=（692-332）÷692×100％=77.1％。一般擠壓鍛造時，斷面減少率應該在70％以下，如果斷面減少率達到70％以上，就說明產生了急速變形，其變形抵抗力會很大，擠壓負荷也會很大，沖頭的負荷同樣也會很大。顯然從φ69mm直接擠壓到φ33mm的方法是不合適的。采用反向計算，先把斷面減少率設定在69％（70％以下），計算出擠壓后的軸頸是φ40mm。但是零件最終的尺寸是φ33mm，從φ40mm到φ33mm后續(xù)加工需要切削的量太大，

這樣的加工是不合理的。

⑵既要得到φ33mm的軸頸又要把斷面減少率控制在70％以下，選用φ60mm的圓棒作為原始坯材。從φ60mm擠壓到φ33mm，斷面減少率是69.75％。圖2所示零件的頭部直徑是φ69mm，用鐓粗鍛造的加工方法要把φ60mm圓棒的一部分加工到φ69mm，這就是圖4所示的頭部鐓粗工序。

⑴用φ33mm的圓棒利用鐓粗的鍛造方法。圖2簡圖顯示零件頭部較大，整體體積也較大。如果用直徑為33mm的圓棒作為原材料，φ33mm的斷面面積為855mm2，需要圓棒的長度為196508÷855=230mm。不過，從φ33mm的圓棒開始鐓粗的話，要鐓粗的長度是230-65=165mm，正好是φ33mm的5倍，一定會發(fā)生縱向彎曲。因此，不建議使用φ33mm的圓棒利用鐓粗的鍛造方法。

⑵用直徑大于33mm的圓棒利用擠壓的鍛造方法。如果對比較粗的坯料實施擠壓加工就不會出現(xiàn)縱向變形，因為擠壓加工都是在模具內完成的。比如選擇φ60mm的圓棒作為原材料，鍛造過程中φ69mm部分和φ33mm部分的成形都是在同一模具內完成的，同心度是由模具決定，因此可以保持零件尺寸穩(wěn)定，同心度良好。由此可見，坯料的制作對后面的制造品質影響很大，選擇對后面制作有利的坯料作為原材料是非常重要的。

圖4 頭部鐓粗工序簡圖

⑶經過了圖4所示的鐓粗鍛造后，頭部不是圓柱形，而是啤酒桶形狀，在下一道工序為頭部開孔成形時才把啤酒桶形變圓柱形。如果使用冷擠壓加工方法對頭部進行鐓粗，被鐓粗的部位就會發(fā)生加工硬化，硬度上升，會增加下一個擠壓工位的負擔。同時伸延性下降，會使下一個工位的加工很難實施。因此，為降低硬度，增加延伸性，就必須在頭部鐓粗后實施退火處理。

⑷進行熱處理后的加工件會有氧化膜產生，要去除氧化膜就必須對鍛件進行噴丸和潤滑處理。與冷擠壓相比溫鍛的加工方法就不存在熱處理和潤滑的問題，這就是溫鍛加工的好處。因此,在對鍛件形狀精度要求不高的前提下，溫鍛是很好的加工方法。

鐓粗加工工藝

等速萬向節(jié)是汽車驅動部分的重要部件，是絕對不能有缺陷的。如果一輛在高速公路上高速行駛的汽車，突然驅動軸損壞（斷裂），將造成多么嚴重的后果。因此，對于汽車驅動部件必須要滿足零缺陷的要求。如果坯材（圓棒）的表面有碰傷或裂痕的話，在鐓粗后表面的缺陷就會因圓棒的直徑變大也隨之擴大并表面化，很容易被發(fā)現(xiàn)。

一般圓棒都是通過壓延方法制造出來的，外徑φ70mm時可能有1mm的精度誤差，在模具內對外徑進行有一定約束作用的鐓粗作業(yè)，可以對圓棒外形尺寸的修正起到一定的作用，從而得到粗細一樣的坯材。

在用圓棒做坯材時，被截取下來的圓棒長度是根據零件的體積計算出來的，圓棒的直徑誤差直接關系著零件的體積誤差。不僅是鐓粗加工，在其他的鍛造加工中，也要考慮到這一點，要通過某種方法使多余出來的體積不要被封閉在模具內（一般是在模具上留出間隙），為多余的體積留出一個溢出空間，這一點是非常重要和必要的。如果沒有這樣的對策，在閉塞鍛造時，就有發(fā)生模具破裂的可能，破損的模具碎片以10m/s以上的高速向周圍飛散，直接威脅著操作人員以及其以外人員的安全，嚴重時還可以造成人員的重度傷殘。

把頭部鐓粗后的半成形品再擠壓成萬向節(jié)外套的方法有兩種。

⑴將坯料再一次加熱到溫鍛的溫度，從后方擠壓的方法，如圖5所示。用這種方法要經過噴丸、精整使其形狀和尺寸都得到改善后再進行。溫鍛加工的模具使用與熱鍛加工的模具相同的材料，這樣可以抑制熱斷裂的產生，達到回火的效果，也可以防止模具硬度的降低。

圖5 擠壓工序簡圖

在材料里加入微量的硼元素可以提高材料的高溫耐久性能，模具材料也有采用這種方法的。但為了避免因模具的損壞，而造成生產線停止生產，需要事前理清模具的易損件，提前準備好備用模具。

⑵經過球化退火、噴丸和潤滑處理后，從后方擠出鍛件的冷擠壓方法。這種加工方法的產品精度高，但是鍛造加工時的變形抵抗力明顯上升，必須使用超硬合金作為模具的材料。

超硬合金材料的壓縮應力很高，但彎曲應力和拉伸應力很弱。在鍛造加工過程中因為在凹模的內側有很大的擴張力，超硬合金的凹模會受到很大的拉伸應力，就會引起凹模破裂現(xiàn)象的發(fā)生。對應方法有：用過盈裝配的方法在凹模的外側嵌入緊固圈，使其處于壓縮應力狀態(tài)；用鋼絲繩在很高的拉伸力的狀態(tài)下，把凹模緊緊地纏繞起來，利用鋼絲繩的收縮應力讓凹模處于壓縮應力狀態(tài)。這樣在沒有進行鍛造加工（無負荷）的時候，凹模就處在外面的壓縮應力中，鍛造加工時來自內側的擴張力使壓縮力減少（外面的鋼絲繩受到的拉伸力，比最初的應力還要大）。當最初的壓縮應力與內部的擴張力相等時，凹模最初的壓縮力為零。這樣在設計模具時，考慮到凹模要承受很大的拉伸力，因此，就要相應地將初期壓縮力，設定在凹模鍛造加工過程中，需要承受的最大內應力之上。

溫鍛的工藝設計實例

從圖6所示杯狀殼體簡易圖上可以看出，該形狀尺寸可以用冷擠壓的方法加工。但是如果它的材料是高鉻、軸承鋼、硼鋼、高硅鋼等延伸性較低、變形抵抗力和硬度很高的材料時，其冷擠壓的加工方法就比較困難了。貝氏體鋼也是高強度鋼，對其進行常溫加工是比較困難的，這樣的材質一般需要利用溫鍛加工成形。

圖6 杯狀殼體簡易圖

圖7 坯料尺寸示意圖

下面是加工工位的設定。計算出制品的體積是3351mm3，如果用直徑為φ20mm的坯料加工，其斷面面積為314mm2，坯料的長度是3351÷314=10.7mm，圖7為坯料尺寸示意圖。第2個工位是向前方和后方同時擠壓，如圖8所示。圖中的四方形虛線就是坯料的原形。用沖頭沖壓內徑φ13mm的汽缸圓孔，同時也把φ16mm的部分向前方擠壓成形，這種加工方法也叫做復合擠壓。

圖8 坯料擠壓后的示意圖

圖9 內外徑擠壓示意圖

圖10 杯體上部的壓印加工

第3個工位如圖9所示，外徑φ16mm、內徑φ13mm部分的擠壓成形。第4個工位如圖10所示，杯狀殼體上部的壓印加工和內徑底部的再整形。

在這個零件成形的四個加工工位中，只有第1工位的坯料鍛造和第2工位的復合擠壓需要用溫鍛，以彌補高強度材料變形抵抗力大的弱點和避開加工硬化現(xiàn)象的產生。第3工位和第4工位的成形可以通過冷擠壓工藝來實現(xiàn)基本尺寸的精度要求。