溫鍛與冷鍛之基本（連載四）

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（連載四）

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

溫鍛加工

鍛造的最大特征是被鍛造的零件表面沒有切削的痕跡，可以做出切削刀具做不出來的形狀，生產(chǎn)性良好適合大批量生產(chǎn)。由于鍛造加工是把材料放入經(jīng)過切削、研磨等工序加工制造出來的具有部件形狀的模具里，通過高壓力的擠壓使其具有模具形狀的成形工藝，所以這是一種可以將模具的精度及表面粗糙度如實地反映到被加工材料上的工藝。

圖1 拉伸應(yīng)力和伸長、壓縮應(yīng)力和縮短的曲線圖

現(xiàn)在我們就要考慮一個問題：模具的形狀和精度是否能夠正確地被復(fù)制出來。圖1是經(jīng)常使用的曲線圖。圖內(nèi)縱橫交叉的十字線，縱軸表示應(yīng)力、橫軸表示變形量。右上方的第一象限是拉伸區(qū)域，左下方的第三象限是壓縮區(qū)域，中央交點的應(yīng)力和變形都是零。拉伸應(yīng)力向上是增加，壓縮應(yīng)力向下是增加。從橫軸的中央向右表示伸長變形的增加，向左表示壓縮變形的增加。通過中央交點的斜線向右上方延伸的是彈性變形曲線，伸向左下方的是壓縮彈性變形曲線。在斜線的右上方和左下方顯示有屈服點強度。

無論是拉伸還是壓縮，如果施加的壓力超過了屈服點，即使解除了外界施加的壓力，已經(jīng)發(fā)生的變形也不能回復(fù)到原來的形狀，即成為了“永久變形”。而在施加的壓力不超過屈服點的情況下，只要解除了外界施加的壓力，材料就會回復(fù)到變形之前的狀態(tài)，這在拉伸應(yīng)力范圍和壓縮應(yīng)力范圍之內(nèi)都稱作彈性區(qū)域。

在圖1的壓縮區(qū)域內(nèi)寫有“回彈”的字樣，“回彈”就是用施加了壓力后發(fā)生的最大的變形量減去永久變形所得的差值?？梢哉f在模鍛加工中回彈現(xiàn)象是必然存在的，沒有回彈的模鍛加工是做不到的。

圖1雖然表示的是被加工材料的應(yīng)力與變形的關(guān)系，“應(yīng)力和變形曲線圖”所描繪的變形表明了模具是在自身發(fā)生變形的同時進行模鍛加工的。當(dāng)然這樣的變形在彈性區(qū)域內(nèi)也伴有回彈現(xiàn)象的發(fā)生。由此可見，雖然在定義上我們說模鍛加工是把模具的形狀與精度正確地復(fù)制出來的加工方法，但實際上由于沖床、模具也同樣處在反復(fù)不斷的彈性變形中要想達到完全如實地復(fù)制是非常困難的。

在模鍛加工生產(chǎn)中我們購入的材料由于制造批次的不同，鋼板的厚度、硬度、拉伸強度都會有一些差異，應(yīng)力和變形的狀態(tài)也就隨之發(fā)生變化，在這樣的情況下仍要保持產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，就是讓每一批、每一次生產(chǎn)出來的產(chǎn)品都完全一樣，這樣的模鍛加工是必須付出很大努力的。

不論溫鍛還是熱鍛都是加熱后才能實行模鍛加工的方法，在應(yīng)力變形上又加上了熱變形，所以溫鍛和熱鍛的高精度加工就比冷鍛困難。溫鍛和熱鍛相比只有溫度的差異，對其制造精度的難易程度來說沒有太多的差別。熱鍛作為一種生產(chǎn)技術(shù)之所以能夠由古至今流傳下來，是因為它生產(chǎn)的部件對精度的要求不是很高。

溫鍛是在再結(jié)晶溫度以下、冷鍛溫度以上范圍內(nèi)的鍛造。溫度越低材料保有的熱能（卡）就越小，加熱的材料在搬運過程中或被送入模具的過程中熱量被吸收，材料的溫度就會急劇下降，這樣使得本來是利用提高溫度使鋼材硬度下降的加工方法不能得以實行，因此，溫鍛的溫度一般在800℃左右。

加工溫度越低，模具冷卻和潤滑劑的選擇范圍就越寬，因此應(yīng)該盡可能地在低溫狀態(tài)進行加工生產(chǎn)。如前面曲線圖1所示的溫度與材料強度之間的關(guān)系，溫度超過了600℃，材料的強度就開始急劇下降。這個急劇下降從另一方面增加了溫鍛的難度。溫度的微小變化都會引起很大的材料強度的變化，溫度的下降使加工負荷急劇增大，即使是使用同樣的模具，產(chǎn)品的尺寸、形狀也會有很大的變化，甚至?xí)^尺寸公差的范圍。

模具的制作

在講述怎樣才能使溫鍛加工方法獲得成功之前，首先要了解模具的制作過程。鍛造加工中金屬材料在被極高的壓力壓在模具表面的同時，還要緊貼著模具表面滑行移動，沒有這種移動就不能得到預(yù)想的形狀。

圖2是銑刀加工后的表面，圖3是研削加工后的表面，圖4是拋光加工后的表面。圖2銑削面上排列著一排排像喜馬拉雅山一樣屹立的刀山。圖3的研磨面也可以清晰地看到與磨具走向一致的接連不斷的刀山。圖4的拋光面的加工粗糙度雖然比研磨加工好一點，但仍然沒有消除接連不斷的銳利尖角的存在。

圖4的拋光面是用游離狀砂粒（拋光砂粒）進行研磨的加工面，消除了銑床加工和研磨加工后的明顯的鋒利尖角，但仍然殘留了砂粒研磨后的斷續(xù)不全，細微的痕跡。

圖2～4中有實線的和虛線的兩種箭頭，從圖上可以很清楚地看出銑削面和研磨面的實線箭頭方向是摩擦力較大的，而對研磨面來說實線箭頭方向和虛線箭頭方向的摩擦抵抗力幾乎是相同的。由此可見，無論是落料加工、拉伸加工，還是鍛造加工，模具的表面打磨是非常重要的。

無論是用什么形式加工模具，其形狀表面都是用切削或放電加工制作，再使用砂紙打磨來改善粗糙度。一般是從40#～60#（砂粒是用40#篩子篩選出來的）的砂輪打磨，慢慢地更換細小砂粒的砂輪來改善表面的粗糙度。根據(jù)模具的用途一直更換到最高級別的砂輪。但是如果想使光潔度達到鏡面程度，使用的砂輪就需要達到8000#～100000#。但是砂輪的砂粒度的上限一般在800#～1000#，所以大多數(shù)的情況是使用砂紙進行打磨，砂紙最高可以達到2000#。

圖2 銑削面

圖3 研磨面

圖4 拋光面

砂輪的400#和砂紙1200#所表示的是在砂輪或砂紙上占有量最多的砂粒的大小。比如在400#的砂紙上大多數(shù)的砂粒是400#，但也有少量的比400#粗糙的320#或240#，同時也含有比較細致的600#或800#的砂粒。技能比較高超的模具制造者，在使用400#砂輪對模具進行正式打磨之前，會先在另外的金屬板上摩擦砂輪，為的是把砂紙上含有的比較粗糙的240#或320#的砂粒去掉，再進入到正式的打磨。當(dāng)然經(jīng)過一段使用后，400#的砂輪不但400#以上的砂粒沒有了，連400#的砂粒也脫落了，剩下的都是粒度在500#以上的砂粒。

這樣用過的400#砂紙可以用來進行600#的打磨。值得注意的是：新砂紙中含有比表示號碼大的砂粒，而使用過的砂紙還可以用于更加細致的打磨。另外號碼不明的砂紙一定要判明后有區(qū)別地使用。

無論是采用什么方法打磨，模具的打磨方向與材料在模具里的走向一致，這才是理想的狀態(tài)。被加熱的材料在模具表面的滑走方向，可能與模具表面的打磨紋路成橫切方向，也可能與模具的打磨紋路一致。只要我們仔細觀察圖2～4和上面標有的箭頭方向就不難看出哪一個方向摩擦小、不容易燒結(jié)拉傷模具或產(chǎn)品。但是，在實際的鍛壓加工作業(yè)中很多時候仍然存在著鍛造材料在模具里的滑動方向與模具的打磨方向成橫切方向的現(xiàn)象。在模具制作的時候，把打磨方向的要求標注在模具的部件圖上是非常必要的。

現(xiàn)在的模具部件圖上雖然可以看到表面粗糙度的指示記號，但幾乎沒有人在圖紙上注明對砂輪、砂紙、拋光顆粒等要求。要改善制品的質(zhì)量，首先要模具的設(shè)計者加強自身知識的積累，還要注意模具的打磨方向，反復(fù)的試模也必不可少。

溫度和膨脹

長度l是100mm的鋼材，溫度每上升1℃，長度伸長量l伸就增長0.001mm，每下降1℃，長度縮短量l縮就減少0.001mm。以直徑φ50mm長200mm的鋼棒進行熱鍛為例來計算，從室溫25℃加熱到1000℃時，溫度差△t為975℃。由公式膨脹長度△l=φl伸△t/l可得到以下數(shù)值：

直徑的膨脹長度△l=φl伸△t/l=50×975×0.001÷100=0.4875mm

長度的膨脹長度△l=φl伸△t/l=200×975×0.001÷100=1.95mm

從計算中可以看到，加熱后膨脹的材料在低溫的模具中鍛造，從模具中取出的鍛造產(chǎn)品的形狀直徑會減少0.4875mm，長度會縮短1.95mm。當(dāng)然制作模具時可以按預(yù)想收縮量加大模具的尺寸，但是材料被加熱到1000℃，還會產(chǎn)生很厚的氧化膜，鍛造時大量剝落也會使尺寸發(fā)生變化。氧化膜厚度的控制是很困難的。到現(xiàn)在為止，我們分析了溫鍛加工的好處，也講了溫鍛加工的缺點和困難的地方。第15期我們將為讀者介紹溫鍛加工方法的使用、溫鍛的潤滑等方面的問題。