日本冷溫鍛造技術(shù)的最新發(fā)展

文/小坂田 宏造·大阪大學(xué)名譽(yù)教授

譯/王欣·蘇州漢金模具技術(shù)有限公司

日本冷鍛技術(shù)的發(fā)展

在日本，如果不考慮螺栓螺帽的加工，冷鍛技術(shù)的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代初期自行車零部件的生產(chǎn)。進(jìn)入60年代后，隨著汽車的普及，不斷開發(fā)成功了各種各樣的冷鍛產(chǎn)品。

圖1顯示了1960年以后日本冷鍛成形技術(shù)的發(fā)展及每臺中型轎車?yán)锸褂玫睦溴懠亓康淖兓闆r，可以看出轎車中使用的冷鍛件重量在不斷增加，一臺轎車中大概要用40kg左右的冷鍛件。

冷鍛零件形狀也朝著復(fù)雜大型化發(fā)展，到20世紀(jì)70年代已經(jīng)從初期輪轂螺栓那樣很小的對稱零件，發(fā)展到了汽車發(fā)電機(jī)極爪等復(fù)雜大型零件的冷鍛成形。1980年以后，隨著等速萬向節(jié)部件的增加，等速萬向節(jié)用的三銷套、內(nèi)星輪及十字頭等零件實(shí)現(xiàn)了精密鍛造生產(chǎn)，在這個時期開發(fā)完成了溫鍛技術(shù)并應(yīng)用于生產(chǎn)。

1990年前后，齒輪、花鍵軸等零部件的鍛造加工獲得成功。最近，螺旋齒輪等高難度的產(chǎn)品也實(shí)現(xiàn)了冷鍛成形。

冷鍛件的樣例

圖1 日本汽車零部件冷鍛化的進(jìn)展及每臺轎車中使用冷鍛件的重量

最近代表日本冷鍛技術(shù)的發(fā)展水平是，20世紀(jì)90年代由工藤教授在ICFG會議上報告的最新的樣例，如圖2、3、4所示。圖中標(biāo)有NS的部分是Net Shape的略寫，意思是不需要切削的部分。

圖2 內(nèi)星輪

圖3 內(nèi)花鍵齒輪

圖4 等速萬向節(jié)

新型的冷鍛方法

閉塞鍛造

圖5所示的是閉塞鍛造的原理與成形傘齒輪產(chǎn)品的例子，把坯料放入上下模具形成的模腔中并施加合模力，然后通過上下沖頭對材料進(jìn)行壓縮變形，使材料充滿模腔。當(dāng)材料被擠向半徑方向進(jìn)行成形時，由于材料與沖頭的接觸面積幾乎保持不變，與模鍛(半密閉鍛造)中需要同時壓縮飛邊相比，能大大減小成形力。使用該方法除了需要上下沖頭的運(yùn)動和合模力之外，還需要特別設(shè)計的模架裝置。通過閉塞鍛造方法，成功生產(chǎn)了傘齒輪、等速萬向節(jié)部件等零件。

圖5 閉塞鍛造的原理及產(chǎn)品（傘齒輪）

圖6 背壓鍛造

背壓鍛造

如圖6所示，在存在多個擠壓出口的擠壓加工中,擠出的長度會各有不同。為了獲得相同的長度，在擠壓出口處放置一個受背壓作用的工具，用來調(diào)整材料擠出的速度，以獲得相同的擠壓長度，從而省略鍛造后平整端部的車削加工。這種成形方法稱為背壓鍛造，并被應(yīng)用于圖中渦輪盤的制造。所需施加的背壓壓力很低，大概只需要材料變形抵抗的5%左右，所以由背壓導(dǎo)致的成形壓力的增加并不大。

分流鍛造法

分流鍛造的原理是在材料流動的方向及反方向都設(shè)計有可供材料流動的空間，目的是降低鍛造壓力。如圖7(a)所示，反擠壓時在擠壓的前方同時設(shè)計一個擠壓出口的方法叫做“棄軸法”（擠出的軸部將在后續(xù)加工中去掉），圖（b）所示的是為了讓材料流向外側(cè)的齒形部，而特意在材料的內(nèi)部設(shè)計一個孔洞使材料同時產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)的流動既“設(shè)孔法”，人們很早就知道了這些方法。近年來，利用該方法通過采用復(fù)合動作的模具,被應(yīng)用于齒輪的鍛造，根據(jù)材料流動的特點(diǎn)稱該方法為分流鍛造法。

圖7 分流鍛造的原理

在直齒輪以及斜齒輪的精密鍛造中，為了提高齒形的形狀和精度，需要使材料完全充滿模腔。可是由于形狀，材料流動的不均勻，模具強(qiáng)度及齒形精度等的限制，很難做到使模腔完全充滿。為了有效控制成形噸位和壓力，分流鍛造法被用于齒形零件的鍛造。

使用分流法鍛造斜齒輪時，需要采用兩階段分步成形的方式，第一階段采用密閉成形，而在第二階段利用“設(shè)孔法”或“棄軸法”。最近有報道，利用該鍛造方法的多向復(fù)動油壓機(jī)投入了生產(chǎn)。采用兩階段分步成形，可以使用實(shí)心材料或者空心材料進(jìn)行分流鍛造，圖8就是使用實(shí)心材料，在第2工位進(jìn)行密閉成形，第3工位釋放插入的沖頭，從而形成分流鍛造，防止完全密閉后壓力的急速上升。

圖8 螺旋齒輪的分流鍛造方法

板材鍛造

最近，板材成形后的零件再通過鍛造來提高精度或成形齒形部分等，用來生產(chǎn)電器和汽車零部件的例子在增加。板材鍛造不僅僅是通過壓縮減少板材的厚度，有時也需要增加局部的厚度。在板材的橫向加壓時很容易產(chǎn)生材料失穩(wěn)，所以板材鍛造的重要課題之一是防止失穩(wěn)的產(chǎn)生。圖9是AIDA（會田）公司開發(fā)的稱為FCF加工法的板材成形與鍛造加工結(jié)合的零件成形方法。

圖9 FCF板材鍛造產(chǎn)品

圖10a對深拉伸加工的杯子側(cè)壁方向?qū)嵭休S向壓縮，使板材厚度增加的同時，促進(jìn)材料向齒形部分流動的方法。圖10b是通過該方法加工得到的帶齒形的零件。材料是厚度5mm的35號碳鋼。軸方向壓縮使外壁變厚，然后通過半徑方向的擠壓把材料擠壓進(jìn)入齒形的部分。

圖10 在深拉伸杯殼的側(cè)壁進(jìn)行齒形成形的板材鍛造方法

振動鍛造

德國的FELSS公司，針對花鍵軸的成形問題開發(fā)成功了如圖11所示的振動鍛造法。該方法是用夾頭夾持實(shí)心或空心的軸狀坯料，然后在具有花鍵形狀的模具內(nèi)，通過材料和模具之間產(chǎn)生相對振動進(jìn)行擠壓加工的方法?；谠摲椒ㄩ_發(fā)的稱為軸向成形機(jī)的機(jī)器已投入銷售。坯料每次前進(jìn)2mm就后退1mm左右，后退時潤滑劑進(jìn)入加工區(qū)域，從而減小了摩擦，從圖11b可以看出使用振動方法只需傳統(tǒng)擠壓的70%左右的載荷即可成形。圖11c是運(yùn)用該方法加工的齒軸，對于該花鍵軸零件如果不使用振動方法，由于材料的失穩(wěn)將無法進(jìn)行擠壓加工。

圖11 振動鍛造法

圖12 流動成形方法

流動成形

流動成形(FF成形)可以說是從旋壓成形進(jìn)化過來的方法。相對于旋壓成形時材料幾乎不產(chǎn)生流動變形的特點(diǎn)，F(xiàn)F成形法，顧名思義，通過成形輥輪的旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)使材料的金屬組織產(chǎn)生積極的流動，使板厚產(chǎn)生變化，同時也能進(jìn)行齒輪的成形加工。1975年德國的Kremo公司，取得了帶內(nèi)齒形零件加工的專利，發(fā)明了該方法。20世紀(jì)80年代后期，該方法應(yīng)用在轎車變速箱用帶內(nèi)齒離合器殼體的加工上，之后又陸續(xù)應(yīng)用到許多零件的加工。

圖12顯示了FF成形的原理，輥?zhàn)拥呐渲眉爱a(chǎn)品的樣件。把材料放在固定于轉(zhuǎn)子軸的芯棒上(主模具)，將尾座壓在上面并夾緊后，旋轉(zhuǎn)置于芯軸外周的輥?zhàn)舆厜嚎s材料邊做軸向移動。

輕量化金屬的鍛造

高強(qiáng)度鋁合金

最近，為了實(shí)現(xiàn)輕量化，鋁合金的鍛造零件不斷增加，但是通常鋁合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/比重)與高強(qiáng)度鋼相比并不高。若想提高鋁合金鍛件的商品價值，就需要使用比強(qiáng)度更高的材料。另外，為了使鋁材具有高溫強(qiáng)度開發(fā)了把氧化物分散到粉末冶金中的強(qiáng)化方法，而這樣的高強(qiáng)度鋁合金即使在高溫條件下也不容易鍛造，需要使用恒溫鍛造等加工速度與溫度有效結(jié)合的新型鍛造方法。圖13是由粉末燒結(jié)材料進(jìn)行擠壓成形的例子。

圖13 鋁合金的粉末鍛造

鈦合金的鍛造

鈦合金的比強(qiáng)度高，適合于輕量化。由于鈦合金材料價格昂貴，所以少無切削的精密鍛造方法被看作是具有競爭力的加工方法?？墒怯捎诓牧吓c模具間的摩擦大，易于產(chǎn)生擦傷咬的氧化膜，使得多次拉伸得以實(shí)現(xiàn)。

鎂合金的鍛造

室溫狀態(tài)下，鎂的延展性很小，其原因是結(jié)晶構(gòu)造為滑移位錯少的稠密六方晶體，200℃以上加熱后滑移位錯增多，延展性增加，像鋁材一樣變得容易鍛造。圖15是鎂合金反擠壓的樣件，獲得的零件沒有缺陷、很完整。

圖14 鈦合金螺栓的冷鍛成形

圖15 鎂合金的反擠壓成形(300℃)

圖16 鎂合金的板材鍛造法

在使用伺服壓力機(jī)進(jìn)行鎂合金板材的鍛造合，鍛造很困難。最近,開發(fā)的適合于鈦合金鍛造的潤滑劑，實(shí)現(xiàn)了圖14所示螺栓的高速冷鍛生產(chǎn)。

另外，鈦合金表面的氧化膜可以有效防止鍛造時的咬合，β鈦合金板材使用陽極氧化法使其在表面形成著色時，提出了圖16所示的加工方法。首先把鎂板放入帶有加熱裝置的模具中，合模并加熱工件然后直接進(jìn)行壓縮鍛造。該方法不需要加熱爐，同時又可以防止鎂板出爐后及放入模具時的溫度下降，是一個簡潔有效的方法。