溫鍛與冷鍛之基本 （連載十六）

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 （連載十六）

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》的系列連載歷時(shí)兩年已經(jīng)連續(xù)刊登了十五期，利用本期這最后一期的連載，對(duì)溫鍛和冷鍛的內(nèi)容做個(gè)歸納和總結(jié)。

熱鍛將向著精密鍛造的方向發(fā)展

無(wú)論是熱鍛、冷鍛還是介于兩者之間的溫鍛，都在努力地?cái)U(kuò)大著各自的加工對(duì)象的范圍，最大程度地發(fā)揮和利用其各自的特點(diǎn)，這是順理成章的必然趨勢(shì)，但是遇到的問(wèn)題和受到的阻礙也是眾所周知的。

現(xiàn)在中國(guó)的汽車生產(chǎn)量已經(jīng)位居全球第一，這就意味著生產(chǎn)汽車所用資源如材料、能源等的消耗也是全球第一。一臺(tái)普通轎車的重量包括車體、發(fā)動(dòng)機(jī)、車窗玻璃、輪胎等在內(nèi)平均約1500kg，其中約750kg是鋼鐵，僅車體就使用了約400kg的鋼鐵。即使是生產(chǎn)技術(shù)很高的生產(chǎn)制造企業(yè)，其材料利用率也只有40%左右，假設(shè)生產(chǎn)一臺(tái)汽車的車體要消耗約1000kg的鋼板，那么其中約600kg就成為了廢料。熱鍛成形品由于要留出很大的切削加工余量，所以材料利用率也比較低。溫鍛加工的產(chǎn)品因?yàn)椴皇窍袂S那樣大的零件，所以切削量較小，但是平均的廢料也有60%左右。在當(dāng)今汽車生產(chǎn)量世界第一的中國(guó)，廢料的產(chǎn)生量也是世界第一，能源的浪費(fèi)也是世界第一，我們必須充分地意識(shí)到這是一種巨大的損失。

為減少資源的消耗，大家都在做著積極的努力。在熱鍛方面，不斷地提高成形品的形狀精度，努力使切削量減少到最小，精密熱鍛成為了當(dāng)今的主流發(fā)展趨勢(shì)。熱鍛產(chǎn)品主要是曲軸、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部品以及懸架裝置的部品等，把這些部品的材料重量控制到最小，切削量就會(huì)相對(duì)減少，當(dāng)然切削的時(shí)間也就縮短了，隨之而來(lái)的是切削工具的磨損減少、切削工具的壽命得以延長(zhǎng)，整個(gè)生產(chǎn)工藝鏈都得到了良好的改善。

溫鍛將向著接近冷鍛的精密溫鍛方向發(fā)展

今后的汽車產(chǎn)業(yè)中溫鍛的發(fā)展同樣不容忽視，但是溫鍛精度必須要向著近似于冷鍛的方向靠近?，F(xiàn)在日本和韓國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)中冷鍛加工材料的使用比率在迅速增加。在溫鍛工藝中，在實(shí)行精密溫鍛的同時(shí)加入冷整形，可使成形品的形狀和精度提高，當(dāng)然切削量也就隨之減少。冷整形是否可以實(shí)行是決定精密溫鍛能否實(shí)現(xiàn)的不可缺少的條件。

等速接頭是汽車上的重要部件，也是采用溫鍛工藝制造的典型產(chǎn)品。汽車在高速行駛時(shí)，當(dāng)行駛速度達(dá)到120km/h時(shí)，等速接頭的回轉(zhuǎn)速度會(huì)達(dá)到1000r/min左右，如果等速接頭的回轉(zhuǎn)平衡不好的話，汽車就會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，高速行駛就是不可能的事了。因此等速接頭的軸承槽和軸的精度不容忽視，即使是不需要切削加工的地方也要有較高的體積精度。由此看來(lái)，熱鍛加工后的部品如果形狀精度不好的話就要進(jìn)行整體的切削加工，這樣會(huì)造成成本的增加和資源的浪費(fèi)，因此放棄熱鍛、采用溫鍛是最好的選擇。

要實(shí)現(xiàn)精密溫鍛，不但一定要正確地設(shè)定工位，還要把坯料制作的精度管理、模具的維護(hù)保養(yǎng)、工位間的自動(dòng)傳送以及溫鍛壓機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)等方方面面都要考慮到，這樣才有可能實(shí)現(xiàn)接近冷鍛的精密溫鍛。

冷鍛將成為未來(lái)的主流生產(chǎn)工藝

現(xiàn)在的冷鍛技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到不需要切削加工的程度。冷鍛成形產(chǎn)品的尺寸公差在0.02mm以內(nèi)是很普遍的，冷鍛成形產(chǎn)品的材料平均利用率可以超過(guò)98%。

從節(jié)省資源的角度看，冷鍛將成為今后鍛壓生產(chǎn)的主流工藝，但是在一定用途的加工產(chǎn)品范圍內(nèi)，精密溫鍛工藝仍將繼續(xù)發(fā)揮其特長(zhǎng)并會(huì)被靈活使用。

潤(rùn)滑油的發(fā)展趨勢(shì)

鍛造加工實(shí)際上是“斷熱壓縮”的生產(chǎn)形式，但因?yàn)殄懺鞌D壓時(shí)材料內(nèi)部產(chǎn)生了熱量，故從一個(gè)工位傳送到下一個(gè)工位時(shí)坯料溫度的下降是很少的，利用這一特點(diǎn)潤(rùn)滑油可以保持良好的涂布性能。最近在潤(rùn)滑油里添加硫、磷等元素的非磷化氧化皮處理新技術(shù)正在逐漸被采用，以往的磷皂化處理方法將被逐漸取代。由于這種新的冷鍛用潤(rùn)滑油是使用在鍛造過(guò)程中的，所以該技術(shù)又被叫作內(nèi)工藝處理技術(shù)，使用了這種潤(rùn)滑油就不需要再進(jìn)行鍛造前的磷皂化處理了。

現(xiàn)在在EU(歐洲共同體）的國(guó)家里磷皂化處理是被明令禁止的，凡是進(jìn)入到EU的制品必須實(shí)行非磷皂化的制造方法。例如冷鍛成形部品中的剎車器上的活塞，一般這個(gè)部品是鋼材通過(guò)冷鍛成形后再切削加工而制成的，為防止生銹再實(shí)行電鍍處理，但是這在EU是被禁止的，取而代之的是一種特殊的氮化處理工藝。在世界上磷皂化處理工藝被禁止的國(guó)家已有很多，而且還在增加，因此脫磷皂化的處理方法是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

搬運(yùn)方式的發(fā)展

鍛造加工利用的是“斷熱壓縮升溫”的原理，所以為盡量減少工位間的熱量損失，就必須實(shí)行快速的搬運(yùn)方法。使用機(jī)械手進(jìn)行搬運(yùn)是不太合適的，因?yàn)闄C(jī)械手的搬運(yùn)時(shí)間比起多工位搬運(yùn)方式來(lái)要長(zhǎng)很多，前一個(gè)工位產(chǎn)生的斷熱壓縮熱量用機(jī)械手送到下一個(gè)工位時(shí)已經(jīng)散失了很多，而多工位搬運(yùn)方式則可以達(dá)到在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地進(jìn)行搬運(yùn)的效果。用伺服驅(qū)動(dòng)的三維多工位搬運(yùn)系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。

關(guān)于溫鍛加工用壓機(jī)

前面我們講述了許多冷鍛的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，但是在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中由于設(shè)備、技術(shù)等所限，許多情況下仍然不得不使用溫鍛加工?，F(xiàn)狀是專門為溫鍛設(shè)計(jì)、制作的壓機(jī)還很少，在新的溫鍛專用壓機(jī)導(dǎo)入之前還是要利用冷鍛壓機(jī)進(jìn)行溫鍛生產(chǎn)。

由于壓機(jī)的特性、用途不同，故使用不當(dāng)會(huì)給壓機(jī)造成極大的損壞，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成壓機(jī)不能使用的后果。為板材成形而設(shè)計(jì)的壓機(jī)的強(qiáng)度和剛性最多可以承受10mm厚左右板料的剪切落料加工，絕對(duì)不能用來(lái)進(jìn)行鍛造加工。而用冷鍛壓機(jī)來(lái)進(jìn)行溫鍛生產(chǎn)是可以的，但要注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

向滑塊和工作臺(tái)的熱傳導(dǎo)

這是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題，比如一個(gè)鍛造用的坯料直徑為40mm、長(zhǎng)為80mm、重量大約為0.72kg，下面分析一下把它加熱到800℃的情況。

成形這樣部品的鍛造模具的重量大約在500kg左右，坯料的熱容量比是500÷0.72=700倍，生產(chǎn)方式為一行程單沖、15個(gè)/min，0.72×15＝11kg，也就是說(shuō)，11kg800℃的材料在極短的時(shí)間里是停留在模具內(nèi)的，每加工一次還可以有一次放熱和冷卻的時(shí)間，由于熱容量比是700倍，所以模具的整體是不會(huì)達(dá)到800℃的。從另一方面看，制作模具的材料的回火溫度是250℃(高溫回火可達(dá)到400℃），故模具溫度必須保持在200℃以下。但即使沖頭、凹模達(dá)到200℃左右，模板的上、下面也只有40℃左右，而且模具與壓機(jī)之間還要加入5～10mm的隔熱板，所以可以完全阻止熱量向壓機(jī)的傳導(dǎo)。

在有必要的情況下可以采取進(jìn)一步抑制熱傳導(dǎo)的措施，如為沖頭和凹模設(shè)計(jì)冷卻水管，這樣可以減少熱量的傳導(dǎo)。另外，為了工作臺(tái)下面設(shè)置的頂料銷可以順暢地活動(dòng)，有效地控制模具溫度也是非常有必要的。

熱輻射的影響和對(duì)策

800℃的坯料的熱輻射也會(huì)使壓機(jī)的機(jī)架、滑塊的上表面、工作臺(tái)的下表面的溫度升高，隔熱空氣層可以有效地阻止對(duì)壓機(jī)的熱輻射。空氣本身具有隔熱的性能，如果能向機(jī)架吹送冷風(fēng)，則可以更有效地抑制機(jī)架溫度的上升。

當(dāng)熱輻射和熱傳導(dǎo)得到了良好的抑制時(shí)，機(jī)架、齒輪以及油溫調(diào)節(jié)裝置、油箱里的油溫也能得到控制。另外，壓機(jī)的潤(rùn)滑油也可以吸收壓機(jī)的溫度，起到冷卻壓機(jī)的作用。

模具的冷卻和潤(rùn)滑

溫鍛用的潤(rùn)滑油是很有限的，一般的潤(rùn)滑油里含有二硫化鉬的成分，油和二硫化鉬的混合物會(huì)被吹散到周圍環(huán)境中，使周圍環(huán)境變得很黑很臟。而且油的混合物還會(huì)產(chǎn)生油煙或發(fā)生燃燒的危險(xiǎn)，現(xiàn)在已有很多企業(yè)開(kāi)始使用對(duì)周圍環(huán)境沒(méi)有污染的以鈣質(zhì)為主的潤(rùn)滑油。

模具在使用前要預(yù)熱到接近200℃，從盡量延長(zhǎng)模具壽命的角度考慮，在生產(chǎn)中模具也應(yīng)保持在200℃左右，冷卻模具的同時(shí)兼顧去除模具內(nèi)的氧化皮和潤(rùn)滑油中的鈣質(zhì)等殘?jiān)^好的方法是每一次鍛造后向沖頭和凹模噴射一次-40～-30℃的冷氣。

坯料過(guò)熱和氧化皮的防止

要防止坯料加熱時(shí)過(guò)熱和氧化皮的產(chǎn)生，使用高頻加熱是首選。坯料從加熱爐出來(lái)后通過(guò)滑道到達(dá)模具附近，這時(shí)要向模腔內(nèi)噴入少量的氮?dú)庖赃_(dá)到抑制氧化皮產(chǎn)生的目的。減少氧化皮的產(chǎn)生對(duì)延長(zhǎng)模具壽命有著不可忽視的作用，而電爐、燃?xì)鉅t都是容易促進(jìn)氧化皮的生成的，應(yīng)盡量避免使用。

綜上所述，在對(duì)小部品進(jìn)行鍛造成形時(shí)，因?yàn)榕髁虾苄?，所以即使加熱?00℃坯料所保有的熱量也還是很小的，只要不是高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，做好了上面講到的防熱對(duì)策，用冷鍛壓機(jī)進(jìn)行溫鍛加工也是可以的。

滑塊的導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

對(duì)滑塊的導(dǎo)軌而言，最需要注意的是防止氧化皮等的進(jìn)入，一般采用滑動(dòng)密封、設(shè)計(jì)雙重罩板等方法來(lái)解決。設(shè)計(jì)雙重罩板的目的是在兩層罩板之間不斷地送入略高于大氣壓的流動(dòng)空氣，使罩板的內(nèi)壓略高于外部氣壓，這樣外面的塵埃就不容易進(jìn)入導(dǎo)軌了。還可以把流動(dòng)空氣的送入與壓機(jī)進(jìn)行連鎖，一旦送風(fēng)停止，壓機(jī)將不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，對(duì)一般壓機(jī)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)軌和滑塊之間的間隙只要有能使冷卻的潤(rùn)滑油流動(dòng)的0.07～0.1mm就足夠了，而大能力的壓機(jī)則需要較大的間隙。

壓機(jī)上的罩板(對(duì)熱量的防止非常重要)

一般的溫鍛工廠都不會(huì)非常干凈，在工廠的空氣中會(huì)彌漫著油霧、被細(xì)化的氧化皮粉塵等，罩板的重要作用是防止這些灰塵進(jìn)入到電機(jī)、配電盤等電器部件中，并防止坯料脫落的氧化皮或被吹散的加工油進(jìn)入壓機(jī)的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)熱量的傳播有一定的阻隔效果。

模具的預(yù)熱

對(duì)溫鍛工藝來(lái)說(shuō)模具的預(yù)熱非常重要。沖頭和凹?？梢杂脟姌寣⑵浼訜岬?00℃左右，如果行程長(zhǎng)度較長(zhǎng)，就要將滑塊下降，使上下模間隔150～200mm，用有上下火口的噴槍同時(shí)對(duì)上下模進(jìn)行加熱。在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下(如午休等）還必須重新進(jìn)行加熱。加熱時(shí)必須注意的是溫度的控制非常重要，超過(guò)了200℃會(huì)造成模具的回火。

模具內(nèi)部的潤(rùn)滑(必要時(shí))

每鍛造一次或數(shù)次向模內(nèi)噴射一次冷卻潤(rùn)滑油，使模具的溫度始終保持在200℃左右，這時(shí)潤(rùn)滑油的涂布性能是最好的。

在使用多工位搬運(yùn)裝置時(shí)，雖然有搬運(yùn)桿的存在，但也要利用搬運(yùn)桿向上提升的空隙間接地對(duì)模具進(jìn)行噴射冷卻。

閉模高度

冷鍛模具從強(qiáng)度和剛性方面考慮、溫鍛模具從傳熱對(duì)策上考慮都需要較高的模架，所以需要的閉模高度就會(huì)較高。

滑塊和工作臺(tái)的輔助內(nèi)板

由于冷鍛成形部品的尺寸一般都比較小，因此在滑塊和工作臺(tái)的中心附近加入經(jīng)過(guò)淬火的輔助板是普遍常用的方法。但是如果是溫鍛加工，由于材料的熱量會(huì)使這個(gè)輔助板逐漸變?nèi)?，甚至?xí)l(fā)生裂開(kāi)或凹陷的情況，因此必須注意每天要進(jìn)行點(diǎn)檢。

下模的頂料桿

冷鍛加工時(shí)經(jīng)常使用到下部的頂料裝置(設(shè)置在底座里）。在冷鍛工藝?yán)锸褂靡粋€(gè)工位進(jìn)行加工的情況較多，這時(shí)就只需要將頂料裝置設(shè)置在壓機(jī)的中央即可，但如果使用了2～3個(gè)工位實(shí)行多工位搬運(yùn)的方法進(jìn)行加工，就必須根據(jù)每個(gè)工位的具體情況來(lái)設(shè)置頂料裝置的位置。

無(wú)論是冷鍛壓機(jī)還是溫鍛壓機(jī)，選用一個(gè)工位成形的情況還是較多的。當(dāng)然，有時(shí)也不使用頂料裝置而由模具來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的處理，這也是可行的辦法。

上模的脫料裝置

在冷鍛壓機(jī)上設(shè)置上模脫料裝置的情況也很常見(jiàn)，但是上模的脫料裝置一般是任意位置的，而且以油壓氣缸推動(dòng)較為普遍。

總結(jié)

上面我們以溫鍛為中心講解了關(guān)于鍛造加工的要點(diǎn)、壓機(jī)的要點(diǎn)、加熱的要點(diǎn)、模具構(gòu)造的要點(diǎn)等，溫鍛可以利用的溫度范圍是800～1000℃，這是一個(gè)很窄的范圍，在生產(chǎn)過(guò)程中只要有稍微的怠慢就會(huì)出現(xiàn)坯料的溫度被模具吸收而下降的情況。當(dāng)溫度下降到800℃以下時(shí)，材料的硬度和變形抵抗力都會(huì)急劇升高，給壓機(jī)機(jī)械部分造成很大的負(fù)擔(dān)，超負(fù)荷的幾率大幅度提高，如果模具沒(méi)有充分的強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生破裂，隨之而來(lái)的后果就是造成重大的人身事故。在今后進(jìn)行鍛造工藝設(shè)計(jì)時(shí)我們必須要對(duì)這一點(diǎn)有足夠的重視。

綜上所述，歸納出下列溫鍛加工中的重點(diǎn)注意事項(xiàng)作為本次《溫鍛與冷鍛之基本》系列連載的結(jié)束：

⑴坯料的體積精度一定要達(dá)到冷鍛的水平。

⑵用高頻加熱爐進(jìn)行短時(shí)間的升溫(有必要時(shí)進(jìn)行二次加熱），從而抑制氧化皮的產(chǎn)生。

⑶雖然可以用冷鍛壓機(jī)進(jìn)行溫鍛加工，但是其前提是必須對(duì)冷鍛壓機(jī)做好防熱措施后才可以進(jìn)行。

⑷要注意管控好模具的預(yù)熱溫度，急劇的溫度變化會(huì)導(dǎo)致模具的破損。

⑸保證每一個(gè)行程后都對(duì)沖頭和凹模的模腔進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，但要注意不能過(guò)冷。

⑹要經(jīng)常對(duì)模腔進(jìn)行清掃，以防止氧化皮的堆積。

⑺含有二氧化鉬的潤(rùn)滑油等比較合適。

⑻為防止坯料從加熱爐搬運(yùn)到模具之間的熱量損失，應(yīng)采用架設(shè)加熱通道等辦法。

⑼在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生非正常停機(jī)時(shí)，存在于加熱爐和模具之間的被加熱過(guò)的坯料一定要廢棄。

⑽利用好斷熱壓縮升溫的物理現(xiàn)象。

⑾即使是溫鍛用的模具，其模板的厚度和導(dǎo)柱也要與冷鍛用的模具處于同等水平。

⑿使用三維多工位搬運(yùn)裝置比較合適。

⒀從節(jié)省資源的角度出發(fā)考慮問(wèn)題。

⒁從溫鍛加工中積累經(jīng)驗(yàn)可以為逐漸過(guò)渡到冷鍛加工起到技術(shù)預(yù)先儲(chǔ)備的作用。

鑒于以上幾點(diǎn)，我們江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司已經(jīng)著手開(kāi)發(fā)了既可以進(jìn)行溫鍛又可以進(jìn)行冷鍛的壓力機(jī)，滿足了現(xiàn)實(shí)中廣大客戶長(zhǎng)期以來(lái)期望在一臺(tái)鍛造壓力機(jī)上分別可以進(jìn)行溫鍛和冷鍛的需求。