回轉(zhuǎn)鍛造成形技術(shù)的應(yīng)用

文/任廣升·北京機(jī)電研究所

回轉(zhuǎn)鍛造成形技術(shù)的應(yīng)用

文/任廣升·北京機(jī)電研究所

回轉(zhuǎn)塑性成形屬于連續(xù)局部成形，其顯著優(yōu)點(diǎn)是變形載荷小，可在小設(shè)備上成形大工件。同時(shí)回轉(zhuǎn)塑性成形具有節(jié)材節(jié)能，節(jié)省投資，成形精度高，可成形傳統(tǒng)工藝無(wú)法成形的工件的特點(diǎn)。

回轉(zhuǎn)鍛造成形技術(shù)在近二十年得到了較快發(fā)展，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，為我國(guó)塑性成形行業(yè)的發(fā)展作出了較大貢獻(xiàn)。我國(guó)回轉(zhuǎn)塑性成形技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，發(fā)展速度較快，某些單項(xiàng)技術(shù)已達(dá)到先進(jìn)水平，但在成形精度、設(shè)備剛度和生產(chǎn)自動(dòng)化上與先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家仍有較大差距。

回轉(zhuǎn)塑性成形的概念及其分類

回轉(zhuǎn)塑性成形的概念

在塑性成形過(guò)程中，工具與工件都回轉(zhuǎn)或其中一方回轉(zhuǎn)用于成形零件或零件毛坯的塑性加工方法稱之為回轉(zhuǎn)塑性成形。

回轉(zhuǎn)塑性成形屬于連續(xù)局部成形，某一時(shí)刻工具與工件只有一部分相互接觸，由連續(xù)局部成形的積累而完成全部成形。與傳統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)成形的方式相比，回轉(zhuǎn)塑性成形過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行的大部分時(shí)間用于成形工件，用于回程與儲(chǔ)能的時(shí)間很短?；剞D(zhuǎn)塑性成形時(shí)工具與工件的運(yùn)動(dòng)方式與材料的軋制方式有相似之處，但是軋制產(chǎn)品是形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的供進(jìn)一步加工的原材料，如圓鋼、方鋼、鋼管、鋼板等鋼材，軋制通常稱為材料的一次加工，而回轉(zhuǎn)塑性成形一般是以一次加工的產(chǎn)品為加工對(duì)象，生產(chǎn)各種鍛件或供進(jìn)一步鍛造成形的預(yù)制坯，通常稱為材料的二次加工。由于鍛件形狀復(fù)雜品種繁多，要求回轉(zhuǎn)成形時(shí)工件與工具運(yùn)動(dòng)關(guān)系要多樣化，因而出現(xiàn)多種回轉(zhuǎn)塑性成形工藝。

回轉(zhuǎn)塑性成形工藝的分類

根據(jù)回轉(zhuǎn)塑性成形過(guò)程中工件與工具的運(yùn)動(dòng)方式及其相互關(guān)系，可將回轉(zhuǎn)塑性成形工藝進(jìn)行分類。按照成形原料為板料或非板料，可分為板料回轉(zhuǎn)成形與體積回轉(zhuǎn)成形，體積回轉(zhuǎn)成形就是回轉(zhuǎn)成形鍛造工藝，其分類見表1?；剞D(zhuǎn)成形鍛造工藝一般分成輥鍛、斜軋、楔橫軋、仿形斜軋、輾環(huán)、齒輪橫軋、錐齒輪軋制、徑向鍛造、擺動(dòng)輾壓、旋轉(zhuǎn)鍛造，以及近年來(lái)開發(fā)的新工藝——軸向進(jìn)給橫軋與實(shí)心盤輾壓。

表1 回轉(zhuǎn)成形鍛造工藝的分類表

回轉(zhuǎn)成形工藝的優(yōu)點(diǎn)

回轉(zhuǎn)成形的優(yōu)點(diǎn)在于它的成形方式——某一時(shí)刻工具與工件的接觸面積只是工件的很小一部分，因此成形力很小?；剞D(zhuǎn)成形使工具與工件的接觸面積大大減少，從而明顯降低了變形力。同時(shí)，由于接觸面積減小，使摩擦力對(duì)變形抗力的影響大大減輕，從而又使變形力進(jìn)一步下降。在這雙重作用下，回轉(zhuǎn)成形變形力的值達(dá)到了最小值。

鐓粗時(shí)接觸面上正應(yīng)力從坯料外邊緣向中心逐漸上升，中心部位達(dá)到峰值，這就是摩擦峰值。顯然增加部分是由摩擦與接觸面長(zhǎng)度共同作用產(chǎn)生的，增加值與接觸面長(zhǎng)度成正比。接觸面大摩擦力相對(duì)變形抗力的影響就大，而回轉(zhuǎn)成形接觸面小，變形抗力就比一般塑性成形小?；剞D(zhuǎn)成形具有雙重降低變形力的作用。一般說(shuō)來(lái)，回轉(zhuǎn)成形在工程上的優(yōu)點(diǎn)可以概括為以下8點(diǎn)：

⑴變形載荷小，只有整體變形載荷的0.2%～10%。

⑵設(shè)備重量輕，體積小，價(jià)格便宜。

⑶近于靜壓變形，沖擊振動(dòng)小，對(duì)廠房無(wú)特殊要求，廠房造價(jià)低。

⑷產(chǎn)生的噪聲小，有利于改善勞動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)。

⑸易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

⑹可以成形其他工藝無(wú)法或難于成形的工件。擺輾可以成形0.2mm的圓片；輾環(huán)可以成形直徑10m、高6m的反應(yīng)堆加強(qiáng)環(huán)；旋壓可以成形直徑5m的封頭；輥彎可以成形重型汽車車廂板。

⑺產(chǎn)品精度高，冷擺輾精度可達(dá)0.02mm，冷精輾環(huán)可達(dá)0.05mm。

⑻易于控制變形和變形量。

回轉(zhuǎn)鍛造成形的應(yīng)用

輥鍛

先進(jìn)工業(yè)國(guó)家輥鍛用來(lái)為精密模鍛制坯。我國(guó)除了應(yīng)用輥鍛制坯外，輥鍛工藝還用于長(zhǎng)軸類鍛件的精密鍛造上，從而形成了我國(guó)的特色。

我國(guó)應(yīng)用得比較廣泛的輥鍛制坯領(lǐng)域是發(fā)動(dòng)機(jī)連桿精鍛與手動(dòng)工具的鍛造。目前大多采用帶有機(jī)械手的自動(dòng)輥鍛機(jī)。由于自動(dòng)輥鍛機(jī)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換輥鍛工位，生產(chǎn)效率與成品率大大提高，與帶有步進(jìn)梁的熱模鍛壓力機(jī)組成自動(dòng)化生產(chǎn)線，已成為我國(guó)柴油機(jī)與汽油機(jī)連桿精鍛的主流生產(chǎn)模式，生產(chǎn)效率為每分鐘20～40件。

在成形輥鍛的應(yīng)用上，最有代表性的是載重汽車前軸。我國(guó)發(fā)明了在輥鍛機(jī)上經(jīng)過(guò)三道次或四道次輥鍛，鍛件主要形狀與尺寸已基本成形，只需后續(xù)整體鍛造成形其中一小部分，因而可大大降低鍛造設(shè)備的噸位，顯著降低投資成本。這種生產(chǎn)模式已占我國(guó)前軸生產(chǎn)的80%，節(jié)約了設(shè)備投資，提高了材料利用率，降低了能源消耗。

楔橫軋

楔橫軋是生產(chǎn)階梯軸類件的回轉(zhuǎn)成形工藝，主要用于生產(chǎn)各種階梯軸，也可用于為精密鍛造提供材料體積分配較為精確與穩(wěn)定的預(yù)制坯。我國(guó)在這兩方面都有較大規(guī)模的應(yīng)用。估計(jì)全國(guó)已有300臺(tái)以上的楔橫軋機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)，主要為二輥立式楔橫軋機(jī)，二輥軋機(jī)的最大中心距為1500mm，可軋最大軋件直徑為165mm，最長(zhǎng)軋件為1250mm。

我國(guó)載重汽車、轎車與拖拉機(jī)用變速箱中的軸類件，70%～80%是用楔橫軋生產(chǎn)的，采用楔橫軋代替模鍛，提高材料利用率15%～20%，生產(chǎn)效率提高2～3倍，縮短了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)線投資，是階梯軸類件生產(chǎn)上的一大技術(shù)進(jìn)步。

楔橫軋制坯已成為摩托車曲柄連桿生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝。楔橫軋代替手工自由鍛制坯，提高了生產(chǎn)線穩(wěn)定性與生產(chǎn)能力，提高了材料利用率，降低了廢品率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。在其他復(fù)雜鍛件如發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、汽車底盤懸掛系統(tǒng)的支撐臂生產(chǎn)上，楔橫軋發(fā)揮了體積分配準(zhǔn)確、穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，正在不斷擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

輾環(huán)

輾環(huán)是成形環(huán)件的回轉(zhuǎn)成形工藝，是軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪及輪箍、燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)等無(wú)縫環(huán)件成形的主要工藝，在制造業(yè)上有廣泛的應(yīng)用前景。

輾環(huán)技術(shù)在我國(guó)得到較快發(fā)展。冷精密輾環(huán)技術(shù)已在軸承套圈生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)冷精密輾環(huán)機(jī)輾環(huán)精度有較大提高，內(nèi)徑公差可達(dá)±0.05mm，寬度公差可達(dá)±0.05mm，圓度可達(dá)0.05mm，最大冷精密輾環(huán)機(jī)可軋制外徑達(dá)220mm的軸承環(huán)。熱輾環(huán)的應(yīng)用發(fā)展很快，對(duì)于支撐迅速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備做出了較大貢獻(xiàn)。國(guó)產(chǎn)輾環(huán)機(jī)可成形外徑為9000mm的大型環(huán)件。異形斷面及高度方向尺寸較大的輾環(huán)技術(shù)發(fā)展較快，在鋁合金、高溫合金等難成形材料環(huán)件成形上得到應(yīng)用，對(duì)于提高較為貴重材料的利用率發(fā)揮了較大作用。

擺動(dòng)輾壓

擺動(dòng)輾壓是成形盤類零件的回轉(zhuǎn)成形工藝，在成形薄盤類鍛件上優(yōu)勢(shì)十分突出。我國(guó)目前在冷擺輾上已能生產(chǎn)出各種復(fù)雜零件，大部分零件都為無(wú)需切削加工的凈成形件，使用的冷擺輾設(shè)備多為進(jìn)口，其中瑞士進(jìn)口的占多數(shù)。我國(guó)在熱擺動(dòng)輾壓上應(yīng)用較多的是載重汽車半軸法蘭盤的成形與后橋被動(dòng)齒圈的成形，前者使用臥式擺輾機(jī)，后者使用立式擺輾機(jī)，熱擺輾機(jī)國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)。目前急需的是開發(fā)冷擺輾機(jī)，用以代替價(jià)格昂貴的進(jìn)口冷擺輾機(jī)。

發(fā)展回轉(zhuǎn)成形技術(shù)的意義

回轉(zhuǎn)成形工藝廣泛用于精密鍛件成形與復(fù)雜鍛件模鍛制坯，也適用于生產(chǎn)大型特殊鍛件（幾大薄壁板）的成形。由于回轉(zhuǎn)成形工藝可以用較小設(shè)備成形較大工件，節(jié)省投資降低生產(chǎn)成本。發(fā)展這種成形工藝，將加快我國(guó)塑性加工行業(yè)技術(shù)改造升級(jí)，發(fā)展回轉(zhuǎn)塑性成形工藝除了可以提高產(chǎn)品質(zhì)量及增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

⑴有利于改變工件大→變形力大→設(shè)備大→難制造→投資大→成本高的不良循環(huán)。眾所周知，鍛件的承載能力，在一定程度上決定了設(shè)備的工作能力。同樣，設(shè)備能力的提高要求鍛件承載能力越來(lái)越大，鍛件體積與重量也越來(lái)越大，成形設(shè)備也跟著增大，制造難度大，投資增加，生產(chǎn)成本也要提高?；剞D(zhuǎn)塑性成形可以遏制這種不良循環(huán)。

⑵豐富了材料二次加工可供選擇的成形方式?；剞D(zhuǎn)塑性成形方式多種多樣，對(duì)于不同形狀、不同尺寸的工件或預(yù)制坯，可以選擇最優(yōu)成形方式，以便得到最佳效果，也可以進(jìn)行有效的復(fù)合成形方式。例如楔橫軋與擺動(dòng)輾壓復(fù)合生產(chǎn)汽車半軸，楔橫軋與冷擠壓復(fù)合生產(chǎn)大型精密階梯軸，輾旋復(fù)合生產(chǎn)汽車無(wú)內(nèi)胎鋼車輪。