中國(guó)精密鍛造工藝和模具發(fā)展現(xiàn)狀（上）

文/章立預(yù)，鄭英俊，胡紅旗·太倉(cāng)久信精密模具股份有限公司徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

我國(guó)鍛造行業(yè)經(jīng)過幾十年快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)迫在眉睫。精密鍛造也稱為近凈成形鍛造，是一種高質(zhì)量、高效率、低能耗的工藝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)中。進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國(guó)汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)許多鍛造廠家開始進(jìn)口國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和工藝，大大促進(jìn)了我國(guó)精密鍛造行業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了一些典型的精密鍛造應(yīng)用和關(guān)鍵工藝技術(shù)。

中國(guó)精密鍛造工藝應(yīng)用

汽車變速箱輸出和輸入軸

⑴工藝和模具。

生產(chǎn)多工位冷鍛軸應(yīng)采取合適的工藝，嚴(yán)格控制，避免一些質(zhì)量缺陷。例如：高徑比不當(dāng)造成的折疊彎曲、原材料質(zhì)量差或多步擠壓造成的中心爆裂。以一種軸為例，如圖3所示，鐓粗高徑比約為3.7，不能一次成形，理論上需要采取三次鐓粗。但是如果第一次鐓粗的同軸度不好，會(huì)存在彎曲風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。大變形也有可能導(dǎo)致工件在滲碳淬火后出現(xiàn)微裂紋，可抗偏載的壓力機(jī)有助于解決此類缺陷。除此之外，冷鍛后進(jìn)行等溫正火也是必要的。

圖1 各種變速箱軸

圖2 冷鍛成形工藝

冷鍛軸的另一個(gè)問題是中心爆裂，如圖5所示。解決這一問題的有效途徑是第一工位采用閉式正擠壓，三向壓應(yīng)力狀態(tài)下縮徑變形可以達(dá)到70%以上。

圖3 典型鍛造工藝

圖4 鍛造流線不對(duì)稱

圖5 心部爆裂

圖6 PVD涂層模具

圖7 專用模座

圖8 進(jìn)口舒勒MML1250壓力機(jī)

目前，硬質(zhì)合金已經(jīng)廣泛用于模具材料。做過PVD涂層處理后，鐓粗工位的模具壽命約20000件以上，其他工位模具壽命范圍是50000件到200000件之間。PVD涂層模具、專用模座如圖6、圖7所示。

⑵設(shè)備。

液壓機(jī)是一種比較經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)軸的設(shè)備。各工位之間用機(jī)械手送料，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少。國(guó)產(chǎn)多工位液壓機(jī)缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率較低，每分鐘沖壓工件約6件。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用最高效的是多工位機(jī)械壓力機(jī)。圖8所示是進(jìn)口的舒勒MML1250壓力機(jī)，每分鐘沖壓工件可以達(dá)到20件以上。當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分廠家已經(jīng)完全掌握了工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和制造。高速自動(dòng)化生產(chǎn)對(duì)壓力機(jī)和傳送設(shè)備要求高，尤其是機(jī)械壓力機(jī)高速持續(xù)運(yùn)行時(shí)，對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等附屬設(shè)備同樣要求很高。目前，我們還是要從德國(guó)進(jìn)口這類壓力機(jī)。

⑶展望。

1)潤(rùn)滑方式。

【注意事項(xiàng)】1.選用飲料瓶時(shí)要求大且無色透明、筒壁比較厚實(shí)、硬度比較大，這樣氣體對(duì)瓶口塞子做功時(shí)，塞子沖出才能快，響聲大，瓶?jī)?nèi)白霧明顯，學(xué)生易觀察。

磷皂化潤(rùn)滑是冷擠壓的關(guān)鍵前處理工序，其傳統(tǒng)工藝如圖9所示。

磷皂化潤(rùn)滑的缺點(diǎn)是引起環(huán)境污染的廢酸液不容易處理。國(guó)內(nèi)某些廠家已經(jīng)開始采用新的潤(rùn)滑方式生產(chǎn)冷鍛軸，可以大大減少?gòu)U酸液，工藝如圖10所示。對(duì)于塑性小變形是行之有效的，對(duì)于塑性大變形，更有效和環(huán)保的潤(rùn)滑工藝還在研究中。

2)空心軸和雙頭軸。

節(jié)能減排要求越來越高，汽車輕量化組件的需求也不斷增加，空心軸（圖11）是國(guó)內(nèi)鍛造廠家未來的研發(fā)方向。如何做出一些特殊的軸，例如雙頭軸等，值得開發(fā)。

圖9 傳統(tǒng)磷皂化工藝

圖10 新的潤(rùn)滑工藝

圖11 空心軸

3)臥式鐓鍛機(jī)。

在日本，臥式鐓鍛機(jī)已廣泛用于軸的生產(chǎn)，效率高、剛度好，并可鍛造出軸上的花鍵。國(guó)內(nèi)只有少數(shù)廠家進(jìn)口了此類設(shè)備，市場(chǎng)需求很大。

變速箱結(jié)合齒

⑴ 工藝和模具。

變速箱結(jié)合齒結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，如圖12所示，一種稱為整體式，另一種為焊接組合式。

圖12 變速箱結(jié)合齒

1)溫鍛整體式結(jié)合齒。

常規(guī)工藝是整體熱鍛（約1150℃）成形后用磷皂化潤(rùn)滑，再冷精整齒形，此工藝缺點(diǎn)之一是鍛件表面脫碳嚴(yán)重，另一個(gè)缺點(diǎn)是模具壽命低。為了解決這個(gè)問題，J&J和SAGW改熱鍛為溫鍛（850～950℃）成形，模具壽命從不足5000件提高到10000件以上，生產(chǎn)節(jié)拍提高到20件/分鐘以上。

第一工位是整形，第五工位是沖孔，關(guān)鍵工藝是第二至第四工位，如圖13所示。相關(guān)工藝開發(fā)和模具設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性工程，具體如下。

圖13 溫鍛2～4工位

①有限元分析在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；有限元法是一種非常有效的方法，可以用來預(yù)測(cè)鍛件缺陷，并分析鍛造工藝參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變、負(fù)載等。多工位自動(dòng)化運(yùn)行中，模具結(jié)構(gòu)多采用分體形式。為了預(yù)防某些模具的早期疲勞失效，非常有必要分析每件模具的載荷分布情況；對(duì)某些特定的模具，必須作為彈性體分析其等效應(yīng)力分布狀況，這對(duì)模具材料的選擇是非常重要的。

②潤(rùn)滑研究；在壓機(jī)連續(xù)運(yùn)行過程中，為了延長(zhǎng)模具壽命，必須保證模具冷卻和潤(rùn)滑狀況良好。如圖14所示。在設(shè)計(jì)模具時(shí)，模具與工件接觸位置的冷卻和潤(rùn)滑，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮充分。

圖14 模具冷卻和潤(rùn)滑

③為了實(shí)現(xiàn)高效率自動(dòng)化生產(chǎn)，模具壽命必須得到保證。溫鍛成形的關(guān)鍵模具必須采取氮化處理，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，沒有白亮層和脈狀組織的氮化模具可到達(dá)到很高的壽命，如圖15所示。

圖15 氮化模具表面金相組織

2)整體式結(jié)合齒冷精整。

五工位溫鍛成形后的工藝如下：控制冷卻——拋丸——潤(rùn)滑（圖10）——冷精整齒形——倒錐齒形，溫鍛件和冷精整件分別如圖16、17所示。

國(guó)內(nèi)部分模具廠家已經(jīng)掌握了冷精整和倒錐模具的設(shè)計(jì)制造工藝。與日本進(jìn)口模具相比，基于相同壓力機(jī)生產(chǎn)的鍛件測(cè)量單齒徑向跳動(dòng)，日本進(jìn)口模具是0.005mm，而國(guó)內(nèi)制造的模具可以達(dá)到0.015mm。

3)結(jié)合齒環(huán)。

和整體式結(jié)合齒相比，齒環(huán)比較簡(jiǎn)單，如圖18所示。冷鍛成形工藝在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，采用環(huán)坯，室溫下預(yù)成形出直齒，然后精整出倒錐齒。環(huán)坯的潤(rùn)滑處理方式，已經(jīng)使用高分子潤(rùn)滑劑取代了磷皂化潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果非常好，預(yù)成形和倒錐模具壽命可以達(dá)到60000～80000件。

圖16 溫鍛件

圖17 冷精整件

圖18 兩工位成形結(jié)合齒環(huán)

⑵鍛造設(shè)備。

國(guó)內(nèi)有些企業(yè)還仍然在用三工位熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)整體式結(jié)合齒。目前，中國(guó)最先進(jìn)的生產(chǎn)此類鍛件的溫鍛設(shè)備是從德國(guó)進(jìn)口的，如MME-2000和PK-3150。

⑶展望。

國(guó)內(nèi)部分廠家已經(jīng)掌握了溫鍛工藝、模具設(shè)計(jì)與制造。然而，高精度齒模和倒錐模具主要是從日本進(jìn)口的，價(jià)格昂貴。亟需開發(fā)新的倒錐工藝和模具以滿足生產(chǎn)需求。