現(xiàn)代化鍛造生產(chǎn)中鍛件折疊成因分析及控制

文／李艷，李騰飛，巨軍榮，張向卓·陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司

根據(jù)以往生產(chǎn)中的實(shí)例，分析了工廠鍛造生產(chǎn)中的折疊現(xiàn)象。本文從成形過(guò)程、下料、脫模劑使用、鋼材表面缺陷等幾個(gè)方面分析講解了折疊的形態(tài)、成因、現(xiàn)場(chǎng)控制排除方法等，都是現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制的實(shí)用型方法，文中同時(shí)講到了新的生產(chǎn)線、新的鍛造生產(chǎn)方法等內(nèi)容。

隨著鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線、精密設(shè)備(圖1)的引進(jìn)，我公司鍛造水平得到很大的提升，鍛件向小余量和精鍛的方向發(fā)展；機(jī)器人的投入使用代替了部分人力，鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間達(dá)到6 秒，與之配套的精密剪切機(jī)每分鐘可以剪切約20 件，高效率使鍛造產(chǎn)能得到大幅度提升。自動(dòng)化程度的提高對(duì)各方面配套提出了更高的要求，也要求鍛造過(guò)程缺陷可控，否則會(huì)造成極大損失。雖然目視和測(cè)量能發(fā)現(xiàn)的缺陷容易控制，但是隱性的缺陷就很難控制了。

圖1 自動(dòng)化精密設(shè)備

提出問(wèn)題

折疊的界定

公司鍛造車(chē)間閉式鍛造的推行，精化余量鍛件，精鍛齒和鍛出油槽等工藝的開(kāi)發(fā)使鍛造工藝水平躍上新臺(tái)階。鍛件成形缺陷主要有未充滿(mǎn)、折疊、同軸度超差、磕碰、油槽變形等。其中鍛造折疊因?yàn)椴灰妆话l(fā)現(xiàn)而最難被控制，折疊是金屬變形流動(dòng)過(guò)程中與氧化過(guò)的表層金屬匯合到一起而形成的。折疊不僅減少了零件的承載面積，而且工作時(shí)，由于此處的應(yīng)力集中往往成為疲勞源。有折疊的零件在后續(xù)工序(主要是熱處理時(shí))，折疊尾端常常會(huì)擴(kuò)展，在后擴(kuò)展的部分形成裂紋；末端呈尖形，其表面一般無(wú)氧化、脫碳現(xiàn)象。折疊成為裂紋產(chǎn)生的一種誘因，所以折疊對(duì)鍛件的危害極大，技術(shù)文件中規(guī)定鍛件上一般不允許有折疊。

現(xiàn)狀

鍛造車(chē)間的鍛件生產(chǎn)是工廠產(chǎn)品加工的第一道工序，后面還有粗車(chē)→精車(chē)→產(chǎn)品熱處理等。在鍛件上或成品件上，也可能出現(xiàn)后續(xù)工藝不當(dāng)、使用維護(hù)不當(dāng)或者設(shè)計(jì)與選材問(wèn)題等引起的質(zhì)量問(wèn)題，以及其他類(lèi)似裂紋的缺陷。鍛件質(zhì)量分析如圖2 表示，在公司內(nèi)部剔除熱處理、表面處理、冷加工產(chǎn)生的缺陷，剩余就是鍛件本身存在的缺陷；設(shè)計(jì)選材和使用維護(hù)的缺陷由公司定性。

圖2 鍛件質(zhì)量分析

因?yàn)殄懺煺郫B通過(guò)目視不易發(fā)現(xiàn)，而且其和后工序產(chǎn)生的裂紋不易被區(qū)分，造成分析困難，所以應(yīng)在鍛造工序盡早控制。但是由于其成因復(fù)雜且屬于隱性缺陷，難以避免被轉(zhuǎn)出?；诩訌?qiáng)工序間溝通，前工序服務(wù)后工序，所以鍛造車(chē)間經(jīng)常協(xié)助發(fā)現(xiàn)缺陷工序車(chē)間共同查找和解決問(wèn)題，群策群力并以期“去偽存真”。再運(yùn)用先進(jìn)的BIQ(Built-In-Quality)共鑄質(zhì)量管理方法，對(duì)折疊從現(xiàn)象、原因、產(chǎn)生、排除等幾方面層層分析，以期提高鍛件質(zhì)量。

技術(shù)人員于2016 年7 月在齒輪加工車(chē)間處理反饋的問(wèn)題時(shí)，發(fā)現(xiàn)該批精車(chē)件(8620H 材質(zhì))上有圖3 所示的目視缺陷，特征是在產(chǎn)品上分布無(wú)規(guī)律，無(wú)氧化發(fā)黑，技術(shù)人員判斷其是非鍛造過(guò)程引起，對(duì)其進(jìn)行了送檢確認(rèn)，同時(shí)避免了大量的挑揀工作?；谝伤啤傲鸭y、折疊”給鍛造車(chē)間帶來(lái)的大量額外工作和影響，車(chē)間技術(shù)人員有必要對(duì)鍛造工序中的折疊成因進(jìn)行分析，做到“知己”。

圖3 目視缺陷

查找與排除問(wèn)題

如圖4 所示，從本廠生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，技術(shù)人員總結(jié)出鍛造生產(chǎn)中的折疊成因，主要產(chǎn)生在以下幾個(gè)方面。

圖4 鍛件上的折疊形成因素

圖5 鍛件凸圓弧上的折疊

圖6 模具圓弧塌陷引起的折疊

圖7 刮料壓折

鍛造成形折疊

鍛造折疊可以是兩股(或多股)金屬對(duì)流匯合而形成；也可以是一股金屬的急速大量流動(dòng)將臨近部分的表層金屬帶著流動(dòng)，兩者匯合而形成；也可以是由于金屬發(fā)生彎曲、回流而形成；還可以是部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內(nèi)而形成，一般發(fā)生在圓角部位。我公司鍛造設(shè)計(jì)中使用DEFORM-3D 模擬軟件，主要用來(lái)分析金屬流動(dòng)的趨勢(shì)，在設(shè)計(jì)工作中可以有效分析金屬流動(dòng)情況，對(duì)成形折疊的發(fā)生起到一定的預(yù)防作用。幾種常見(jiàn)成形折疊見(jiàn)表1。

表1 幾種常見(jiàn)成形折疊

閉式鍛造預(yù)鍛毛刺壓入鍛件、異物壓入鍛件

鍛件在熱模鍛壓力機(jī)(圖8)上進(jìn)行閉式鍛造，有鐓粗、預(yù)鍛、終鍛三道工步?；剞D(zhuǎn)體鍛件由于鐓粗制坯分料不均勻，造成預(yù)鍛成形時(shí)局部會(huì)擠出毛刺，終鍛時(shí)毛刺壓折在鍛件上端面外圓處形成折疊；型腔中掉落的異物被毛邊壓折在鍛件端面或其他部位也會(huì)引起折疊。壓入折疊實(shí)例見(jiàn)表2。

表2 壓入折疊實(shí)例

圖8 熱模鍛壓力機(jī)

圖9 擠出毛刺壓折

圖10 異物壓傷

剪切坯料端面缺陷及引起的鍛造缺陷

精密剪切機(jī)是一種高效自動(dòng)化的下料設(shè)備。表3列出了我公司的老式剪切機(jī)易出現(xiàn)的缺陷，我公司鍛造車(chē)間備料二期和三期引進(jìn)的萬(wàn)陽(yáng)精密剪切機(jī)，在刀座的上刃下方設(shè)計(jì)了托料器，相比老式剪床剪切質(zhì)量改善明顯，如圖11 所示。

表3 剪切缺陷實(shí)例

圖11 剪切料斷面質(zhì)量良好

圖12 端斜和壓扁

圖13 剪切裂紋

在備料工段，圓鋸機(jī)鋸切出的料端面質(zhì)量好，料段重量精確。普通帶鋸機(jī)精度低，鋸切時(shí)易出現(xiàn)端面斜度大的料。生產(chǎn)中個(gè)別輪輻窄的鍛件，例如出口件23160(副箱中間軸傳動(dòng)齒輪，材質(zhì)8620RH)，極小的剪切毛刺(符合剪切質(zhì)量要求)也會(huì)引起折疊。經(jīng)過(guò)分析該類(lèi)鍛件輪輻窄，毛刺料水平流動(dòng)范圍小，由于流動(dòng)時(shí)受阻積留在鍛件輪輻部位。這類(lèi)品種現(xiàn)場(chǎng)將剪切下料改為鋸切下料，以消除毛刺，消除這個(gè)品種的輪輻折疊。

自動(dòng)生產(chǎn)線脫模劑失效引起的折紋

公司的鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線(圖14)是鍛造車(chē)間自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)線，沖孔后的鍛件自動(dòng)轉(zhuǎn)入正火爐，主機(jī)的兩條步進(jìn)梁代替人工操作，產(chǎn)能提升很大。主要生產(chǎn)鐓粗類(lèi)圓餅件，除了鍛造成形的常規(guī)折疊外，偶然有自動(dòng)噴霧潤(rùn)滑時(shí)潤(rùn)滑劑失效，造成金屬流動(dòng)受阻造成的折紋(圖15)，一般形狀不規(guī)則，但這種缺陷極少出現(xiàn)。

圖14 自動(dòng)生產(chǎn)線成形

圖15 輪輻折疊

軋制過(guò)程中的螺旋形折紋

我公司的楔橫軋成形是一種采取回轉(zhuǎn)成形方法，通過(guò)局部連續(xù)塑性成形軋制軸類(lèi)件。與鍛造成形相比，工作載荷小、設(shè)備質(zhì)量輕、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品精度高、工作環(huán)境好，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。由于楔橫軋的成形特點(diǎn)，容易出現(xiàn)由模具引起的表面缺陷，如螺旋狀凹痕和中心疏松等，這些缺陷與外部螺旋形連續(xù)壓折區(qū)別明顯，而從外部螺旋形連續(xù)壓折判斷，明顯是由于原材料裂紋所引起。如圖16 所示的67051105(二軸)出現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)連續(xù)線，特征包括較長(zhǎng)范圍，少數(shù)件(一般產(chǎn)生在一根上，有時(shí)在某爐號(hào)鋼材集中出現(xiàn))。生產(chǎn)中由操作工仔細(xì)觀察，并挑出隔離缺陷件，同時(shí)向上級(jí)反饋。

圖16 軸表面壓折

供楔橫軋機(jī)(圖17)生產(chǎn)用的鋸切好的料段，軋制時(shí)如果表面有壓折就需要對(duì)其做磁粉探傷以剔除缺陷料。鋼材內(nèi)部缺陷對(duì)軋件質(zhì)量影響較大，在生產(chǎn)中對(duì)軋件心部的質(zhì)量檢測(cè)一般使用超聲波探傷儀。

圖18 鋼材表面螺旋形凹坑

圖19 鋼材表面凹坑

圖20 鋼材表面軸向細(xì)裂紋

圖21 圓餅鼓形部分豎裂紋

圖22 鍛件外圓軸向裂紋

圖23 鍛件端面徑向細(xì)紋

圖24 直供件表面凹坑

圖25 機(jī)加工時(shí)出現(xiàn)的目視缺陷

鋼材表面缺陷壓入鍛件表面形成的裂紋等其他缺陷

工廠采購(gòu)的軋制鋼材表面，由于生銹(也稱(chēng)黃皮料)和軋制氧化(青皮料)的原因，在生產(chǎn)中不易發(fā)現(xiàn)其表面缺陷，但在散開(kāi)和鋸切備料時(shí)可以發(fā)現(xiàn)部分表面缺陷。常見(jiàn)鋼材表面缺陷及引起的后續(xù)工序缺陷見(jiàn)表4。

表4 鋼材缺陷及引起的后續(xù)缺陷實(shí)例

以上鋼材表面缺陷分析未對(duì)成因做深入研究，只對(duì)缺陷現(xiàn)象做了較細(xì)致歸類(lèi)，以方便生產(chǎn)中操作者做比對(duì)篩出。鋼材經(jīng)過(guò)加熱、鍛造，其表面缺陷會(huì)壓在鍛件表面，外觀類(lèi)似鍛造折疊，造成質(zhì)量隱患。鍛造車(chē)間必須剔除材料問(wèn)題，排除干擾“因素”才能有效分析整個(gè)鍛造過(guò)程。鍛造車(chē)間鼓勵(lì)員工積極反映材料的外觀問(wèn)題，并且獎(jiǎng)勵(lì)貢獻(xiàn)大的個(gè)人，且報(bào)送公司授獎(jiǎng)。這極大提高了職工的積極性，使材料問(wèn)題應(yīng)發(fā)現(xiàn)盡發(fā)現(xiàn)，并可以得到快速處理。公司材料中心和質(zhì)量檢驗(yàn)部門(mén)通過(guò)先進(jìn)的理化手段，能夠迅速對(duì)發(fā)現(xiàn)的材料內(nèi)外部缺陷定性。

總結(jié)

根據(jù)鍛件上的缺陷在下料、鍛造工序以前是否存在來(lái)劃分缺陷責(zé)任，鍛造成形折疊、閉式預(yù)鍛毛刺壓入、異物壓傷，剪切坯料端面缺陷等引起的折疊都屬于是鍛造過(guò)程引起。

根據(jù)以上“折疊”成因分析，鍛造過(guò)程中折疊和鋼材表面缺陷是折疊產(chǎn)生的兩個(gè)方面。在發(fā)現(xiàn)鋼材缺陷方面，本公司鍛造車(chē)間采取生產(chǎn)中本工序篩查隔離，同時(shí)報(bào)質(zhì)量部門(mén)，質(zhì)量部門(mén)通知后工序進(jìn)行示警。在隔離鋼材缺陷方面，鍛造車(chē)間做了很多工作，對(duì)后面工序發(fā)現(xiàn)的裂紋，經(jīng)由鍛造技術(shù)人員在服務(wù)中采用確認(rèn)是鍛造折疊還是鋼材裂紋。分辨鍛造折疊和材料裂紋時(shí)，技術(shù)人員采用互為確認(rèn)、排除的方法，從缺陷的外觀形態(tài)和形成過(guò)程進(jìn)行分析，以達(dá)到快速分辨并給質(zhì)量部門(mén)提供初判意見(jiàn)。粗車(chē)→精車(chē)→產(chǎn)品熱處理也有自己的技術(shù)手段來(lái)分析本工序缺陷，質(zhì)量管理部采用的這種逐單位責(zé)任分離的方法有利于準(zhǔn)確快速地解決問(wèn)題。

在提升鍛件質(zhì)量的道路上，我們鍛造人一直在努力。