余紹虎　楊柳　孟衛(wèi)校　徐宏亮

（金豐(中國)機械工業(yè)有限公司沖壓裝備研究院）

我國現(xiàn)已成為世界汽車Z大消費市場和生產(chǎn)國，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，需要提高產(chǎn)能與質(zhì)量，需要先進、高效、柔性的自動化生產(chǎn)裝備。隨著科技的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的多方位發(fā)展越發(fā)迅速，生存周期也越來越短，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的市場競爭趨于白熱化。作為鍛壓機從業(yè)者必須要以高質(zhì)量、低價格、高技術(shù)含量為產(chǎn)品的研發(fā)目標，方能拔得頭籌。以現(xiàn)在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)工藝和制造流程來進行改善，尋求一個Z優(yōu)的生產(chǎn)方案來評估搭配設(shè)備投資與生產(chǎn)流程工藝編排，打造自己的核心生產(chǎn)工藝技術(shù)，以滿足市場競爭的需求。冷、溫間鍛造成形技術(shù)作為高強度零部件的生產(chǎn)工藝Z有優(yōu)勢，對提高企業(yè)核心技術(shù)競爭力，有效降低高技術(shù)含量產(chǎn)品的成本非常重要。同時，一次成形加工漸漸取代粗切削機床加工，傳統(tǒng)加工工藝轉(zhuǎn)為綠色節(jié)能型鍛造加工勢在必行。

適合冷、溫間鍛造零件

汽車的零部件中很多適合冷、溫間鍛造，圖1中變形量比較大的小尺寸鍛造零件，比較適合采用冷、溫鍛制造生產(chǎn)工藝生產(chǎn)。鍛造零件在經(jīng)過塑性形變后，還保持一定程度上的物理力學(xué)性能。

鍛造壓力機與鍛造工藝的關(guān)系

鍛造壓力機的結(jié)構(gòu)特性

⑴壓力機能力有三大特點。

對代表性的冷、溫間鍛造零件開展研究表明，要鍛造精度合格率高的零件，首先需要了解鍛造壓力機的能力、行程扭矩與工作必要能量等三大主要因素及壓力機的精度特點，方能鍛造出尺寸優(yōu)良與高精度的零件制品，可參考圖2所示。

圖1 代表性的冷、溫間鍛造零件

圖2 壓力機行程能力曲線圖

⑵壓力機的精度特點與鍛壓零件精度的相互關(guān)聯(lián)性。

壓力機本身的精度，決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，高精度的壓力機能生產(chǎn)優(yōu)良的產(chǎn)品，相反精度較差的壓力機其生產(chǎn)的產(chǎn)品合格率很低。壓力機的精度通常分為：空載狀態(tài)時的靜態(tài)精度和鍛造狀態(tài)時的動態(tài)精度。圖3所示為壓力機主要的靜態(tài)精度分類。

圖3 壓力機主要考慮的靜態(tài)精度分類

1）壓力機平行度為滑塊與工作臺面之間的平行度精度，如果此精度不良，鍛造生產(chǎn)時會產(chǎn)生零件尺寸與精度不佳。

2）工作臺面或者滑塊底面的平面度誤差如果很大，比如內(nèi)凹時，會導(dǎo)致零件平面度不良，更嚴重時會造成模具損壞或者變形。

3）另外還有滑塊中心線與工作臺面之間的垂直度精度影響也很大。當中心線偏斜時，上凸模與下凹模中心偏斜，在長形狀零件進行擠壓加工時會發(fā)生形狀精度不佳。

冷、溫間鍛造如果工藝技術(shù)和鍛造設(shè)備的精度控制良好，其制造零件精度不遜色于機床切削加工。冷、溫間鍛造加工精度一般分類如下：

1）鍛造模具的尺寸精度直接影響制品精度。

一般先通過評核零件與使用模具之間的尺寸偏差范圍大小，再通過校正修配模具的精度。模具通常的Z大校正精度上下浮動0.03mm左右。

2）壓力機鍛造狀態(tài)的動態(tài)精度也影響零件的精度。

壓力機滑塊底面在下死點位置的精度，通常稱為下死點穩(wěn)定度。由于彈性變形的存在，此精度有時變化很大，直接影響沖壓零件的底部厚度、凸邊厚度等尺寸精度。

3）鍛造模具的合模精度同樣影響鍛造零件精度。

模具的上下模通常會設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)，比如導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，以此來保持合模精度。如果導(dǎo)向機構(gòu)不夠牢固，精度很差，勢必會使模具合模時產(chǎn)生偏斜，從而造成鍛造零件偏斜、中心不對中、彎曲等現(xiàn)象發(fā)生。

對鍛造零件的尺寸和形狀精度造成影響的總體而言有：坯件材料成分缺陷、形狀誤差大、硬度整體不同、熱處理工藝；壓力機的靜態(tài)精度和動態(tài)精度；鍛造模具沖頭部的磨損、凸凹部的合模、中心修配精度；潤滑所采用的方式和成形綜合外界條件等。尤其是鍛造壓力機的精度影響Z為重要，優(yōu)化和改善壓力機的精度，方能保證和提高鍛造零件的精度，做到鍛造成形的穩(wěn)定。

冷、溫間鍛造加工工藝的必要工作能量

不同的鍛壓產(chǎn)品其形狀都各不相同，需要根據(jù)其形狀確定相應(yīng)的成形工藝，并根據(jù)工藝方法來搭配合適的鍛造壓力機。步要了解鍛造零件每一種成形的必要工作能量特點。比如，鐓粗、壓印工藝?形初期負載較輕，到下死點附近負載Z大；鍛細工藝成形初期負載大，到下死點附近負載Z大；正擠壓或正反復(fù)合擠壓成形初期負載Z大，往后負載會逐漸減小；反擠壓成形初期負載Z大，并維持一定。目前來看，鍛造零件的成形基本為以上所述工藝的組合，皆可以此為選擇搭配鍛造壓力機的參考準則。

如何選用適用的鍛造壓力機

冷、溫間鍛造的工藝技術(shù)

冷間鍛造工藝是指金屬坯件在不經(jīng)過加熱，直接在常溫狀態(tài)下成形的一種制造工藝。由于物體加熱后隨著溫度的下降會發(fā)生熱脹冷縮，其尺寸精度肯定會發(fā)生變化。而冷間鍛造沒有經(jīng)過加熱就成形，其產(chǎn)品的尺寸精度相對來說比溫間鍛造產(chǎn)品更優(yōu)，它的物理硬化性能也要比溫間鍛造產(chǎn)品佳。汽車的核心運動機構(gòu)零件一般采用冷間鍛造，這些零件要求高精度，高的核心技術(shù)價值成形工藝。這些產(chǎn)品的精度通常受鍛造模具尺寸精度、鍛造壓力機鍛造時的動態(tài)精度、鍛造模具合模精度等因素影響。

溫間鍛造工藝是指金屬坯件加熱至低于其本身的再結(jié)晶溫度時，再進行鍛造成形作業(yè)。金屬坯件經(jīng)過加熱再冷卻以后，其物理硬化性能會逐漸降低，主要因素是內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)在高溫加熱時有所改變受損，這是溫間鍛造制造工藝需要考慮的。所以對于變形量比較大而體積較小的鍛造工件，更適合采用溫間鍛造工藝技術(shù)來鍛造生產(chǎn)。讓鍛件在物理硬化性能受很小影響的同時又能發(fā)生塑性變形，滿足成形需求。

溫間鍛造工藝技術(shù)的原理基礎(chǔ)是：金屬坯件在加熱到變形抗力降到只有原來三分之一時有利于進行塑形變形，但硬化性能還沒有產(chǎn)生較大改變。根據(jù)這一理論表述，加熱溫度控制在150℃～900℃之間，基本上僅需要一次塑性變形就能完成，達到溫間鍛造一次成形的工藝技術(shù)要求。

隨著鍛造工藝技術(shù)的改進發(fā)展，溫間鍛造成形工藝得到越來越多的應(yīng)用，尤其在汽車行業(yè)鍛造零件的制造工藝改良上。圖4為多方向擠壓鍛造模具配合我公司KT系列曲軸肘節(jié)式壓力機溫間鍛造成形工藝的實際生產(chǎn)實例。

綜合以上冷、溫間鍛造工藝的特點，可以將各類型鍛件與鍛造工藝搭配成形的零件精度歸納如下：對于形狀不是很復(fù)雜的零件選用冷鍛工藝，在常溫下進行鍛造，坯件變形抗力大，成形工位數(shù)多，成品零件表面粗糙度小于6s，其精度范圍0.025～0.1；對于形狀很復(fù)雜或較復(fù)雜的零件選用溫鍛工藝，在150℃～900℃的溫度下進行鍛造，坯件變形抗力較小，成形工位數(shù)少，成品零件表面粗糙度小于9s，其精度范圍0.05～0.2。

選配適合的鍛造壓力機

我公司制造的KT系列250～1000t曲軸肘節(jié)式冷溫間鍛造壓力機，可多工位連續(xù)自動化生產(chǎn)，適用于小齒輪、長軸套等擠壓成形， 采用自動化生產(chǎn)方式，相比單一工程，生產(chǎn)效率提升3倍。其加工效率高，能滿足產(chǎn)品高質(zhì)量及高精密的技術(shù)要求，在未來的鍛造生產(chǎn)行業(yè)將起到舉足輕重的作用。

圖5為肘節(jié)式連桿傳動結(jié)構(gòu)，其連桿比采用運動仿真設(shè)計，達到Z佳運動曲線，隨著下死點的接近，滑塊之運動速度會明顯減緩，下死點附近150°～210°范圍內(nèi)滑塊處于下死點位置，而210°后滑塊又快速回升。圖6為肘節(jié)式機構(gòu)滑塊運動曲線圖。

圖4 溫間鍛造工藝實例

圖5 曲軸肘節(jié)式傳動結(jié)構(gòu)

冷、溫間鍛造自動化生產(chǎn)線規(guī)劃簡述

以單臺鍛造壓力機自動化生產(chǎn)線規(guī)劃為例，其自動化生產(chǎn)線一般由料架、矯正機、棒料切割機、鍛造壓力機、外圍自動化設(shè)備組成。圖7為自動化生產(chǎn)規(guī)劃線展示圖。

圖6 肘節(jié)式鍛造壓力機滑塊運動曲線

圖7 自動化生產(chǎn)線規(guī)劃圖

鍛造工藝外圍搭配

新型鍛造模具開發(fā)

傳統(tǒng)鍛造模具為一體模腔，其凸模為一個整體，凹模也是整體結(jié)構(gòu)，鍛造合模時成形的鍛件邊料較多，需要進行后續(xù)加工方能滿足制作要求。而新型的鍛造模具技術(shù)，為無毛邊料的鍛造工藝，節(jié)省下料重量與加工，近十年來在國外各式各樣之復(fù)動化鍛造模塊陸續(xù)被開發(fā)出來。

圖8為新型鍛造工藝?具的原理示意圖，每一個坐標?向沖頭都是以相同速度相向擠入模腔成形，從而形成三個軸向正反方向運動成形的鍛造模式。在鍛造成形的過程中，上下模在壓力機的上下部機械頂料機構(gòu)的支撐下，一直處于合模狀態(tài)，所以坯件始終是在密閉模腔中鍛造擠壓成形的，因此可以鍛造出無毛邊料的鍛件。為了配合進行鍛造驗證，我公司開發(fā)了KT-400肘節(jié)式鍛造壓力機進行驗證。鍛造結(jié)果表明此模具的設(shè)計方案可行，可滿足三個工位模具進行鍛造，下部頂料機構(gòu)可提供30噸的支撐力，壓機精度小于JIS 1級，運行穩(wěn)定，噪聲值＜78dB。目前已經(jīng)全面推廣，對多軸類的鍛件、內(nèi)輪鍛件、十字軸鍛件等品質(zhì)、精度有大大的提升，進一步增強了鍛壓設(shè)備及鍛造工藝技術(shù)的市場競爭力。

圖8 新型模具原理示意

前工程處理設(shè)備

在進行溫間鍛造之前，鍛造坯件需要進行前工程的處理，主要包括加熱處理和表面處理。加熱處理設(shè)備主要有高周波感應(yīng)加熱爐（圖9），可以將坯料加熱至成形所需要的溫度。在溫間鍛造時，鍛件在發(fā)生塑性變形的同時，其內(nèi)部應(yīng)力也有所提高。此時必須先將坯件進行退火處理，以降低其內(nèi)部應(yīng)力，然后方可進行后續(xù)加工。

圖9 高周波感應(yīng)加熱爐

在進行鍛造時，模具與鍛件之間有相對運動，就會產(chǎn)生摩擦阻力，這對鍛造加工是不利的。所以就需要表面處理設(shè)備在冷間鍛造前進行坯件的表面處理，以降低坯件的表面摩擦阻力。其原理就是降低鍛造時鍛件與模具之間的摩擦系數(shù)，從而降低模具的磨損，增加其使用壽命，提升了冷間鍛造工藝的經(jīng)濟價值。而且對于鍛造產(chǎn)品來說，它的尺寸外形精度大大提高，鍛造時坯件材料的流動速度有所提高，鍛件表面更加平整、光滑、勻稱，為后續(xù)的加工工序奠定了良好的基礎(chǔ)條件。另外除了進行表面處理外，還可以在進行鍛造時配合使用潤滑液，更好的減小摩擦阻力，讓塑性變形的效果更佳。

結(jié)論

鍛造工藝是一種精密塑性成形技術(shù)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點，如機械性能好，生產(chǎn)效率和材料利用率高等，特別適合于大批量生產(chǎn)，而且可以作為Z終產(chǎn)品的制造工藝，在交通運輸車輛、航空航天和機床工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。本自動化生產(chǎn)搭配方案在投入市場后，根據(jù)客戶反映，市場情況以及前沿技術(shù)的發(fā)展，進一步開展技術(shù)改進，降低成本，提高產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性，增強鍛造設(shè)備及鍛造工藝技術(shù)的市場競爭力。而對于鍛造生產(chǎn)線的搭配，只要根據(jù)鍛件特點，結(jié)合鍛造壓力機的性能及精度特點，選用適合的鍛造工藝方式，并選配適當?shù)耐鈬詣踊O(shè)備，就能構(gòu)建高效率、高性能的鍛件自動化生產(chǎn)線。這對鍛造工藝技術(shù)的發(fā)展，也將起到革命性的改變。

作者簡介

余紹虎，金豐（中國）機械工業(yè)有限公司研發(fā)部機械設(shè)計課課長，主要從事壓力機開發(fā)設(shè)計，沖壓生產(chǎn)研究等工作，曾主導(dǎo)完成壓力機自動設(shè)計程序系統(tǒng)開發(fā)，多連桿壓力機結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造等項目。先后獲得4項實用新型專利、3項發(fā)明專利。

本文摘自《鍛造與沖壓》雜志2018.21