溫—冷和熱—冷聯(lián)合成形技術(shù)的發(fā)展過(guò)程
冷鍛成形技術(shù)在發(fā)展中國(guó)家特有的門坎
⑴冷鍛生產(chǎn)投資規(guī)模巨大。關(guān)鍵設(shè)備如大中型多工位自動(dòng)化冷鍛壓力機(jī)等，國(guó)內(nèi)裝備業(yè)尚不能提供，還需從歐洲和日本等工業(yè)先進(jìn)國(guó)家引進(jìn)。
⑵冷鍛生產(chǎn)的工序流程長(zhǎng)，生產(chǎn)周期更長(zhǎng)。國(guó)外有采購(gòu)經(jīng)軟化退火的冷鍛專用鋼種來(lái)縮短生產(chǎn)流程，但國(guó)內(nèi)鋼廠還缺少相應(yīng)鋼材提供。
⑶缺少冷鍛用鋼標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)冷鍛工廠通過(guò)對(duì)鋼材進(jìn)行改性加工（如退火、剝皮等）使材料達(dá)到冷鍛要求。但鍛造工廠對(duì)鋼材的改性處理成本比較高。
⑷冷鍛特別是多工位冷鍛需要對(duì)鋼鐵毛坯進(jìn)行磷酸鹽皮膜處理。而含磷廢水的排放嚴(yán)重影響了環(huán)境保護(hù)。針對(duì)磷酸鹽處理的缺點(diǎn)，各國(guó)冷鍛業(yè)都在研究和應(yīng)用替代磷酸鹽處理的方案，并取得了較好的使用效果。但目前所有的替代方案與磷酸鹽皮膜處理的效果與成本還有較大差距。
⑸冷鍛成形屬于高應(yīng)力成形范圍。受制于壓力機(jī)和模具的載荷能力，冷鍛成形的零部件多為幾千克以下的中、小型零部件。
⑹適合于多工位大批量冷鍛生產(chǎn)的低碳鋼和低碳合金鋼零件，其后續(xù)熱處理是高成本的滲碳熱處理。而當(dāng)今許多汽車零部件已采用熱處理成本較低的中碳鋼和中碳合金鋼制造。但含碳量越高的鋼材，冷鍛成形越是困難。冷鍛生產(chǎn)在材料方面有較大的局限性。
⑺由于冷鍛生產(chǎn)流程和生產(chǎn)周期長(zhǎng)，適合于大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。對(duì)當(dāng)代制造業(yè)推崇的個(gè)性化制造和精益生產(chǎn)、快速反應(yīng)等新概念生產(chǎn)模式越來(lái)越不適應(yīng)。
鑒于以上原因，在20 世紀(jì)70 年代，國(guó)內(nèi)外精密鍛造行業(yè)先后展開了對(duì)鋼鐵溫鍛成形的研究和應(yīng)用。到20 世紀(jì)90 年代，溫鍛技術(shù)日漸成熟，人們先后解決了溫鍛成形工藝技術(shù)、多工位溫鍛壓力機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)、溫鍛模具的冷卻和潤(rùn)滑技術(shù)、溫鍛后的熱處理工藝技術(shù)等等，溫鍛生產(chǎn)被廣泛應(yīng)用于中小規(guī)格的中碳和中碳合金鋼汽車零件的批量生產(chǎn)。
在學(xué)術(shù)界對(duì)溫鍛的溫度劃分尚有爭(zhēng)議的前提下，生產(chǎn)企業(yè)相對(duì)簡(jiǎn)單地認(rèn)定：低于熱鍛、高于冷鍛的溫度范圍為溫鍛的溫度范圍。
早先，人們認(rèn)定600～750℃為鋼鐵溫鍛的溫度范圍，當(dāng)模具的冷卻與潤(rùn)滑得到初步解決后，這個(gè)溫度很快就提升到850℃左右。
通過(guò)對(duì)溫鍛坯料進(jìn)行預(yù)涂石墨處理，并對(duì)溫鍛模具實(shí)施大流量的噴霧冷卻—潤(rùn)滑，溫鍛模具的冷卻與潤(rùn)滑得到基本解決，溫鍛有可能在更高的溫度下進(jìn)行。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，提高溫鍛溫度有利于降低變形抗力、改善充型能力并提高生產(chǎn)效率。因此，當(dāng)前的鋼鐵溫鍛生產(chǎn)，鍛造溫度已經(jīng)提高到900℃及以上；針對(duì)一些大規(guī)格鍛件，溫鍛的鍛造溫度甚至提升到1000℃，與熱鍛的溫度范圍相銜接。現(xiàn)在鋼鐵溫鍛溫度范圍如圖11 所示。
溫鍛成形的優(yōu)點(diǎn)
⑴溫鍛成形應(yīng)力較冷鍛小，因此在同噸位壓力機(jī)上可完成較大輪廓尺寸的零部件成形。
⑵溫鍛毛坯加熱溫度低于熱鍛，大多數(shù)溫鍛在加熱前還進(jìn)行石墨涂層的預(yù)涂，因此溫鍛毛坯基本上沒(méi)有氧化和脫碳缺陷，溫鍛毛坯的尺寸精度與了冷鍛毛坯較接近。
⑶中碳和中碳合金鋼溫鍛成形性能與低碳鋼差別不大，溫鍛的材料選擇范圍遠(yuǎn)比冷鍛寬廣。
⑷鋼鐵溫鍛成形前一般不需要軟化退火，不像冷鍛成形對(duì)鋼材有嚴(yán)格的冷塑性要求，因此，國(guó)內(nèi)鋼廠的熱加工鋼交付條件基本滿足溫鍛成形要求。
⑸溫鍛一般是多工位成形，在沒(méi)有多工位壓力機(jī)時(shí)可采用在多臺(tái)單工位壓力機(jī)上連續(xù)成形。因此，溫鍛生產(chǎn)工序流程緊湊，生產(chǎn)周期短。
⑹在采用較高溫度下的溫鍛成形工藝時(shí)，毛坯的下線溫度滿足鋼的控制冷卻條件，選用鍛后控制冷卻可較大幅度降低鍛件熱處理成本。
⑺溫鍛過(guò)程中的工件和模具的冷卻—潤(rùn)滑采用與熱鍛相同的石墨潤(rùn)滑劑，沒(méi)有嚴(yán)重的環(huán)保問(wèn)題。當(dāng)前推廣應(yīng)用的溫鍛白色潤(rùn)滑劑進(jìn)一步改善了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，與冷鍛生產(chǎn)相比，溫鍛生產(chǎn)不會(huì)出現(xiàn)處理磷酸鹽的環(huán)保問(wèn)題。
溫鍛生產(chǎn)有可能從下料到鍛后熱處理按生產(chǎn)節(jié)拍組成流程化生產(chǎn)線，減少在制品滯留，有利于鍛件的可追溯性管理，提高制造的快速反應(yīng)能力。
綜上，溫鍛成形在汽車零部件生產(chǎn)中表現(xiàn)出比冷鍛更大的優(yōu)勢(shì)，因此，當(dāng)代許多汽車零部件制造工程師，在開發(fā)新品和建設(shè)生產(chǎn)線時(shí)，已將毛坯的溫鍛成形作為首要考慮的方案(圖12)。
溫—冷聯(lián)合成形
由于鍛造溫度引起的變形，及模具的熱影響和熱態(tài)下模具的迅速磨損，溫鍛件的輪廓和尺寸精度，一般要比冷鍛件低半級(jí)至一級(jí)，這使溫鍛毛坯在很多場(chǎng)合下達(dá)不到無(wú)切削加工目標(biāo)。在這種情況下，溫鍛—冷鍛聯(lián)合成形工藝應(yīng)運(yùn)而生，逐漸成為當(dāng)代精密鍛造的主流。
溫鍛—冷鍛聯(lián)合成形，簡(jiǎn)稱“溫—冷聯(lián)合成形”，具體過(guò)程是在毛坯的成形工序中，將毛坯的大部分變形用溫鍛工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，鍛件最終的輪廓和尺寸精度，則通過(guò)最后的冷鍛精整后得到。通常，溫鍛所能獲得的成形精度為IT9 ～I(xiàn)T12，經(jīng)冷鍛精整后，可將精度提高到IT7 ～I(xiàn)T11 水平。在某些特殊場(chǎng)合，如錐齒輪溫鍛后冷精整，齒廓精度可達(dá)到ISO/DIN7 級(jí)精度左右。等速萬(wàn)向節(jié)殼體的溫—冷聯(lián)合成形如圖13所示。
在溫—冷聯(lián)合成形工序中，由于溫鍛已完成了零件成形的體積轉(zhuǎn)移，冷鍛只是用來(lái)精化毛坯，冷鍛的變形量可設(shè)計(jì)得比較小，基本上屬于冷精整工作范疇。通常利用鍛件的終鍛余熱進(jìn)行控制冷卻，所獲得的金屬組織和硬度，已能提供足夠的冷變形塑性。
同理，由于冷精整變形量不大，在使用高分子潤(rùn)滑液或其他潤(rùn)滑液的前提下，坯料表面的磷酸鹽皮膜處理也可省去。這對(duì)于將來(lái)在精密鍛造行業(yè)徹底取消磷酸鹽處理具有特別的意義。溫—冷聯(lián)合成形與冷鍛成形、熱鍛—機(jī)加工成形的比較見圖14，溫—冷聯(lián)合成形除成形精度方面比冷鍛成形稍差以外，其他各方面都與冷鍛成形相當(dāng)或優(yōu)于冷鍛成形。
在溫鍛控制冷卻技術(shù)得到應(yīng)用后，溫—冷聯(lián)合成形最突出的優(yōu)勢(shì)是流程化生產(chǎn)的概念成為可能。以一個(gè)汽車等速萬(wàn)向節(jié)殼體精密鍛造工廠為例，采用先進(jìn)的溫—冷聯(lián)合成形，生產(chǎn)工藝：棒材下料→拋丸→石墨涂層處理→感應(yīng)加熱→多工位溫鍛成形→控制冷卻→拋丸→潤(rùn)滑處理→冷鍛精整→探傷→目視檢驗(yàn)→包裝。
以上工藝，如采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，將按工藝建成若干車間，萬(wàn)向節(jié)殼體的生產(chǎn)工序按不同工藝被劃分在不同的車間，各車間的物料流轉(zhuǎn)用叉車搬運(yùn)。為保證生產(chǎn)連續(xù)，車間建有中間庫(kù)存。這種管理模式，雖然有利于各車間的專業(yè)技術(shù)管理，但各車間、工序間協(xié)調(diào)困難，中間庫(kù)存滯留對(duì)流動(dòng)資金造成巨大壓力；在制品在各車間往返搬運(yùn)，浪費(fèi)了大量的時(shí)間和金錢；龐大的產(chǎn)品周轉(zhuǎn)量，使鍛件的可追溯管理變得混亂不堪；一旦發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，滯留現(xiàn)場(chǎng)的所有庫(kù)存都將被隔離檢查，給生產(chǎn)管理帶來(lái)的影響是災(zāi)難性的。
在流程化生產(chǎn)模式下，等速萬(wàn)向節(jié)殼體被設(shè)計(jì)在一個(gè)車間內(nèi)完成全部的過(guò)程。每個(gè)工序的生產(chǎn)能力，都是參照多工位溫鍛壓力機(jī)生產(chǎn)節(jié)拍來(lái)設(shè)計(jì)；各工序盡可能選用連續(xù)工作模式的設(shè)備；工序間物流盡量用輸送帶來(lái)完成；在理想狀態(tài)下，工序間在制品將壓縮到最小值，達(dá)到所謂“一個(gè)流”的目標(biāo)境界(圖15)。
按流程設(shè)計(jì)的溫—冷聯(lián)合成形生產(chǎn)線，在理想狀態(tài)下，等速萬(wàn)向節(jié)殼體精鍛件從下料到出廠的生產(chǎn)周期被控制在8 小時(shí)之內(nèi)；在實(shí)現(xiàn)快速換模后，可在8小時(shí)內(nèi)變更多個(gè)品種的鍛件生產(chǎn)；最低的在制品存量，使生產(chǎn)成本控制到最低。以上的溫—冷聯(lián)合成形生產(chǎn)模式，既能充分滿足汽車零部件大批大量生產(chǎn)的要求，又能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的個(gè)性化制造和快速反應(yīng)的潮流。因此，溫—冷聯(lián)合成形已成為當(dāng)代精密鍛造的主流。
除等速萬(wàn)向節(jié)殼體外，其他汽車關(guān)鍵零部件，也越來(lái)越多采用溫—冷聯(lián)合成形工藝生產(chǎn)。如高精度的乘用車差速器行星和半軸齒輪(圖16)，過(guò)去多采用閉塞冷鍛成形工藝進(jìn)行生產(chǎn)，精度雖能滿足需要，但毛坯需要長(zhǎng)時(shí)間的軟化退火，并在冷鍛前必須進(jìn)行磷酸鹽皮膜處理，生產(chǎn)成本較高；對(duì)于大規(guī)格的差速器行星和半軸齒輪，還要配置昂貴的大噸位冷鍛壓力機(jī)。而采用溫—冷聯(lián)合成形時(shí)，可選擇低一檔噸位的鍛造壓力機(jī)。并且采用高分子材料作為冷鍛前的潤(rùn)滑皮膜，徹底告別了非環(huán)保的磷酸鹽處理過(guò)程。
熱—冷聯(lián)合精鍛成形工藝
到了20 世紀(jì)末，隨著熱鍛生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，熱鍛件的質(zhì)量已達(dá)到較高的水平，在鍛件表面脫碳、氧化、裂紋、凹坑、磕碰傷痕和切邊毛刺等問(wèn)題得到切實(shí)的遏制，鍛件的輪廓和尺寸精度得到明顯提高后，熱鍛—冷鍛聯(lián)合成形已成為可能。
汽車變速箱結(jié)合齒坯是較早應(yīng)用熱—冷聯(lián)合成形技術(shù)進(jìn)入大批量生產(chǎn)的精密鍛件，如圖17 所示。該毛坯的體積成形主要以精密熱鍛工藝成形，經(jīng)等溫正火后完成結(jié)合齒的冷鍛精整。精密鍛造的結(jié)合齒較傳統(tǒng)機(jī)加工成形的結(jié)合齒輪，有齒形結(jié)合柔和、抗沖擊、耐疲勞、生產(chǎn)成本低和質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在汽車變速箱齒輪生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。
齒坯的熱—冷聯(lián)合成形技術(shù)在我國(guó)也早有批量生產(chǎn)的成功案例。目前，在江蘇、重慶和上海等地，有若干精鍛專業(yè)工廠正在按照國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，大批量提供結(jié)合齒坯精鍛產(chǎn)品。
當(dāng)代熱—冷聯(lián)合成形的技術(shù)巔峰要數(shù)歐洲開發(fā)的汽車差速器齒輪高速熱鐓鍛成形—冷鍛精整聯(lián)合成形技術(shù)。圖18 所示為歐洲某公司在瑞士哈特貝爾HM40 高速熱鐓鍛機(jī)上進(jìn)行錐齒輪的高速熱鐓鍛成形的情況。HM40 的生產(chǎn)節(jié)拍為每分鐘(90 ～150)件，生產(chǎn)效率極高。由于高速鐓鍛成形時(shí)齒形模具與工件接觸時(shí)間極短，很好地解決了高效率生產(chǎn)與鍛造模具壽命間的矛盾。
在高速熱鐓鍛機(jī)上進(jìn)行齒輪的精密成形，除需要解決齒輪成形方面常見的工藝問(wèn)題外，特別要解決的難題的是毛坯熱剪切引起的毛刺和高溫狀態(tài)下成形毛坯傳遞和輸送過(guò)程中的磕碰。經(jīng)鍛造專家們的不懈努力，解決了這些難題，使錐齒輪的熱—冷聯(lián)合成形順利投產(chǎn)。
圖19 是江蘇森威精鍛有限公司自主開發(fā)的等速萬(wàn)向節(jié)星形套熱—冷聯(lián)合成形工藝。該產(chǎn)品的熱鍛成形在瑞士哈特貝爾公司的技術(shù)支持下開發(fā)成功，并采用該公司的AMP30S 高速熱鐓鍛機(jī)進(jìn)入批量生產(chǎn)，冷精整采用了閉塞冷鍛成形。該工藝與傳統(tǒng)的閉塞冷鍛相比，具有生產(chǎn)效率高、單位能耗低和生產(chǎn)周期短的特點(diǎn)。通常，星形套閉塞冷鍛工藝，從原材料下料、軟化退火、表面潤(rùn)滑處理到閉塞冷鍛成形，至少要72 小時(shí)以上，而且需要進(jìn)行磷酸鹽皮膜潤(rùn)滑處理。
高速熱鐓鍛—冷鍛聯(lián)合成形的優(yōu)勢(shì)非常明顯，即極高的生產(chǎn)效率和較低的生產(chǎn)成本。但高速熱鐓鍛機(jī)價(jià)格昂貴，而且只有國(guó)外極少的幾個(gè)公司能提供這一類裝備。因此，只有年產(chǎn)量達(dá)到1000 萬(wàn)件以上的鍛件才會(huì)考慮采用這個(gè)方案。
結(jié)束語(yǔ)
隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車零部件制造業(yè)不斷整合和壯大，像等速萬(wàn)向節(jié)、汽車齒輪和其他關(guān)鍵零部件等，已逐漸形成“專、精、特”優(yōu)勢(shì)的行業(yè)“小巨人”格局。這一類關(guān)鍵零部件最適合用精密鍛造進(jìn)行大批量生產(chǎn)。雖然冷鍛在當(dāng)前仍是精密鍛造的主要工藝，但溫—冷聯(lián)合成形和熱—冷聯(lián)合成形的競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。特別是在我國(guó)政府大力推動(dòng)綠色生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，并在制造業(yè)倡導(dǎo)先進(jìn)制造理念的形勢(shì)下，我國(guó)汽車制造業(yè)和機(jī)械制造業(yè)正在積極迎接個(gè)性化定制生產(chǎn)時(shí)代的到來(lái)。鍛造行業(yè)正努力建設(shè)數(shù)字化車間，大力推動(dòng)自動(dòng)化生產(chǎn)，努力爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化發(fā)展目標(biāo)。在當(dāng)前中國(guó)國(guó)情下，溫—冷聯(lián)合成形和熱—冷聯(lián)合成形將成為我國(guó)汽車零部件精密鍛造發(fā)展的主流。
