文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術士事務所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本

（連載二）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司
小松勇·日本小松技術士事務所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

汽車構造產(chǎn)品的鍛造加工

利用鍛造加工的零件大都是需要具備一定強度和剛性的汽車機械結構的產(chǎn)品，這些零件因使用的部位不同而要求有不同的特性。

回轉傳動產(chǎn)品：曲軸、凸輪軸、離合器軸、齒輪軸、齒輪、同步齒輪、傘齒輪、變速裝置的輸出軸、驅(qū)動軸、萬向節(jié)、等速萬向節(jié)、車輪軸、方向盤軸等。

動力傳動產(chǎn)品：活塞銷、連桿、連桿外套、閥門挺桿、方向盤、肘桿、肘桿銷、十字頭、圓盤制動器活塞等。

其他構造產(chǎn)品：輪轂中心、車門轉軸、門鎖產(chǎn)品、后備箱蓋轉軸、座椅調(diào)節(jié)齒輪、摩擦凸輪等。

這些產(chǎn)品動力傳動效果高，傳遞中能量的損失少，沒有振動也沒有噪聲的產(chǎn)生，有很高的信賴性。這種高精度、高強度的汽車產(chǎn)品就是用鍛造加工方法把材料做成坯材，再經(jīng)過沖壓、擠壓加工及切削加工的組合工序制成的。

上述剛性有幾種類型：

彎曲剛性是在彎曲力的作用下，彎曲難易程度的性質(zhì)。產(chǎn)品斷面的大小、特別是產(chǎn)品的寬窄對彎曲剛性有很大的影響。

扭曲剛性是在扭轉力的作用下材料變形難易程度的性質(zhì)。它和產(chǎn)品斷面的大小特別是粗細（直徑）有很大關系。

軸向壓縮剛性是向軸向施加壓力時，壓縮難易程度的性質(zhì)。影響壓縮剛性的因素除了產(chǎn)品斷面的大小以外，還有產(chǎn)品材質(zhì)的縱向彈性系數(shù)（楊氏彈性系數(shù)E）。

相似的性質(zhì)還有延伸剛性。同樣影響延伸剛性的因素除了產(chǎn)品斷面的大小以外，還有產(chǎn)品材質(zhì)的縱向彈性系數(shù)（楊氏彈性系數(shù)E）。

上面所講的尺寸小、剛性高的汽車構造產(chǎn)品不是由板材制造的，而是用棒材或金屬塊（坯材）做成的，加工方法必然要用鍛造加工。

回彈和過壓現(xiàn)象

鍛造用的模具就是把產(chǎn)品的形狀和尺寸高精度表現(xiàn)出來，經(jīng)過加工后做成模子。鍛造加工就是把模具里所有的數(shù)據(jù)和信息將被加工的材料正確地復制出來的工法。實際上，產(chǎn)品是不可能完全達到理想的模具形狀的。無論是坯材成形的鍛造加工還是板材成形的沖壓加工都是通過被加工材料的彈性變形和塑性變形來進行的。這個過程中雖然人們都能意識到彈性回彈的現(xiàn)象，但是卻又很難控制這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，這也就是說產(chǎn)品的成形并不能完全達到模具的形狀和尺寸。

回彈就是被加工材料在加壓的模具中按照模具的形狀成形，但是在上下模分離的瞬間被加工產(chǎn)品就會向材料原有的形狀方向有或多或少的返回現(xiàn)象。在拉伸加工和折彎加工中也有同樣的現(xiàn)象發(fā)生。比如用端部為90°直角折彎沖頭和內(nèi)側角為90°的折彎下模進行折彎加工時，得到產(chǎn)品的折彎角度往往就不可能達到90°，內(nèi)角會稍微張開一點，可能是91°或92°，這就是回彈現(xiàn)象。如果把沖頭的前端半徑R做得比板厚要小一點，就可能得到折彎角度為90°以下的產(chǎn)品，這種現(xiàn)象叫做過壓現(xiàn)象。

目前，工藝生產(chǎn)有兩種方法防止回彈現(xiàn)象和過壓現(xiàn)象。一是加壓折彎。在用折彎沖頭和折彎形狀的下模進行折彎加工的最后，向材料的板厚方向適當?shù)厥┘訅嚎s力，此力量可以抑制回彈現(xiàn)象的發(fā)生。另一個方法是加熱折彎。將折彎的材料加熱到再結晶溫度以上，將其延伸性增加、硬度降低，也可以起到抑制回彈現(xiàn)象的發(fā)生。

把冷卻液注入到模具內(nèi)，利用模具內(nèi)加工產(chǎn)品的急劇冷卻而使其形狀固定下來的方法已經(jīng)問世，這種方法叫做熱沖壓或驟冷成形。綜上所述，將被加工材料加熱成形的方法有以下的優(yōu)點：

⑴因材料降低了強度也就使成形時的負荷大大減少。實現(xiàn)了用小負荷沖床進行大型產(chǎn)品的成形加工，即實現(xiàn)了沖床的小噸位化，最終降低了加工成本。但問題是模具的壽命卻大幅度降低。

⑵因材料的屈服點下降了，所以材料在很小的負荷下就開始了塑性變形，可以在小負荷下加工大型產(chǎn)品，也就可以實現(xiàn)沖床的小噸位化，設備費用降低，成本減少。

⑶材料的延伸性提高，使得成形性也隨之改善，可以減少汽車曲軸這樣形狀復雜產(chǎn)品的成形加工的工位。這樣模具數(shù)量就可減少，總體成本降低了。

⑷材料的流動性增大了，使材料向狹窄的間隙和小孔徑的流動變得容易。但其反面會產(chǎn)生模具的局部過熱，很容易使模具產(chǎn)生明顯損耗。

⑸基本上沒有回彈現(xiàn)象和過壓現(xiàn)象。在高強度材料的成形加工中困擾人們的回彈問題得到減輕，有時還可以省去修整形狀的工序。

⑹模具鋼、渦輪盤、挖掘巖石用鉆頭等諸類用冷鍛方法不能成形的材料，而用熱鍛就可以使這些材料的成形加工成為可能。因為是熱鍛加工，加工溫度是很高的（1300℃前后），所以用來進行成形加工的模具材料就必須具有耐熱性并具備高溫強度和高溫硬度。

⑺利用成形過后的殘留熱能也可以進行熱處理。有時也用來控制熱鍛成形品的晶粒度，也可以在非調(diào)質(zhì)鋼上得到應用。

雖然高強度鋼的熱鍛成形的優(yōu)點很多，但它也有氧化膜和冷卻時的收縮變形，還有模具會因為冷熱之差引起細小的裂紋和脫碳。這些問題我們將在以后期刊中講解。

熱鍛的加工工序

鍛造加工的基本工序是壓縮加工，要成形就必須對被加工材料施加數(shù)倍的拉伸強度和數(shù)倍的壓縮應力。鋼材的含碳量與材料的拉伸強度、硬度等的關系用圖1表示。

圖1 鋼材含碳量對其他工序的影響

從圖1中可以看到拉伸強度和硬度幾乎是兩條同比率的平行線，經(jīng)過淬火硬度提高了，拉伸強度也隨之增大。降低了成形負荷的最大效果就是能夠延長模具的壽命。正如前面所述鍛造（包括沖壓）加工就是模具與材料在很高的接觸壓力下材料與模具發(fā)生摩擦、并在模具表面上有滑動的過程。特別是沖頭和下模的拐角處發(fā)生的高壓滑動是非常劇烈的，即使是冷鍛加工中也會發(fā)生局部的燒結現(xiàn)象，這就說明這個地方的溫度已經(jīng)達到了足以使金屬燒結的程度。

熱鍛除此之外，加上由于加工負荷帶來的劇烈沖擊力，使得模具壽命比緩慢成形加工方式的模具壽命降低了1/2，甚至2/3之多。鍛造的負荷使模具磨損、加工時的摩擦又使其發(fā)熱，發(fā)熱能使模具達到熱處理時回火處理的溫度?；鼗鸷蟮哪＞哂捕入S加工次數(shù)逐漸下降，因而縮短了模具的使用壽命。

因此可以看出，無論是熱鍛、溫鍛，還是冷鍛都要在降低成形時的負荷上下功夫。即使是一點點降低，其效果也會很明顯。圖1簡單地說明了拉伸強度、硬度、添加元素、延伸性相互之間的關系。

碳含量只是在0.55％以下時對硬度上升有影響，碳含量超過了0.55％對材料的硬度幾乎沒有影響。要想提高硬度可以適當?shù)丶尤隡n、Si、Cr、Mo、W、Co、B等元素，各種元素對硬度影響的程度是不同的。

粗略地計算鍛造加工時所必須負荷的方法是被加工產(chǎn)品在下模上面的投影面積與加工時的拉伸強度的乘積，也就是說拉伸強度很高的高強度鋼在鍛造時的成形負荷是很大的。圖1 還反應出拉伸強度是與成形性、延伸性成反比。

汽車的構造產(chǎn)品使用的材料有含碳量為0.45％以上的高碳素鋼、也有為了提高鋼材的強度添加了Mo、Mn、Cr、Si等多種特殊元素的鋼材，也有以改善硬度、韌性和提高鋼材的淬火性能為目的而添加了許多元素的特殊鋼。這樣的鋼材和含碳量在0.2％以下的低碳鋼相比，拉伸強度提高了2～5倍，鍛造加工必須要對這么大的拉伸強度的材料施加數(shù)倍的壓縮應力才能使其成形，因此材料的成形就受到了模具強度的限制。在對大尺寸的產(chǎn)品或形狀復雜的產(chǎn)品實施壓縮加工時，需要巨大的成形力，這就必須有大噸位的沖床，但能夠達到這樣大的加壓能力的沖床本身就是很難實現(xiàn)的。

另外，成形可能的加壓能力的制約也在于模具自身的強度。大部分的模具是使用SKD11（JIS規(guī)格），這種鋼的壓縮極限強度在2400MPa以下，即使是高強度模具鋼SKH51的壓縮極限強度也只有3100MPa。鍛造加工必須要在模具材料的壓縮強度以下進行，因此被加工產(chǎn)品的大小也就成了被限制的重要內(nèi)容。

金屬材料被加熱后強度就會下降，用小能力的沖壓機械就能進行成形加工。這是自從有了鍛造歷史以來就被使用的方法，但是模具因過熱而劣化的問題也是不可避免的。把鋼材加熱后再施加壓縮應力即熱鍛加工是在材料的溫度被加熱到1000～1100℃時進行的，模具表面因反復地高溫加熱和急速冷卻而產(chǎn)生微細的加熱裂紋，同時模具表面會因發(fā)生碳化使硬度下降。為盡量減少加熱裂紋和碳化的產(chǎn)生，在熱鍛中一般盡量縮短高溫材料在模具里的停留時間。

在常溫與低碳鋼相比汽車產(chǎn)品所用的鋼材具有很高的強度和硬度，鍛造加工時必須向材料施加其拉伸強度4～5倍的壓縮力，否則就不能成形。SKH51是模具用鋼，可以用冷鍛方法加工，當然加工用的模具必須是超硬合金。但對熱鍛來說，被加工材料的強度和硬度都會比SKH51低，可以作為熱鍛的模具用鋼材。

溫度與材料特性

圖2 鋼材溫度與成形負荷的關系

圖2是鋼材溫度和成形負荷的關系。冷鍛加工一般是在200℃以下進行的，熱鍛的加工范圍要超過鋼材的再結晶溫度（720℃），在900℃以上（一般在1000～1200℃范圍的比較多）進行加工。這里所講的溫度是加熱爐中的溫度，實際上在模具內(nèi)鍛造時的溫度會低一些。更進一步說明：鋼材的溫鍛適合范圍是再結晶溫度720℃以下，冷鍛的溫度范圍雖然是在200℃以上，但一般是要避開圖2所示的藍熱脆性溫度區(qū)。當然因材質(zhì)和產(chǎn)品大小的不同有時也會超過800℃，所謂的溫鍛實際上也要超過再結晶溫度的720℃，這樣實際上也就是進入了熱鍛的范疇。

從圖2上可以看出，在400～500℃的區(qū)域內(nèi)成形所需的負荷是上升的，這個區(qū)域叫做藍熱脆性溫度區(qū)。雖然在藍熱脆性溫度區(qū)域內(nèi)材料的強度和硬度有一點點上升，延伸性卻降低了，材料很容易被破壞，這是溫鍛要避開的區(qū)域。鋼材在溫鍛溫度范圍的800～1000℃時進入再結晶區(qū)域，從圖2可以看出，材料的強度已經(jīng)下降到室溫時強度的1/4～1/3，使得沖床的負荷下降了，這樣公稱能力較小的沖床也就可以使用了，這非常有利于節(jié)約制造成本。

因為藍熱脆性的存在，在機械設計上就一定考慮到設備的使用要避開這個脆性上升的溫度區(qū)域，但是也會有不得不在這個溫度區(qū)域使用的問題，這時就要采用在這個溫度范圍內(nèi)脆性不降低的耐熱合金鋼。也就是說在材質(zhì)的選擇上要慎重，不能讓產(chǎn)品因脆性而損壞。相反，在加工生產(chǎn)中也可以利用藍熱脆性，高強度鋼材的切斷就是例子。隨材料強度的上升，切割時的負荷就會增加，如果利用了脆性的特點就可以克服彈性變形進行切斷，例如一些高強度材料的軸承鋼、耐熱鋼及不銹鋼的切斷就是這樣的。

等速萬向節(jié)的溫鍛實例

下面結合一個具體的溫鍛實例詳細地介紹一些溫鍛技術。如前所述，汽車驅(qū)動部分的產(chǎn)品有很多是使用高強度材料的，如圖3所示的等速萬向節(jié)（CVJ）外套就是其中一例。等速萬向節(jié)（CVJ）外套是把汽車發(fā)動機的輸出力（回轉力）以同等的回轉速度傳遞給車軸的產(chǎn)品。

在車軸的最前端安裝有車輪，根據(jù)方向盤的轉動，改變前輪（因車型不同有的為后輪）相對于車軸的角度，同時還要根據(jù)道路的凹凸狀況做上下運動。 裝有輪胎的車軸對于變速器的上下、前后角度會頻繁地發(fā)生微妙地變化。變速軸與車軸的角度發(fā)生變化，輪胎與地面接觸的回轉角度，即回轉速度就要變化，車體會發(fā)生振動，方向盤的操作性不好導致開車人的心情變壞。

圖3 等速萬向節(jié)（CVJ）外套

在變速器與車軸的角度變化時要保持車輪的回轉速度穩(wěn)定，等速萬向節(jié)的作用是很重要的。等速萬向節(jié)要傳遞汽車的回轉力還要耐受道路的顛簸，首先等速萬向節(jié)的構造本身就必須將摩擦發(fā)熱減少到最小，因此就采用了在等速萬向節(jié)和外套之間放入精細的滾珠或軸承的組合方法。

有一種軸承組合的等速萬向節(jié)使用的材質(zhì)是SCM（鉻鉬鋼），用冷鍛加工或溫鍛加工方法成形。對于等速萬向節(jié)外套軸來說，因為放入滾珠部分的外徑是很大的，制造時一般是截取棒材做坯料，先進行鐓粗加工使其變粗。金屬材料在加工過程中產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，硬化又伴隨著拉伸強度的增大，因此棒材在被實施了鐓粗加工后拉伸強度和硬度都會增加。

已經(jīng)被加工硬化的材料還要進入到下一個工序即放入滾珠部分的內(nèi)徑加工，與坯料鐓粗加工相比內(nèi)徑成形加工時對沖床的負荷要高出很多，當然對模具的負荷也是很大的，因此模具的強度和耐久性就是非常重要的問題了。為解決上述問題，等速萬向節(jié)外套的成形加工也采用溫鍛加工的方法。圖3的產(chǎn)品就是用溫鍛方法加工出來的。