文/郝慶樂，韓靜濤，韓彥紅·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系

熱旋鍛彈簧鋼制品表面質(zhì)量研究

文/郝慶樂，韓靜濤，韓彥紅·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系

熱軋彈簧鋼棒材表面常出現(xiàn)折疊等缺陷，嚴(yán)重影響了彈簧件產(chǎn)品的疲勞壽命，因此在彈簧件產(chǎn)品成形前，工廠會(huì)對(duì)彈簧鋼直條原料進(jìn)行扒皮處理，該工序使生產(chǎn)線延長，浪費(fèi)了材料，增加了生產(chǎn)成本。本文提出了一種利用熱旋轉(zhuǎn)鍛造來改善彈簧鋼棒材表面質(zhì)量的方法，對(duì)熱旋鍛后彈簧鋼表面質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并與原料進(jìn)行了對(duì)比。

旋轉(zhuǎn)鍛造是利用沿坯料圓周對(duì)稱分布的一對(duì)或多個(gè)錘頭繞中心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以高的頻率將制件鍛壓成形。利用旋轉(zhuǎn)鍛造工藝對(duì)彈簧鋼棒材進(jìn)行精整，可以利用旋鍛工藝的優(yōu)點(diǎn)，提高工件的表面精度和光滑度，細(xì)化截面晶粒，并能實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和自動(dòng)化生產(chǎn)。

表1 試樣編號(hào)

旋鍛試樣編號(hào)及試驗(yàn)方法

將55SiCr彈簧鋼直條用砂輪機(jī)鋸切出60根長度為250mm試樣。對(duì)每根試樣進(jìn)行分組編號(hào)，一共分成五大組，標(biāo)號(hào)a、b、c、d、e，分別對(duì)應(yīng)五個(gè)加熱溫度900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃；每一個(gè)溫度下試樣又分成四組，編號(hào)分別為1、2、3、4，分別對(duì)應(yīng)直徑為14.5mm、15mm、15.5mm、16mm的棒材；每種尺寸的棒材各有三根，標(biāo)號(hào)A、B、C。材料分組編號(hào)如表1所示。另外，用線切割切取原始軋制棒材長度15mm的小樣4個(gè)，編號(hào)01、02、03、04，編號(hào)仍與棒材的直徑對(duì)應(yīng)。

將棒材按標(biāo)號(hào)在箱式爐中按指定溫度進(jìn)行加熱，保溫40min使材料充分奧氏體化，然后將材料快速取出，在精密旋鍛機(jī)上進(jìn)行熱旋鍛加工，旋鍛軸向送進(jìn)速度50mm/min，鍛?？浊恢睆?4mm，旋鍛機(jī)錘頭轉(zhuǎn)速960r/min。為方便做金相觀察和力學(xué)性能等方面的對(duì)比試驗(yàn)，只將棒材長度的一半進(jìn)行旋鍛加工。加工完成后將試樣空冷到室溫。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

旋鍛制品的宏觀表面質(zhì)量

圖1和圖2為旋鍛前后的試樣照片，從圖中可以看到旋鍛后制品的表面質(zhì)量明顯高于原始軋材的表面質(zhì)量。

圖1 原始軋材經(jīng)打磨后的表面

圖2 旋鍛后制品的表面

原始軋材的表面都有多條細(xì)溝痕，這是一種常見的軋制缺陷——折疊。坯料缺陷如縮孔、夾雜等以及軋制設(shè)備和工藝參數(shù)調(diào)整不當(dāng)出現(xiàn)的如孔型過充滿、欠充滿等都有可能導(dǎo)致折疊缺陷的產(chǎn)生。折疊缺陷會(huì)對(duì)彈簧件的穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，因?yàn)樵跍虾蹍^(qū)很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使彈簧件過早失效。

熱旋鍛的目的之一就是修整彈簧鋼原材料表面存在的各種缺陷，如疤痕、微裂紋、折疊等。在旋鍛過程中，棒材不斷承受來自模具內(nèi)壁的壓應(yīng)力作用，而且壓下頻率較大，棒材表層每次的變形量很小，溝痕周圍的金屬在模具鍛打力的作用下，開始時(shí)由溝痕兩側(cè)向內(nèi)部填充，填充滿之后在模具錘頭的繼續(xù)鍛打作用下被壓實(shí)，又因?yàn)殄懘蚴窃诟邷叵逻M(jìn)行的，填充壓實(shí)后整個(gè)金屬基體完全結(jié)合，所以原軋制棒材表面的折疊在熱旋鍛的過程中被消除。

旋鍛制品的表面尺寸精度和圓度

對(duì)熱旋鍛試樣取五個(gè)不同的截面，用千分尺測(cè)量各截面直徑值并記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)截面測(cè)量三次。另外，再測(cè)量試樣01、02、03、04不同截面的直徑值并記錄數(shù)據(jù)。計(jì)算出每個(gè)旋鍛溫度下不同壓下量的試樣平均圓度誤差和平均尺寸偏差，分別如表2、表3所示，其中，圓度誤差δ＝(dmaxdmin）÷2，dmax為每個(gè)測(cè)量截面的最大直徑，dmin為每個(gè)測(cè)量截面的最小直徑。

經(jīng)過對(duì)原始軋材表面尺寸的測(cè)量計(jì)算，得出原始軋材的表面尺寸偏差為-0.87455 mm，圓度誤差為0.1mm。旋鍛后制品的表面尺寸偏差都在0.3mm以下，圓度誤差在0.04mm以下?？梢?，經(jīng)過旋鍛后，棒材的尺寸精度和圓度明顯高于原始軋材。

通過表2和表3中的數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓下量的增大，旋鍛棒材的尺寸偏差也在增大。這主要有以下兩點(diǎn)原因：一是在同樣的變形力和材料變形抗力條件下，變形量越大，材料在模具型腔的流動(dòng)能力越小，變形均勻度下降；二是由于壓下量越大，變形后金屬材料的回彈量也越大。

表2 旋鍛后制品的平均尺寸偏差表（單位：mm）

表3 旋鍛后制品的圓度誤差表（單位：mm）

表4 旋鍛制品表面粗糙度Ra平均值表(單位：μm)

旋鍛制品表面粗糙度

利用TR200手持粗糙度儀對(duì)樣品沿著軸線方向進(jìn)行了表面粗糙度的測(cè)量，經(jīng)過熱旋鍛加工后彈簧鋼棒材表面粗糙度的平均值如表4所示。

原軋材表面粗糙度的平均值是1.998μm，顯然，旋鍛制品的表面粗糙度要比原軋制直條的表面粗糙度低50%以上。這是由于旋鍛過程中采用多個(gè)錘頭多向鍛打，它使坯料被鍛部位處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬塑性，塑性的提高有利于材料流動(dòng)，再加上模具型腔較高的表面光潔度，因此旋鍛制品的表面粗糙度很小。并且旋鍛工藝是高頻率脈沖鍛打，坯料每次變形量較小，坯料的變形速度也較低，這一特點(diǎn)使坯料變形時(shí)金屬流動(dòng)的路徑變短，摩擦阻力小，表面受到的摩擦減小，制品表面也就更加光滑。

通過對(duì)比表4數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，表面粗糙度減??；隨著壓下量的增加，表面粗糙度值呈增加趨勢(shì)。這是因?yàn)闇囟仍礁?，材料的塑性越好，材料流?dòng)能力越好，得到的表面也越光潔。壓下量的增大，使得材料一次成形體積分配量增大，成形表面難于精整，所以表面粗糙度增大。

結(jié)論

本文通過試驗(yàn)的方法對(duì)旋鍛制品的表面質(zhì)量進(jìn)行了研究。試驗(yàn)證明，原軋制棒材經(jīng)過熱旋鍛加工后，表面質(zhì)量能夠得到明顯提高，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

⑴旋鍛加工能夠?qū)⒃及舨谋砻娴恼郫B消除，旋鍛后制品表面無任何疤痕、折疊、裂紋等缺陷。

⑵原始棒材表面尺寸偏差為-0.87455 mm，圓度誤差為0.1mm，熱旋鍛加工可使制品的尺寸偏差降至0.3mm以下，不圓度降至0.04mm以下。并且隨著壓下量的增大，旋鍛棒材的尺寸偏差也在增大。

⑶原始棒材的表面粗糙度平均值是1.998μm，而經(jīng)過旋鍛后，棒材表面的粗糙度值都在1μm以下。并且隨著溫度的升高，表面粗糙度減?。浑S著壓下量的增加，表面粗糙度值呈增加趨勢(shì)。