文/章立預(yù)，鄭英俊，胡紅旗·太倉久信精密模具股份有限公司徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

我國鍛造行業(yè)經(jīng)過幾十年快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級迫在眉睫。精密鍛造也稱為近凈成形鍛造，是一種高質(zhì)量、高效率、低能耗的工藝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)中。進入21世紀以來，中國汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，國內(nèi)許多鍛造廠家開始進口國外先進設(shè)備和工藝，大大促進了我國精密鍛造行業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了一些典型的精密鍛造應(yīng)用和關(guān)鍵工藝技術(shù)。

中國精密鍛造工藝應(yīng)用

汽車變速箱輸出和輸入軸

⑴工藝和模具。

生產(chǎn)多工位冷鍛軸應(yīng)采取合適的工藝，嚴格控制，避免一些質(zhì)量缺陷。例如：高徑比不當造成的折疊彎曲、原材料質(zhì)量差或多步擠壓造成的中心爆裂。以一種軸為例，如圖3所示，鐓粗高徑比約為3.7，不能一次成形，理論上需要采取三次鐓粗。但是如果第一次鐓粗的同軸度不好，會存在彎曲風險，如圖4所示。大變形也有可能導致工件在滲碳淬火后出現(xiàn)微裂紋，可抗偏載的壓力機有助于解決此類缺陷。除此之外，冷鍛后進行等溫正火也是必要的。

圖1 各種變速箱軸

圖2 冷鍛成形工藝

冷鍛軸的另一個問題是中心爆裂，如圖5所示。解決這一問題的有效途徑是第一工位采用閉式正擠壓，三向壓應(yīng)力狀態(tài)下縮徑變形可以達到70%以上。

圖3 典型鍛造工藝

圖4 鍛造流線不對稱

圖5 心部爆裂

圖6 PVD涂層模具

圖7 專用模座

圖8 進口舒勒MML1250壓力機

目前，硬質(zhì)合金已經(jīng)廣泛用于模具材料。做過PVD涂層處理后，鐓粗工位的模具壽命約20000件以上，其他工位模具壽命范圍是50000件到200000件之間。PVD涂層模具、專用模座如圖6、圖7所示。

⑵設(shè)備。

液壓機是一種比較經(jīng)濟的生產(chǎn)軸的設(shè)備。各工位之間用機械手送料，優(yōu)點是設(shè)備投資少。國產(chǎn)多工位液壓機缺點是生產(chǎn)效率較低，每分鐘沖壓工件約6件。

目前，國內(nèi)應(yīng)用最高效的是多工位機械壓力機。圖8所示是進口的舒勒MML1250壓力機，每分鐘沖壓工件可以達到20件以上。當前國內(nèi)部分廠家已經(jīng)完全掌握了工藝設(shè)計、模具設(shè)計和制造。高速自動化生產(chǎn)對壓力機和傳送設(shè)備要求高，尤其是機械壓力機高速持續(xù)運行時，對氣動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等附屬設(shè)備同樣要求很高。目前，我們還是要從德國進口這類壓力機。

⑶展望。

1)潤滑方式。

【注意事項】1.選用飲料瓶時要求大且無色透明、筒壁比較厚實、硬度比較大，這樣氣體對瓶口塞子做功時，塞子沖出才能快，響聲大，瓶內(nèi)白霧明顯，學生易觀察。

磷皂化潤滑是冷擠壓的關(guān)鍵前處理工序，其傳統(tǒng)工藝如圖9所示。

磷皂化潤滑的缺點是引起環(huán)境污染的廢酸液不容易處理。國內(nèi)某些廠家已經(jīng)開始采用新的潤滑方式生產(chǎn)冷鍛軸，可以大大減少廢酸液，工藝如圖10所示。對于塑性小變形是行之有效的，對于塑性大變形，更有效和環(huán)保的潤滑工藝還在研究中。

2)空心軸和雙頭軸。

節(jié)能減排要求越來越高，汽車輕量化組件的需求也不斷增加，空心軸（圖11）是國內(nèi)鍛造廠家未來的研發(fā)方向。如何做出一些特殊的軸，例如雙頭軸等，值得開發(fā)。

圖9 傳統(tǒng)磷皂化工藝

圖10 新的潤滑工藝

圖11 空心軸

3)臥式鐓鍛機。

在日本，臥式鐓鍛機已廣泛用于軸的生產(chǎn)，效率高、剛度好，并可鍛造出軸上的花鍵。國內(nèi)只有少數(shù)廠家進口了此類設(shè)備，市場需求很大。

變速箱結(jié)合齒

⑴ 工藝和模具。

變速箱結(jié)合齒結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，如圖12所示，一種稱為整體式，另一種為焊接組合式。

圖12 變速箱結(jié)合齒

1)溫鍛整體式結(jié)合齒。

常規(guī)工藝是整體熱鍛（約1150℃）成形后用磷皂化潤滑，再冷精整齒形，此工藝缺點之一是鍛件表面脫碳嚴重，另一個缺點是模具壽命低。為了解決這個問題，J&J和SAGW改熱鍛為溫鍛（850～950℃）成形，模具壽命從不足5000件提高到10000件以上，生產(chǎn)節(jié)拍提高到20件/分鐘以上。

第一工位是整形，第五工位是沖孔，關(guān)鍵工藝是第二至第四工位，如圖13所示。相關(guān)工藝開發(fā)和模具設(shè)計是一個系統(tǒng)性工程，具體如下。

圖13 溫鍛2～4工位

①有限元分析在設(shè)計中的應(yīng)用；有限元法是一種非常有效的方法，可以用來預(yù)測鍛件缺陷，并分析鍛造工藝參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變、負載等。多工位自動化運行中，模具結(jié)構(gòu)多采用分體形式。為了預(yù)防某些模具的早期疲勞失效，非常有必要分析每件模具的載荷分布情況；對某些特定的模具，必須作為彈性體分析其等效應(yīng)力分布狀況，這對模具材料的選擇是非常重要的。

②潤滑研究；在壓機連續(xù)運行過程中，為了延長模具壽命，必須保證模具冷卻和潤滑狀況良好。如圖14所示。在設(shè)計模具時，模具與工件接觸位置的冷卻和潤滑，設(shè)計人員應(yīng)考慮充分。

圖14 模具冷卻和潤滑

③為了實現(xiàn)高效率自動化生產(chǎn)，模具壽命必須得到保證。溫鍛成形的關(guān)鍵模具必須采取氮化處理，根據(jù)我們的經(jīng)驗，沒有白亮層和脈狀組織的氮化模具可到達到很高的壽命，如圖15所示。

圖15 氮化模具表面金相組織

2)整體式結(jié)合齒冷精整。

五工位溫鍛成形后的工藝如下：控制冷卻——拋丸——潤滑（圖10）——冷精整齒形——倒錐齒形，溫鍛件和冷精整件分別如圖16、17所示。

國內(nèi)部分模具廠家已經(jīng)掌握了冷精整和倒錐模具的設(shè)計制造工藝。與日本進口模具相比，基于相同壓力機生產(chǎn)的鍛件測量單齒徑向跳動，日本進口模具是0.005mm，而國內(nèi)制造的模具可以達到0.015mm。

3)結(jié)合齒環(huán)。

和整體式結(jié)合齒相比，齒環(huán)比較簡單，如圖18所示。冷鍛成形工藝在國內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，采用環(huán)坯，室溫下預(yù)成形出直齒，然后精整出倒錐齒。環(huán)坯的潤滑處理方式，已經(jīng)使用高分子潤滑劑取代了磷皂化潤滑，潤滑效果非常好，預(yù)成形和倒錐模具壽命可以達到60000～80000件。

圖16 溫鍛件

圖17 冷精整件

圖18 兩工位成形結(jié)合齒環(huán)

⑵鍛造設(shè)備。

國內(nèi)有些企業(yè)還仍然在用三工位熱模鍛壓力機生產(chǎn)整體式結(jié)合齒。目前，中國最先進的生產(chǎn)此類鍛件的溫鍛設(shè)備是從德國進口的，如MME-2000和PK-3150。

⑶展望。

國內(nèi)部分廠家已經(jīng)掌握了溫鍛工藝、模具設(shè)計與制造。然而，高精度齒模和倒錐模具主要是從日本進口的，價格昂貴。亟需開發(fā)新的倒錐工藝和模具以滿足生產(chǎn)需求。