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溫—冷和熱—冷聯合成形技術的發展過程

—— 引用來源:《鍛造與沖壓》2020年第11期

冷鍛成形技術在發展中國家特有的門坎

⑴冷鍛生產投資規模巨大。關鍵設備如大中型多工位自動化冷鍛壓力機等,國內裝備業尚不能提供,還需從歐洲和日本等工業先進國家引進。


⑵冷鍛生產的工序流程長,生產周期更長。國外有采購經軟化退火的冷鍛專用鋼種來縮短生產流程,但國內鋼廠還缺少相應鋼材提供。


⑶缺少冷鍛用鋼標準,國內冷鍛工廠通過對鋼材進行改性加工(如退火、剝皮等)使材料達到冷鍛要求。但鍛造工廠對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鋼鐵毛坯進行磷酸鹽皮膜處理。而含磷廢水的排放嚴重影響了環境保護。針對磷酸鹽處理的缺點,各國冷鍛業都在研究和應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冷鍛成形屬于高應力成形范圍。受制于壓力機和模具的載荷能力,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的低碳鋼和低碳合金鋼零件,其后續熱處理是高成本的滲碳熱處理。而當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。冷鍛生產在材料方面有較大的局限性。


⑺由于冷鍛生產流程和生產周期長,適合于大批量生產的場合。對當代制造業推崇的個性化制造和精益生產、快速反應等新概念生產模式越來越不適應。


鑒于以上原因,在20 世紀70 年代,國內外精密鍛造行業先后展開了對鋼鐵溫鍛成形的研究和應用。到20 世紀90 年代,溫鍛技術日漸成熟,人們先后解決了溫鍛成形工藝技術、多工位溫鍛壓力機和自動化技術、溫鍛模具的冷卻和潤滑技術、溫鍛后的熱處理工藝技術等等,溫鍛生產被廣泛應用于中小規格的中碳和中碳合金鋼汽車零件的批量生產。


在學術界對溫鍛的溫度劃分尚有爭議的前提下,生產企業相對簡單地認定:低于熱鍛、高于冷鍛的溫度范圍為溫鍛的溫度范圍。


早先,人們認定600~750℃為鋼鐵溫鍛的溫度范圍,當模具的冷卻與潤滑得到初步解決后,這個溫度很快就提升到850℃左右。


通過對溫鍛坯料進行預涂石墨處理,并對溫鍛模具實施大流量的噴霧冷卻—潤滑,溫鍛模具的冷卻與潤滑得到基本解決,溫鍛有可能在更高的溫度下進行。實踐中發現,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效率。因此,當前的鋼鐵溫鍛生產,鍛造溫度已經提高到900℃及以上;針對一些大規格鍛件,溫鍛的鍛造溫度甚至提升到1000℃,與熱鍛的溫度范圍相銜接?,F在鋼鐵溫鍛溫度范圍如圖11 所示。


圖11 鋼鐵溫鍛溫度范圍


溫鍛成形的優點

⑴溫鍛成形應力較冷鍛小,因此在同噸位壓力機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,大多數溫鍛在加熱前還進行石墨涂層的預涂,因此溫鍛毛坯基本上沒有氧化和脫碳缺陷,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,不像冷鍛成形對鋼材有嚴格的冷塑性要求,因此,國內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,在沒有多工位壓力機時可采用在多臺單工位壓力機上連續成形。因此,溫鍛生產工序流程緊湊,生產周期短。


⑹在采用較高溫度下的溫鍛成形工藝時,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溫鍛過程中的工件和模具的冷卻—潤滑采用與熱鍛相同的石墨潤滑劑,沒有嚴重的環保問題。當前推廣應用的溫鍛白色潤滑劑進一步改善了現場生產環境,與冷鍛生產相比,溫鍛生產不會出現處理磷酸鹽的環保問題。


溫鍛生產有可能從下料到鍛后熱處理按生產節拍組成流程化生產線,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能力。


綜上,溫鍛成形在汽車零部件生產中表現出比冷鍛更大的優勢,因此,當代許多汽車零部件制造工程師,在開發新品和建設生產線時,已將毛坯的溫鍛成形作為首要考慮的方案(圖12)。


圖12 汽車輪轂軸承的溫鍛成形


溫—冷聯合成形

由于鍛造溫度引起的變形,及模具的熱影響和熱態下模具的迅速磨損,溫鍛件的輪廓和尺寸精度,一般要比冷鍛件低半級至一級,這使溫鍛毛坯在很多場合下達不到無切削加工目標。在這種情況下,溫鍛—冷鍛聯合成形工藝應運而生,逐漸成為當代精密鍛造的主流。


溫鍛—冷鍛聯合成形,簡稱“溫—冷聯合成形”,具體過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實現,鍛件最終的輪廓和尺寸精度,則通過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 ~IT12,經冷鍛精整后,可將精度提高到IT7 ~IT11 水平。在某些特殊場合,如錐齒輪溫鍛后冷精整,齒廓精度可達到ISO/DIN7 級精度左右。等速萬向節殼體的溫—冷聯合成形如圖13所示。



圖13 等速萬向節殼體的溫—冷聯合成形


在溫—冷聯合成形工序中,由于溫鍛已完成了零件成形的體積轉移,冷鍛只是用來精化毛坯,冷鍛的變形量可設計得比較小,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,在使用高分子潤滑液或其他潤滑液的前提下,坯料表面的磷酸鹽皮膜處理也可省去。這對于將來在精密鍛造行業徹底取消磷酸鹽處理具有特別的意義。溫—冷聯合成形與冷鍛成形、熱鍛—機加工成形的比較見圖14,溫—冷聯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或優于冷鍛成形。



圖14 三種精密鍛造工藝特點比較


在溫鍛控制冷卻技術得到應用后,溫—冷聯合成形最突出的優勢是流程化生產的概念成為可能。以一個汽車等速萬向節殼體精密鍛造工廠為例,采用先進的溫—冷聯合成形,生產工藝:棒材下料→拋丸→石墨涂層處理→感應加熱→多工位溫鍛成形→控制冷卻→拋丸→潤滑處理→冷鍛精整→探傷→目視檢驗→包裝。


以上工藝,如采用傳統的生產模式,將按工藝建成若干車間,萬向節殼體的生產工序按不同工藝被劃分在不同的車間,各車間的物料流轉用叉車搬運。為保證生產連續,車間建有中間庫存。這種管理模式,雖然有利于各車間的專業技術管理,但各車間、工序間協調困難,中間庫存滯留對流動資金造成巨大壓力;在制品在各車間往返搬運,浪費了大量的時間和金錢;龐大的產品周轉量,使鍛件的可追溯管理變得混亂不堪;一旦發生質量問題,滯留現場的所有庫存都將被隔離檢查,給生產管理帶來的影響是災難性的。

在流程化生產模式下,等速萬向節殼體被設計在一個車間內完成全部的過程。每個工序的生產能力,都是參照多工位溫鍛壓力機生產節拍來設計;各工序盡可能選用連續工作模式的設備;工序間物流盡量用輸送帶來完成;在理想狀態下,工序間在制品將壓縮到最小值,達到所謂“一個流”的目標境界(圖15)。


圖15 按流程化概念設計的溫-冷聯合成形生產線


按流程設計的溫—冷聯合成形生產線,在理想狀態下,等速萬向節殼體精鍛件從下料到出廠的生產周期被控制在8 小時之內;在實現快速換模后,可在8小時內變更多個品種的鍛件生產;最低的在制品存量,使生產成本控制到最低。以上的溫—冷聯合成形生產模式,既能充分滿足汽車零部件大批大量生產的要求,又能適應現代工業的個性化制造和快速反應的潮流。因此,溫—冷聯合成形已成為當代精密鍛造的主流。


除等速萬向節殼體外,其他汽車關鍵零部件,也越來越多采用溫—冷聯合成形工藝生產。如高精度的乘用車差速器行星和半軸齒輪(圖16),過去多采用閉塞冷鍛成形工藝進行生產,精度雖能滿足需要,但毛坯需要長時間的軟化退火,并在冷鍛前必須進行磷酸鹽皮膜處理,生產成本較高;對于大規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。而采用溫—冷聯合成形時,可選擇低一檔噸位的鍛造壓力機。并且采用高分子材料作為冷鍛前的潤滑皮膜,徹底告別了非環保的磷酸鹽處理過程。


圖16 行星齒輪的溫鍛—冷精整成形工藝


熱—冷聯合精鍛成形工藝

到了20 世紀末,隨著熱鍛生產技術的進步,熱鍛件的質量已達到較高的水平,在鍛件表面脫碳、氧化、裂紋、凹坑、磕碰傷痕和切邊毛刺等問題得到切實的遏制,鍛件的輪廓和尺寸精度得到明顯提高后,熱鍛—冷鍛聯合成形已成為可能。


汽車變速箱結合齒坯是較早應用熱—冷聯合成形技術進入大批量生產的精密鍛件,如圖17 所示。該毛坯的體積成形主要以精密熱鍛工藝成形,經等溫正火后完成結合齒的冷鍛精整。精密鍛造的結合齒較傳統機加工成形的結合齒輪,有齒形結合柔和、抗沖擊、耐疲勞、生產成本低和質量穩定的優點,在汽車變速箱齒輪生產中得到廣泛的應用。


圖17 熱—冷聯合成形的汽車變速箱結合齒坯


齒坯的熱—冷聯合成形技術在我國也早有批量生產的成功案例。目前,在江蘇、重慶和上海等地,有若干精鍛專業工廠正在按照國外先進標準,大批量提供結合齒坯精鍛產品。


當代熱—冷聯合成形的技術巔峰要數歐洲開發的汽車差速器齒輪高速熱鐓鍛成形—冷鍛精整聯合成形技術。圖18 所示為歐洲某公司在瑞士哈特貝爾HM40 高速熱鐓鍛機上進行錐齒輪的高速熱鐓鍛成形的情況。HM40 的生產節拍為每分鐘(90 ~150)件,生產效率極高。由于高速鐓鍛成形時齒形模具與工件接觸時間極短,很好地解決了高效率生產與鍛造模具壽命間的矛盾。


圖18 錐齒輪的高速熱鐓鍛成形


在高速熱鐓鍛機上進行齒輪的精密成形,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下成形毛坯傳遞和輸送過程中的磕碰。經鍛造專家們的不懈努力,解決了這些難題,使錐齒輪的熱—冷聯合成形順利投產。


圖19 是江蘇森威精鍛有限公司自主開發的等速萬向節星形套熱—冷聯合成形工藝。該產品的熱鍛成形在瑞士哈特貝爾公司的技術支持下開發成功,并采用該公司的AMP30S 高速熱鐓鍛機進入批量生產,冷精整采用了閉塞冷鍛成形。該工藝與傳統的閉塞冷鍛相比,具有生產效率高、單位能耗低和生產周期短的特點。通常,星形套閉塞冷鍛工藝,從原材料下料、軟化退火、表面潤滑處理到閉塞冷鍛成形,至少要72 小時以上,而且需要進行磷酸鹽皮膜潤滑處理。


圖19 等速萬向節星形套熱—冷聯合成形工藝


高速熱鐓鍛—冷鍛聯合成形的優勢非常明顯,即極高的生產效率和較低的生產成本。但高速熱鐓鍛機價格昂貴,而且只有國外極少的幾個公司能提供這一類裝備。因此,只有年產量達到1000 萬件以上的鍛件才會考慮采用這個方案。


結束語

隨著國內汽車產業的快速發展,汽車零部件制造業不斷整合和壯大,像等速萬向節、汽車齒輪和其他關鍵零部件等,已逐漸形成“專、精、特”優勢的行業“小巨人”格局。這一類關鍵零部件最適合用精密鍛造進行大批量生產。雖然冷鍛在當前仍是精密鍛造的主要工藝,但溫—冷聯合成形和熱—冷聯合成形的競爭力更強。特別是在我國政府大力推動綠色生產和環境保護,并在制造業倡導先進制造理念的形勢下,我國汽車制造業和機械制造業正在積極迎接個性化定制生產時代的到來。鍛造行業正努力建設數字化車間,大力推動自動化生產,努力爭取早日實現數字化和智能化發展目標。在當前中國國情下,溫—冷聯合成形和熱—冷聯合成形將成為我國汽車零部件精密鍛造發展的主流。


—— 來源:《鍛造與沖壓》2020年第11期






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