溫鍛與冷鍛之基本 （連載十六）

文/ 張清林·江蘇中興西田數控科技有限公司

小松勇·日本小松技術士事務所，江蘇中興西田數控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本 （連載十六）

文/ 張清林·江蘇中興西田數控科技有限公司

小松勇·日本小松技術士事務所，江蘇中興西田數控科技有限公司

《溫鍛與冷鍛之基本》的系列連載歷時兩年已經連續刊登了十五期，利用本期這最后一期的連載，對溫鍛和冷鍛的內容做個歸納和總結。

熱鍛將向著精密鍛造的方向發展

無論是熱鍛、冷鍛還是介于兩者之間的溫鍛，都在努力地擴大著各自的加工對象的范圍，最大程度地發揮和利用其各自的特點，這是順理成章的必然趨勢，但是遇到的問題和受到的阻礙也是眾所周知的。

現在中國的汽車生產量已經位居全球第一，這就意味著生產汽車所用資源如材料、能源等的消耗也是全球第一。一臺普通轎車的重量包括車體、發動機、車窗玻璃、輪胎等在內平均約1500kg，其中約750kg是鋼鐵，僅車體就使用了約400kg的鋼鐵。即使是生產技術很高的生產制造企業，其材料利用率也只有40%左右，假設生產一臺汽車的車體要消耗約1000kg的鋼板，那么其中約600kg就成為了廢料。熱鍛成形品由于要留出很大的切削加工余量，所以材料利用率也比較低。溫鍛加工的產品因為不是像曲軸那樣大的零件，所以切削量較小，但是平均的廢料也有60%左右。在當今汽車生產量世界第一的中國，廢料的產生量也是世界第一，能源的浪費也是世界第一，我們必須充分地意識到這是一種巨大的損失。

為減少資源的消耗，大家都在做著積極的努力。在熱鍛方面，不斷地提高成形品的形狀精度，努力使切削量減少到最小，精密熱鍛成為了當今的主流發展趨勢。熱鍛產品主要是曲軸、驅動系統的部品以及懸架裝置的部品等，把這些部品的材料重量控制到最小，切削量就會相對減少，當然切削的時間也就縮短了，隨之而來的是切削工具的磨損減少、切削工具的壽命得以延長，整個生產工藝鏈都得到了良好的改善。

溫鍛將向著接近冷鍛的精密溫鍛方向發展

今后的汽車產業中溫鍛的發展同樣不容忽視，但是溫鍛精度必須要向著近似于冷鍛的方向靠近。現在日本和韓國的汽車產業中冷鍛加工材料的使用比率在迅速增加。在溫鍛工藝中，在實行精密溫鍛的同時加入冷整形，可使成形品的形狀和精度提高，當然切削量也就隨之減少。冷整形是否可以實行是決定精密溫鍛能否實現的不可缺少的條件。

等速接頭是汽車上的重要部件，也是采用溫鍛工藝制造的典型產品。汽車在高速行駛時，當行駛速度達到120km/h時，等速接頭的回轉速度會達到1000r/min左右，如果等速接頭的回轉平衡不好的話，汽車就會產生劇烈的振動，高速行駛就是不可能的事了。因此等速接頭的軸承槽和軸的精度不容忽視，即使是不需要切削加工的地方也要有較高的體積精度。由此看來，熱鍛加工后的部品如果形狀精度不好的話就要進行整體的切削加工，這樣會造成成本的增加和資源的浪費，因此放棄熱鍛、采用溫鍛是最好的選擇。

要實現精密溫鍛，不但一定要正確地設定工位，還要把坯料制作的精度管理、模具的維護保養、工位間的自動傳送以及溫鍛壓機的維護保養等方方面面都要考慮到，這樣才有可能實現接近冷鍛的精密溫鍛。

冷鍛將成為未來的主流生產工藝

現在的冷鍛技術已經發展到不需要切削加工的程度。冷鍛成形產品的尺寸公差在0.02mm以內是很普遍的，冷鍛成形產品的材料平均利用率可以超過98%。

從節省資源的角度看，冷鍛將成為今后鍛壓生產的主流工藝，但是在一定用途的加工產品范圍內，精密溫鍛工藝仍將繼續發揮其特長并會被靈活使用。

潤滑油的發展趨勢

鍛造加工實際上是“斷熱壓縮”的生產形式，但因為鍛造擠壓時材料內部產生了熱量，故從一個工位傳送到下一個工位時坯料溫度的下降是很少的，利用這一特點潤滑油可以保持良好的涂布性能。最近在潤滑油里添加硫、磷等元素的非磷化氧化皮處理新技術正在逐漸被采用，以往的磷皂化處理方法將被逐漸取代。由于這種新的冷鍛用潤滑油是使用在鍛造過程中的，所以該技術又被叫作內工藝處理技術，使用了這種潤滑油就不需要再進行鍛造前的磷皂化處理了。

現在在EU(歐洲共同體）的國家里磷皂化處理是被明令禁止的，凡是進入到EU的制品必須實行非磷皂化的制造方法。例如冷鍛成形部品中的剎車器上的活塞，一般這個部品是鋼材通過冷鍛成形后再切削加工而制成的，為防止生銹再實行電鍍處理，但是這在EU是被禁止的，取而代之的是一種特殊的氮化處理工藝。在世界上磷皂化處理工藝被禁止的國家已有很多，而且還在增加，因此脫磷皂化的處理方法是今后的發展趨勢。

搬運方式的發展

鍛造加工利用的是“斷熱壓縮升溫”的原理，所以為盡量減少工位間的熱量損失，就必須實行快速的搬運方法。使用機械手進行搬運是不太合適的，因為機械手的搬運時間比起多工位搬運方式來要長很多，前一個工位產生的斷熱壓縮熱量用機械手送到下一個工位時已經散失了很多，而多工位搬運方式則可以達到在較短的時間內準確地進行搬運的效果。用伺服驅動的三維多工位搬運系統是今后的發展方向。

關于溫鍛加工用壓機

前面我們講述了許多冷鍛的特點和優點，但是在現實生產中由于設備、技術等所限，許多情況下仍然不得不使用溫鍛加工。現狀是專門為溫鍛設計、制作的壓機還很少，在新的溫鍛專用壓機導入之前還是要利用冷鍛壓機進行溫鍛生產。

由于壓機的特性、用途不同，故使用不當會給壓機造成極大的損壞，嚴重時可能會造成壓機不能使用的后果。為板材成形而設計的壓機的強度和剛性最多可以承受10mm厚左右板料的剪切落料加工，絕對不能用來進行鍛造加工。而用冷鍛壓機來進行溫鍛生產是可以的，但要注意以下幾個問題。

向滑塊和工作臺的熱傳導

這是一個必須考慮的問題，比如一個鍛造用的坯料直徑為40mm、長為80mm、重量大約為0.72kg，下面分析一下把它加熱到800℃的情況。

成形這樣部品的鍛造模具的重量大約在500kg左右，坯料的熱容量比是500÷0.72=700倍，生產方式為一行程單沖、15個/min，0.72×15＝11kg，也就是說，11kg800℃的材料在極短的時間里是停留在模具內的，每加工一次還可以有一次放熱和冷卻的時間，由于熱容量比是700倍，所以模具的整體是不會達到800℃的。從另一方面看，制作模具的材料的回火溫度是250℃(高溫回火可達到400℃），故模具溫度必須保持在200℃以下。但即使沖頭、凹模達到200℃左右，模板的上、下面也只有40℃左右，而且模具與壓機之間還要加入5～10mm的隔熱板，所以可以完全阻止熱量向壓機的傳導。

在有必要的情況下可以采取進一步抑制熱傳導的措施，如為沖頭和凹模設計冷卻水管，這樣可以減少熱量的傳導。另外，為了工作臺下面設置的頂料銷可以順暢地活動，有效地控制模具溫度也是非常有必要的。

熱輻射的影響和對策

800℃的坯料的熱輻射也會使壓機的機架、滑塊的上表面、工作臺的下表面的溫度升高，隔熱空氣層可以有效地阻止對壓機的熱輻射。空氣本身具有隔熱的性能，如果能向機架吹送冷風，則可以更有效地抑制機架溫度的上升。

當熱輻射和熱傳導得到了良好的抑制時，機架、齒輪以及油溫調節裝置、油箱里的油溫也能得到控制。另外，壓機的潤滑油也可以吸收壓機的溫度，起到冷卻壓機的作用。

模具的冷卻和潤滑

溫鍛用的潤滑油是很有限的，一般的潤滑油里含有二硫化鉬的成分，油和二硫化鉬的混合物會被吹散到周圍環境中，使周圍環境變得很黑很臟。而且油的混合物還會產生油煙或發生燃燒的危險，現在已有很多企業開始使用對周圍環境沒有污染的以鈣質為主的潤滑油。

模具在使用前要預熱到接近200℃，從盡量延長模具壽命的角度考慮，在生產中模具也應保持在200℃左右，冷卻模具的同時兼顧去除模具內的氧化皮和潤滑油中的鈣質等殘渣，較好的方法是每一次鍛造后向沖頭和凹模噴射一次-40～-30℃的冷氣。

坯料過熱和氧化皮的防止

要防止坯料加熱時過熱和氧化皮的產生，使用高頻加熱是首選。坯料從加熱爐出來后通過滑道到達模具附近，這時要向模腔內噴入少量的氮氣以達到抑制氧化皮產生的目的。減少氧化皮的產生對延長模具壽命有著不可忽視的作用，而電爐、燃氣爐都是容易促進氧化皮的生成的，應盡量避免使用。

綜上所述，在對小部品進行鍛造成形時，因為坯料很小，所以即使加熱到800℃坯料所保有的熱量也還是很小的，只要不是高速連續運轉，做好了上面講到的防熱對策，用冷鍛壓機進行溫鍛加工也是可以的。

滑塊的導軌機構

對滑塊的導軌而言，最需要注意的是防止氧化皮等的進入，一般采用滑動密封、設計雙重罩板等方法來解決。設計雙重罩板的目的是在兩層罩板之間不斷地送入略高于大氣壓的流動空氣，使罩板的內壓略高于外部氣壓，這樣外面的塵埃就不容易進入導軌了。還可以把流動空氣的送入與壓機進行連鎖，一旦送風停止，壓機將不能運轉。

另外，對一般壓機來說，導軌和滑塊之間的間隙只要有能使冷卻的潤滑油流動的0.07～0.1mm就足夠了，而大能力的壓機則需要較大的間隙。

壓機上的罩板(對熱量的防止非常重要)

一般的溫鍛工廠都不會非常干凈，在工廠的空氣中會彌漫著油霧、被細化的氧化皮粉塵等，罩板的重要作用是防止這些灰塵進入到電機、配電盤等電器部件中，并防止坯料脫落的氧化皮或被吹散的加工油進入壓機的潤滑油循環系統，同時對熱量的傳播有一定的阻隔效果。

模具的預熱

對溫鍛工藝來說模具的預熱非常重要。沖頭和凹模可以用噴槍將其加熱到200℃左右，如果行程長度較長，就要將滑塊下降，使上下模間隔150～200mm，用有上下火口的噴槍同時對上下模進行加熱。在停止運轉時間較長的情況下(如午休等）還必須重新進行加熱。加熱時必須注意的是溫度的控制非常重要，超過了200℃會造成模具的回火。

模具內部的潤滑(必要時)

每鍛造一次或數次向模內噴射一次冷卻潤滑油，使模具的溫度始終保持在200℃左右，這時潤滑油的涂布性能是最好的。

在使用多工位搬運裝置時，雖然有搬運桿的存在，但也要利用搬運桿向上提升的空隙間接地對模具進行噴射冷卻。

閉模高度

冷鍛模具從強度和剛性方面考慮、溫鍛模具從傳熱對策上考慮都需要較高的模架，所以需要的閉模高度就會較高。

滑塊和工作臺的輔助內板

由于冷鍛成形部品的尺寸一般都比較小，因此在滑塊和工作臺的中心附近加入經過淬火的輔助板是普遍常用的方法。但是如果是溫鍛加工，由于材料的熱量會使這個輔助板逐漸變弱，甚至會發生裂開或凹陷的情況，因此必須注意每天要進行點檢。

下模的頂料桿

冷鍛加工時經常使用到下部的頂料裝置(設置在底座里）。在冷鍛工藝里使用一個工位進行加工的情況較多，這時就只需要將頂料裝置設置在壓機的中央即可，但如果使用了2～3個工位實行多工位搬運的方法進行加工，就必須根據每個工位的具體情況來設置頂料裝置的位置。

無論是冷鍛壓機還是溫鍛壓機，選用一個工位成形的情況還是較多的。當然，有時也不使用頂料裝置而由模具來進行相應的處理，這也是可行的辦法。

上模的脫料裝置

在冷鍛壓機上設置上模脫料裝置的情況也很常見，但是上模的脫料裝置一般是任意位置的，而且以油壓氣缸推動較為普遍。

總結

上面我們以溫鍛為中心講解了關于鍛造加工的要點、壓機的要點、加熱的要點、模具構造的要點等，溫鍛可以利用的溫度范圍是800～1000℃，這是一個很窄的范圍，在生產過程中只要有稍微的怠慢就會出現坯料的溫度被模具吸收而下降的情況。當溫度下降到800℃以下時，材料的硬度和變形抵抗力都會急劇升高，給壓機機械部分造成很大的負擔，超負荷的幾率大幅度提高，如果模具沒有充分的強度就會發生破裂，隨之而來的后果就是造成重大的人身事故。在今后進行鍛造工藝設計時我們必須要對這一點有足夠的重視。

綜上所述，歸納出下列溫鍛加工中的重點注意事項作為本次《溫鍛與冷鍛之基本》系列連載的結束：

⑴坯料的體積精度一定要達到冷鍛的水平。

⑵用高頻加熱爐進行短時間的升溫(有必要時進行二次加熱），從而抑制氧化皮的產生。

⑶雖然可以用冷鍛壓機進行溫鍛加工，但是其前提是必須對冷鍛壓機做好防熱措施后才可以進行。

⑷要注意管控好模具的預熱溫度，急劇的溫度變化會導致模具的破損。

⑸保證每一個行程后都對沖頭和凹模的模腔進行冷卻和潤滑，但要注意不能過冷。

⑹要經常對模腔進行清掃，以防止氧化皮的堆積。

⑺含有二氧化鉬的潤滑油等比較合適。

⑻為防止坯料從加熱爐搬運到模具之間的熱量損失，應采用架設加熱通道等辦法。

⑼在生產過程中發生非正常停機時，存在于加熱爐和模具之間的被加熱過的坯料一定要廢棄。

⑽利用好斷熱壓縮升溫的物理現象。

⑾即使是溫鍛用的模具，其模板的厚度和導柱也要與冷鍛用的模具處于同等水平。

⑿使用三維多工位搬運裝置比較合適。

⒀從節省資源的角度出發考慮問題。

⒁從溫鍛加工中積累經驗可以為逐漸過渡到冷鍛加工起到技術預先儲備的作用。

鑒于以上幾點，我們江蘇中興西田數控科技有限公司已經著手開發了既可以進行溫鍛又可以進行冷鍛的壓力機，滿足了現實中廣大客戶長期以來期望在一臺鍛造壓力機上分別可以進行溫鍛和冷鍛的需求。