溫鍛與冷鍛之基本（連載三）

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(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本（連載三）

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(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

熱鍛的特征以及熱鍛與溫鍛的關(guān)系

在進行溫鍛的講解之前，為了明確熱鍛與溫鍛的不同之處，首先歸納一下熱鍛的特征。這樣在應(yīng)用溫鍛技術(shù)的時候，才能明確地區(qū)分開已經(jīng)掌握的技術(shù)即“保留”技術(shù)和至今還沒有的技術(shù)即“欠缺”技術(shù)，這對幫助我們確定如何攻破“欠缺”技術(shù)或?qū)肫渌夹g(shù)是非常有利的。

模鍛的特征

熱鍛大致分為模鍛和自由鍛，在給模鍛和自由鍛定義的時候，因為先從模鍛進行說明比較容易，就先定義模鍛了。因為模鍛的名字上有個“模”字，顧名思義就是說產(chǎn)品是用“正確地反映了形狀和尺寸的模具”、通過鍛造的工法來鍛打的方式。模鍛不只是在最終產(chǎn)品成形時使用，也用于鍛造前的坯料成形。

比如汽車發(fā)動機的活塞和曲軸相連的連桿，與曲軸連接的一端較大，而與活塞連接的一端較小，兩端所需要材料的體積相差很多。如果用直徑一樣的圓棒作為坯料的話，對小端來說材料會太多，而對大端來說就會發(fā)生材料不足的問題。因此，為了鍛造出這種連桿就必須有一端體積大、一端體積小的坯料。這個坯料就像一個一端大一端小的形狀奇怪的鐵啞鈴。

為制造出這樣的坯材，首先要切斷長圓棒、再通過型鍛把兩端成形時需要的體積堆積起來。體積堆積用的成形機有鐓鍛機、輥鍛機（或斜置輥鍛機）、模鍛機等，通過熱鍛的方法把連桿成形用的坯材加工成奇特的啞鈴形狀。

連桿的制造除了上面的方法以外，還有鑄鐵、鋁鍛造、把圓棒直接放入模具里的模鍛等方法。根據(jù)連桿的用途、形狀以及大小的不同來確定其制造方法。在注重材料的輕量化時還會使用鈦合金，但都是通過熱鍛的方法成形。

另一方面，在一根汽車用的曲軸上有支撐曲軸的軸承的安裝部位、有與連桿連接的曲柄銷部位、有曲柄銷與曲軸結(jié)合的曲臂部分、還有為了回轉(zhuǎn)平衡而在曲臂上增加的平衡塊等，各個部位所必須的體積都有很大的差別。要制造一個體積差別如此之大的曲軸，坯料的模鍛工序（預(yù)成形）是必不可少的，在這個工序里要把各部位必要的體積堆積起來。

圖1 用熱模鍛做成的曲軸坯材 （用于4氣缸發(fā)動機）

圖1顯示了用熱、型鍛方法制造出來的曲軸坯料的實例。圖1中的曲軸有作為曲軸支撐部位的較細(xì)的部分、也有偏心的重量集中的平衡配重部分等，用一根直的圓棒直接制造出圖1的形狀是不可能的。要通過預(yù)成形使材料的體積相對集中。

圖1是一個4氣缸發(fā)動機的曲軸，所以曲柄銷的部位有4處，6氣缸發(fā)動機有6處，12氣缸發(fā)動機就要有12處。這樣曲軸就要變得很長。無論是鍛造還是機械加工都會變得很難，因而出現(xiàn)了采用對面式活塞的發(fā)動機。這種發(fā)動機的曲軸是在一個曲柄銷部位安裝兩個連桿（兩個氣缸）的方式。大多數(shù)的發(fā)動機還是直列式的，為了使發(fā)動機的全長變得短一點，也有將氣缸做成V形設(shè)置的發(fā)動機（V6、V7、V12等）。這樣曲柄銷部位的相互位置就變得更加復(fù)雜，更加大了對曲軸的鍛造要求。其他的還有水平對置的發(fā)動機。圖2 是截取的發(fā)動機的一部分?jǐn)嗝妗?/p>

在發(fā)動機里像曲軸、活塞等很多部件都是鍛造加工的。如開閉防凍劑閥門的搖臂、齒輪、皮帶輪等一部分就是利用冷鍛、溫鍛和熱鍛的方法制造的。

圖2 組裝在發(fā)動機里的由鍛造制做的部件

以上這些鍛造都是使用了模具的“模鍛”。

模鍛使用的機械式即熱鍛沖床的公稱加壓能力多數(shù)在16000～40000kN（1600～4000t）間，但也有超過80000～100000kN（8000～10000t）的大型沖床。

對熱鍛沖床來說，因為是曲軸式的機械式?jīng)_床，在驅(qū)動機構(gòu)的制造上受到一些限制，所以其公稱加壓能力的上限是受到制約的。而油壓式或水壓式的鍛造沖床的公稱加壓能力可以超過200000kN（20000t）。一般來說，用油壓式或液壓式?jīng)_床鍛造的部件可以達(dá)到200～300t。

自由鍛造

不使用模具對材料進行打擊的過程中，被加工材料在形狀簡單的鐵砧或加壓工具間自在地反復(fù)地翻轉(zhuǎn)或移動，這樣的鍛造方法被叫做“自由鍛造”。

鐵砧或加壓工具的加壓面有平面的、圓弧形的、還有像V形的有角度的形狀等，但歸根結(jié)底都是些簡單的形狀。其與模鍛不同，在模具的表面上沒有部件特定的形狀，適合于多品種、少批量的鍛造加工生產(chǎn)。這里講的所謂“自由”的意思是被打擊的加工材料表面沒有特定的形狀，只是單純的平面、圓弧面或V（直角）形面等，只需要使用平面或有大致形狀的接觸面，將材料鍛壓成需要的大概形狀。這樣超大型的鍛造沖床被用來鍛造體積和重量很大的軸狀部品、圓盤形部品、圓圈狀部品以及幾萬千瓦的船舶用柴油發(fā)動機的曲軸等。另外，由于這種超大型的沖床加工的材料重量都在數(shù)百噸，所以加熱爐、吊車和機械手都需要是超大型的。

通過沖床的加壓和機械手微妙動作的聯(lián)動操作，使用單純形狀的工具可以生產(chǎn)出多階梯的軸和多階梯的環(huán)狀部品，有時還能夠打造出曲軸的坯材。但是這對沖床的操作人員和機械手的操作人員的技能要求是很高的。如今通過沖床和機械手電腦控制可以對這種階梯軸的鍛造實行多方向加壓的特殊的鍛造方法。對于軸狀的部品，如果只從上下兩個方向或只從左右兩個方向進行鍛造，就有可能因為滿乃斯曼效應(yīng)（一般是指軸的內(nèi)部缺陷），在軸的中心出現(xiàn)孔洞而導(dǎo)致失敗。這樣生產(chǎn)出來的軸就不能使用了，因此必須考慮多方向加壓的特殊鍛造機。

為了防止?jié)M乃斯曼效應(yīng)的發(fā)生，讓軸狀的部品在翻轉(zhuǎn)的過程中得到鍛造，這時沖床與翻轉(zhuǎn)（搬運）的機械手的運轉(zhuǎn)配合就顯得非常重要，階梯軸鍛造機電腦控制系統(tǒng)就應(yīng)運而生了。現(xiàn)在作為自由鍛造機也可以用來進行模鍛的機械有蒸汽錘、空氣錘等，基本原理是把重達(dá)1～5t的重錘高高舉起，再以適當(dāng)?shù)乃俣嚷湎?，用其下落運動的能量進行工作的鍛造壓力機。

一個熟練的操作人員可以通過細(xì)微地調(diào)整重錘被舉起的高度和落下時的加速度，以控制鍛造時的負(fù)荷或者說能量。在鍛造生產(chǎn)中，如果重錘下落不能加工出希望的形狀，還可以進行第二次、第三次的重復(fù)造形，對重錘的舉起高度、蒸汽或空氣的壓力進行非常精確地調(diào)整是一件不容易的事，為了避免過多的能量對鐵砧、鍛造工具或模具造成破損，操作人員要在注意鍛造工具狀況和溫度，同時觀察鍛件的形狀，控制鍛壓機械不要產(chǎn)生過多的能量，這樣的高水平的技能是必不可少的。由于蒸氣錘或空氣錘的精度是不穩(wěn)定的，最近開發(fā)出了鍛造能量、鍛造速度和精度都比較穩(wěn)定的伺服式螺桿沖床和伺服式空氣錘。

熱鍛技術(shù)的提高

熱鍛有其長處也有其弱點，這是因為熱鍛是在材料被加熱到1000℃以上進行的。熱量由模具直接傳導(dǎo)和輻射使模具始終處在高溫狀態(tài)。工廠的廠房都處在高溫的環(huán)境中，沖床和模具也因受到熱輻射而促進了溫度的上升。因此，熱鍛使用的模具材料要比冷鍛的模具材料耐熱性好，還要使用回火溫度較高的材料。而且，幾乎和淬火溫度一樣溫度的素材要放進模腔內(nèi)，這樣又需要很大的鍛壓能力。因此，在鍛壓過程中要對金屬材料施加的負(fù)荷（應(yīng)力）、熱量和沖擊力，其中無論哪一項都會對模具造成損傷，而熱鍛是把這三項都加在一起進行的，可想而知，這樣的加工條件對模具是極其惡劣的。

為了減少模具的損傷，我們可以先考慮從熱鍛的三個條件之一——熱的問題著手，要在極力減少材料在高溫模具里的時間上下功夫。一般的對應(yīng)方法是提高沖床的每分鐘的行程數(shù)。即使16000kN（1600t）沖床要在80～100次/min以上，30000kN（3000t）也是在60次/min以上。

當(dāng)然，即使是高速SPM的熱鍛沖床，如果不能縮短高溫材料從進入到模具當(dāng)中到從模具中取出鍛造部件的時間，模具的受熱時間仍然會加速模具的損壞。

因此，對于熱鍛沖床來說，不僅需要提高每分鐘的行程數(shù)SPM，在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上也將曲軸直接安裝在離合器上使飛輪、齒輪的回轉(zhuǎn)能立刻傳遞給曲軸。（除此以外的熱鍛沖床我們將在這篇文章的后半部分進行詳細(xì)說明。）高速SPM運轉(zhuǎn)的沖床和配以快速對應(yīng)的機械手所得到的效果是很明顯的，最近還不斷地出現(xiàn)了更新的機能，具體如下：

⑴鍛造沖床的伺服數(shù)控化。由于沖床的SPM速度提高，伴隨著上模和下模增大的沖擊力，在加快了模具的損傷的同時，也增大了對沖床和基礎(chǔ)的撞擊。為此，沖床的基礎(chǔ)必須要有吸收和緩和這種撞擊的機能，所以與冷鍛的沖床相比，熱鍛沖床基礎(chǔ)工事的費用是很大的。沖擊的吸收和緩和的方法有使用機械式彈簧或空氣式彈簧的，但因為費用太高，一般多是采用增加基礎(chǔ)混凝土的量的安裝方法。

最新的動向是鍛造沖床的伺服數(shù)控化，使得上?？梢愿咚俳咏?，急減速，低速沖擊式鍛壓，然后急速上升（離開模具）的方式運轉(zhuǎn)的。

⑵下部脫模裝置的伺服數(shù)控化。為了縮短材料在高溫模具里的時間，并有利于與沖床的伺服模式保持精密和高速的同步動作，下面的脫模裝置必不可少，而且也要實現(xiàn)伺服控制。

⑶將模具的形狀快速復(fù)制給材料。熱鍛沖床的運轉(zhuǎn)速度SPM很高是其中的一個原因。要把模具的形狀高精度地復(fù)制到材料上，必須要以很高的壓力把材料推壓到模具里，并要擠壓到模具的非常細(xì)微的部位，很深很窄的溝槽里或者非常細(xì)微的雕刻花紋中。對此單純地靠壓力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，材料本身也必須具備進入模具細(xì)微處或溝槽底部的條件，這就是材料的速度。材料通過高速運動使本身產(chǎn)生運動能量，靠運動能量和施加到模具細(xì)微處的加壓力的作用，材料才能完整地被復(fù)制出來。根據(jù)這個道理，這種新型鍛造沖床就被開發(fā)出來了。其運轉(zhuǎn)模式實現(xiàn)了上模與被加工坯材的高速接近，急減速地軟接觸、進行高速鍛造后，滑塊急速上升。

⑷伺服數(shù)控來防止或者減少過負(fù)荷現(xiàn)象，使沖床得到保護。熱鍛作業(yè)時，熱和時間是決定勝負(fù)的關(guān)鍵要素。在前面出現(xiàn)過的溫度與材料強度的曲線圖中可以看到模具里邊的材料的溫度只要下降一點點，材料的硬度就會急劇上升。因此，造成沖床機械過負(fù)荷的情況很多。由于伺服沖床可以快速控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，所以伺服沖床具有不易產(chǎn)生過負(fù)荷的性能。

⑸縮短了模具在高溫環(huán)境中的時間。鍛造沖床實現(xiàn)了伺服數(shù)控化后，由于沖床自身是1軸數(shù)控，容易實現(xiàn)與數(shù)控化的自動化裝置保持同步運轉(zhuǎn)，模具與被加工材料的接觸是快速的、短時間的，因而能夠大大縮短模具在高溫環(huán)境中的時間。

（未完待續(xù)）