文/邵景鏞，張鋒·機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司天津分公司

冷、溫鍛車間的設(shè)計

文/邵景鏞，張鋒·機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司天津分公司

近幾十年來，由于國內(nèi)外汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)之間競爭激烈，紛紛擴大生產(chǎn)批量，以便取得規(guī)模效益。作為凈成形或近凈成形工藝方法的冷、溫鍛成形技術(shù)正迎合市場的急需，以高效、節(jié)能、節(jié)材、產(chǎn)品品質(zhì)高、成本低等優(yōu)勢，逐步減少甚至取代機械加工工藝。據(jù)最新國際會議報道，每臺日本制造的乘用車，冷、溫鍛件毛坯總量達到40～50kg，而歐美制造的乘用車，冷、溫鍛件毛坯總量大于42kg。隨著冷、溫鍛技術(shù)的發(fā)展，今后冷、溫鍛件的比重還會不斷增加。2011年，我國實現(xiàn)汽車產(chǎn)銷1841.89萬輛和1850.51萬輛，繼續(xù)居全球第一位，冷、溫鍛產(chǎn)品在汽車行業(yè)中仍將具有廣闊的發(fā)展前景和發(fā)展空間。部分汽車冷、溫鍛零件和不同工藝方法成本比較如圖1、2所示。

近年來我國冷鍛技術(shù)及冷鍛能力得到迅速發(fā)展，冷、溫鍛專業(yè)車間和專業(yè)廠紛紛建立，但有關(guān)冷、溫鍛車間設(shè)計的資料和技術(shù)交流較為匱乏，現(xiàn)將筆者在國外考察及在相關(guān)車間設(shè)計中考慮的問題總結(jié)如下，與同行分享、交流。

冷、溫鍛車間設(shè)計系統(tǒng)的介紹

冷、溫鍛車間的設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，這是由冷、溫鍛工藝的本質(zhì)決定的，它需要6項技術(shù)支撐，包括：原材料及其熱處理，冷、溫鍛工藝設(shè)計，冷、溫鍛設(shè)備，模具，表面處理，生產(chǎn)管理等，缺一不可，如圖3所示。

圖1 汽車冷、溫鍛件

圖2 不同工藝方法成本比較

圖3 冷、溫鍛件生產(chǎn)框架圖

原材料及其熱處理

⑴原材料的化學(xué)成分：含碳量、合金元素種類及含量以及非金屬夾雜物含量，這關(guān)系到變形抗力的大小，要求有較低的硬化率及較高的塑性，否則會出現(xiàn)大的變形抗力及產(chǎn)生冷、熱脆性。

⑵金相組織：碳化物的分布及晶粒度大小，不允許出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物及6級以下的晶粒度。

⑶表面狀況：不能有銹痕、表面刮傷。

⑷尺寸精度達到冷拔件精度。

⑸對材料進行完全退火處理以獲得良好的塑性，在變形工序中間安排退火工序，使硬化的組織恢復(fù)其塑性。

冷、溫鍛工藝設(shè)計

工藝設(shè)計是整個系統(tǒng)工程的主要環(huán)節(jié)，是獲得合格產(chǎn)品的重點手段。原材料及其熱處理，冷、溫鍛設(shè)備，模具，表面處理，生產(chǎn)管理都是冷、溫鍛工藝順利開展的保障條件。冷、溫鍛工藝基本流程如圖4所示。

冷、溫鍛設(shè)備

對冷、溫鍛壓力機的一般要求如下：

⑴機身具有高強度、高剛度，如采用高剛度的箱形結(jié)構(gòu)，并使動力驅(qū)動部分與傳動部分分離，這樣能夠使冷、溫鍛件精度得到提高，并延長模具壽命。

⑵設(shè)置壓力機超負荷裝置，如金屬密封片方式的液壓超載保護裝置在壓力機超載時可產(chǎn)生瞬間動作，使驅(qū)動系統(tǒng)分離，滑塊緊急停止，保護貴重的模具。

圖4 冷、溫鍛工藝基本流程圖

⑶有的設(shè)計采用直角多面的長導(dǎo)向滑道，這樣做的目的是能承受較大的偏心載荷，保護模具，保持長期生產(chǎn)的產(chǎn)品精度。

⑷采用強力肘桿式等形式的傳動結(jié)構(gòu)，以滿足冷、溫鍛時變形力大而變形速度緩慢的工藝要求，如圖5所示。不同結(jié)構(gòu)壓力機的行程、速度特性曲線如圖6所示，不同結(jié)構(gòu)壓力機的負荷能力曲線如圖7所示。

圖5 肘桿式冷、溫鍛機結(jié)構(gòu)圖

圖7 不同結(jié)構(gòu)壓力機的負荷能力曲線

⑸當生產(chǎn)深孔、高度較高的鍛件時采用高位壓力機，它能在滑塊下死點以上較高位置承受較大負荷。

模具

⑴冷、溫鍛件產(chǎn)品設(shè)計需經(jīng)工藝設(shè)計優(yōu)化。

⑵模具經(jīng)CAD、CAPP、CAE、CAM一體化和優(yōu)化設(shè)計。

⑶模具材料應(yīng)具有以下特性：高強度、高韌性、高抗疲勞強度、耐沖擊、耐磨損。

⑷模具在進行電加工及熱處理時，應(yīng)防止表面產(chǎn)生龜裂、脫碳等現(xiàn)象。

表面處理

冷鍛時流動的金屬與模具表面之間會產(chǎn)生很高的擠壓應(yīng)力，鋼的擠壓應(yīng)力可達2000～2500MPa，因此，坯料表面潤滑層的質(zhì)量可決定加工成功與否，并影響模具壽命。

用磷酸鋅保護膜作為金屬皂化層，從使用性能、生產(chǎn)率、經(jīng)濟性方面綜合考慮是被普遍采用的方法。

磷化、皂化工藝處理過程如下：

脫脂（60℃）→水洗（常溫）→酸洗（常溫）→水洗（常溫）→熱水洗（80℃）→磷化處理（80～90℃）→水洗（常溫）→中和（60℃）→皂化處理（80～90℃）→自然干燥。

溫鍛時的擠壓應(yīng)力較冷鍛時低，故溫鍛時不進行上述的表面處理工藝，用二硫化鉬進行潤滑即可。

生產(chǎn)管理

嚴格執(zhí)行全面的質(zhì)量管理是國外一些企業(yè)的有效手段，它能及時發(fā)現(xiàn)影響工藝過程的不利因素并迅速解決，從原材料、零部件、產(chǎn)品的質(zhì)量控制信息及最終用戶的質(zhì)量反饋信息中，利用質(zhì)量信息的統(tǒng)計分析，找出質(zhì)量問題的原因，從而進行質(zhì)量方面的技術(shù)改造與控制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

對生產(chǎn)全過程中的影響因素進行綜合評估分析，盡可能地降低不利因素的影響。

加強對員工的培訓(xùn)，提高工人的技能水平和執(zhí)行能力，采用現(xiàn)代化的信息手段進行工藝管理，減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

冷、溫鍛車間設(shè)計示例

生產(chǎn)工藝過程

部分汽車冷、溫鍛件生產(chǎn)工藝過程見表1。

工藝設(shè)備布置

汽車冷、溫鍛車間工藝設(shè)備布置圖如圖8所示。

■表1 部分汽車冷、溫鍛件生產(chǎn)工藝過程

圖8 汽車冷、溫鍛車間工藝設(shè)備布置圖

結(jié)束語

由于冷、溫鍛時產(chǎn)生遠高于熱鍛時的巨大的變形抗力，因此原材料及其熱處理，冷、溫鍛工藝設(shè)計，冷、溫鍛設(shè)備，模具，表面處理，生產(chǎn)管理皆為冷、溫鍛生產(chǎn)不可或缺的支柱。這一系統(tǒng)工程框架應(yīng)成為冷、溫鍛車間設(shè)計的技術(shù)原則，在工藝流程設(shè)計、設(shè)備選擇、軟件配置等工程設(shè)計中逐項落實。

邵景鏞，項目總設(shè)計師，教授級高級工程師，主要從事鍛造、沖壓工藝研究和鍛造、沖壓車間設(shè)計工作，在“夏利轎車冷鍛車間設(shè)計”項目中榮獲機械工業(yè)部科技進步二等獎，在“梁山收割機械刀片生產(chǎn)線技術(shù)改造”項目中榮獲機械工業(yè)部科技進步三等獎。

生產(chǎn)［主輔工藝］ Manufacture