企業(yè)轉(zhuǎn)型升級與鍛件精密化

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

企業(yè)轉(zhuǎn)型升級與鍛件精密化

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

企業(yè)轉(zhuǎn)型升級

近幾年鍛造行業(yè)發(fā)展很快，新建了許多鍛造生產(chǎn)機組和鍛造生產(chǎn)線。其中，中小型鍛造企業(yè)大多采用摩擦壓力機，采用空氣錘和沖床制坯、摩擦壓力機模鍛成形工藝。而較大型鍛造企業(yè)上了多條萬噸鍛造自動生產(chǎn)線，據(jù)統(tǒng)計大概有25條125MN或160MN鍛造自動生產(chǎn)線，現(xiàn)在已初步呈現(xiàn)出鍛造能力“供”大于“求”。在這種形勢下，哪家鍛造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級快，才能得以生存和發(fā)展，并獲得較好的經(jīng)濟效益，否則存在被淘汰危險。

質(zhì)優(yōu)價廉

從近來發(fā)展和效益均較好的鍛造企業(yè)來看，首先要把鍛件做“精”贏得市場，然后不斷提高產(chǎn)量，做到大批量專業(yè)化生產(chǎn)。眾所周知，載重車主、被動螺旋錐齒輪多數(shù)企業(yè)均采用輾環(huán)成形，工藝簡單價格低廉，市場競爭很激烈。山東溫嶺精鍛科技有限公司將載重車主、被動螺旋錐齒輪做精，鍛造工藝采用先進的輾環(huán)制坯和閉式模鍛，提高了材料利用率，又采用先進等溫正火，做到質(zhì)量穩(wěn)定和使用壽命高，形成大批量專業(yè)化生產(chǎn)占領國內(nèi)市場（供“一汽”等用戶）。江蘇龍城精鍛有限公司主要產(chǎn)品為汽車發(fā)電機爪極，與博世集團的配套量從2003年不足5萬件，擴展到2013年超過1000萬件，為龍城精鍛帶來了豐厚的回報。其實這兩個企業(yè)的鍛件均是“大路貨”，市場價格都很便宜，都是把鍛件做精，形成大批量專業(yè)化生產(chǎn)，靠質(zhì)優(yōu)價廉占領市場。某企業(yè)老總參觀韓國鍛造企業(yè)，看到該企業(yè)采用25MN熱模鍛壓力機專業(yè)化生產(chǎn)汽車輪轂，每班（12h）生產(chǎn)7000件（自動噴霧冷卻潤滑），操作工人兩個，每人操作1h，然后輪換，確保高生產(chǎn)率，鍛件加工余量較?。▽倬鳎?，加工費用僅3元/件。

掌握鍛件發(fā)展方向

在汽車和火車（高速列車）輕量化的推動下，有色金屬鍛件數(shù)量有了很大的發(fā)展。例如蕪湖禾田汽車工業(yè)有限公司幾年前就介入鋁合金鍛件生產(chǎn)，現(xiàn)在已掌握鋁合金鍛件生產(chǎn)技術（鋁合金鍛造有一定難度），并為汽車和高速列車提供多種鋁合金鍛件，有一般鋁合金鍛件（6061），有高強度鋁合金鍛件（7075）等，搶先占領了市場。

企業(yè)更新改造降成本

我國許多鍛造企業(yè)采用空氣錘和沖床制坯，以及摩擦壓力機模鍛工藝，鍛造生產(chǎn)線操作工人多，一般需要配10人到14人，不僅工藝不穩(wěn)定，而且人員成本高。另外生產(chǎn)線布置很緊，無法利用余熱降成本。某企業(yè)進行更新改造，對所生產(chǎn)鍛件進行分類，對于批量大的鍛件采用熱模鍛壓力機生產(chǎn)，整條鍛造生產(chǎn)線僅5個操作工人，工藝穩(wěn)定且鍛件精（加工余量小，是精化毛坯），形成大批量專業(yè)化生產(chǎn)。提高企業(yè)技術水平，質(zhì)優(yōu)價廉占領市場，不僅占領國內(nèi)市場，還開拓國外市場。

鍛件精密化

據(jù)有關資料顯示，工業(yè)發(fā)達國家（例如德國、日本等）鍛件年總產(chǎn)量約75%～80%是模鍛件，模鍛件內(nèi)約75%是熱模鍛件。日本每年精密模鍛件約占鍛件總量的25%，其中熱精密模鍛件又占精密鍛件總量的75%，主要是精化毛坯，省略粗機械加工。但是，國內(nèi)大多數(shù)熱模鍛件還是由開式模鍛方式生產(chǎn)。由于鍛件有飛邊，精度又低（余量較大），所以材料利用率低，成本高。我國精密鍛件產(chǎn)量約占模鍛件產(chǎn)量的6%～8%，其中熱精密模鍛件比例更少。所以企業(yè)更新改造應盡早將鍛件精密化，做到專業(yè)化大批量生產(chǎn)，以質(zhì)優(yōu)價廉占領市場。

精密模鍛方法很多，諸如精密閉式模鍛、閉塞模鍛、降低成形力的分流鍛造法、控制金屬流動速度的背壓鍛造法以及利用摩擦成形鍛造法等。下面僅介紹整體凹模閉式模鍛和可分凹模閉式模鍛，即閉塞模鍛。

精密模鍛概述

精密模鍛簡稱精鍛，是指零件模鍛成形后，可以獲得具有較高表面質(zhì)量和尺寸精度鍛件的工藝過程。僅需少量機械加工或不再機械加工，就可用作機械構(gòu)件的成形技術，即近凈成形技術或凈成形技術。

⑴精密模鍛應用范圍。

1）精化毛坯減少鍛件加工余量，利用精密模鍛工藝取代粗切削加工工序。例如，中小鍛件全部或局部位置加工余量僅（0.6mm～1mm），省略粗切削加工，直接精加工即可。

2）精鍛零件（又稱近凈成形零件或凈成形零件）通過精密模鍛工藝直接獲得成品零件。目前，完全精鍛零件僅限于一些結(jié)構(gòu)簡單的回轉(zhuǎn)體類零件，例如軸銷。而對于結(jié)構(gòu)復雜的零件，只能在局部位置精鍛成形。例如齒輪，則只能將齒輪的齒形和端面直接成形為最終形狀，其余部位仍需要采用切削加工方法生產(chǎn)。

精密模鍛分熱、溫和冷精密模鍛及其復合精密模鍛，選擇哪種生產(chǎn)方式主要由鍛件精度、表面粗糙度和生產(chǎn)批量確定。

⑵熱精鍛加冷精整具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

冷精鍛件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，但是成形抗力極高，具有相當高的成形難度，并且僅能應用于碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛件尺寸也受到很大限制。另外，冷鍛和溫鍛設備價格昂貴。熱精密模鍛時金屬變形抗力小，鍛件容易充滿成形，但是熱精鍛件尺寸精度差，表面粗糙。若將兩者結(jié)合（即熱精密模鍛加冷精整）就可以生產(chǎn)尺寸大、精度高和表面質(zhì)量好的精密模鍛件，并且成形容易，成本低。

例如熱精鍛直齒錐齒輪（半軸齒輪和行星齒輪）的齒形精度可達到GB/T 11365-1989的10級或11級，齒形不需要機械加工即可直接用于載貨汽車使用。所以已廣泛應用于汽車、拖拉機、農(nóng)業(yè)機械和工程機械等。而熱精鍛加冷精整，直齒錐齒輪齒形精度可達到GB/T 11365-1989的7級或8級，可直接應用于轎車使用，達到冷精鍛的技術要求。而熱精鍛設備（螺旋壓力機或熱模鍛壓力機）相對便宜，冷精整設備一般采用油壓機，價格也較便宜，所以可降低精密鍛件制造成本。

例如某鍛造企業(yè)，采用16MN熱模鍛壓力機熱精密模鍛φ160mm以下直齒錐齒輪，設備價格約380萬元，采用25MN液壓機冷精整，設備價格約120萬元，共計約500萬元。又某鍛造企業(yè)，采用16MN摩擦壓力機熱精密模鍛φ200mm以上直齒錐齒輪，設備價格約130萬元，采用40MN油壓機冷精整，設備價格約520萬元，共計約650萬元。而一臺16MN冷、溫鍛壓力機價格約1500萬元。

由于熱精鍛加冷精整具有冷精鍛的質(zhì)量，又具有熱模鍛優(yōu)點且制造成本低，所以具有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

閉式模鍛

⑴無飛邊閉式模鍛是企業(yè)追求的目標。

開式模鍛生產(chǎn)時，在鍛件周圍產(chǎn)生飛邊，這是為了產(chǎn)生阻力以利于金屬充滿模膛和存放多余金屬。但是，飛邊不僅增加材料消耗（約占整個鍛件重量10%～35%），降低材料利用率，增加成本，而且還增大鍛造力（約占整個鍛造力的10%～40%）。因此在模鍛中，減少飛邊或消除飛邊都是廣大工程技術人員和企業(yè)追求的目標，從而產(chǎn)生小飛邊模鍛和無飛邊閉式模鍛工藝。采用小飛邊模鍛或無飛邊閉式模鍛是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

⑵閉式模鍛及其分類。

1）閉式模鍛是生產(chǎn)時不產(chǎn)生橫向飛邊的模鍛工藝，目的是為了取消橫向飛邊，提高鍛件材料利用率。

2）閉式模鍛按鍛件精度分類或分模面形式分類。

①按閉式模鍛件精度可分為一般閉式模鍛和精密閉式模鍛。一般閉式模鍛件加工余量和公差仍是常用開式模鍛值，其目的是為了提高鍛件材料利用率。精密閉式模鍛不僅無飛邊，而且鍛件加工余量和公差均小，粗機械加工或不需要機械加工，屬精密模鍛。

②按分模面形式和移動沖頭數(shù)量可分為整體凹模閉式模鍛（圖1a）和可分凹模閉式模鍛（圖1b），可分凹模閉式模鍛也稱閉塞模鍛或復動成形，簡稱分模鍛造。其中具有三個和三個以上移動沖頭的閉塞模鍛稱多向閉塞模鍛，簡稱多向模鍛。整體凹模閉式模鍛用于形狀簡單鍛件，可分凹模閉式模鍛用于形狀復雜鍛件。多向模鍛可鍛出其他各類鍛壓方式無法或較難生產(chǎn)的形狀復雜的鍛件，如三通管件、大型閥體、管接頭（彎頭）、導彈噴管、高壓容器和燃油泵殼體等。

圖1 閉式模鍛

⑶整體凹模閉式模鍛工藝過程。

閉式模鍛過程（圖2）和開式模鍛相似，鐓粗、充滿模膛和少量多余金屬擠入凸模和凹模間隙（產(chǎn)生縱向毛刺）三階段。

1）鐓粗階段。凸模鐓粗坯料至與模膛模壁接觸為止（圖2a）。

2）充滿模膛階段。鐓擠至完全充滿模膛為止（圖2b），此時鍛擊力比鐓粗階段末可增加2～3倍。

3）少量多余金屬擠入間隙階段。該階段坯料基本已成為不變形剛體，只有在極大鍛擊力作用下使端部金屬產(chǎn)生變形流動，形成縱向毛刺（圖2c）。這個階段變形對閉式模鍛有害無益，不僅影響模具壽命，而且產(chǎn)生縱向毛刺，清除也比較困難，所以應嚴格控制坯料“下料”精度和模具設計分流降壓腔。

⑷閉塞模鍛基本形式。

閉塞模鍛基本形式由可分凹模分模面狀態(tài)確定。分模面有三種形式，即水平分模、垂直分模和混合分模。可分凹模分模面形式根據(jù)鍛件形狀和特點選擇，和開式模鍛完全相同。對于一些帶孔穴或多孔零件，可采用多向閉塞模鍛，有多個分模面，其有多個沖頭，凹模的分塊也常在二個以上。例如化工行業(yè)常用的三通管件和兩通管件（俗稱彎頭），若需要將其內(nèi)孔鍛出，就要采用可分凹模三個沖頭或兩個沖頭閉塞模鍛。

⑸閉塞模鍛工藝過程。

1）閉塞模鍛過程（見圖3）。

①上凹模和下凹模閉合。坯料2放入模膛，設備滑塊下行，上凹模3和下凹模4閉合形成封閉式模膛，同時對其施加足夠的閉合力。

②凸模對坯料進行模鍛。上凸模1或下凸模5或同時兩個凸模對封閉模膛內(nèi)坯料2進行模鍛。其工藝過程有鐓擠和擠壓。例如半軸齒輪屬閉式模鍛（開始鐓粗，然后鐓擠成形），十字軸屬徑向擠壓，特殊情況也可以多個方向進行擠壓成形，從而可在一個行程內(nèi)獲得較大變形量和形狀復雜鍛件。

圖2 整體凹模閉式模鍛過程

圖3 閉塞模鍛過程

③上凹模和下凹模分開。設備滑塊回程，開啟上凹模3和下凹模4，取出鍛件。

2）閉塞模鍛特點。由閉塞模鍛工藝過程可知，閉塞模鍛特點是坯料在封閉模膛內(nèi)多向約束成形，符合三向壓應力下變形條件，因此可以在一次變形中獲得較大變形量，并容易形成較復雜形狀。由于成形模膛達到穩(wěn)定的精確封閉，鍛件形狀和尺寸精度主要取決于封閉模膛加工精度。因此，閉塞模鍛特別適合復雜零件的大批量精鍛生產(chǎn)。

⑹閉式模鍛優(yōu)點。

1）提高材料利用率。閉式模鍛是無橫向飛邊模鍛，提高材料利用率。對于精密閉式模鍛，還減少加工余量和公差，不僅進一步提高材料利用率，而且鍛件精度比開式模鍛件高。一般材料利用率，根據(jù)鍛件形狀可以提高10%～30%，其中小內(nèi)孔齒輪熱閉式模鍛件材料利用率可達95%。

閉塞模鍛可以鍛出形狀復雜、無飛邊、無或小模鍛斜度的空心鍛件，使鍛件最大限度地接近零件形狀和尺寸，從而顯著地提高材料利用率、減少切削加工工時，甚至不需要切削加工，是精密模鍛技術。另外，使得加工原先無法模鍛需要增加余塊才能模鍛的零件成為可能，例如三通管件（圖4）和彎頭的內(nèi)孔采用閉塞模鍛可以將其模鍛出，極大地提高了材料利用率。大部分熱模鍛件所用材料在鍛件成本中一般約占50%～60%，甚至更高，而且近年來原材料價格上漲，給鍛造企業(yè)經(jīng)營帶來困難。采用閉式模鍛提高鍛件材料利用率是企業(yè)提高經(jīng)濟效益的有效手段，今后必將獲得較大發(fā)展。

2）提高鍛件精度。減少加工余量，提高鍛件尺寸精度。例如轎車變速箱齒輪熱閉式模鍛件余量僅0.6～0.8mm，省略粗機械加工工序，屬精化毛坯。另外，鍛件無飛邊，金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布，避免流線外露，改善鍛件組織，提高鍛件力學性能。例如流線不外露提高抗應力腐蝕性能，對于應力腐蝕敏感的鋁合金鍛件十分有利。

3）節(jié)省生產(chǎn)工序。由于沒有飛邊，減少切邊工序，所以既省略切邊設備，又節(jié)省操作工人。

4）減少能源消耗。由于減少了金屬消耗，故加熱和熱處理用的能源消耗降低10%～50%。由于節(jié)省切邊設備，故也節(jié)省切邊設備能耗。

5）提高力學性能。

①由于閉式模鍛時，坯料在閉式模鍛過程中處于三向壓應力狀態(tài)，可以大大提高金屬允許的變形程度，特別適于成形低塑性難變形合金的復雜形狀的鍛件，也提高了金屬塑性和鍛件力學性能。

②由于鍛件金屬流線分布合理，并保持流線完整性（沒有飛邊，金屬流線不被切斷），提高力學性能。

⑺閉式模鍛典型鍛件。

1）整體凹模閉式模鍛典型鍛件有：齒坯、軸承環(huán)和凸緣等回轉(zhuǎn)體零件。對于形狀復雜的鍛件，凡是能從凹模順利脫模的鍛件均可采用整體凹模閉式模鍛。

2）可分凹模閉式模鍛（閉塞模鍛）典型鍛件有：直齒錐齒輪（半軸齒輪和行星齒輪）、等速萬向節(jié)星形套和三銷軸以及磁極、十字軸、三通閥體和航空發(fā)動機葉盤等徑向帶支芽（凸起）的復雜精密鍛件。