熱旋鍛彈簧鋼制品表面質量研究

文/郝慶樂，韓靜濤，韓彥紅·北京科技大學材料加工與控制工程系

熱旋鍛彈簧鋼制品表面質量研究

文/郝慶樂，韓靜濤，韓彥紅·北京科技大學材料加工與控制工程系

熱軋彈簧鋼棒材表面常出現(xiàn)折疊等缺陷，嚴重影響了彈簧件產(chǎn)品的疲勞壽命，因此在彈簧件產(chǎn)品成形前，工廠會對彈簧鋼直條原料進行扒皮處理，該工序使生產(chǎn)線延長，浪費了材料，增加了生產(chǎn)成本。本文提出了一種利用熱旋轉鍛造來改善彈簧鋼棒材表面質量的方法，對熱旋鍛后彈簧鋼表面質量進行了統(tǒng)計分析，并與原料進行了對比。

旋轉鍛造是利用沿坯料圓周對稱分布的一對或多個錘頭繞中心旋轉，同時以高的頻率將制件鍛壓成形。利用旋轉鍛造工藝對彈簧鋼棒材進行精整，可以利用旋鍛工藝的優(yōu)點，提高工件的表面精度和光滑度，細化截面晶粒，并能實現(xiàn)高生產(chǎn)率和自動化生產(chǎn)。

表1 試樣編號

旋鍛試樣編號及試驗方法

將55SiCr彈簧鋼直條用砂輪機鋸切出60根長度為250mm試樣。對每根試樣進行分組編號，一共分成五大組，標號a、b、c、d、e，分別對應五個加熱溫度900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃；每一個溫度下試樣又分成四組，編號分別為1、2、3、4，分別對應直徑為14.5mm、15mm、15.5mm、16mm的棒材；每種尺寸的棒材各有三根，標號A、B、C。材料分組編號如表1所示。另外，用線切割切取原始軋制棒材長度15mm的小樣4個，編號01、02、03、04，編號仍與棒材的直徑對應。

將棒材按標號在箱式爐中按指定溫度進行加熱，保溫40min使材料充分奧氏體化，然后將材料快速取出，在精密旋鍛機上進行熱旋鍛加工，旋鍛軸向送進速度50mm/min，鍛模孔腔直徑14mm，旋鍛機錘頭轉速960r/min。為方便做金相觀察和力學性能等方面的對比試驗，只將棒材長度的一半進行旋鍛加工。加工完成后將試樣空冷到室溫。

試驗結果與分析

旋鍛制品的宏觀表面質量

圖1和圖2為旋鍛前后的試樣照片，從圖中可以看到旋鍛后制品的表面質量明顯高于原始軋材的表面質量。

圖1 原始軋材經(jīng)打磨后的表面

圖2 旋鍛后制品的表面

原始軋材的表面都有多條細溝痕，這是一種常見的軋制缺陷——折疊。坯料缺陷如縮孔、夾雜等以及軋制設備和工藝參數(shù)調整不當出現(xiàn)的如孔型過充滿、欠充滿等都有可能導致折疊缺陷的產(chǎn)生。折疊缺陷會對彈簧件的穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生很大的負面影響，因為在溝痕區(qū)很容易產(chǎn)生應力集中，使彈簧件過早失效。

熱旋鍛的目的之一就是修整彈簧鋼原材料表面存在的各種缺陷，如疤痕、微裂紋、折疊等。在旋鍛過程中，棒材不斷承受來自模具內壁的壓應力作用，而且壓下頻率較大，棒材表層每次的變形量很小，溝痕周圍的金屬在模具鍛打力的作用下，開始時由溝痕兩側向內部填充，填充滿之后在模具錘頭的繼續(xù)鍛打作用下被壓實，又因為鍛打是在高溫下進行的，填充壓實后整個金屬基體完全結合，所以原軋制棒材表面的折疊在熱旋鍛的過程中被消除。

旋鍛制品的表面尺寸精度和圓度

對熱旋鍛試樣取五個不同的截面，用千分尺測量各截面直徑值并記錄數(shù)據(jù)，每個截面測量三次。另外，再測量試樣01、02、03、04不同截面的直徑值并記錄數(shù)據(jù)。計算出每個旋鍛溫度下不同壓下量的試樣平均圓度誤差和平均尺寸偏差，分別如表2、表3所示，其中，圓度誤差δ＝(dmaxdmin）÷2，dmax為每個測量截面的最大直徑，dmin為每個測量截面的最小直徑。

經(jīng)過對原始軋材表面尺寸的測量計算，得出原始軋材的表面尺寸偏差為-0.87455 mm，圓度誤差為0.1mm。旋鍛后制品的表面尺寸偏差都在0.3mm以下，圓度誤差在0.04mm以下。可見，經(jīng)過旋鍛后，棒材的尺寸精度和圓度明顯高于原始軋材。

通過表2和表3中的數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓下量的增大，旋鍛棒材的尺寸偏差也在增大。這主要有以下兩點原因：一是在同樣的變形力和材料變形抗力條件下，變形量越大，材料在模具型腔的流動能力越小，變形均勻度下降；二是由于壓下量越大，變形后金屬材料的回彈量也越大。

表2 旋鍛后制品的平均尺寸偏差表（單位：mm）

表3 旋鍛后制品的圓度誤差表（單位：mm）

表4 旋鍛制品表面粗糙度Ra平均值表(單位：μm)

旋鍛制品表面粗糙度

利用TR200手持粗糙度儀對樣品沿著軸線方向進行了表面粗糙度的測量，經(jīng)過熱旋鍛加工后彈簧鋼棒材表面粗糙度的平均值如表4所示。

原軋材表面粗糙度的平均值是1.998μm，顯然，旋鍛制品的表面粗糙度要比原軋制直條的表面粗糙度低50%以上。這是由于旋鍛過程中采用多個錘頭多向鍛打，它使坯料被鍛部位處于三向壓應力狀態(tài)，有利于提高金屬塑性，塑性的提高有利于材料流動，再加上模具型腔較高的表面光潔度，因此旋鍛制品的表面粗糙度很小。并且旋鍛工藝是高頻率脈沖鍛打，坯料每次變形量較小，坯料的變形速度也較低，這一特點使坯料變形時金屬流動的路徑變短，摩擦阻力小，表面受到的摩擦減小，制品表面也就更加光滑。

通過對比表4數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，表面粗糙度減?。浑S著壓下量的增加，表面粗糙度值呈增加趨勢。這是因為溫度越高，材料的塑性越好，材料流動能力越好，得到的表面也越光潔。壓下量的增大，使得材料一次成形體積分配量增大，成形表面難于精整，所以表面粗糙度增大。

結論

本文通過試驗的方法對旋鍛制品的表面質量進行了研究。試驗證明，原軋制棒材經(jīng)過熱旋鍛加工后，表面質量能夠得到明顯提高，主要表現(xiàn)在以下幾點：

⑴旋鍛加工能夠將原始棒材表面的折疊消除，旋鍛后制品表面無任何疤痕、折疊、裂紋等缺陷。

⑵原始棒材表面尺寸偏差為-0.87455 mm，圓度誤差為0.1mm，熱旋鍛加工可使制品的尺寸偏差降至0.3mm以下，不圓度降至0.04mm以下。并且隨著壓下量的增大，旋鍛棒材的尺寸偏差也在增大。

⑶原始棒材的表面粗糙度平均值是1.998μm，而經(jīng)過旋鍛后，棒材表面的粗糙度值都在1μm以下。并且隨著溫度的升高，表面粗糙度減??；隨著壓下量的增加，表面粗糙度值呈增加趨勢。