温锻与冷锻之基本

文/张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司

小松勇·日本小松技术士事务所，江苏中兴西田数控科技有限公司

温锻与冷锻之基本

（连载一）

文/张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司

小松勇·日本小松技术士事务所，江苏中兴西田数控科技有限公司

从本期的锻造篇开始，江苏中兴西田数控科技

有限公司将重点对温锻和冷锻的理论知识和实例，进行逐步展开连载介绍，希望能对国内突飞猛进的汽车制造业中零部件等制造工艺和加工方法起到抛砖引玉的作用。

在系列连载中，将就有关锻造（包括温锻和冷锻，本文都称为锻造）加工的以下内容依次进行讲述：锻造加工的种类、锻造加工工位的设定方法、锻造加工的负荷计算、锻造加工所必须的能量、适合特定加工件的冲压机械选定方法、锻造加工的自动化方法、锻造用模具的基本构造、材料及模具的加热、锻造冲压机械的数控化和锻造加工系统的自动化等。

在本文的连载中要使用方程式对锻造负荷、所需能量等进行计算，具备一些数学知识有利于深入地理解其中的内容。为了计算需要准备可以进行函数计算的计算器，只有四则运算的计算器是不够用的。

产品的制作是知识、技术以及技能应用的综合反应，笔者希望读者通过阅读本文对解决工作中的实际问题有所帮助。

锻造加工使用的材料和零件

冷锻和温锻的出现

首先介绍一下钢铁锻造中冷锻的由来：锻造方法在制造领域的历史中，是仅次于铸造的长期存在的加工方法。在四千多年前的青铜器时代，人们把铜块加热使其变软，再通过敲打（锻造）使材料得以延伸，这种方法在制作刀和剑等武器方面得到了很好的应用，这个时代持续了很长时间。

在这之后发现了铁，进入了铁器时代，人们将铁块加热再通过敲打使其成形，这就是热锻的开始。今天这种加工方法已成为产品制作中一种不可缺少的加工方法。

这时的铁是没有添加任何其他元素的纯铁状态，后来人们在铁中加入了碳元素从而进入了钢的时代。钢的强度增加了，加工难度也随之增加，热锻的必要性就显得更为突出，并延续下来。钢的用途非常广泛，后来又需要加入碳元素外的其他元素使强度进一步提高，这样室温状态（冷锻）的加工就变得更加困难了。

到了1930年左右，由于钢材中冷锻加工的必要性日益凸显，人们就把模具材料换成了超硬合金，又发明了使用润滑剂的磷酸盐皮膜化合处理技术，从而开始了冷锻的普及。但是温锻也好热锻也好，高温锻造是不能使用磷酸盐皮膜化合处理（简称磷皂化处理）的，必须使用含有石墨或特殊钙的高温润滑剂。

锻造加工是将材料压缩使其成形的一种加工方法，压缩成形的时候对模具的冲头和模架施加的压缩应力一定要比材料变形所必须的压缩应力要远远高出数倍（5～10倍以上）。另一方面，这种像锻造一样压缩成形的模具中有一种材料的压缩强度要达到4800MPa。在冲压加工中，经常使用的高速钢（SKH51....JIS）的压缩强度是3000MPa，特殊工具钢（SDK11....JIS）的压缩强度是2400MPa。按照一般冲压加工时的压缩应力是冲头材料压缩强度的50％以下来考虑，上面提到的工具钢在冷锻加工中的使用范围变得很狭窄，必须使用超硬合金（也称为硬质合金）作为主体材料成为冷锻加工的关键，模具费用成了冷锻加工工艺应用道路上的瓶颈。为了打破这种局面，1960年左右美国开发了温锻的加工方法。

热锻、温锻及冷锻的区分

钢是化学元素Fe（95％以上）和C（大约0.05％～1.5％以下）的化合物，适当增减Fe和C的前提是先添加一些特殊的元素做成特殊用途的钢，无论是哪种化合物都是结晶体构造。这种结晶体随着温度的变化而变化，钢在760℃附近开始再结晶，结晶体会变得很粗大。

长期以来，是这样区别热锻和冷锻的：再结晶点温度（≒760℃）以上的锻造加工叫做热锻，在室温（30℃以下）下的锻压加工叫做冷锻加工。一般来说要在800℃以上进行热锻的话，就要把材料加热到1000℃，钢的拉伸强度会下降到室温时的10％～40％。此时，技术人员利用高温下金属拉伸强度降低的特性，使高强度钢的锻造加工变得容易了很多。

但当金属被加热到1000℃前后时，金属表面的氧化膜就会变厚，锻压时氧化膜剥离脱落，就会增大模具的损耗，锻压出来产品的尺寸精度也会因此受到很严重的影响。而且，100mm的钢温度每变化1℃就会有0.001mm的膨胀收缩，那么在1000℃的情况下，把膨胀了1mm的金属材料放在模具里进行加工，加工后冷却到室温时就要收缩1mm，这时的产品尺寸和模具尺寸就有了差异，这就是热锻的缺点。

因此比冷锻的温度高，又比热锻的温度低的温锻就应运而生了，现在温锻的温度区域一般选择在400～800℃。由于温锻的温度较低、加热的时间相对短，氧化膜的发生厚度较少、热膨胀量少，锻造产品的尺寸精度就比热锻好。但是，在超过400℃的温度区域内能有效降温的润滑剂几乎是没有的。这样模具的负担就很大，金属材料的选定就成了难题。那么，将模具进行恰当的预热或者在加工过程中对模具进行冷却就是必不可少的了。今天，冷锻的温度区域已被扩展到200℃以下。前面所讲的磷酸盐皮膜化合的磷皂化处理等润滑剂的进步，模具材料及模具的镀膜技术的进步都为此做出了很大的贡献。

不论是温锻，还是冷锻模具和润滑剂都是重要的技术要素，仅把钢材加热到800℃并不能预示温锻的成功。如果没有做好包括模具温度控制等对策，还会有很多问题发生从而导致失败。

热锻加工的产品

热锻制作的产品中，大的有质量超过50t的轧钢用辊轴、大型船舶的曲轴和螺旋驱动轴、水力发电机和火力发电机的转子主轴、喷气发动机的回转轴、大型矿山机械的部件（悬架装置）等，稍微小一点的有飞机着陆轮部件（齿轮）、汽车的发动机曲轴、齿轮等零件，铝制轮心盖等也是锻造产品。锻造加工是汽车部件制作重要的加工方法，加工精度可达到0.1mm，最近锻造加工的精度也提出有可能达到0.01mm。

汽车产品的锻造

像汽车零件这样大批量生产的锻造产品，在适当的热锻、温锻或冷锻加工后还要再追加切削、研磨和切齿等加工。汽车的发动机、变速器、悬架、制动装置的构成零件，需要严格的加工精度要求。有的零件在锻压加工后还要和机械加工的零件组合，有的是在切削加工后与锻压加工的零件组合。用锻压加工方法进行加工的典型零件，有曲轴、齿轮类和连杆等。

发动机的排气量在1500～2000cc的中、小型轿车的平均质量一般是1200～1500kg。当然，汽车的生产厂家不同，车型不同，车体的重量也会变化。车体的平均质量在1200～1500kg时，大约有30％即350～500kg 是板材的冲压加工产品，锻压加工的产品有40～70kg。用锻造方法制造的产品有发动机锻件、变速器锻件和曲轴等驱动部分锻件，还有悬架装置锻件、方向盘锻件、制动器锻件，电器方面的锻件也有很多。用锻造方法制造的锻件，具有代表性的有以下几类：发动机中的代表性锻件，有曲轴（图1）、连杆、连杆罩、活塞、活塞销、凸轮轴件、摇臂、正时齿轮等；变速装置中的代表性锻件，有变速齿轮、同步齿轮、换挡手柄等；驱动系统中的代表性锻件，有离合器轮箍、轴、连轴器、等速万向节、齿轮类等；悬架装置中的代表性锻件，有连杆、连杆销、减振器等；驾驶装置中的代表性锻件，有肘杆、耦合器、齿轮齿条、齿轮轴；制动装置中的代表性锻件，有制动活塞、刹车片、制动盘等；电气关系中的代表性锻件，有发电机、发电机转子、点火塞等。除此以外，还有许多部件是用锻造加工制造出来的。

图1 热锻加工的汽车发动机曲轴

由于上述产品都是重要的保安产品，就必须要选择正确的材料、条件适合的加工方法、正确的热处理工艺、具有正确品质管理的制造过程、使用指定检查器具进行检查和管理、记录好产品的情况、保持长期信赖性的同时，尊重生命的高度意识都是必不可少的。

根据上面的阐述，发现对于温锻来说钢材在插入模具后温度要有800℃，这时即使是10℃的差别都会发生结晶粒的粗大化或结晶组织的缺陷。在正常的生产过程中，如果发现有一点点的异常或者检出信号判断有问题时就必须立即将生产线停止，查明原因以防止问题再次发生，因为温锻并不是单纯的高温加工。

温锻与冷锻是比较相近的模锻加工技术，模具的密闭度需求很高，所以钢材的体积公差幅度很窄，不但钢材的直径公差幅度小，长度公差也必须严格遵守。哪怕体积公差仅大一点点，也会对模具造成损坏，破损的模具碎片会造成操作人员的重伤。如果体积不足，就会造成锻件缺肉，作为锻件就是不合格的。不仅如此，缺肉会使得模具内的压力低下，材料得不到必要的压力负荷，就会产生内部缺陷。

前面提到，产品要求有很高的强度和信赖性，如果没有良好的素材管理（材质、添加元素、体积管理、素材表面缺陷等）、温度管理（素材预热、素材加热、冷却速度、模具预热、模具温度调节等）、冷却管理（非调质钢、调质钢等）、锻造技术管理（加压速度、模具的闭止时间、模具内的材料流动等）、润滑管理（润滑量、润滑时机、添加剂的比例等），就不可能制造出有高度信赖性的素材和产品。需要说明的是，文章中主要以汽车部件事例为主来进行说明，但并不是只限于汽车锻件。

温锻的特点及注意事项

温锻的主要特点，包括以下几方面：温锻适合的温度范围很狭窄。需要注意的是：

⑴可考虑冷锻的方法。温度的误差与加工负荷紧密相连，直接影响部品精度。要绝对避免过热。

⑵要求温锻的产品形状精度和尺寸精度要接近冷锻的产品。即使需要进行切削等后续加工时，也要考虑使加工量做到最小，这是按照冷锻加工考虑的。因此冲头圆角、模架的半径要稍稍小于产品的形状。

⑶没有冷锻应用的广泛。这是因为，热锻的模具材料要采用耐热性和耐脱碳性的材质。

锻造的新技术动向

锻造越来越向着更加精密化的方向发展，冷锻向着无切削的精度迈进。为实现此目的，一种称为板材锻造的复合锻造技术得到了发展。如前所述，冷锻和温锻的加工必须有很大的负荷，模具的强度就成为了加工的界限之一。将这样高的加工负荷（特别是冲头和模架的面压）降下来的技术，应用到了钣金加工技术上。钣金加工和锻造的组合应用，不但使得加工负荷下降，还能使无切削化的锻造得以实现，这就是板材锻造（也称为复合锻造）加工技术。目前，这项技术正在迅速发展。

在后期的文章中，笔者将对精密加工的板材锻造进行介绍，最新的板材锻造技术可以使直径φ80mm的带齿轮的锻件加工精度提高到μm。因此，汽车驱动系统的锻件加工已经开始使用这种方法了。因为有了优异的材料、模具和机械，使得精密板材锻造技术成为了可能，作为一项完全超越了切削加工的技术，将开始被广泛的应用和推广。