热旋锻弹簧钢制品表面质量研究

文/郝庆乐，韩静涛，韩彦红·北京科技大学材料加工与控制工程系

热旋锻弹簧钢制品表面质量研究

文/郝庆乐，韩静涛，韩彦红·北京科技大学材料加工与控制工程系

热轧弹簧钢棒材表面常出现折叠等缺陷，严重影响了弹簧件产品的疲劳寿命，因此在弹簧件产品成形前，工厂会对弹簧钢直条原料进行扒皮处理，该工序使生产线延长，浪费了材料，增加了生产成本。本文提出了一种利用热旋转锻造来改善弹簧钢棒材表面质量的方法，对热旋锻后弹簧钢表面质量进行了统计分析，并与原料进行了对比。

旋转锻造是利用沿坯料圆周对称分布的一对或多个锤头绕中心旋转，同时以高的频率将制件锻压成形。利用旋转锻造工艺对弹簧钢棒材进行精整，可以利用旋锻工艺的优点，提高工件的表面精度和光滑度，细化截面晶粒，并能实现高生产率和自动化生产。

表1 试样编号

旋锻试样编号及试验方法

将55SiCr弹簧钢直条用砂轮机锯切出60根长度为250mm试样。对每根试样进行分组编号，一共分成五大组，标号a、b、c、d、e，分别对应五个加热温度900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃；每一个温度下试样又分成四组，编号分别为1、2、3、4，分别对应直径为14.5mm、15mm、15.5mm、16mm的棒材；每种尺寸的棒材各有三根，标号A、B、C。材料分组编号如表1所示。另外，用线切割切取原始轧制棒材长度15mm的小样4个，编号01、02、03、04，编号仍与棒材的直径对应。

将棒材按标号在箱式炉中按指定温度进行加热，保温40min使材料充分奥氏体化，然后将材料快速取出，在精密旋锻机上进行热旋锻加工，旋锻轴向送进速度50mm/min，锻模孔腔直径14mm，旋锻机锤头转速960r/min。为方便做金相观察和力学性能等方面的对比试验，只将棒材长度的一半进行旋锻加工。加工完成后将试样空冷到室温。

试验结果与分析

旋锻制品的宏观表面质量

图1和图2为旋锻前后的试样照片，从图中可以看到旋锻后制品的表面质量明显高于原始轧材的表面质量。

图1 原始轧材经打磨后的表面

图2 旋锻后制品的表面

原始轧材的表面都有多条细沟痕，这是一种常见的轧制缺陷——折叠。坯料缺陷如缩孔、夹杂等以及轧制设备和工艺参数调整不当出现的如孔型过充满、欠充满等都有可能导致折叠缺陷的产生。折叠缺陷会对弹簧件的稳定性和寿命产生很大的负面影响，因为在沟痕区很容易产生应力集中，使弹簧件过早失效。

热旋锻的目的之一就是修整弹簧钢原材料表面存在的各种缺陷，如疤痕、微裂纹、折叠等。在旋锻过程中，棒材不断承受来自模具内壁的压应力作用，而且压下频率较大，棒材表层每次的变形量很小，沟痕周围的金属在模具锻打力的作用下，开始时由沟痕两侧向内部填充，填充满之后在模具锤头的继续锻打作用下被压实，又因为锻打是在高温下进行的，填充压实后整个金属基体完全结合，所以原轧制棒材表面的折叠在热旋锻的过程中被消除。

旋锻制品的表面尺寸精度和圆度

对热旋锻试样取五个不同的截面，用千分尺测量各截面直径值并记录数据，每个截面测量三次。另外，再测量试样01、02、03、04不同截面的直径值并记录数据。计算出每个旋锻温度下不同压下量的试样平均圆度误差和平均尺寸偏差，分别如表2、表3所示，其中，圆度误差δ＝(dmaxdmin）÷2，dmax为每个测量截面的最大直径，dmin为每个测量截面的最小直径。

经过对原始轧材表面尺寸的测量计算，得出原始轧材的表面尺寸偏差为-0.87455 mm，圆度误差为0.1mm。旋锻后制品的表面尺寸偏差都在0.3mm以下，圆度误差在0.04mm以下。可见，经过旋锻后，棒材的尺寸精度和圆度明显高于原始轧材。

通过表2和表3中的数据还可以发现，随着压下量的增大，旋锻棒材的尺寸偏差也在增大。这主要有以下两点原因：一是在同样的变形力和材料变形抗力条件下，变形量越大，材料在模具型腔的流动能力越小，变形均匀度下降；二是由于压下量越大，变形后金属材料的回弹量也越大。

表2 旋锻后制品的平均尺寸偏差表（单位：mm）

表3 旋锻后制品的圆度误差表（单位：mm）

表4 旋锻制品表面粗糙度Ra平均值表(单位：μm)

旋锻制品表面粗糙度

利用TR200手持粗糙度仪对样品沿着轴线方向进行了表面粗糙度的测量，经过热旋锻加工后弹簧钢棒材表面粗糙度的平均值如表4所示。

原轧材表面粗糙度的平均值是1.998μm，显然，旋锻制品的表面粗糙度要比原轧制直条的表面粗糙度低50%以上。这是由于旋锻过程中采用多个锤头多向锻打，它使坯料被锻部位处于三向压应力状态，有利于提高金属塑性，塑性的提高有利于材料流动，再加上模具型腔较高的表面光洁度，因此旋锻制品的表面粗糙度很小。并且旋锻工艺是高频率脉冲锻打，坯料每次变形量较小，坯料的变形速度也较低，这一特点使坯料变形时金属流动的路径变短，摩擦阻力小，表面受到的摩擦减小，制品表面也就更加光滑。

通过对比表4数据，可以发现随着温度的升高，表面粗糙度减小；随着压下量的增加，表面粗糙度值呈增加趋势。这是因为温度越高，材料的塑性越好，材料流动能力越好，得到的表面也越光洁。压下量的增大，使得材料一次成形体积分配量增大，成形表面难于精整，所以表面粗糙度增大。

结论

本文通过试验的方法对旋锻制品的表面质量进行了研究。试验证明，原轧制棒材经过热旋锻加工后，表面质量能够得到明显提高，主要表现在以下几点：

⑴旋锻加工能够将原始棒材表面的折叠消除，旋锻后制品表面无任何疤痕、折叠、裂纹等缺陷。

⑵原始棒材表面尺寸偏差为-0.87455 mm，圆度误差为0.1mm，热旋锻加工可使制品的尺寸偏差降至0.3mm以下，不圆度降至0.04mm以下。并且随着压下量的增大，旋锻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，而经过旋锻后，棒材表面的粗糙度值都在1μm以下。并且随着温度的升高，表面粗糙度减小；随着压下量的增加，表面粗糙度值呈增加趋势。