特种深筒件热冲压精密成形技术可行性分析

张晋林，陈琼碧

（重庆市恩城予机械设备有限公司，重庆 400052）

我国特种带底深筒件（以下简称深筒件）加工工业是从上世纪50年代，我国发展国民经济第一个五年计划期间，由前苏联援助建设156项重点工程之一，引进仿制技术开始的。50年代末期我国开始在苏联体系的轨道上自行研发，虽然有一些创新，但由于受苏联技术、设计理论的影响，基本模式仍然没有从根本改变。我们的产品是仿制苏联30、40年代产品而成的，我们的生产线是50~70年代时期建立的，我们的加工手段，包括工房，加工设备以及管理体制都处于严重的落后状态。

上世纪80年代中期我国开始和英国A公司奥地利B公司签署155mm某产品项目全系统技术转让合同，开始引进，研制技术、生产设备，同时对我国热加工深筒件加工各厂原有科技、生产线进行改造。

PLL01型155mm系统之一深筒件，是国内研制的第一种采用西方技术的北约制式的深筒件产品，它是我国开始摆脱苏联深筒件加工发展体系，逐步走上独立自主道路，创建中国特色的深筒件研制和理论体系的开端。

1 国内现状简介

深筒件指直径100mm以上的各类深筒件，早期国内深筒件生产厂工艺基本一致，深筒件坯件成形多采用热冲盂—热引伸工艺，典型工艺流程是：圆角方钢—金属带锯切下料—环形转底炉加热或中频感应炉加热—高压水去方坯表面氧化皮—立式水压机按压型工装压型（冲盂）—立式水压机按冲孔工装冲孔—长行程的立式水压机上按多模连引工装引伸（正向拔伸）—定点热检尺寸和壁厚差—冷却—冷检尺寸壁厚差—剔除不合格坯件。

80年代中期以后，各深筒件生产厂分别引进和仿制了多条国外自动化油压机热冲压生产线或改进了部份主机设备，特点是：设备精度高、计算机控制整个工艺流程的控制系统，实现了深筒件成型坯件生产自动化。

虽然取得了一定的成绩，但与国外同类技术相比仍然差距较大，特别是实现深筒件精化毛坯壁厚差控制精度上，目前仍然存在难点，需要不断研究加以解决，这是本文探讨的主要问题。

2 实现热冲压精密成形的必要性

深筒件采用热冲压获得成形毛坯，属于典型的带底深筒件，压型工艺采用压型、冲孔、拔伸的热挤压工艺，引伸后的工件不可避免地产生壁厚差。见图1、图2、图3。

图1 深筒件冲压毛坯合格品

图2 深筒件冲压毛坯不合格品

图3 深筒件冲压毛坯不合格品

深筒件毛坯热冲压壁厚差较大是一个老问题，也是深筒挤压件常见的问题，突出表现在：制品质量差。

国内122mm深筒件毛坯，此深筒件现行工艺材料利用率为41%，壁厚差在3mm~5mm的成品率在96%以下。如将材料利用率由原来的单件产品41%提升至62%，节约原材料13kg。

130mm深筒件毛坯，目前材料利用率仅为48.5%，壁厚差一般为3mm~4mm（最高12mm），废品率为12%。

152mm深筒件成形的坯件壁厚差规定不大于4mm，实际有大到7mm，冲压工序直接废品损失极大，还因壁厚差造成后续机加中废品率较高。据某生产厂统计，连续三年冲压工序良品率平均仅为82.47%，其中壁厚差超差约占90%以上，外坑、内坑等缺陷导致的废品约占10%。

155mm深筒件成形的坯件壁厚差规定不大于4mm，实际冲压生产中因材料硬度高、塑性差，坯件壁厚差质量指标控制难度都大于以上产品品种，多数产品都大于规定值，实际有大到10mm，超过只能做为废品处理。

因受工艺技术条件限制，目前国内多条深筒件热冲压生产线不论是早期的水压机生产线还是后期新增加的油压机生产线，热冲压毛坏都难以达到精密成形壁厚差控制在≤1mm以内的精度范围，毛坯壁厚差较大仍然是制约生产正常进行的主要问题。为保证工序质量，减少废品损失，有的生产厂家采用加大冲压毛坯外径的方法，这样导致下料重量增大。在后续机加工中大量金属变成切屑，不仅造成原材料利用率低下，而且既费工，劳动强度大，生产效率低，成本高，严重影响企业经济效益的提高。

3 造成壁厚差的原因

从工艺上来说影响壁厚差因素较多，归纳主要有以下几个方面。

（1）设备精度低：压机导柱直线度偏差，滑块与工作台面的平行度，十字头滑块与导轨间配合间隙较大，立式拔伸压机强度不足，在产品拔伸过程中机身发生摆动。

（2）工装因素：毛坯和冲孔模中心不重合，或毛坯、冲模的底面和中心线不垂直所致，具体地说，有导向装置未起导向作用（间隙过大导向长度不足）冲子和模子的工作直径与底平面不垂直，毛坯两平面与中心线不垂直。

（3）毛坯加热因素：通常钢的挤压温度在1100℃左右，据现场测温，加热后毛坯每延长一分钟，热损耗大于10%以上，毛坯温度低于终止挤压温度，强行冲压拔伸、产生刺耳噪音很大，不仅会产生壁厚差问题，同时影响模具寿命，甚至发生产品抱死冲头或拔断产品,卡在模具中造成压力机不能回程退出冲头出现停机现象。

（4）润滑剂涂刷不均；润滑直接关系到挤压力，模具寿命和工件表面质量，润滑剂涂刷不均，会产生壁厚差、突耳、口偏斜问题。

（5）氧化皮未清除干净；加热后毛坯表面氧化皮和留在凹模内的氧化皮，尤其是底孔内，会引起壁厚差。还会引起外坑、内坑、拉钩、底厚减小及底厚偏差。此外，氧化皮还会增加模具的磨损。

（6）冲孔工序：冲孔工序钢坯受到自外向内的挤压力加热变形量最大，在反挤变形过程中,随着冲头的压入,钢坯心部组织会在冲头下行过程随着金属流动至冲头表面，金属流动含径向流动和轴向流动，影响壁厚差的主要质量问题在此工序。

（7）冲拔伸工序：冲拔伸工序是使加热毛坯经深冲孔后，通过多模连续变簿引伸，它使外径减小，内径基本不变，长度增加的一种拔长变形工序。坯料拔长的工艺特点是金属毛坯的轴向流动甚大，且毛坯的内外壁与冷金属接触，壁簿且料长，散热面积大，温度降低较快，从而增加了金属流动的困难。

综上所述：造成壁厚差问题这是一个综合因素导致的结果，热冲压的核心问题是怎样控制好加热毛坯金属的径向流动和轴向流动，这对设备、工装模具精度非常重要。因此，在制定工艺时，采取提高金属加热温度，冲孔冲头，冲孔凹模，拔伸冲头和拔模圈预热等措施来解决毛坯的径向流动和轴向流动的问题。加热坯料的温度均匀性和冲压、拔伸过程中的温度变化所产生的局部抗力，导致壁厚差，还需要进一步深入研究探讨。总之，控制好加热始锻，终锻温度是整个热冲压的关键环节。

4 实现热冲压精密成形的技术可行性

4.1 热冲压毛坯粗加工向精密成形化发展是世界各国企业发展的必然趋势

上世纪七十年代以来，美国和西欧等国采用了高精度、高效率的压力机和先进的技术和工艺，成型后的深筒件坯件壁厚差为0.75mm~1.25mm，如比利时的PRB公司在生产155mm深筒件毛坯时，采用温成形工艺，壁厚差控制在1.5mm以内。

我国兵器装备集团总公司“九五”科技预研项目“深筒件毛坯成形技术”（ZZ9615-1）。针对130mm的深筒件毛坯进行专项攻关试验和研究，试验的深筒件产品毛坯壁厚差2.5mm以下的达到90%以上。

为了实现深筒件热冲压精化毛坯大批量生产，黑龙江、辽宁、河南、重庆等生产厂家近几年先后引进和新建了多条生产线，目前仍在不断进行生产改进中。

4.2 国内有相关类似热冲压带底深筒件案例作技术支撑

重庆益民机械厂上世纪九十年代初，在军转民中，根据自身生产技术特点，按照产品结构相近，生产工艺相近和充分利用现有生产能力的原则，发挥自己的优势，选择数种有社会需求，对外出口有自己特色的优势产品，试制开发出了“钢质无缝高压气瓶”系列产品，作为企业支柱民品，其中和某型特种带底深筒件热冲压毛坯产品工艺相似，具有代表性的主要钢质无缝高压气瓶有φ219mm、φ229mm、φ232mm等系列产品，是典型的带底深筒件毛坯，钢质无缝高压气瓶深筒件规格及性能参数见图4。

图4 钢质无缝高压气瓶深筒件冲拔毛坯

钢质无缝高压气瓶在开始试生产过程中，难度最大的仍然是产品的壁厚差质量控制。在开始工艺技术摸索阶段的试生产阶段，工艺流程是：天然气环形炉加热坯料—高压水清除氧化皮—水压机压型—水压机冲孔—机加修偏—中频感应加热—水压机拔伸，因经验不足，壁厚差超差严重，难以控制，产品质量不稳定，导致产量底，废品高，严重时甚至停止生产进行质量攻关。

经过广大科技人员，工人和干部组成攻关组，通过多年的不断反复试验探索，质量攻关，在九十年代中期终于总结探索出了行之有效的热冲压精化毛坯控制壁厚差的成功经验，不仅将无缝高压气瓶热冲压，拔伸毛坯壁厚差控制在≤1mm以内，正常班产良品率质量达到99%，而且改进了生产工艺，取消了压型工序、冲孔以后的机加修偏工序、拔伸中频感应加热工序，改为直接冲孔，拔伸，减少了三道工序，大幅度降低了生产中各项成本。九四年实现了大批量化生产，年产量突破了10万件，标志着热冲压技术提高到一个新水平，这对我们研究实现各类深筒件精密成形控制壁厚差很有重要的借鉴意义和价值。

4.3 实现钢质无缝高压氧气瓶控制壁厚差的主要做法

4.3.1 做好钢坯料的温度控制是整个热冲压加工的前提条件

挤压前毛坯的加热目的主要是提高材料的塑性，降低变形抗力，对于优质碳素结构钢的加热温度范围为870—1250℃，但不同材料，不同形状的钢坯料温度，加热时间都有区别，做到既要保证钢坯加热的均匀性。又要防止钢坯加热温度过热，过热会严重氧化使材料晶粒粗大化，产生脱碳现象，材料性能就会劣化，温度过低则会产生加工硬化组织。钢铁材料在800℃时，氧化皮损耗为0.1kg/㎡，而达到1100℃以上时，氧化皮损耗超过0.6 kg/㎡，只有将钢坯温度控制在最佳状态，在通过高压水时才能将钢坯表面氧化皮顺利清理干净，因此，控制好钢坯温度对热冲压防止壁厚差十分重要。

4.3.2 做好设备维护，保证设备精度是热冲压的关键环节

针对使用的设备主机是上世纪六、七十年代生产的水压机，存在设备老化，故障多，精度差的问题，采取多种措施向老设备挖潜力，要效益，坚持做到两个文明，两个杜绝：坚持做到文明生产，文明操作，把设备维护“三好”“四会”，重要设备的五项纪律要求落到实处。杜绝设备有故障，精度不保证，带病运行，杜绝钢坯温度过底，强行冲压、拔伸造成设备故障等。

4.3.3 先进合理的模具设计和维护管理是热冲压精密成形的重要保证

（1）保证凸模强度，凹模设计可调。凸凹模具设计制造保证具有足够的强度，硬度和韧性。凸模材料选用4Cr5Mosivl，并且越短越好，以避免工作压力下凸模产生纵向弯曲现象。在实际生产中，当发现坯料壁厚差过大时，检查凹模是否偏移中心线是常用方法之一。为便于调整装卸，满足凸凹模同轴度要求，将凹模具设计成可调试的凹模结构形式。

（2）整体式凸模改为分体式。一旦凸模损坏不但模具更换，装卸不便，影响生产效率，而且浪费大量贵重的模具材料，增加成本。因此，把凸模设计成分体式凸模，凸模的接杆座与接杆，接杆与冲头由螺纹连接。在冲孔工序和拔伸工序生产过程中，由于冲头工作环境较恶劣，损坏时只需更换冲头即可，不用对模具进行较大的拆装，减少工作量，提高工作效率。另外，采用分体式还可以提高模具的通用性，对于形状相近工艺相同的零件，只需更换工作部分的模具就能实现快速生产，提高模具设计效率，节约成本。

（3）合理调配冲压工序与拔伸工序模具衔接挤压量。在冲压工序，①适当减少冲孔工件的高度，保证工艺要求的壁厚差，为拔伸工序创造条件；②保证模具自然偏斜精度，控制变形偏斜精度，把两种叠加偏斜精度考虑在受控范围；③快速上料和退料简便自如。在拔伸工序；①合理分配各拉伸凹模的拉伸率；②合理确定拔伸凹模的模具内径；模圈间距，工作宽度和模角度；③确定合理的拉伸凸模尺寸；④合理确定分配辊轮的内径、间距；⑤更换凸凹、辊轮模具零件装卸方便。

（4）采用新材料、新技术，提高模具使用寿命。如拔伸圈最早使用的是球磨铸铁材料，虽然价格便宜，但使用寿命仅500件~1000件左右，改用K3材料后，使用寿命提高到1~2万件，并且拔伸圈在使用磨损后的小尺寸工作带经过加工可以重复利用，能够做为较大工作带拔伸圈使用，提高了模具材料利用率。

拔伸冲头选取用35CrMnSiA钢，早先经常规热处量多次改进工艺始终提不高使用寿命，通过离子渗氮摸索工艺，使冲头表面获得y1cF-（?）N)单相化合物层，提高了热疲劳性和耐磨硬度，并使其工作表面具有一定的光洁度，平滑流畅，使用寿命由过去的2000件左右提高到1万件以上。

（5）优化冷却系统设计。针对冲孔凹模经常发生变形开裂的问题；为保证冲孔凹模有足够的强度，硬度和韧性，在满足更换装卸方便，牢固可靠条件下，冲孔凹模采用在凹模预应力圈中开设冷水槽的模内螺旋循环冷却方法，有效提高了凹模使用寿命。

（6）加强模具的使用与维护管理。首先必须使冲压模具的中心与压力机的滑块的中心线相重合。这项工作必须做到和设备检测同步进行，否则在冲压时会使冲压模具与压力机滑块歪斜，引起凹凸模间隙的不均和导向零件的加速磨损，影响压力机精度，造成冲压产品壁厚差。其次，模具在使用过程中，为了保证具有较好韧性，必须在使用前对模具进行充分的预热。为此设计了了专用的预热加热器，预热到200℃~250℃左右，减少了模具与坯料之间的温差，防止了裂纹的产生，进而达到了延长模具使用寿命的目的。对于工件而言，避免由于表面急冷，使得表面温度与中心温度差增大，出现温度不均匀的情况，使变形不均匀，出现壁厚差情况。再者，加强对模具的润滑和冷却，为防止在生产中不能顺利退料，闷车停机和拔伸冲头变形弯曲现象，必须做好润滑和冷却工作，比如采用高纯度，细分子的水基石墨乳，可减少摩擦系数，变形抗力下降30%~40%，减轻了模具的磨损，防止了产品在拔伸后退料引起的变形。同时，为防止模具温度过高，所有热冲凸凹模具均采用内外冷却措施，做到冷却效果与模具升温效果相平衡，生产实践证明，正确而有效的润滑与冷却对提高模具的使用寿命非常重要。

4.3.4 改进工艺，优化冲压、拔伸方式

随着技术不断掌握成熟，将原来冲孔工序的压型、冲孔两道工序改为一次性直接冲孔成形，有效减少了钢坯在线滞留的热损失。拔伸工序改进拨伸方式，采取措施保证压机有足够的刚性和稳定性，采取反向冲压拔伸方法和辊轮挤压装置，对深筒件坯料进行均匀挤压修正壁厚差，这样既保证了坯料在拔伸过程的壁厚差控制，又满足了产品表面经过辊轮装置挤压，使表面光滑无拉沟和外坑现象。

实践证明；采用先进科学的热冲压工艺方式，是保证冲压深简件达到精密成型的关键所在，也是热冲压选用设备，成型模具设计的重要技术前提。

5 结论与建议

（1）深筒件热冲压精密成形达到指标的核心是，提高材料利用率，实现取消机加粗车修偏外形工序，降低综合成本的目的。实现热冲压精密成形，潜力大、效益高，据不完全统计；各类深筒件，下料毛坯一般以满足毛坯成型后壁厚差5mm进行备料，为保证良品率不低于96%，减少因壁厚差造成的废品损失，针对不同深筒件实际备料放大到7mm~10mm。若将122mm深筒件材料利用率由原来的41%提升至62%，节约原材料13Kg ，130mm深筒件材料利用率由原来的48.5%提升至64%，节约原材料12Kg，并使得单件深筒件可减少机加工工时达1.5小时，对于152mm深筒件和155mm深筒件节约效果更为显著，按每件产品节省原材料最底12Kg计算，年产10万件可节约材料1200吨，某型155mm深筒件材料费每吨7000多元，加上能源、工装消耗，设备维护、人员管理费等，总体效益可观，对提高企业经济效益有着重要的现实意义。

高压无缝气瓶深筒件热冲压毛坯实现精密成形的案例，从工艺流程、材料重量、工件规格、设计壁厚都具有产品类似实际参考价值，重要的是热冲压精密成形工艺技术经过生产规模化、批量化多年实际验证，证明该工艺技术方法是可行的、有效的，具备稳定性、技术成熟，产品质量技术指标符合GB5099标准和质量体系ISO9001认证。

据有关资料介绍；带底深筒件壁厚差控制在≤1.25mm或1.5mm以内，是目前发达国家先进水平，近几年国家有关部门在审批立项和各深筒件生产厂家,在新建或改建的热冲压深筒件生产线项目,均把控制壁厚差指标≤1mm,作为重要考核验收的指标之一,我们热冲压钢质无缝气瓶深筒件壁厚差控制在≤1mm以内是经过大批量生产实际验证的。我们的“冲压拔伸辊轮挤压”方法，工艺技术是很先进的，是有自身独特优势的，该技术还可用于其它产品。因此，提出特种各类带底深筒件按冲压精密成形壁厚差控制指标≤1mm是有参照指标和技术支撑依据的，也是今后通过不断进行技术攻关完全可能实现的。

（2）优化单件生产节拍，提升生产效率。要对整个生产线进行持续不断技术改造优化，生产线工序运行轨迹优化，应基于每个工序之间的均衡为前提，对运行轨迹等待位置尽可能缩短生产节拍，这对热加工产品十分重要，俗话说“乘热打铁”指的就是要快，这是因为温度下降10%~20%℃坯料的拉伸强度就是会上升10%~20%，直接导致整个冲压、拔伸的负荷上升。

目前国内特种深筒件生产厂家新建的热冲压生产线，基本上采用坯料感应加热，加热能量密度高，能均匀快速加热，热效率可达65%，氧化皮损耗在0.5%以下。但坯料与感应线圈内径之间的间隙如果不一致，也会使被加热的坯料温度不均匀，硬度参差不齐。还有在用电高峰段，电压不足也会造成坯料加热效果降低。主机采用油压机热冲压、拔伸、自动化控制的生产线，存在节拍时间较长，单件节拍在2.5~3分钟，实践证明在线产品滞留时间较长，热损耗较大，这也是造成壁厚差控制难的原因之一。根据生产实践，把单件热冲压产品节拍控制在1~1.5分钟内较为理想。

组织热冲压工艺流水线生产的难点就是任何一个细节故障点的发生，都会造成整个生产线的停机运行。使经过加热在线滞留的坯料产品温度迅速降低，恢复生产，又重新加热，这种反复加热给组织生产带来很大的困难。因此，在优化单件生产节拍，改进工艺流水线的过程中，要求工艺成熟，设备控制系统要安全可靠，工位动作要简化实用，尽量减少故障点。

缩短生产节拍，对节能降耗有着显著的效果，在热锻成本构成中，能耗占6%~11%，其中精密热模锻件能耗占6%~8%，普通热模锻件能耗占9%~11%，如把现行工艺流程生产单件产品节拍控制在1~1.5分钟，预计总能耗将降低40%左右。

（3）将周期预防维修及改善改进进行有机结合，由事后维护逐步向事前计划检修过渡。可通过三个方面来开展；①做好日常保养，②利用产品质量统计分析技术，③学习应用先进的PM、TPM预防性维护方法。