汽車(chē)制造工藝——鍛造

2016-10-18 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

鍛造在中國(guó)有著悠久的歷史,它是以手工作坊的生產(chǎn)方式延續(xù)下來(lái)的。大概是在20世紀(jì)初。它才逐漸以機(jī)械工業(yè)化的生產(chǎn)方式出現(xiàn)在鐵路、兵工、造船等行業(yè)中。這種轉(zhuǎn)變的主要標(biāo)志就是使用了鍛造能力強(qiáng)大的機(jī)器。

圖1 鍛造

在汽車(chē)制造過(guò)程中,廣泛地采用鍛造的加工方法。隨著科技的進(jìn)步,對(duì)工件精度要求的不斷提高,具有高效率、低成本、低能耗、高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)的精密鍛造技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。依據(jù)金屬塑性成形時(shí)的變形溫度不同,精密冷鍛成形可分為冷鍛成形、溫度成形、亞熱鍛成形、熱精鍛成形等,生產(chǎn)的汽車(chē)零部件包括:汽車(chē)離合器接合齒圈、汽車(chē)變速器的輸入軸零件、軸承圈、汽車(chē)等速萬(wàn)向節(jié)滑套系列產(chǎn)品、汽車(chē)差速器齒輪、汽車(chē)前軸等。

圖2 常見(jiàn)的汽車(chē)鍛造件

一、鍛造的定義和分類(lèi)

1、鍛造的定義

鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力,使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法,鍛壓(鍛造與沖壓)的兩大組成部分之一。

通過(guò)鍛造能消除金屬在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷,優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu),同時(shí)由于保存了完整的金屬流線,鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。相關(guān)機(jī)械中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零件,除形狀較簡(jiǎn)單的可用軋制的板材、型材或焊接件外,多采用鍛件。

2、鍛造的分類(lèi)

按照生產(chǎn)工具不同,可以將鍛造技術(shù)分成自由鍛造,模塊鍛造,碾環(huán)和特種鍛造。

自由鍛:指用簡(jiǎn)單的通用性工具,或在鍛造設(shè)備的上、下砧鐵之間直接對(duì)坯料施加外力,使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需的幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方法。

模鍛:指金屬坯料在具有一定形狀的鍛模膛內(nèi)受壓變形而獲得鍛件。模鍛可分為熱模鍛、溫鍛和冷鍛。溫鍛和冷鍛是模鍛的未來(lái)發(fā)展方向,也代表了鍛造技術(shù)水平的高低。

碾環(huán):指通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備碾環(huán)機(jī)生產(chǎn)不同直徑的環(huán)形零件,也用來(lái)生產(chǎn)汽車(chē)輪轂、火車(chē)車(chē)輪等輪形零件。

特種鍛造:包括輥鍛、楔橫軋、徑向鍛造、液態(tài)模鍛等鍛造方式,這些方式都比較適用于生產(chǎn)某些特殊形狀的零件。例如,輥鍛可以作為有效的預(yù)成形工藝,大幅降低后續(xù)的成形壓力;楔橫軋可以生產(chǎn)鋼球、傳動(dòng)軸等零件;徑向鍛造則可以生產(chǎn)大型的炮筒、臺(tái)階軸等鍛件。

按照鍛造溫度,可以將鍛造技術(shù)分為熱鍛、溫鍛和冷鍛。

鋼的開(kāi)始再結(jié)晶溫度約727℃,但普遍采用800℃作為劃分線,高于800℃的是熱鍛;在300~800℃之間稱為溫鍛或半熱鍛,在室溫下進(jìn)行鍛造的稱為冷鍛。用于大多數(shù)行業(yè)的鍛件都是熱鍛,溫鍛和冷鍛主要用于汽車(chē)、通用機(jī)械等零件的鍛造,溫鍛和冷鍛可以有效的節(jié)材。

根據(jù)鍛模的運(yùn)動(dòng)方式,鍛造又可分為擺輾、擺旋鍛、輥鍛、楔橫軋、輾環(huán)和斜軋等方式。

3、鍛造用料

鍛造用料主要是各種成分的碳素鋼和合金鋼,其次是鋁、鎂、銅、鈦等及其合金,鐵基高溫合金,鎳基高溫合金,鈷基高溫合金的變形合金也采用鍛造或軋制方式完成,只是這些合金由于其塑性區(qū)相對(duì)較窄,所以鍛造難度會(huì)相對(duì)較大,不同材料的加熱溫度,開(kāi)鍛溫度與終鍛溫度都有嚴(yán)格的要求。

材料的原始狀態(tài)有棒料、鑄錠、金屬粉末和液態(tài)金屬。金屬在變形前的橫斷面積與變形后的橫斷面積之比稱為鍛造比。

正確地選擇鍛造比、合理的加熱溫度及保溫時(shí)間、合理的始鍛溫度和終鍛溫度、合理的變形量及變形速度對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本有很大關(guān)系。

二、常用的鍛造方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

1. 自由鍛

自由鍛是指用簡(jiǎn)單的通用性工具,或在鍛造設(shè)備的上、下砧鐵之間直接對(duì)坯料施加外力,使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需的幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方法。采用自由鍛方法生產(chǎn)的鍛件稱為自由鍛件。

圖3 自由鍛

自由鍛都是以生產(chǎn)批量不大的鍛件為主,采用鍛錘、液壓機(jī)等鍛造設(shè)備對(duì)坯料進(jìn)行成形加工,獲得合格鍛件。自由鍛的基本工序包括鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、切割、彎曲、扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)移及鍛接等。自由鍛采取的都是熱鍛方式。

自由鍛造工序

包括基本工序、輔助工序、精整工序。

自由鍛造的基本工序:鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、彎曲、切割、扭轉(zhuǎn)、錯(cuò)移及鍛接等,而實(shí)際生產(chǎn)中最常用的是鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔這三種工序。

輔助工序:預(yù)先變形工序,如壓鉗口、壓鋼錠棱邊、切肩等。

精整工序:減少鍛件表面缺陷的工序,如清除鍛件表面凹凸不平及整形等。

圖4 鐓粗

圖5 拔長(zhǎng)

圖6 沖孔

優(yōu)點(diǎn):

鍛造靈活性大,可以生產(chǎn)不足100kg的小件,也可以生產(chǎn)大至300t以上的重型件;
所用工具為簡(jiǎn)單的通用工具;
鍛件成形是使坯料分區(qū)域逐步變形,因而,鍛造同樣鍛件所需鍛造設(shè)備的噸位比模型鍛造要小得多;
對(duì)設(shè)備的精度要求低;
生產(chǎn)周期短。

缺點(diǎn)及局限性:

生產(chǎn)效率比模型鍛造低得多;
鍛件形狀簡(jiǎn)單、尺寸精度低、表面粗糙;工人勞動(dòng)強(qiáng)度高,而且要求技術(shù)水平也高;
不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

2. 模鍛

模鍛是指在專(zhuān)用模鍛設(shè)備上利用模具使毛坯成型而獲得鍛件的鍛造方法。此方法生產(chǎn)的鍛件尺寸精確,加工余量較小,結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜生產(chǎn)率高。

圖7 模鍛

按所用設(shè)備的不同分類(lèi):錘上模鍛、曲柄壓力機(jī)模鍛、平鍛機(jī)上模鍛及摩擦壓力機(jī)上模鍛等。

錘上模鍛最常用的設(shè)備是蒸汽-空氣模鍛錘、無(wú)砧座錘和高速錘等。

鍛模模膛:

根據(jù)其功用不同可分為模鍛模膛和制坯模膛兩大類(lèi)。

圖8 錘上模鍛所用的鍛模(1—錘頭;2—上模;3—飛邊槽;4—下模;5—模墊;6,7,10—緊固楔鐵;8—分模面;9—模膛)

1)模鍛模膛

(1) 預(yù)鍛模膛:

預(yù)鍛模膛的作用是使毛坯變形到接近于鍛件的形狀和尺寸,這樣在進(jìn)行終鍛時(shí),金屬容易填滿模膛而獲得鍛件所需要的尺寸。對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的鍛件或批量不大時(shí)可不設(shè)預(yù)鍛模膛。預(yù)鍛模膛的圓角和斜度要比終鍛模膛大得多,而且沒(méi)有飛邊槽。

(2) 終鍛模膛:

終鍛模膛的作用是使毛坯最后變形到鍛件所要求的形狀和尺寸,因此,它的形狀應(yīng)和鍛件的形狀相同;但因鍛件冷卻時(shí)要收縮,故終鍛模膛的尺寸應(yīng)比鍛件尺寸放大一個(gè)收縮量。鋼鍛件收縮量取1.5%。另外,沿模膛四周有飛邊槽,用以增加金屬?gòu)哪Ｌ胖辛鞒龅淖枇?促使金屬充滿模膛,同時(shí)容納多余的金屬。

2)制坯模膛

對(duì)于形狀復(fù)雜的鍛件,為了使毛坯形狀基本符合鍛件形狀,以便使金屬能合理分布和很好地充滿模膛,就必須預(yù)先在制坯模膛內(nèi)制坯。

圖9 彎曲連桿鍛造過(guò)程

(1) 拔長(zhǎng)模膛:

它是用來(lái)減少毛坯某部分的橫截面積,以增加該部分的長(zhǎng)度。拔長(zhǎng)模膛分為開(kāi)式和閉式兩種。

圖10 拔長(zhǎng)模膛:(a)開(kāi)式;(b)閉式

(2) 滾壓模膛:

它是用來(lái)減少毛坯某一部分的橫截面積,以增加另一部分的橫截面積,從而使金屬按鍛件形狀來(lái)分布。滾壓模膛分為開(kāi)式和閉式兩種。

圖11 滾壓模膛:(a)開(kāi)式;(b)閉式

(3) 彎曲模膛:

對(duì)于彎曲的桿類(lèi)模鍛件,需用彎曲模膛來(lái)彎曲毛坯。

圖12 彎曲模膛

(4)切斷模膛:

它是在上模與下模的角上組成一對(duì)刀口,用來(lái)切斷金屬。

圖13 切斷模膛

優(yōu)點(diǎn):

生產(chǎn)效率較高。模鍛時(shí),金屬的變形在模膛內(nèi)進(jìn)行,故能較快獲得所需形狀;
能鍛造形狀復(fù)雜的鍛件,并可使金屬流線分布更為合理,提高零件的使用壽命;
模鍛件的尺寸較精確,表面質(zhì)量較好,加工余量較小;
節(jié)省金屬材料,減少切削加工工作量。
在批量足夠的條件下,能降低零件成本。

缺點(diǎn)及局限性:

模鍛件的重量受到一般模鍛設(shè)備能力的限制,大多在7OKg以下;
鍛模的制造周期長(zhǎng)、成本高;
模鍛設(shè)備的投資費(fèi)用比自由鍛大。

3.輥鍛

輥鍛是指用一對(duì)相向旋轉(zhuǎn)的扇形模具使坯料產(chǎn)生塑性變形,從而獲得所需鍛件或鍛坯的鍛造工藝。

圖14 輥鍛示意圖

輥鍛變形原理如上所示。輥鍛變形是復(fù)雜的三維變形。大部分變形材料沿著長(zhǎng)度方向流動(dòng)使坯料長(zhǎng)度增加,少部分材料橫向流動(dòng)使坯料寬度增加。輥鍛過(guò)程中坯料根截面面積不斷減小。輥鍛適用于軸類(lèi)件拔長(zhǎng),板坯輾片及沿長(zhǎng)度方向分配材料等變形過(guò)程。

輥鍛可用于生產(chǎn)連桿﹑麻花鉆頭﹑扳手﹑道釘﹑鋤﹑鎬和透平葉片等。輥鍛工藝?yán)密堉瞥尚卧碇鸩降厥姑髯冃巍?/span>

與普通模鍛相比﹐輥鍛具有設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單﹑生產(chǎn)平穩(wěn)﹑振動(dòng)和噪音小﹐便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化﹑生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

4、胎模鍛

胎模鍛是采用自由鍛方法制坯,然后在胎模中最后成形的一種鍛造方法,是介于自由鍛與模鍛之間的一種鍛造方法。在模鍛設(shè)備較少,大部為自由鍛錘中小型企業(yè)應(yīng)用普遍。

胎模鍛使用胎模的種類(lèi)很多,生產(chǎn)中常用的有:型摔,扣模,套模、墊模,合模等。

圖15 扣模

圖16 開(kāi)式筒模:(a)整體筒模;(b)鑲塊筒模;(c)帶墊模筒模

圖17 閉式筒模

閉式筒模多用于回轉(zhuǎn)體鍛件的鍛造。如兩端面帶凸臺(tái)的齒輪等,有時(shí)也用于非回轉(zhuǎn)體鍛件的鍛造。閉式筒模鍛造屬無(wú)飛邊鍛造。

對(duì)于形狀復(fù)雜的胎模鍛件,則需在筒模內(nèi)再加兩個(gè)半模(即增加一個(gè)分模面)制成組合筒模,毛坯在由兩個(gè)半模組成的模膛內(nèi)成形。

圖18 組合筒模(1—筒模;2—右半模;3—沖頭;4—左半模;5—鍛件)

圖19 合模

合膜通常由上下模兩部分組成。為了使上下模吻合及不使鍛件產(chǎn)生錯(cuò)移,經(jīng)常用導(dǎo)柱和導(dǎo)銷(xiāo)定位。合模多用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜的非回轉(zhuǎn)體鍛件,如連桿、叉形鍛件等。

胎模鍛與自由鍛相比有如下優(yōu)點(diǎn) :

由于坯料在模膛內(nèi)成形,所以鍛件尺寸比較精確,表面比較光潔,流線組織的分布比較合理,所以質(zhì)量較高;
胎模鍛能鍛出形狀比較復(fù)雜的鍛件;由于鍛件形狀由模膛控制,所以坯料成形較快,生產(chǎn)率比自由鍛高1~5倍;
余塊少,因而加工余量較小,既可節(jié)省金屬材料,又能減少機(jī)加工工時(shí)。

缺點(diǎn)及局限性:

需要噸位較大的鍛錘;
只能生產(chǎn)小型鍛件;
胎模的使用壽命較低;
工作時(shí)一般要靠人力搬動(dòng)胎模,因而勞動(dòng)強(qiáng)度較大;
胎模鍛用于生產(chǎn)中、小批量的鍛件。

三、鍛造缺陷及分析

鍛造用的原材料為鑄錠、軋材、擠材及鍛坯。而軋材、擠材及鍛坯分別是鑄錠經(jīng)軋制、擠壓及鍛造加工成的半成品。一般情況下,鑄錠的內(nèi)部缺陷或表面缺陷的出現(xiàn)有時(shí)是不可避免的。再加上在鍛造過(guò)程中鍛造工藝的不當(dāng),最終導(dǎo)致鍛件中含有缺陷。以下簡(jiǎn)單介紹一些鍛件中常見(jiàn)的缺陷。

1. 由于原材料的缺陷造成的鍛件缺陷通常有:

表面裂紋

表面裂紋多發(fā)生在軋制棒材和鍛制棒材上,一般呈直線形狀,和軋制或鍛造的主變形方向一致。造成這種缺陷的原因很多,例如鋼錠內(nèi)的皮下氣泡在軋制時(shí)一面沿變形方向伸長(zhǎng),一面暴露到表面上和向內(nèi)部深處發(fā)展。又如在軋制時(shí),坯料的表面如被劃傷,冷卻時(shí)將造成應(yīng)力集中,從而可能沿劃痕開(kāi)裂等等。這種裂紋若在鍛造前不去掉,鍛造時(shí)便可能擴(kuò)展引起鍛件裂紋。

折疊

折疊形成的原因是當(dāng)金屬坯料在軋制過(guò)程中,由于軋輥上的型槽定徑不正確,或因型槽磨損面產(chǎn)生的毛刺在軋制時(shí)被卷入,形成和材料表面成一定傾角的折縫。對(duì)鋼材,折縫內(nèi)有氧化鐵夾雜,四周有脫碳。折疊若在鍛造前不去掉,可能引起鍛件折疊或開(kāi)裂。

結(jié)疤

結(jié)疤是在軋材表面局部區(qū)域的一層可剝落的薄膜。

結(jié)疤的形成是由于澆鑄時(shí)鋼液飛濺而凝結(jié)在鋼錠表面,軋制時(shí)被壓成薄膜,貼附在軋材的表面,即為結(jié)疤。鍛后鍛件經(jīng)酸洗清理,薄膜將會(huì)剝落而成為鍛件表面缺陷。

層狀斷口

層狀斷口的特征是其斷口或斷面與折斷了的石板、樹(shù)皮很相似。

層狀斷口多發(fā)生在合金鋼(鉻鎳鋼、鉻鎳鎢鋼等),碳鋼中也有發(fā)現(xiàn)。這種缺陷的產(chǎn)生是由于鋼中存在的非金屬夾雜物、枝晶偏析以及氣孔疏松等缺陷,在鍛、軋過(guò)程中沿軋制方向被拉長(zhǎng),使鋼材呈片層狀。如果雜質(zhì)過(guò)多,鍛造就有分層破裂的危險(xiǎn)。層狀斷口越嚴(yán)重,鋼的塑性、韌性越差,尤其是橫向力學(xué)性能很低,所以鋼材如具有明顯的層片狀缺陷是不合格的

亮線(亮區(qū))

亮線是在縱向斷口上呈現(xiàn)結(jié)晶發(fā)亮的有反射能力的細(xì)條線,多數(shù)貫穿整個(gè)斷口,大多數(shù)產(chǎn)生在軸心部分。

亮線主要是由于合金偏析造成的。輕微的亮線對(duì)力學(xué)性能影響不大,嚴(yán)重的亮線將明顯降低材料的塑性和韌性。

非金屬夾雜

非金屬夾雜物主要是熔煉或澆鑄的鋼水冷卻過(guò)程中由于成分之間或金屬與爐氣、容器之間的化學(xué)反應(yīng)形成的。另外,在金屬熔煉和澆鑄時(shí),由于耐火材料落入鋼液中,也能形成夾雜物,這種夾雜物統(tǒng)稱夾渣。在鍛件的橫斷面上,非金屬夾雜可以呈點(diǎn)狀、片狀、鏈狀或團(tuán)塊狀分布。嚴(yán)重的夾雜物容易引起鍛件開(kāi)裂或降低材料的使用性能。

碳化物偏析

碳化物偏析經(jīng)常在含碳高的合金鋼中出現(xiàn)。其特征是在局部區(qū)域有較多的碳化物聚集。它主要是鋼中的萊氏體共晶碳化物和二次網(wǎng)狀碳化物,在開(kāi)坯和軋制時(shí)未被打碎和均勻分布造成的。碳化物偏析將降低鋼的鍛造變形性能,易引起鍛件開(kāi)裂。鍛件熱處理淬火時(shí)容易局部過(guò)熱、過(guò)燒和淬裂。

鋁合金氧化膜

鋁合金氧化膜一般多位于模鍛件的腹板上和分模面附近。在低倍組織上呈微細(xì)的裂口,在高倍組織上呈渦紋狀,在斷口上的特征可分兩類(lèi):其一,呈平整的片狀,顏色從銀灰色、淺黃色直至褐色、暗褐色;其二,呈細(xì)小密集而帶閃光的點(diǎn)狀物。

鋁合金氧化膜是熔鑄過(guò)程中敞露的熔體液面與大氣中的水蒸氣或其它金屬氧化物相互作用時(shí)所形成的氧化膜在轉(zhuǎn)鑄過(guò)程中被卷人液體金屬的內(nèi)部形成的。

鍛件和模鍛件中的氧化膜對(duì)縱向力學(xué)性能無(wú)明顯影響,但對(duì)高度方向力學(xué)性能影響較大,它降低了高度方向強(qiáng)度性能,特別是高度方向的伸長(zhǎng)率、沖擊韌度和高度方向抗腐蝕性能

白點(diǎn)

白點(diǎn)的主要特征是在鋼坯的縱向斷口上呈圓形或橢圓形的銀白色斑點(diǎn),在橫向斷口上呈細(xì)小的裂紋。白點(diǎn)的大小不一,長(zhǎng)度由1~20mm或更長(zhǎng)。白點(diǎn)在鎳鉻鋼、鎳鉻鉬鋼等合金鋼中常見(jiàn),普通碳鋼中也有發(fā)現(xiàn),是隱藏在內(nèi)部的缺陷。白點(diǎn)是在氫和相變時(shí)的組織應(yīng)力以及熱應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的,當(dāng)鋼中含氫量較多和熱壓力加工后冷卻(或鍛后熱處理)太快時(shí)較易產(chǎn)生。

用帶有白點(diǎn)的鋼鍛造出來(lái)的鍛件,在熱處理時(shí)(淬火)易發(fā)生龜裂,有時(shí)甚至成塊掉下。白點(diǎn)降低鋼的塑性和零件的強(qiáng)度,是應(yīng)力集中點(diǎn),它像尖銳的切刀一樣,在交變載荷的作用下,很容易變成疲勞裂紋而導(dǎo)致疲勞破壞。所以鍛造原材料中絕對(duì)不允許有白點(diǎn)。

粗晶環(huán)

粗晶環(huán)常常是鋁合金或鎂合金擠壓棒材上存在的缺陷。

經(jīng)熱處理后供應(yīng)的鋁、鎂合金的擠壓棒材,在其圓斷面的外層常常有粗晶環(huán)。粗晶環(huán)的厚度,由擠壓時(shí)的始端到末端是逐漸增加的。若擠壓時(shí)的潤(rùn)滑條件良好,則在熱處理后可以減小或避免粗晶環(huán)。反之,環(huán)的厚度會(huì)增加。

粗晶環(huán)的產(chǎn)生原因與很多因素有關(guān)。但主要因素是由于擠壓過(guò)程中金屬與擠壓筒之間產(chǎn)生的摩擦。這種摩擦致使擠出來(lái)的棒材橫斷面的外表層晶粒要比棒材中心處晶粒的破碎程度大得多。但是由于筒壁的影響,此區(qū)溫度低,擠壓時(shí)未能完全再結(jié)晶,淬火加熱時(shí)未再結(jié)晶的晶粒再結(jié)晶并長(zhǎng)大吞并已經(jīng)再結(jié)晶的晶粒,于是在表層形成了粗晶環(huán)。

有粗晶環(huán)的坯料鍛造時(shí)容易開(kāi)裂,如粗晶環(huán)保留在鍛件表層,則將降低零件的性能。

縮管殘余

縮管殘余一般是由于鋼錠冒口部分產(chǎn)生的集中縮孔未切除干凈,開(kāi)坯和軋制時(shí)殘留在鋼材內(nèi)部而產(chǎn)生的。

縮管殘余附近區(qū)域一般會(huì)出現(xiàn)密集的夾雜物、疏松或偏析。在橫向低倍中呈不規(guī)則的皺折的縫隙。鍛造時(shí)或熱處理時(shí)易引起鍛件開(kāi)裂。

2. 備料不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷及其對(duì)鍛件的影響

備料不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷有以下幾種。

切斜

切斜是在鋸床或沖床上下料時(shí),由于未將棒料壓緊,致使坯料端面相對(duì)于縱軸線的傾斜量超過(guò)了規(guī)定的許可值。嚴(yán)重的切斜,可能在鍛造過(guò)程中形成折疊。

坯料端部彎曲并帶毛刺

在剪斷機(jī)或沖床上下料時(shí),由于剪刀片或切斷模刃口之間的間隙過(guò)大或由于刃口不銳利,使坯料在被切斷之前已有彎曲,結(jié)果部分金屬被擠人刀片或模具的間隙中,形成端部下垂毛刺。

有毛刺的坯料,加熱時(shí)易引起局部過(guò)熱、過(guò)燒,鍛造時(shí)易產(chǎn)生折疊和開(kāi)裂。

坯料端面凹陷

在剪床上下料時(shí),由于剪刀片之間的間隙太小,金屬斷面上、下裂紋不重合,產(chǎn)生二次剪切,結(jié)果部分端部金屬被拉掉,端面成凹陷狀。這樣的坯料鍛造時(shí)易產(chǎn)生折疊和開(kāi)裂。

端部裂紋

在冷態(tài)剪切大斷面合金鋼和高碳鋼棒料時(shí),常常在剪切后3~4h發(fā)現(xiàn)端部出現(xiàn)裂紋。主要是由于刀片的單位壓力太大,使圓形斷面的坯料壓扁成橢圓形,這時(shí)材料中產(chǎn)生了很大的內(nèi)應(yīng)力。而壓扁的端面力求恢復(fù)原來(lái)的形狀,在內(nèi)應(yīng)力的作用下則常在切料后的幾小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)裂紋。材料硬度過(guò)高、硬度不均和材料偏析較嚴(yán)重時(shí)也易產(chǎn)生剪切裂紋。

有端部裂紋的坯料,鍛造時(shí)裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展。

氣割裂紋

氣割裂紋一般位于坯料端部,是由于氣割前原材料沒(méi)有預(yù)熱,氣割時(shí)產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的。

有氣割裂紋的坯料,鍛造時(shí)裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展。因此鍛前應(yīng)予以預(yù)先清除。

凸芯開(kāi)裂

車(chē)床下料時(shí),在棒料端面的中心部位往往留有凸芯。鍛造過(guò)程中,由于凸芯的斷面很小,冷卻很快,因而其塑性較低,但坯料基體部分?jǐn)嗝娲?冷卻慢,塑性高。因此,在斷面突變交接處成為應(yīng)力集中的部位,加之兩部分塑性差異較大,故在錘擊力的作用下,凸芯的周?chē)菀自斐砷_(kāi)裂。

3. 加熱工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷

加熱不當(dāng)所產(chǎn)生的缺陷可分為:

(1)介質(zhì)影響使坯料外層組織化學(xué)狀態(tài)變化而引起的缺陷,如氧化、脫碳、增碳和滲硫、滲銅等;

(2)由內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的異常變化引起的缺陷,如過(guò)熱、過(guò)燒和未熱透等;

(3)由于溫度在坯料內(nèi)部分布不均,引起內(nèi)應(yīng)力(如溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力)過(guò)大而產(chǎn)生的坯料開(kāi)裂等。

下面介紹其中幾種常見(jiàn)的缺陷。

脫碳

脫碳是指金屬在高溫下表層的碳被氧化,使得表層的含碳量較內(nèi)部有明顯降低的現(xiàn)象。

脫碳層的深度與鋼的成分、爐氣的成分、溫度和在此溫度下的保溫時(shí)間有關(guān)。采用氧化性氣氛加熱易發(fā)生脫碳,高碳鋼易脫碳,含硅量多的鋼也易脫碳。

脫碳使零件的強(qiáng)度和疲勞性能下降,磨損抗力減弱。

增碳

經(jīng)油爐加熱的鍛件,常常在表面或部分表面發(fā)生增碳現(xiàn)象。有時(shí)增碳層厚度達(dá)1.5~1.6mm,增碳層的含碳量達(dá)1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右,局部點(diǎn)含碳量甚至超過(guò)2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),出現(xiàn)萊氏體組織。

這主要是在油爐加熱的情況下,當(dāng)坯料的位置靠近油爐噴嘴或者就在兩個(gè)噴嘴交叉噴射燃油的區(qū)域內(nèi)時(shí),由于油和空氣混合得不太好,因而燃燒不完全,結(jié)果在坯料的表面形成還原性的滲碳?xì)夥?從而產(chǎn)生表面增碳的效果。

增碳使鍛件的機(jī)械加工性能變壞,切削時(shí)易打刀。

過(guò)熱

過(guò)熱是指金屬坯料的加熱溫度過(guò)高,或在規(guī)定的鍛造與熱處理溫度范圍內(nèi)停留時(shí)間太長(zhǎng),或由于熱效應(yīng)使溫升過(guò)高而引起的晶粒粗大現(xiàn)象。

碳鋼(亞共析或過(guò)共析鋼)過(guò)熱之后往往出現(xiàn)魏氏組織。馬氏體鋼過(guò)熱之后,往往出現(xiàn)晶內(nèi)織構(gòu),工模具鋼往往以一次碳化物角狀化為特征判定過(guò)熱組織。鈦合金過(guò)熱后,出現(xiàn)明顯的β相晶界和平直細(xì)長(zhǎng)的魏氏組織。合金鋼過(guò)熱后的斷口會(huì)出現(xiàn)石狀斷口或條狀斷口。過(guò)熱組織,由于晶粒粗大,將引起力學(xué)性能降低,尤其是沖擊韌度。

一般過(guò)熱的結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過(guò)正常熱處理(正火、淬火)之后,組織可以改善,性能也隨之恢復(fù),這種過(guò)熱常被稱之為不穩(wěn)定過(guò)熱;而合金結(jié)構(gòu)鋼的嚴(yán)重過(guò)熱經(jīng)一般的正火(包括高溫正火)、退火或淬火處理后,過(guò)熱組織不能完全消除,這種過(guò)熱常被稱之為穩(wěn)定過(guò)熱。

過(guò)燒

過(guò)燒是指金屬坯料的加熱溫度過(guò)高或在高溫加熱區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),爐中的氧及其它氧化性氣體滲透到金屬晶粒間的空隙,并與鐵、硫、碳等氧化,形成了易熔的氧化物的共晶體,破壞了晶粒間的聯(lián)系,使材料的塑性急劇降低。過(guò)燒嚴(yán)重的金屬,撤粗時(shí)輕輕一擊就裂,拔長(zhǎng)時(shí)將在過(guò)燒處出現(xiàn)橫向裂紋。

過(guò)燒與過(guò)熱沒(méi)有嚴(yán)格的溫度界線。一般以晶粒出現(xiàn)氧化及熔化為特征來(lái)判斷過(guò)燒。對(duì)碳鋼來(lái)說(shuō),過(guò)燒時(shí)晶界熔化、嚴(yán)重氧化工模具鋼(高速鋼、Cr12型鋼等)過(guò)燒時(shí),晶界因熔化而出現(xiàn)魚(yú)骨狀萊氏體。鋁合金過(guò)燒時(shí)出現(xiàn)晶界熔化三角區(qū)和復(fù)熔球等。鍛件過(guò)燒后,往往無(wú)法挽救,只好報(bào)廢。

加熱裂紋

在加熱截面尺寸大的大鋼錠和導(dǎo)熱性差的高合金鋼和高溫合金坯料時(shí),如果低溫階段加熱速度過(guò)快,則坯料因內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。加之此時(shí)坯料由于溫度低而塑性較差,若熱應(yīng)力的數(shù)值超過(guò)坯料的強(qiáng)度極限,就會(huì)產(chǎn)生由中心向四周呈輻射狀的加熱裂紋,使整個(gè)斷面裂開(kāi)。

銅脆

銅脆在鍛件表面上呈龜裂狀。高倍觀察時(shí),有淡黃色的銅(或銅的固溶體)沿晶界分布。

坯料加熱時(shí),如爐內(nèi)殘存氧化銅屑,在高溫下氧化鋼還原為自由銅,熔融的鋼原子沿奧氏體晶界擴(kuò)展,削弱了晶粒間的聯(lián)系。另外,鋼中含銅量較高[>2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]時(shí),如在氧化性氣氛中加熱,在氧化鐵皮下形成富銅層,也引起鋼脆。

4. 鍛造工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷

鍛造工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷通常有以下幾種

大晶粒

大晶粒通常是由于始鍛溫度過(guò)高和變形程度不足、或終鍛溫度過(guò)高、或變形程度落人臨界變形區(qū)引起的。鋁合金變形程度過(guò)大,形成織構(gòu);高溫合金變形溫度過(guò)低,形成混合變形組織時(shí)也可能引起粗大晶粒

晶粒粗大將使鍛件的塑性和韌性降低,疲勞性能明顯下降。

晶粒不均勻

晶粒不均勻是指鍛件某些部位的晶粒特別粗大,某些部位卻較小。產(chǎn)生晶粒不均勻的主要原因是坯料各處的變形不均勻使晶粒破碎程度不一,或局部區(qū)域的變形程度落人臨界變形區(qū),或高溫合金局部加工硬化,或淬火加熱時(shí)局部晶粒粗大。耐熱鋼及高溫合金對(duì)晶粒不均勻特別敏感。晶粒不均勻?qū)⑹瑰懠某志眯阅?、疲勞性能明顯下降。

冷硬現(xiàn)象

鍛造變形時(shí)由于溫度偏低或變形速度太快,以及鍛后冷卻過(guò)快,均可能使再結(jié)晶引起的軟化跟不上變形引起的強(qiáng)化(硬化),從而使熱鍛后鍛件內(nèi)部仍部分保留冷變形組織。這種組織的存在提高了鍛件的強(qiáng)度和硬度,但降低了塑性和韌性。嚴(yán)重的冷硬現(xiàn)象可能引起鍛裂。

裂紋

鍛造裂紋通常是鍛造時(shí)存在較大的拉應(yīng)力、切應(yīng)力或附加拉應(yīng)力引起的。裂紋發(fā)生的部位通常是在坯料應(yīng)力最大、厚度最薄的部位。如果坯料表面和內(nèi)部有微裂紋、或坯料內(nèi)存在組織缺陷,或熱加工溫度不當(dāng)使材料塑性降低,或變形速度過(guò)快、變形程度過(guò)大,超過(guò)材料允許的塑性指針等,則在撤粗、拔長(zhǎng)、沖孔、擴(kuò)孔、彎曲和擠壓等工序中都可能產(chǎn)生裂紋。

龜裂

鍛造龜裂是在鍛件表面呈現(xiàn)較淺的龜狀裂紋。在鍛件成形中受拉應(yīng)力的表面(例如,未充滿的凸出部分或受彎曲的部分)最容易產(chǎn)生這種缺陷。

引起龜裂的內(nèi)因可能是多方面的:

(1)材料合Cu、Sn等易熔元素過(guò)多;

(2)高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí),鋼料表面有銅析出、表面晶粒粗大、脫碳、或經(jīng)過(guò)多次加熱的表面;

(3)燃料含硫量過(guò)高,有硫滲人鋼料表面。

飛邊裂紋

鍛造飛邊裂紋是模鍛及切邊時(shí)在分模面處產(chǎn)生的裂紋。飛邊裂紋產(chǎn)生的原因可能是:①在模鍛操作中由于重?fù)羰菇饘購(gòu)?qiáng)烈流動(dòng)產(chǎn)生穿筋現(xiàn)象。②鎂合金模鍛件切邊溫度過(guò)低;銅合金模鍛件切邊溫度過(guò)高。

分模面裂紋

鍛造分模面裂紋是指沿鍛件分模面產(chǎn)生的裂紋。原材料非金屬夾雜多,模鍛時(shí)向分模面流動(dòng)與集中或縮管殘余在模鍛時(shí)擠人飛邊后常形成分模面裂紋。

折疊

鍛造折疊是金屬變形過(guò)程中已氧化過(guò)的表層金屬匯合到一起而形成的。它可以是由兩股(或多股)金屬對(duì)流匯合而形成;也可以是由一股金屬的急速大量流動(dòng)將鄰近部分的表層金屬帶著流動(dòng),兩者匯合而形成的;也可以是由于變形金屬發(fā)生彎曲、回流而形成;還可以是部分金屬局部變形,被壓人另一部分金屬內(nèi)而形成。折疊與原材料和坯料的形狀、模具的設(shè)計(jì)、成形工序的安排、潤(rùn)滑情況及鍛造的實(shí)際操作等有關(guān)。

鍛造折疊不僅減少了零件的承載面積,而且工作時(shí)由于此處的應(yīng)力集中往往成為疲勞源。

穿流

鍛造穿流是流線分布不當(dāng)?shù)囊环N形式。在穿流區(qū),原先成一定角度分布的流線匯合在一起形成穿流,并可能使穿流區(qū)內(nèi)、外的晶粒大小相差較為懸殊。穿流產(chǎn)生的原因與折疊相似,是由兩股金屬或一股金屬帶著另一股金屬匯流而形成的,但穿流部分的金屬仍是一整體。

鍛造穿流使鍛件的力學(xué)性能降低,尤其當(dāng)穿流帶兩側(cè)晶粒相差較懸殊時(shí),性能降低較明顯。

鍛件流線分布不順

鍛造鍛件流線分布不順是指在鍛件低倍上發(fā)生流線切斷、回流、渦流等流線紊亂現(xiàn)象。如果模具設(shè)計(jì)不當(dāng)或鍛造方法選擇不合理,預(yù)制毛坯流線紊亂;工人操作不當(dāng)及模具磨損而使金屬產(chǎn)生不均勻流動(dòng),都可以使鍛件流線分布不順。流線不順會(huì)使各種力學(xué)性能降低,因此對(duì)于重要鍛件,都有流線分布的要求。

鑄造組織殘留

鍛造鑄造組織殘留主要出現(xiàn)在用鑄錠作坯料的鍛件中。鑄態(tài)組織主要?dú)埩粼阱懠睦щy變形區(qū)。鍛造比不夠和鍛造方法不當(dāng)是鑄造組織殘留產(chǎn)生的主要原因。

鍛造鑄造組織殘留會(huì)使鍛件的性能下降,尤其是沖擊韌度和疲勞性能等。

碳化物偏析級(jí)別不符要求

鍛造碳化物偏析級(jí)別不符要求主要出現(xiàn)于萊氏體工模具鋼中。主要是鍛件中的碳化物分布不均勻,呈大塊狀集中分布或呈網(wǎng)狀分布。造成這種缺陷的主要原因是原材料碳化物偏析級(jí)別差,加之改鍛時(shí)鍛比不夠或鍛造方法不當(dāng)具有這種缺陷的鍛件,熱處理淬火時(shí)容易局部過(guò)熱和淬裂。制成的刃具和模具使用時(shí)易崩刃等。

帶狀組織

鍛造帶狀組織是鐵素體和珠光體、鐵素體和奧氏體、鐵素體和貝氏體以及鐵素體和馬氏體在鍛件中呈帶狀分布的一種組織,它們多出現(xiàn)在亞共折鋼、奧氏體鋼和半馬氏體鋼中。這種組織,是在兩相共存的情況下鍛造變形時(shí)產(chǎn)生的帶狀組織能降低材料的橫向塑性指針,特別是沖擊韌性。在鍛造或零件工作時(shí)常易沿鐵素體帶或兩相的交界處開(kāi)裂。

局部充填不足

鍛造局部充填不足主要發(fā)生在筋肋、凸角、轉(zhuǎn)角、圓角部位,尺寸不符合圖樣要求。產(chǎn)生的原因可能是:①鍛造溫度低,金屬流動(dòng)性差;②設(shè)備噸位不夠或錘擊力不足;③制坯模設(shè)計(jì)不合理,坯料體積或截面尺寸不合格;④模膛中堆積氧化皮或焊合變形金屬。

欠壓

鍛造欠壓指垂直于分模面方向的尺寸普遍增大,產(chǎn)生的原因可能是:①鍛造溫度低。②設(shè)備噸位不足,錘擊力不足或錘擊次數(shù)不足。

錯(cuò)移

鍛造錯(cuò)移是鍛件沿分模面的上半部相對(duì)于下半部產(chǎn)生位移。產(chǎn)生的原因可能是:①滑塊(錘頭)與導(dǎo)軌之間的間隙過(guò)大;②鍛模設(shè)計(jì)不合理,缺少消除錯(cuò)移力的鎖口或?qū)е?③模具安裝不良。

軸線彎曲

鍛造鍛件軸線彎曲,與平面的幾何位置有誤差。產(chǎn)生的原因可能是:①鍛件出模時(shí)不注意;②切邊時(shí)受力不均;③鍛件冷卻時(shí)各部分降溫速度不一;④清理與熱處理不當(dāng)。

5. 鍛后冷卻工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷

鍛后冷卻不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷通常有以下幾種。

冷卻裂紋

鍛造鍛后冷卻過(guò)程中,鍛件內(nèi)部會(huì)由于冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,也可能由于組織轉(zhuǎn)變引起較大的組織應(yīng)力。如果這些應(yīng)力超過(guò)鍛件的強(qiáng)度極限,則使鍛件產(chǎn)生光滑細(xì)長(zhǎng)的冷卻裂紋。

網(wǎng)狀碳化物

鍛造在鍛造合碳量高的鋼時(shí),如果停鍛溫度高,冷卻速度過(guò)慢,則會(huì)造成碳化物沿晶界呈網(wǎng)狀析出。例如,軸承鋼在870~770℃緩冷,則碳化物沿晶界析出。

鍛造網(wǎng)狀碳化物在熱處理時(shí)易引起淬火裂紋。另外,它還使零件的使用性能變壞。

6. 鍛后熱處理工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷

鍛后熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生的缺陷通常有:

硬度過(guò)高或硬度不夠

鍛造由于鍛后熱處理工藝不當(dāng)而造成的鍛件硬度不夠的原因是:①淬火溫度太低;②淬火加熱時(shí)間太短;③回火溫度太高;④多次加熱引起鍛件表面嚴(yán)重脫碳;⑤鋼的化學(xué)成分不合格等。

鍛造由于鍛后熱處理工藝不當(dāng)而造成的鍛件硬度過(guò)高的原因是:①正火后冷卻太快;②正火或回火加熱時(shí)間太短;③鋼的化學(xué)成分不合格等。

硬度不均

鍛造造成硬度不均的主要原因是熱處理工藝規(guī)定不當(dāng),例如一次裝爐量過(guò)多或保溫時(shí)間太短;或加熱引起鍛件局部脫碳等。

7. 鍛件清理工藝不當(dāng)常產(chǎn)生的缺陷

鍛造鍛件清理時(shí)產(chǎn)生的缺陷通常有以下幾種。

酸洗過(guò)度

鍛造酸洗過(guò)度會(huì)使鍛件表面呈疏松多孔狀。這種缺陷主要是由于酸的深度過(guò)高和鍛件在酸洗槽中停留時(shí)間太長(zhǎng),或由于鍛件表面清洗不凈,酸液殘留在鍛件表面上引起的。

腐蝕裂紋

鍛造馬氏體不銹鋼鍛件鍛后如果存在較大的殘余應(yīng)力,酸洗時(shí)則很容易在鍛件表面產(chǎn)生細(xì)小網(wǎng)狀的腐蝕裂紋。若組織粗大將更加速裂紋的形成。

四、精密鍛造在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用

近年來(lái),由于精密鍛造技術(shù)的迅速發(fā)展,推動(dòng)了汽車(chē)制造業(yè)的進(jìn)步。冷鍛件和溫鍛件越來(lái)越多地用到汽車(chē)工業(yè)中,產(chǎn)品形狀越來(lái)越接近最終形狀,精密鍛造將隨著未來(lái)工藝和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步得到相應(yīng)發(fā)展。另基于降低生產(chǎn)成本、減輕產(chǎn)品重量、簡(jiǎn)化零件設(shè)計(jì)與制造及提升產(chǎn)品附加價(jià)值等目的,金屬塑性成形領(lǐng)域正積極朝向高精度凈形成形技術(shù)發(fā)展。

凈形成形之定義如下:

(1) 相對(duì)于傳統(tǒng)塑性成形(Plastic Forming),可得較小之后續(xù)機(jī)械加工,即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制程。

(2) 成形零件局部重要位置不須后續(xù)機(jī)械加工,即可符合零件之尺寸及公差要求之成形制程。

(3) 在符合零件之尺寸及公差范圍內(nèi),鍛件可不須后續(xù)機(jī)械加工之成形制程。

金屬塑性加工現(xiàn)正朝著三大目標(biāo)發(fā)展:

(1) 制品精密化(凈形零件開(kāi)發(fā))

(2) 制程合理化(以最小投資成本及生產(chǎn)成本為制程整合與應(yīng)用之原則)

(3) 自動(dòng)化、省力化

開(kāi)放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才