文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本（連載四）

文/張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛加工

鍛造的最大特征是被鍛造的零件表面沒有切削的痕跡，可以做出切削刀具做不出來(lái)的形狀，生產(chǎn)性良好適合大批量生產(chǎn)。由于鍛造加工是把材料放入經(jīng)過切削、研磨等工序加工制造出來(lái)的具有部件形狀的模具里，通過高壓力的擠壓使其具有模具形狀的成形工藝，所以這是一種可以將模具的精度及表面粗糙度如實(shí)地反映到被加工材料上的工藝。

圖1 拉伸應(yīng)力和伸長(zhǎng)、壓縮應(yīng)力和縮短的曲線圖

現(xiàn)在我們就要考慮一個(gè)問題：模具的形狀和精度是否能夠正確地被復(fù)制出來(lái)。圖1是經(jīng)常使用的曲線圖。圖內(nèi)縱橫交叉的十字線，縱軸表示應(yīng)力、橫軸表示變形量。右上方的第一象限是拉伸區(qū)域，左下方的第三象限是壓縮區(qū)域，中央交點(diǎn)的應(yīng)力和變形都是零。拉伸應(yīng)力向上是增加，壓縮應(yīng)力向下是增加。從橫軸的中央向右表示伸長(zhǎng)變形的增加，向左表示壓縮變形的增加。通過中央交點(diǎn)的斜線向右上方延伸的是彈性變形曲線，伸向左下方的是壓縮彈性變形曲線。在斜線的右上方和左下方顯示有屈服點(diǎn)強(qiáng)度。

無(wú)論是拉伸還是壓縮，如果施加的壓力超過了屈服點(diǎn)，即使解除了外界施加的壓力，已經(jīng)發(fā)生的變形也不能回復(fù)到原來(lái)的形狀，即成為了“永久變形”。而在施加的壓力不超過屈服點(diǎn)的情況下，只要解除了外界施加的壓力，材料就會(huì)回復(fù)到變形之前的狀態(tài)，這在拉伸應(yīng)力范圍和壓縮應(yīng)力范圍之內(nèi)都稱作彈性區(qū)域。

在圖1的壓縮區(qū)域內(nèi)寫有“回彈”的字樣，“回彈”就是用施加了壓力后發(fā)生的最大的變形量減去永久變形所得的差值。可以說在模鍛加工中回彈現(xiàn)象是必然存在的，沒有回彈的模鍛加工是做不到的。

圖1雖然表示的是被加工材料的應(yīng)力與變形的關(guān)系，“應(yīng)力和變形曲線圖”所描繪的變形表明了模具是在自身發(fā)生變形的同時(shí)進(jìn)行模鍛加工的。當(dāng)然這樣的變形在彈性區(qū)域內(nèi)也伴有回彈現(xiàn)象的發(fā)生。由此可見，雖然在定義上我們說模鍛加工是把模具的形狀與精度正確地復(fù)制出來(lái)的加工方法，但實(shí)際上由于沖床、模具也同樣處在反復(fù)不斷的彈性變形中要想達(dá)到完全如實(shí)地復(fù)制是非常困難的。

在模鍛加工生產(chǎn)中我們購(gòu)入的材料由于制造批次的不同，鋼板的厚度、硬度、拉伸強(qiáng)度都會(huì)有一些差異，應(yīng)力和變形的狀態(tài)也就隨之發(fā)生變化，在這樣的情況下仍要保持產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性，就是讓每一批、每一次生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品都完全一樣，這樣的模鍛加工是必須付出很大努力的。

不論溫鍛還是熱鍛都是加熱后才能實(shí)行模鍛加工的方法，在應(yīng)力變形上又加上了熱變形，所以溫鍛和熱鍛的高精度加工就比冷鍛困難。溫鍛和熱鍛相比只有溫度的差異，對(duì)其制造精度的難易程度來(lái)說沒有太多的差別。熱鍛作為一種生產(chǎn)技術(shù)之所以能夠由古至今流傳下來(lái)，是因?yàn)樗a(chǎn)的部件對(duì)精度的要求不是很高。

溫鍛是在再結(jié)晶溫度以下、冷鍛溫度以上范圍內(nèi)的鍛造。溫度越低材料保有的熱能（卡）就越小，加熱的材料在搬運(yùn)過程中或被送入模具的過程中熱量被吸收，材料的溫度就會(huì)急劇下降，這樣使得本來(lái)是利用提高溫度使鋼材硬度下降的加工方法不能得以實(shí)行，因此，溫鍛的溫度一般在800℃左右。

加工溫度越低，模具冷卻和潤(rùn)滑劑的選擇范圍就越寬，因此應(yīng)該盡可能地在低溫狀態(tài)進(jìn)行加工生產(chǎn)。如前面曲線圖1所示的溫度與材料強(qiáng)度之間的關(guān)系，溫度超過了600℃，材料的強(qiáng)度就開始急劇下降。這個(gè)急劇下降從另一方面增加了溫鍛的難度。溫度的微小變化都會(huì)引起很大的材料強(qiáng)度的變化，溫度的下降使加工負(fù)荷急劇增大，即使是使用同樣的模具，產(chǎn)品的尺寸、形狀也會(huì)有很大的變化，甚至?xí)^尺寸公差的范圍。

模具的制作

在講述怎樣才能使溫鍛加工方法獲得成功之前，首先要了解模具的制作過程。鍛造加工中金屬材料在被極高的壓力壓在模具表面的同時(shí)，還要緊貼著模具表面滑行移動(dòng)，沒有這種移動(dòng)就不能得到預(yù)想的形狀。

圖2是銑刀加工后的表面，圖3是研削加工后的表面，圖4是拋光加工后的表面。圖2銑削面上排列著一排排像喜馬拉雅山一樣屹立的刀山。圖3的研磨面也可以清晰地看到與磨具走向一致的接連不斷的刀山。圖4的拋光面的加工粗糙度雖然比研磨加工好一點(diǎn)，但仍然沒有消除接連不斷的銳利尖角的存在。

圖4的拋光面是用游離狀砂粒（拋光砂粒）進(jìn)行研磨的加工面，消除了銑床加工和研磨加工后的明顯的鋒利尖角，但仍然殘留了砂粒研磨后的斷續(xù)不全，細(xì)微的痕跡。

圖2～4中有實(shí)線的和虛線的兩種箭頭，從圖上可以很清楚地看出銑削面和研磨面的實(shí)線箭頭方向是摩擦力較大的，而對(duì)研磨面來(lái)說實(shí)線箭頭方向和虛線箭頭方向的摩擦抵抗力幾乎是相同的。由此可見，無(wú)論是落料加工、拉伸加工，還是鍛造加工，模具的表面打磨是非常重要的。

無(wú)論是用什么形式加工模具，其形狀表面都是用切削或放電加工制作，再使用砂紙打磨來(lái)改善粗糙度。一般是從40#～60#（砂粒是用40#篩子篩選出來(lái)的）的砂輪打磨，慢慢地更換細(xì)小砂粒的砂輪來(lái)改善表面的粗糙度。根據(jù)模具的用途一直更換到最高級(jí)別的砂輪。但是如果想使光潔度達(dá)到鏡面程度，使用的砂輪就需要達(dá)到8000#～100000#。但是砂輪的砂粒度的上限一般在800#～1000#，所以大多數(shù)的情況是使用砂紙進(jìn)行打磨，砂紙最高可以達(dá)到2000#。

圖2 銑削面

圖3 研磨面

圖4 拋光面

砂輪的400#和砂紙1200#所表示的是在砂輪或砂紙上占有量最多的砂粒的大小。比如在400#的砂紙上大多數(shù)的砂粒是400#，但也有少量的比400#粗糙的320#或240#，同時(shí)也含有比較細(xì)致的600#或800#的砂粒。技能比較高超的模具制造者，在使用400#砂輪對(duì)模具進(jìn)行正式打磨之前，會(huì)先在另外的金屬板上摩擦砂輪，為的是把砂紙上含有的比較粗糙的240#或320#的砂粒去掉，再進(jìn)入到正式的打磨。當(dāng)然經(jīng)過一段使用后，400#的砂輪不但400#以上的砂粒沒有了，連400#的砂粒也脫落了，剩下的都是粒度在500#以上的砂粒。

這樣用過的400#砂紙可以用來(lái)進(jìn)行600#的打磨。值得注意的是：新砂紙中含有比表示號(hào)碼大的砂粒，而使用過的砂紙還可以用于更加細(xì)致的打磨。另外號(hào)碼不明的砂紙一定要判明后有區(qū)別地使用。

無(wú)論是采用什么方法打磨，模具的打磨方向與材料在模具里的走向一致，這才是理想的狀態(tài)。被加熱的材料在模具表面的滑走方向，可能與模具表面的打磨紋路成橫切方向，也可能與模具的打磨紋路一致。只要我們仔細(xì)觀察圖2～4和上面標(biāo)有的箭頭方向就不難看出哪一個(gè)方向摩擦小、不容易燒結(jié)拉傷模具或產(chǎn)品。但是，在實(shí)際的鍛壓加工作業(yè)中很多時(shí)候仍然存在著鍛造材料在模具里的滑動(dòng)方向與模具的打磨方向成橫切方向的現(xiàn)象。在模具制作的時(shí)候，把打磨方向的要求標(biāo)注在模具的部件圖上是非常必要的。

現(xiàn)在的模具部件圖上雖然可以看到表面粗糙度的指示記號(hào)，但幾乎沒有人在圖紙上注明對(duì)砂輪、砂紙、拋光顆粒等要求。要改善制品的質(zhì)量，首先要模具的設(shè)計(jì)者加強(qiáng)自身知識(shí)的積累，還要注意模具的打磨方向，反復(fù)的試模也必不可少。

溫度和膨脹

長(zhǎng)度l是100mm的鋼材，溫度每上升1℃，長(zhǎng)度伸長(zhǎng)量l伸就增長(zhǎng)0.001mm，每下降1℃，長(zhǎng)度縮短量l縮就減少0.001mm。以直徑φ50mm長(zhǎng)200mm的鋼棒進(jìn)行熱鍛為例來(lái)計(jì)算，從室溫25℃加熱到1000℃時(shí)，溫度差△t為975℃。由公式膨脹長(zhǎng)度△l=φl(shuí)伸△t/l可得到以下數(shù)值：

直徑的膨脹長(zhǎng)度△l=φl(shuí)伸△t/l=50×975×0.001÷100=0.4875mm

長(zhǎng)度的膨脹長(zhǎng)度△l=φl(shuí)伸△t/l=200×975×0.001÷100=1.95mm

從計(jì)算中可以看到，加熱后膨脹的材料在低溫的模具中鍛造，從模具中取出的鍛造產(chǎn)品的形狀直徑會(huì)減少0.4875mm，長(zhǎng)度會(huì)縮短1.95mm。當(dāng)然制作模具時(shí)可以按預(yù)想收縮量加大模具的尺寸，但是材料被加熱到1000℃，還會(huì)產(chǎn)生很厚的氧化膜，鍛造時(shí)大量剝落也會(huì)使尺寸發(fā)生變化。氧化膜厚度的控制是很困難的。到現(xiàn)在為止，我們分析了溫鍛加工的好處，也講了溫鍛加工的缺點(diǎn)和困難的地方。第15期我們將為讀者介紹溫鍛加工方法的使用、溫鍛的潤(rùn)滑等方面的問題。