鍛造新工藝
發(fā)布于：05-27
鍛造新工藝
我們知道，金屬加工的最終目的是提供零件，這些件來(lái)自于鑄造（液態(tài)金屬凝固）、粉末冶金（金屬粉末壓實(shí)）、（固體金屬的）成形和（切除金屬的）切削。鍛造實(shí)際是固體金屬成形的一種金屬加工方法。鍛造與其它方法結(jié)合便涌現(xiàn)出一系列新的方法，即鍛造新工藝。因此，鍛造新工藝是在相關(guān)理論和工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。有的工藝目前處于應(yīng)用研究階段，有的處于探索階段。本章介紹一些新工藝的概念、原理及工藝參數(shù)等。
5.1等溫鍛造（Isothermal forging）
顧名思義，等溫鍛造為恒定溫度下的鍛造，而常規(guī)鍛造為一定溫度區(qū)間（始鍛溫度-終鍛溫度）內(nèi)的鍛造。前者具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，由于等溫鍛造，必然組織均勻，制品性能均勻。
5.2粉末鍛造（Powder forging）
與鑄造相比，粉末鍛造之前的鑄造過(guò)程被粉末處理過(guò)程所替代，因此粉末鍛造的工藝發(fā)生了變化。粉末熱鍛的工藝流程為：粉末原料→預(yù)成形坯→燒結(jié)→加熱→鍛造。由于粉末鍛造是在普通粉末冶金和精密模鍛工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，因此它具有如下特點(diǎn)：1）粉末預(yù)成形坯通過(guò)加熱鍛造的途徑，提高了制品的密度，因此使制品的性能接近甚至超過(guò)同類熔鑄制品的水平；2）保持了粉末冶金工藝制造坯料的特點(diǎn)，因?yàn)榉勰╊A(yù)成形坯含有80%左右的孔隙，其鍛造應(yīng)力比普通熔鑄材料要低很多；3）材料的利用率達(dá)80%以上；4）制品的精度高、組織結(jié)構(gòu)均勻、無(wú)成分偏析；5）能夠鍛造難于鍛造的金屬或合金和各種復(fù)雜形狀的制品，例如難變形的高溫鑄造合金。
5.3精密模鍛（精鍛）(Precision forging)
精鍛的方法有三種：高溫精鍛（熱精鍛）、中溫精鍛（溫精鍛）和室溫精鍛（冷精鍛）。高溫精鍛時(shí)坯料在控制氣氛中加熱，以防止坯料產(chǎn)生氧化和脫碳。通常采用的是少氧化火焰加熱爐，爐溫1200℃時(shí)，CO2/CO≤0.3， H2O/ H2≤0.8，便可以實(shí)現(xiàn)少氧化加熱，此時(shí)的空氣過(guò)剩系數(shù)控制在0.5左右。中溫精鍛是在尚未產(chǎn)生強(qiáng)烈氧化的溫度范圍內(nèi)加熱坯料并完成精鍛的一種加工方法。例如，45號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度到600℃時(shí)為室溫時(shí)的一半。600℃以上的抗拉強(qiáng)度較低，碳鋼在600-850℃范圍內(nèi)無(wú)強(qiáng)烈的氧化現(xiàn)象，因此此種條件下鍛造可使鍛件達(dá)到較高的精度和較低的表面粗糙度。室溫精鍛取消了毛坯鍛前加熱，不存在坯料氧化問(wèn)題。但是為了順利進(jìn)行冷精鍛，常須進(jìn)行潤(rùn)滑處理改善表面的狀態(tài)。
5.4半固態(tài)模鍛 (Semi-solid die forging)
半固態(tài)模鍛是將半固態(tài)坯料加熱至半固態(tài)溫度后，迅速轉(zhuǎn)移至金屬模膛中，在機(jī)械靜壓力作用下，使處于半熔融態(tài)的金屬產(chǎn)生粘性流動(dòng)、凝固和塑性變形復(fù)合，從而獲取毛坯或零件的一種鍛造新工藝。
5.5超塑性鍛造 (Superplastic forging)
超塑性鍛造指在利用材料的超塑性性能進(jìn)行的鍛造。超塑性指材料在一定的組織和熱力學(xué)條件（溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變）下獲得大于100%拉斷延伸率的一種成形方式。不同的材料在不同的條件下可以展現(xiàn)超塑性。經(jīng)典超塑性材料要求組織為細(xì)晶、熱穩(wěn)定、應(yīng)力小、應(yīng)變速率低、應(yīng)變速率敏感性為0.5左右。近年來(lái)出現(xiàn)了金屬間化合物、陶瓷、復(fù)合材料的超塑性，發(fā)展和豐富了經(jīng)典超塑性的內(nèi)容，出現(xiàn)了溶質(zhì)拖曳蠕變較高的延伸率和高應(yīng)變速率超塑性。普通鍛造是熱成形過(guò)程，應(yīng)變速率比較高。為了獲得較好的塑性，需要在高溫低應(yīng)變速率下進(jìn)行鍛造。一些先進(jìn)材料超塑性成形的條件如表1所示
表1一些先進(jìn)材料超塑性成形的條件
材料 晶粒尺寸 溫度 應(yīng)變速率 m值 延伸率
μm K 1/s %
Ti-25Al-10Mo-3V-1Mo 1223 8×10-5 0.5-0.6 887
Fe3(Al,Si) 100 1123 10-4 100
Ni3Al 10 1373 10-3 541
TiAl 60 1373 10-3 0.2-0.3 >100
Ni3Si 15 1353 10-3 0.5 650
SiCw/2124 20%vol 748-823 3×10-3 0.33 300
SiCp/2024 15%vol 753 4×10-4 0.4 349
5.6連鑄連鍛(Continuous casting and forging)
它是先鑄造后立即鍛造的鑄鍛聯(lián)合的先進(jìn)工藝。實(shí)質(zhì)是鑄造與鍛造的結(jié)合。這一點(diǎn)和連鑄連軋、連續(xù)鑄軋、連續(xù)鑄擠發(fā)生聯(lián)系，都屬于冶金短流程的工藝。短流程的工藝帶來(lái)能耗的降低、流線縮短、占地面積減少。進(jìn)一步的情況請(qǐng)見所附文獻(xiàn)或相關(guān)雜志。
5.7液態(tài)模鍛 (Liquid die forging)
液態(tài)模鍛工藝集熱模鍛和全液態(tài)壓鑄優(yōu)點(diǎn)于一身。該工藝將熔融金屬液注入開式模膛內(nèi),然后合模實(shí)現(xiàn)充填成形,在壓力作用下凝固并有少量塑性變形。該工藝可獲得力學(xué)性能接近鍛件的制件,可在一個(gè)工步內(nèi)完成較復(fù)雜制件的成形。鋁合金液態(tài)模鍛是液態(tài)模鍛工藝中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的工藝,其典型產(chǎn)品為汽車活塞。
5.8輥鍛(Roller forging)
輥鍛是使毛坯在裝有扇形模塊的一對(duì)旋轉(zhuǎn)的軋輥中通過(guò)，借助模槽產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需要的鍛件或鍛坯，如圖1所示。
輥鍛工藝分類及其應(yīng)用范圍如表2所示。
圖1 輥鍛示意圖
1-軋輥 2-扇形模塊 3-鍛件
表2 輥鍛工藝分類及其應(yīng)用范圍
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分類 |
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變形過(guò)程特點(diǎn) |
應(yīng)用 |
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制坯輥鍛 |
單型槽輥鍛 |
在開式型槽內(nèi)一次或多次輥鍛，或用閉式型槽一次輥鍛 |
用于毛坯端部拔長(zhǎng)或用于模鍛前的制坯工序，例如搬手的桿部延伸 |
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多型槽輥鍛 |
在幾個(gè)開式型槽中連續(xù)輥鍛，或在閉式與開式的組合型槽中輥鍛 |
主要用于模鍛前的制坯工序，例如汽車連桿的制坯輥鍛 |
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成形輥鍛 |
完全成形輥鍛 |
在輥鍛機(jī)上完成鍛件的全部成形過(guò)程?？稍陂_式型槽、閉式型槽或開式閉式型槽中輥鍛 |
適用于小型鍛件及葉片類鍛件的直接輥鍛成形，例如各類葉片的冷、熱精密輥鍛和醫(yī)療器械的冷輥鍛 |
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預(yù)成形輥鍛 |
鍛件在輥鍛機(jī)上基本成形，即完成相當(dāng)于模鍛工藝的預(yù)鍛或超過(guò)預(yù)鍛的成形程度。在輥鍛后需要其他設(shè)備進(jìn)行最終整形 |
適用于輥制截面差較大、形狀較為復(fù)雜的鍛件，例如內(nèi)燃機(jī)連桿、拖拉機(jī)履帶節(jié)的預(yù)成形 |
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部分成形輥鍛 |
鍛件的一部分形狀在輥鍛機(jī)上成形，而另外部分采用模鍛或其他工藝成形 |
適用于輥制具有長(zhǎng)桿類或板片類鍛件。例如鋤頭、梨刀、汽車變速器操縱桿、剪刀股等 |
輥鍛工藝是軋制、模鍛兩種工藝的結(jié)合，它集中了這兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，所以輥鍛工藝具有如下的特點(diǎn)：
（1）產(chǎn)品精度高，表面粗糙度小。
（2）鍛件質(zhì)量高，具有良好的金屬流線。
（3）生產(chǎn)效率高。這是由于輥鍛過(guò)程中鍛輥是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，間隙時(shí)間短。
（4）模具壽命長(zhǎng)。
（5）所需設(shè)備噸位小。
（6）工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化，而且勞動(dòng)條件好。
5．9環(huán)軋(Ring rolling)
5．9．1環(huán)軋?jiān)?/span>
環(huán)形件輾軋簡(jiǎn)稱環(huán)軋，有稱為環(huán)形件擴(kuò)孔。其原理如圖2所示。輾壓輪1與芯軸輥2旋轉(zhuǎn)中心軸平行，輾環(huán)時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)輾壓輪旋轉(zhuǎn)，輾壓輪通過(guò)它與環(huán)形坯件之間的摩擦力曳入毛坯并連續(xù)地施壓，環(huán)形坯與芯輥之間的摩擦力帶動(dòng)芯輥轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)輾壓輪與芯輥之間的中心距逐漸縮小，直至變形結(jié)束。經(jīng)輾環(huán)變形的工件，截面積和徑向厚度都減小，環(huán)形件外徑和孔徑都相應(yīng)地增加。因此，環(huán)軋主要是徑向壓縮切向延伸的鍛造過(guò)程。
圖2 環(huán)軋?jiān)韴D
5．9．2環(huán)形件的分類
根據(jù)環(huán)壁截面形狀，環(huán)形件可分為矩形、錐形、十字形、溝槽形和法蘭形等五類，如圖3所示。按直徑尺寸分為：超小型（φ50mm以下）、小型（φ50~200mm）、中型（φ200~500mm）、大型（φ500~1500mm）和超大型（φ1500mm以上）。
圖3 環(huán)形鍛件分類
（a）矩形 （b）錐形 （c）十字形 （d）溝槽形 (e)法蘭形
5．9．3環(huán)軋工藝特征
環(huán)形件輾軋工藝，按其受壓變形方向不同可分為徑向輾軋和徑向-軸向輾軋兩類。
徑向輾軋
在輾軋過(guò)程中，環(huán)壁徑向受壓縮，金屬沿切線方向延伸。而軸向即使不受軋輥限制，環(huán)壁的寬展量仍然很小。徑向輾軋工藝主要適用于矩形截面、溝槽形截面、十字形截面類環(huán)件，這種工藝所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，如圖4所示。
徑向-軸向輾軋
這是在徑向輾軋的基礎(chǔ)上，加端面軋輥，使其產(chǎn)生軸向變形的環(huán)軋工藝。這種工藝主要適用于壁厚較大或截面較復(fù)雜的環(huán)件，見圖5 。
圖4徑向輾軋示意圖 圖5徑向-軸向輾軋
1-芯輥 2-主軋輥 3-鍛件 1-芯輥 2-主軋輥 3-鍛件 4-端面軋輥
5．9．4環(huán)軋工藝的特點(diǎn)
（1） 可軋制接近零件外廓形狀的鍛件。
（2） 環(huán)壁切向的機(jī)械性能好。因?yàn)樽冃尉鶆?，金屬流線沿圓周方向分布。
（3） 生產(chǎn)效率高，環(huán)軋工藝生產(chǎn)率比自由鍛高10~20倍。
（4） 環(huán)形件尺寸幾乎不受限制，直徑為25~6000mm，重量為0.4kg~(6~8)t的環(huán)形件，均可用環(huán)軋工藝制造。
（5） 設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低，對(duì)廠房要求不高，勞動(dòng)條件較好。
5．10擺動(dòng)輾壓(Swing rolling)
擺動(dòng)輾壓屬于熱鍛與鍛造工藝結(jié)合的新工藝。屬于擺動(dòng)式精密鍛造技術(shù)。該工藝節(jié)省時(shí)間、費(fèi)用低、制品質(zhì)量高。
5．10．1擺動(dòng)輾壓基本原理
擺動(dòng)輾壓（簡(jiǎn)稱擺輾）是指上模的軸線與被輾壓工件（放在下模）的軸線（稱主軸線）傾斜一個(gè)小角度，模具一面繞主軸旋轉(zhuǎn)，一面對(duì)坯料連續(xù)進(jìn)行壓縮，這種連續(xù)累計(jì)的成形方法稱為擺動(dòng)輾壓。它具有省力、無(wú)沖擊振動(dòng)、無(wú)噪聲、勞動(dòng)條件好、工件精度高、設(shè)備制造費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已在世界各國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。
鍛造所需要的變形力的大小是由模具與工件接觸區(qū)域內(nèi)的平均單位壓力及接觸投影面積之積來(lái)確定的。因此減小變形力的一個(gè)途徑就是減少模具與工件間的接觸面積，經(jīng)若干次的局部連續(xù)成形而達(dá)到整體成形，擺輾就是基于這種思想產(chǎn)生的，其成形原理如圖6所示。
圖6工作原理示意圖
1-上模 2-毛坯 3-滑塊 4-液壓缸
5．10．2擺輾特點(diǎn)
（1）輾壓力小。加工相同的零件，僅為普通鍛造方法的1/20~1/5，所以小功率的擺動(dòng)輾壓機(jī)可加工較大的鍛件。
（2）產(chǎn)品尺寸精度高，質(zhì)量好，不易開裂。這是壓縮變形特點(diǎn)決定的。
（3）適合于加工薄盤類零件成形。但擺動(dòng)輾壓使用上有其局限性。以往生產(chǎn)薄盤類零件，用普通鍛壓方法加工時(shí)，因摩擦力的影響，則所需要的壓力可能超過(guò)模具材料的強(qiáng)度極限，而造成無(wú)法繼續(xù)加工。鍛壓時(shí)摩擦力的大小取決于模具與被鍛壓的毛坯間的潤(rùn)滑狀態(tài)及相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。采用擺輾方法時(shí)，模具與毛坯的接觸面積小，工具與毛坯表面間的摩擦可能由滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦，摩擦系數(shù)大大減小，因此作用在毛坯上的變形力減小了。
（4）無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，勞動(dòng)環(huán)境好，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
（5）投資少，能耗低，設(shè)備制造費(fèi)用低等。
（6）缺點(diǎn)是機(jī)器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，另外往往要求制坯。
5．10．3擺輾產(chǎn)品
擺動(dòng)輾壓適合加工各種盤類、環(huán)類、法蘭類以及帶法蘭的長(zhǎng)軸類等回轉(zhuǎn)體鍛件，如齒輪牙嵌離合器、銑刀片、汽車后半軸、碟形彈簧、止推軸承圈等，甚至還可用于提高粉末燒結(jié)件的密度或零件表面強(qiáng)化等，如圖 所示。擺動(dòng)輾壓幾乎可加工所有可塑性材料，如鉛、鋁、銅及其合金、碳素鋼、合金鋼、不銹鋼、軸承鋼和高速鋼等。
5．10．4擺輾典型工藝與應(yīng)用
擺輾典型工藝如圖7所示。
圖7典型工藝
(a) 鐓粗 (b)法蘭鐓粗 (c)垂直成形 (d)反擠壓 (e) 正擠壓 (f)正擠壓鐓粗 (g)精沖 (h)粉末壓實(shí) (i)縮口 (j)翻邊 (k)錐端鉚接 (l)平端鉚接 (m)半圓鉚接 (n)翻孔鉚接 (o)翻邊（擴(kuò)口）鉚接 (p)卷邊鉚接
（1）鍛造
擺輾鍛造主要用于成形各種餅盤類、環(huán)類、帶法蘭的長(zhǎng)軸類鍛件。根據(jù)成形溫度不同，擺輾可分冷輾成形、熱輾和溫輾。冷輾鍛件精度較高，需要力較大，質(zhì)量好，模具壽命長(zhǎng)；熱輾省力，但模具壽命低；溫輾介于二者之間，目前發(fā)展較快。國(guó)外冷輾較多，近來(lái)發(fā)展溫輾，國(guó)內(nèi)熱輾較多，近年發(fā)展冷輾和溫輾。我國(guó)擺輾成形件的實(shí)例有：汽車半軸及汽車后橋被動(dòng)大齒輪、銑刀片、盤形彈簧片、揚(yáng)聲器導(dǎo)體和鐵路車輛銷類件等。
（2）鉚接
擺輾鉚接無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、與風(fēng)鉚相比非常安靜，主要用于汽車、造船、家具、電氣、門窗等工業(yè)生產(chǎn)部門之中。不同鉚頭可實(shí)現(xiàn)圓頭、平面、擴(kuò)口、卷邊等鉚接工藝?？摄T接的材料有低碳鋼、中碳鋼、有色金屬、塑料及陶瓷。
（3）粉末壓制
粉末燒結(jié)體的預(yù)制坯經(jīng)擺輾成形后可提高其致密度。
（4）精沖、圓管縮口及翻邊
擺輾精沖所需設(shè)備噸位小，便于制造，它與擺輾翻邊一樣都處于研究階段。擺輾縮口可使金屬管端部形成拋物面、球面、錐面等各種形狀零件。與模壓法縮口相比所需變形力小，工件表面質(zhì)量高，模具簡(jiǎn)單，成型極限高，可以加工壁厚大的管件。
（5）擠壓
日本在擺輾擠壓方面做了大量工作，試驗(yàn)材料有鋁、銅及35號(hào)鋼等。
5．10．5 擺輾主要工藝參數(shù)的確定
（1）極限變形度
變形度Ф表示變形程度大小，用下式表示。
Ф=ln(A1/A0)=ln(R12/R02)
式中，A0-毛坯面積（mm2）；A1-工件面積（mm2）；R0-毛坯徑向尺寸(mm)；R1-工件徑向尺寸(mm)。圖8是R0和R1的選取情況。
擺輾件 毛坯
圖8毛坯、工件徑向尺寸的選取
極限變形度ФL是指擺輾件邊緣無(wú)破裂的最大可能變形程度。ФL=0.7-2.7,隨材料的不同而不同。
（2）毛坯粗度系數(shù)（高徑比）
毛坯粗度系數(shù)C表示高度與直徑之比。
對(duì)于圓形截面毛坯：C=H/d0
對(duì)于矩形截面毛坯：C=H/1.16a
式中H-毛坯高度(mm)；d0-圓形截面毛坯直徑（mm）；a-矩形截面毛坯短邊長(zhǎng)度（mm）。
粗度系數(shù)超過(guò)一定極限值，就會(huì)存在毛坯縱向彎曲或偏心的危險(xiǎn)，毛坯粗度系數(shù)允許值CL=1.4-3.0，隨材料的不同而不同。
（3）毛坯體積與尺寸的確定
1)計(jì)算毛坯體積；2)由極限變形度確定圓形截面毛坯直徑d0 或矩形截面毛坯短邊長(zhǎng)度a，根據(jù)材料規(guī)格圓整計(jì)算值；3)計(jì)算毛坯高度H；4)校核毛坯粗度系數(shù)C，如C>CL,增大毛坯直徑，重復(fù)第3）步以下計(jì)算過(guò)程，直到C<=CL為止。
（4）擺角γ
擺角γ大小直接影響到面積接觸率λ大小，影響到機(jī)器的軸向壓力和功率的大小，進(jìn)而影響到機(jī)器效率和工件質(zhì)量。冷輾時(shí)，通常擺角γ=1o-2o。熱輾時(shí)一般取γ=3o-5o。鉚接時(shí)為了加快金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)，γ常取4o-5o。
（5）面積接觸率λ
擺輾面積接觸率λ是擺輾模具與毛坯接觸面積Ac和毛坯上表面積A的比值。
λ=Ac/A
（6）擺輾力
P=pAc
式中P-擺輾力；p-平均單位壓力。
5．11橫軋與斜軋（Cross rolling and skew rolling）
5．11．1 橫軋與斜軋的特點(diǎn)、分類及用途
5．11．1．1 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
5．11．1．1．1橫軋的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
如圖9所示，其特點(diǎn)是：1）兩個(gè)軋輥軸心線平行，其旋轉(zhuǎn)方向相同；2）軋件作平行于軋輥軸心線與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖9 橫軋齒輪原理圖
1-軋輥 2-軋件
圓形坯料（又稱軋件）旋轉(zhuǎn)時(shí)，在軋輥孔型的作用下，局部連續(xù)成形零件，進(jìn)出料設(shè)有專門的裝置。
軋件的轉(zhuǎn)速n2與軋輥轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系為：
n2=(Rkn1)/rk
式中Rk–軋輥的軋制半徑；rk -軋件的軋制半徑。
k點(diǎn)為軋輥與軋件作無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)點(diǎn)。Rk與rk按軋件力矩平衡條件確定。
5．11．1．1．2 斜軋的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
如圖10所示，其特點(diǎn)是：1）兩個(gè)軋輥軸心線交叉一個(gè)不大的角度，其旋轉(zhuǎn)方向相同；2）軋件在兩個(gè)軋輥的交叉中心線上作與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還作前進(jìn)直線運(yùn)動(dòng)，所以斜軋又稱螺旋軋制。
圖10 斜軋鋼球原理圖
圓形坯料旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí)，在軋輥孔型的作用下，局部連續(xù)成形零件。進(jìn)出料靠軋輥?zhàn)詣?dòng)完成。
軋件的轉(zhuǎn)速n2與軋輥轉(zhuǎn)速n1的關(guān)系為：
n2=(Rkcosα·n1)/rk
軋輥帶動(dòng)軋件前進(jìn)速度為：
V=(πRk n1sinα)/30
5．11．1．2 基本類型
5．11．1．2．1橫軋的基本類型
1 齒輪橫軋
如圖9所示，帶齒形 軋輥1與圓形坯料2在對(duì)滾中，實(shí)現(xiàn)局部連續(xù)成形，軋制成齒輪。這種橫軋的變形主要在徑向進(jìn)行，軸向變形很小。既有熱軋也有冷軋，此方法還可以軋制鏈輪、花鍵軸等。
橫軋齒輪有兩種方式，一種是單件軋制（圖11），齒輪軋輥邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊徑向進(jìn)給；一種是多件軋制（圖12），齒輪軋輥只轉(zhuǎn)動(dòng)，徑向不動(dòng)，毛坯軸向進(jìn)給。
圖11 橫軋齒輪（單件）原理圖
圖12橫軋齒輪（多件）原理圖
圖13橫軋螺紋原理圖
2 螺紋橫軋
螺紋橫軋又稱螺紋滾壓。如圖13所示，兩個(gè)帶螺紋的軋輥（滾輪），以相同的方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)圓形坯料旋轉(zhuǎn)，其中一個(gè)軋輥徑向進(jìn)給，將坯料軋制成螺紋，這種橫軋的變形主要在徑向進(jìn)行。
這種方法主要用于冷軋直徑3~20mm的緊固件螺紋，其精度可達(dá)7級(jí)。螺紋表面的粗糙度Ra可達(dá)0.4μm。
3 楔橫軋
如圖14所示，兩個(gè)帶楔形模的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)圓形坯料旋轉(zhuǎn)，坯料在楔形孔型的作用下，軋制成各種形狀的臺(tái)階軸。楔橫軋的變形主要為徑向壓縮和軸向延伸。
圖14楔橫軋?jiān)韴D
1-帶楔形模具的軋輥 2-坯料 3-導(dǎo)板
與傳統(tǒng)鍛造比較，楔橫軋具有生產(chǎn)率高、節(jié)材、節(jié)能、產(chǎn)品精度高等優(yōu)點(diǎn)，并已廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、摩托車、內(nèi)燃機(jī)等軸類零件毛坯的生產(chǎn)，還可以為模鍛件精確制坯，例如連桿、曲柄軸等，得到廣泛應(yīng)用。
5．11．1．2．2斜軋的基本類型
1 穿孔斜軋
如圖15所示，兩個(gè)帶正反錐的軋輥，其軸心線相互交叉一個(gè)角度，軋輥以相同方向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)圓形坯料既旋轉(zhuǎn)又向前移動(dòng)，在正錐的壓縮作用下，坯料的中心發(fā)生疏松與空腔，坯料繼續(xù)旋轉(zhuǎn)前進(jìn)到軋輥的反錐部分，坯料中心疏松與空腔在頂頭的作用下，軋制成空心管坯。這種斜軋已有上百年歷史，是冶金工廠生產(chǎn)無(wú)縫鋼管的主要方法之一。
圖15 穿孔斜軋?jiān)韴D
2螺旋孔型斜軋
兩個(gè)帶螺旋孔型的軋輥，其軸心線相互交叉一個(gè)不大的角度，軋輥以相同方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)圓形坯料既旋轉(zhuǎn)又向前移動(dòng)，坯料在螺旋孔型的作用下，成形回轉(zhuǎn)體零件。這種斜軋的變形主要表現(xiàn)為直徑壓縮和軸向延伸。
由于螺旋孔型斜軋與傳統(tǒng)鍛造比較，生產(chǎn)某些零件，如鋼球、球頭掛環(huán)等，具有很高的生產(chǎn)效率，今后將有較大的發(fā)展。
3 仿形斜軋
如圖16所示，三個(gè)帶錐形的軋輥1帶動(dòng)圓形坯料2旋轉(zhuǎn)，由于軋輥軸心線與圓形坯料軸線有一傾斜角，故坯料除旋轉(zhuǎn)外還向前移動(dòng)。三個(gè)軋輥借助于仿形板改變距坯料中心線的徑向距離，實(shí)現(xiàn)變截面軸的軋制。這種斜軋的變形主要為直徑壓縮和軸向延伸。為了保持一定的拉力和支承軋件，在出口端設(shè)有夾持拉力裝置。
圖16仿形斜軋?jiān)韴D
1-軋輥 2-軋件 3-仿形板
5．11．1．3 楔橫軋、螺旋孔型斜軋及仿形斜軋的比較
楔橫軋、螺旋孔型斜軋及仿形斜軋都是用來(lái)零件成形的方法。它們與一般鍛造工藝比較，均具有效率高、節(jié)約材料、無(wú)沖擊少噪音等優(yōu)點(diǎn)。但三者之間又有差異，這些差異決定了它們各自的應(yīng)用范圍。其主要差別列于表3中。
表3對(duì)螺旋孔型斜軋、楔橫軋及仿形斜軋的工藝特點(diǎn)比較后，可以得出它們應(yīng)用范圍的下述結(jié)論：
螺旋孔型斜軋具有生產(chǎn)率高，材料利用率高，產(chǎn)品表面質(zhì)量好及進(jìn)出料方便等優(yōu)點(diǎn)，但軋輥復(fù)雜，工藝調(diào)整困難，故它一般適合于軋制長(zhǎng)度小于200mm，年批量大于5~10萬(wàn)件的軸類零件。
楔橫軋具有生產(chǎn)率較高，材料利用率較高，產(chǎn)品表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，由于軋輥大并且比較復(fù)雜，故它一般適合于軋制長(zhǎng)度小于800mm，年批量大于3~5萬(wàn)件的軸類零件。
仿形斜軋具有軋輥直徑小，形狀簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于生產(chǎn)率較低，產(chǎn)品表面質(zhì)量較差，料頭損失大以及工藝調(diào)整困難等缺點(diǎn)，故總體上不如螺旋孔型斜軋與楔橫軋，僅適用于長(zhǎng)度大于800mm，年批量大于3~5萬(wàn)件的某些軸類零件。
表3楔橫軋、螺旋孔型斜軋及仿形斜軋的比較
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楔橫軋 |
螺旋孔型斜軋 |
仿形斜軋 |
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生產(chǎn)率/（件/min） 工件直徑50mm的公差/mm 表面粗糙度/μm 平均材料利用率（%） 軸臺(tái)階過(guò)渡形狀 模具復(fù)雜程度 軋輥直徑 |
6~30 0.8
6.3~100 90 任意形狀 較復(fù)雜 大 |
40~3000 0.6
3.2~50 94 任意形狀 復(fù)雜 較大 |
0.5~6 2
25~300 85 較大錐角過(guò)渡 簡(jiǎn)單 小 |
5．11．2 楔橫軋與孔型斜軋的主要工藝參數(shù)
5．11．2．1 楔橫軋工藝參數(shù)的確定
楔橫軋有三個(gè)主要工藝參數(shù)，斷面減縮率Ф，軋輥孔型的成形角α及展寬角β（見圖17）。
圖17 典型楔橫軋展寬圖
5．11．2．1．1斷面減縮率Ф
斷面減縮率又稱斷面收縮率。斷面減縮率Ф為坯料軋前面積F0減去軋后面積F1與軋前面積之比，即：
Ф=（F0-F1）/F0=1-(d1/d0)2
式中 d0-坯料軋前直徑；d1-坯料軋后直徑。
楔橫軋一次的斷面減縮率Ф一般小于75%，否則容易產(chǎn)生軋件的不旋轉(zhuǎn)、螺旋縮頸甚至拉斷等問(wèn)題。當(dāng)軸類零件直徑尺寸相差很大時(shí)，即斷面減縮率Ф超過(guò)75%時(shí)，可采用在同一軋輥模具上兩次楔入軋制，即每次楔入軋制的斷面減縮率Ф小于75%，兩次斷面減縮率Ф大于75%的方法。在個(gè)別情況下，也可采用局部堆積軋制（將毛坯直徑軋大），解決斷面減縮率Ф大于75%的方法。
需要指出的是，當(dāng)斷面減縮率Ф小于35%時(shí)，若某些工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，不但軋件直徑尺寸精度不易保證，而且容易出現(xiàn)軋件中心疏松等缺陷。因此過(guò)小時(shí)，變形未能滲透到軋件中心，主要變形發(fā)生在軸的表面，多余金屬在模具間反復(fù)揉搓，使軋件軸心產(chǎn)生拉應(yīng)力與反復(fù)剪切應(yīng)力的作用，致使中心出現(xiàn)疏松甚至空腔缺陷。為避免小Ф產(chǎn)生的疏松缺陷，應(yīng)選擇較小的展寬角與較大的成形角。
所以，楔橫軋比較有利的斷面減縮率為：
Ф=40%-65%
5．11．2．1．2成形角
成形角α是楔橫軋工藝設(shè)計(jì)中兩個(gè)最主要最基本的參數(shù)之一。
理論與實(shí)踐表明，在楔橫軋正常展寬部分（圖6-2-11）的成形角α，一般在下列范圍內(nèi)選用：18o<=α<=32o。
成形角α對(duì)軋件的旋轉(zhuǎn)條件、疏松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著的影響。一般情況下，α角越大，旋轉(zhuǎn)條件越差，容易產(chǎn)生縮頸，但中心疏松條件改善。
成形角α與斷面減縮率Ф的關(guān)系較大。一般情況下，Ф越大，越容易發(fā)生縮頸和軋件不旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題，而不容易發(fā)生中心疏松，故α選擇較小值。
5．11．2．1．3展寬角β
展寬角β是楔橫軋工藝設(shè)計(jì)中兩個(gè)最主要最基本的參數(shù)之一。理論與實(shí)踐表明，在楔橫軋正常展寬部分（圖6-2-11）的展寬角β，一般在下列范圍內(nèi)選用：4<=β<=12o。
展寬角β對(duì)軋件的旋轉(zhuǎn)條件、疏松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩也都有顯著的影響，一般情況下，β角越大，旋轉(zhuǎn)條件越差，容易產(chǎn)生螺旋縮頸，軋制壓力與力矩增加，但中心不容易產(chǎn)生疏松。
為了減少模具的周長(zhǎng)度，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能選取較大的β角。
斷面減縮率Ф對(duì)展寬角β的影響比較復(fù)雜，一般情況是：當(dāng)Ф>70%時(shí)，應(yīng)該選擇較小的β值，否則容易產(chǎn)生縮頸；當(dāng)Ф<40%時(shí)，也應(yīng)該選擇較小的β值，否則容易產(chǎn)生疏松。
5．11．2．2 螺旋孔型斜軋工藝參數(shù)的確定
5．11．2．2．1極限壓縮量Z’
螺旋孔型斜軋的必要條件之一是：軋制中要建立穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)條件，否則既不能正常軋制，也出不了合格產(chǎn)品，并且容易損壞模具與設(shè)備。
由于螺旋孔型斜軋的旋轉(zhuǎn)條件比較復(fù)雜，一般用簡(jiǎn)單橫軋的旋轉(zhuǎn)條件進(jìn)行近似的分析。
簡(jiǎn)單橫軋的旋轉(zhuǎn)條件為摩擦力T組成的力矩MT應(yīng)大于或等于正壓力P組成的力矩MP,即: MT>=MP 或Z/d>=μ2/(1+d/D)
式中 Z-軋件每半圈的壓縮量；D-軋輥直徑；d-軋件直徑；μ-摩擦系數(shù)。
將上式寫成等式，此時(shí)，軋件每半圈的壓縮量Z就成為滿足旋轉(zhuǎn)條件下的極限壓縮量，用Z’表示，寫成：Z’/d>=μ2/(1+d/D)
Z’/d稱為極限相對(duì)壓縮量。極限壓縮量Z’是設(shè)計(jì)或者校核孔型凸棱高度變化曲線的重要依據(jù)。
5．11．2．2．2軋輥傾角α
螺旋孔型斜軋軋件的軸向前進(jìn)運(yùn)動(dòng)有兩方面的因素起作用。一是軋輥孔型圓周速度在軸向的分速度帶動(dòng)軋件的前進(jìn)速度（無(wú)整體打滑），用vc表示為：vc=(πDn1)/60。二是軋輥孔型的螺旋帶動(dòng)軋件的前進(jìn)速度，用uc表示為：uc=(n1Scosα)/60。
實(shí)現(xiàn)理想平穩(wěn)的軋制，應(yīng)該是以上兩個(gè)速度相等。這樣就不會(huì)出現(xiàn)孔型前后擠壓或者切割軋件前后端面的不良現(xiàn)象。
5．12 徑向鍛造（Radial forging）
5．12．1`徑向鍛造的特點(diǎn)、分類及用途
5．12．1．1 特點(diǎn)
徑向鍛造是在坯料周圍對(duì)稱分布錘頭，對(duì)坯料沿徑向進(jìn)行高頻率同步鍛打，坯料通常邊旋轉(zhuǎn)邊作軸向送進(jìn)，使坯料斷面尺寸減小，軸向延伸，同時(shí)加壓方向繞軸回轉(zhuǎn)，使斷面成對(duì)稱狀，其使用的設(shè)備為徑向鍛機(jī)。
圖18 徑向鍛造的各種形式
a)二錘頭回轉(zhuǎn)式 b) 二錘頭坯料回轉(zhuǎn)式
c)三錘頭坯料回轉(zhuǎn)式 d)四錘頭非回轉(zhuǎn)式
5．12．1．2 分類
徑向鍛機(jī)的工作部分有二錘頭、三錘頭及四錘頭之分，如圖18所示。對(duì)于某些專用棒材生產(chǎn)的徑向鍛機(jī)則有6錘頭或8錘頭的。有坯料不轉(zhuǎn)，錘頭每次打擊都要繞坯料旋轉(zhuǎn)的錘頭回轉(zhuǎn)式；有錘頭只作打擊，坯料旋轉(zhuǎn)的坯料回轉(zhuǎn)式；以及錘頭和坯料都不旋轉(zhuǎn)的非回轉(zhuǎn)式三種形式。
5．12．1．2 用途
目前國(guó)內(nèi)徑向鍛機(jī)上可鍛直徑達(dá)400mm的實(shí)心軸及直徑600mm的空心軸。圖19所示為應(yīng)用范圍：圓棒或圓筒的減徑件（圖19a）；帶錐度的件（圖19c）；帶臺(tái)階的件（圖19b,d）；內(nèi)、外表面異形件（圖19g,h）；縮口件（圖19e）；和其他物體固定件（圖19i）；彎曲軸的矯正及鋼錠的開坯等。
圖19徑向鍛造的應(yīng)用舉例
a)全部斷面減縮 b)一部分?jǐn)嗝鏈p縮 c)鍛錐度 d)鍛外部臺(tái)階 e)縮口
f)鍛內(nèi)臺(tái)階 g)鍛外異形斷面 h)鍛內(nèi)異形斷面 i)鍛接
因此，徑向鍛造廣泛地用于鍛造各種機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)、機(jī)車、飛機(jī)、坦克和其他機(jī)械上的實(shí)心臺(tái)階軸、錐度軸和空心軸，以及這幾種形狀兼有的軸類鍛件。還可以專門用于各種氣瓶、炮彈殼的收口，航空用氧氣瓶，火箭上噴管的縮頸，鍛造槍觀管、炮管和深孔螺母、內(nèi)花鍵以及方形、矩形、六邊形、八邊形和十二邊形的棒材。
5．12．2 徑向鍛造工藝參數(shù)的確定
徑向鍛造的主要工藝參數(shù)有鍛件轉(zhuǎn)數(shù)、軸向送進(jìn)速度、徑向壓入量和徑向送進(jìn)（進(jìn)錘）速度以及毛坯的加熱溫度。
5．12．2．1 鍛件轉(zhuǎn)數(shù)
徑向鍛機(jī)上鍛出的鍛件外圓，實(shí)際上呈多邊形，只不過(guò)是因?yàn)椴捎脠A形工作表面錘頭，多邊形已不明顯。工件轉(zhuǎn)數(shù)只影響邊數(shù)多少，而與工件直徑無(wú)關(guān)。多邊形邊數(shù)越多，鍛件也就越圓滑。錘頭的打擊次數(shù)是不變的，一般夾頭的轉(zhuǎn)數(shù)是可調(diào)的，一般為25-46r/min。
5．12．2．2 軸向送進(jìn)速度
軸向送進(jìn)速度越大，生產(chǎn)率越高，但是鍛件外表質(zhì)量也就越不好。熱鍛時(shí)一般選用1.5-2.5m/min;溫鍛時(shí)選0.3-0.5m/min;冷鍛時(shí)選0.06-0.2m/min
5．12．2．3 進(jìn)錘速度
進(jìn)錘速度對(duì)鍛件表面質(zhì)量影響不大，一般選200-300mm/min。
5．12．2．4徑向壓入量
在機(jī)器力量允許的情況下，選用較大的徑向壓入量可減少工步，提高生產(chǎn)率。但是徑向壓入量大，橫向變形也大；在軸向送進(jìn)速度較大時(shí)，鍛件表面會(huì)出現(xiàn)螺旋形脊椎紋，尤其在鍛小直徑時(shí)更明顯。一般若選用較大的徑向壓入量，則配之以較低的軸向送進(jìn)速度。
5．12．2．5 鍛造溫度
徑向鍛造的機(jī)動(dòng)時(shí)間較短，錘頭與鍛件接觸時(shí)間極短，錘頭帶走的熱量很少，所以一般鍛件的終鍛溫度較高，故毛坯加熱溫度可比一般鍛造低100-200℃。
參考文獻(xiàn)
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王允禧，鍛造與沖壓工藝學(xué)，北京，冶金工業(yè)出版社，1994