采用复合成形工艺实现锻件近净成形

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1 前言
当前面对激烈的市场竞争和资源与环境问题的严峻挑战，研究开发具有原始创新性的复合成形工艺，实现汽车、农机等行业中的重要锻件的近净成形，具有重要的意义。本文介绍了作者近些年来采用产学研方式，独立自主开发成功的实现汽车、农机产品的锻件近净成形的几种典型复合成形工艺。这些研究成果已应用于实际生产，并取得了显著的经济效益。
2 典型锻件复合近净成形工艺
2.1 汽车半轴套管的正挤横轧成形工艺
2.1.1 产品简介与传统工艺
半轴套管是汽车后桥上的重要零部件，它承受动态垂直载荷与扭矩。作为汽车上的重要保安类锻件，目前国内外多沿用传统的整体式设计（图1）和整体式模锻（或胎模锻）成形工艺来制造半轴套管。从图1可知，半轴套管的几何特征为：法兰直径是管体小端直径的3倍；而管体的长度是其大端直径的3倍。具有这样几何特征的半轴套管，采用传统的整体模锻工艺成形很困难，而且存在材料利用率低，锻件肥头大耳，后续机械加工量大、生产率低，制造成本高等一系列缺点。

b) 胎模锻工艺过程
图1 整体式半轴套管及传统成形工艺

2.1.2 创新型半轴套管正挤与横轧成形工艺
为了实现半轴套管产品锻件的近净成形，我们经过多年研制，开发成功了基于分体设计的半轴套管正挤横轧及摆动辗压复合成形工艺。
（1）产品的分体式设计
在全面考虑了产品使用性能与生产过程中的成形、加工与装配、降低成本与节省材料诸因素后，首先将产品革新为分体式设计（图2）。将半轴套管体1和法兰2分离，之后经过设计合理的锻件图用正挤与横轧工艺成形半轴套管体，用摆动辗压工艺成形法兰。

1—套管体 2—法兰
图2 分体式半轴套管

（2）半轴套管体的正挤与横轧新工艺
如图3所示，局部电加热的管坯由芯模推挤到由3个成形轧辊组成的回转型孔内，在轴向进给时，由于轧辊成形角的阻力使管坯前端产生缩径。在轴向推挤与径向横轧的复合作用下，使管坯依次通过两个轧辊成形角后产生2次缩径，并在缩径的同时增加壁厚。半轴套管体的外形由轧辊的成形面形成，其内腔则由芯模保证。

1—轧辊 2—芯模 3—管坯
图3 半轴套管体正挤与横轧工艺原理图

半轴套管体采用正挤横轧工艺成形的突出特点是达到了近净成形。以CA1040轻型车为例，采用新工艺后材料利用率由原来的35%提高到58%，减少后续机械加工量35%。同时分体式正挤与横轧的半轴套管较整体式每件减轻重量2.5kg，能使整车减轻自重5kg。
2.2 制造空心变速杆的缩旋与楔横轧工艺
2.2.1 产品简介与传统成形工艺
变速杆是汽车换档变速操纵的重要零件。驾驶员通过操纵变速杆以准确地将变速器挂入所需的档位。目前国内生产的汽车变速杆多为实心式的，其制造方法是采用棒料作毛坯，用锤上模锻与辊锻工艺成形，经校直后再弯曲。传统工艺的主要缺点是：材料利用率低（65%），成形工艺繁琐，生产率低。同时实心变速杆重量大，操作不灵活，产品刚性差。
2.2.2 成形空心变速杆的复合工艺
为了实现变速杆的近净成形，提高材料利用率和产品的使用性能，我们研制了用复合工艺成形的空心变速杆。以国产CA6440 旅行车的空心变速杆为例（图4），先将变速杆设计成分体焊接式结构，之后采用径向锻造机将冷拔管按1：30的锥度将杆部缩旋成形，而球形拨头则采用楔横轧成形。经加工后的球形拨头的圆柱端迫入杆部大端的孔中，用氩弧焊将二者焊在一起，即可得空心变速杆。

a）空心变速杆产品图 b）成形杆部(左)，轧成球形拨头(右)
图4 成形空心变速杆的复合工艺

用复合工艺制造汽车变速杆，具有材料利用率高（86%），零件减轻重量约40%，节约机械加工工时55%，节约能源33%等显著经济效益。同时产品具有刚性好、外观好、操作灵活且回油性能好等优点。
2.3 轻轿车飞轮齿环铸辗复合工艺
2.3.1 飞轮齿环的现行加工工艺
飞轮齿环是第一汽车集团生产的CA488发动机上的一个重要零件（图5）。这是典型的薄壁矮环件。此类零件的单个毛坯的制备难以兼顾高生产率和较高的材料利用率。目前国内外多采用扁钢滚圆环再闪光对焊的工艺生产飞轮齿环坯。但因所用扁钢为中碳钢（如45GB699－1988），焊接性能差，同时因国产焊机性能不稳定，难以保证焊缝处质量，致使废品率高达30%。而引进国外生产工艺及设备需180万美元的高昂投资。

图5 CA488 发动机飞轮齿环简图

2.3.2 飞轮齿环铸辗复合成形工艺
鉴于前述，为了促进引进车型零部件国产化的进程，有必要开发符合我国国情的轻、轿飞轮齿环毛坯的生产新工艺。经过分析产品的几何形状特点并结合协作厂铸造能力较强的优势，研究开发了飞轮齿环铸辗复合工艺。其要点为：
（1）将矮环件转化成易于辗环的筒形件
将相对厚度H/Dw 为4%的7~8个飞轮齿环迭加成相对厚度为31%~32%的筒形件。这样可采用国产D51-350型辗环机上辗扩成所要的筒形件。
（2）铸坯设计与铸造方法
设计筒形铸坯时应考虑到辗扩的成形特点：扩径变薄的同时高度增加。实际设计时取铸坯高度H0 = (0.4 ~ 0.5)H，而 H0 =40mm。为保证辗扩时辗透以得到锻造组织，辗压比取值范围为：y=1.4 ~ 1.6。
为了使辗扩变形后的飞轮齿环坯的主要力学性能指标接近或超过钢45GB699－88的指标（ σb、σs 、δ），所采用的铸钢坯的化学成分如表1所示。

表1 辗扩用铸坯的化学成分（wt%）

（3）铸造方法的选择
为了保证铸坯的内在质量（无夹渣、砂眼等）与表面质量，并降低成本，采用了砂型铸造。同时还采用了钢水净化、滤网除渣、喷涂料防止粘砂等技术措施。这样所获得细晶粒的再结晶组织，在辗扩时能实现由铸造组织间锻压组织的转化，并提高机械性能。
（4）辗扩成形工艺
将所获得的铸坯加热后进行辗环成形（图6）。辗环的工艺参数为：辗环温度范围为850~1150℃，变薄率ε=40%~50%，进给量f=1mm/r。

图6 辗环成形简图

对于采用辗压比y=1.25~1.40所获得的铸辗成形的飞轮齿环坯进行力学性能测试分析，其数据列于表2。

表2 铸辗毛坯与焊接毛坯力学性能对比

由表2 可知，在辗压比y=1.25~1.40时，铸辗毛坯的力学性能指标都高于焊接的毛坯。
采用铸辗复合工艺生产飞轮齿环是符合我国国情的投资少、见效快的近净成形工艺。它与引进国外闪光对焊设备与工艺相比，节省投资85%。铸辗复合工艺获得的飞轮齿环毛坯的质量高于焊接的毛坯。
2.4 链轨节铸锻复合工艺
2.4.1 链轨节的现行成形工艺
链轨节是联合收割机履带上的重要零件，它承受重载且工作条件恶劣。链轨节形状复杂，截面变化急突（图7）其锻造成形较难。目前国内外均采用棒料毛坯经辊锻制坯后，在锤上模锻成形。传统工艺的主要缺点是：工艺步骤较多，其设备投资大，材料利用率低，浪费能源。

图7 链轨节锻件图

2.4.2 成形链轨节的铸锻复合工艺
（1）铸坯铸造工艺
为了使铸坯的体积接近于终锻件的体积，并减小锻压设备的吨位。在设计铸坯时，应将起伏的筋板与台阶设计得接近于终锻件图，但圆角应较大些，所有孔都设计成盲孔并留出锻压的冲挤余量。采用的锻造比为1.2︰1.0。
采取必要的技术措施，保证铸坯具有较高的内在质量与表面质量。如采用中频电炉，钢水熔炼过程中采用去气除渣净化工艺，并采用过滤技术。用砂型潮模铸造，并在铸型表面喷上涂料，使铸坯表面光洁，并无粘砂、夹渣等缺陷。这样获得较高质量的铸坯无需退火处理即可直接进行锻造。
（2）链轨节的锻造成形工艺
将铸坯加以清理后，加热至始锻温度，在J51-630摩擦压力机上经过预锻、终锻两道工序成形。之后进行切边、冲孔与热校正，便可得到铸锻复合工艺成形的链轨节锻件。
采用铸锻复合工艺生产链轨节具有显著的经济效益：材料利用率约为90%（因采用冲压其他产品的余料），高于锤上模锻的67%；本工艺比锤上模锻节约能源15%；节约设备与工装投资25%；降低生产成本16%。
3 结论
采用产学研方式，发挥高等学校的科技优势所自主研制的实现锻件近净成形的复合工艺，符合我国国情，不但具有显著的经济效益，而且具有示范作用。其中汽车半轴套管正挤与横轧工艺曾被机械工业技术发展基金会作为高等学校的产学研示范项目予以资助，在校内建成了年产15万件轻型车正挤横轧半轴套管的生产线，并为中国一汽集团独家配套。链轨节铸锻复合成形工艺亦在校内辊锻件总厂批量生产，并为佳木斯联合收割机总厂配套。上述两项研究成果在校内实现产业化，不仅提高了学校的行业声誉，而且创造了3000万元以上的直接经济效益与1.5亿元以上的间接经济效益。另外两项研究成果已分别获得了中国一汽集团公司发展改造处和长春汽车研究所的认同，即将实现产业化。

文章关键词： 复合成形工艺