節能節材的星形套“熱—冷”聯合成形

文/徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

節能節材的星形套“熱—冷”聯合成形

文/徐祥龍·江蘇森威精鍛有限公司

星形套也稱“內星輪”（圖1）是汽車等速萬向節關鍵零件之一。星形套是具有復雜外形特征的精密零件，外球面和6個溝道都必須淬硬并完成精密加工，內孔是精密的漸開線花鍵孔。星形套各裝配表面為數控磨削或精密硬車/硬銑加工出的三維復雜表面。星形套一般采用低碳合金鋼滲碳淬火硬化，常用的材料有SCM420H、SAE8620H或16MnCr5等。

星形套精密成形

星形套的熱精鍛成形

由于等速萬向節星形套是大批量生產的汽車關鍵零部件，因此，精密鍛造是星形套毛坯成形優先考慮的成形工藝。

圖1 星形套產品

⑴星形套傳統鍛造工藝。

星形套最早的成形工藝是熱鍛→機加工成形工藝。熱鍛→銑槽成形工藝由于材料利用率低、后續銑槽加工生產效率低、制造成本高，不能適應等速萬向節的大批量經濟化生產，因此很快就被星形套精密成形工藝所替代。

⑵星形套熱精鍛成形工藝。

早期的星形套精鍛毛坯采用熱精鍛工藝生產，依次經下料、熱鍛成形、切飛邊、沖孔完成。星形套熱精鍛提高了材料利用率，減少了溝道銑加工工作量。由于星形套熱精鍛毛坯的形狀和尺寸精度有限，加工余量較大，如熱處理后直接磨削，很容易燒傷砂輪。另外，切邊殘留的剪切毛刺對磨削也有嚴重影響。因此，熱精鍛星形套毛坯在成形后還需精車和精銑加工。以上缺點使得星形套的熱精鍛工藝較少應用于大批量的配套生產中。但普通熱精鍛設備投資小，模具結構簡單，適合于售后市場的多品種小批量生產。

⑶星形套高速熱鐓鍛成形。

隨著制造技術的進步，高速熱鐓鍛機被用于星形套的精密成形，使熱精鍛毛坯的精度有所提高；星形套的熱處理后硬車和硬銑工藝，使得切邊毛刺和加工余量大的問題得以解決，因此，在等速萬向節大批量配套生產場合，也有成功使用高速熱鐓鍛毛坯的案例。圖2所示的是用于星形套高速精密熱鐓鍛成形的瑞士哈特貝爾AMP30S高速熱鐓鍛機，鍛造溫度1180℃，生產效率高達120件/min。它是當前星形套最高效率的成形設備，不足之處是鍛件有切邊毛刺，而且鍛造精度稍低。

圖2 哈特貝爾高速熱鐓鍛機

星形套的閉塞冷鍛成形

星形套閉塞冷鍛成形是當代應用最廣泛的精密成形工藝。這是一種無飛邊的精密成形工藝，廣泛應用于中小型復雜零件的批量生產中。閉塞成形的星形套冷鍛毛坯，如圖3所示。星形套閉塞冷鍛成形流程如下：棒料剝皮→鋸切下料→球化退火→拋丸→磷、皂化處理→毛坯冷整形→閉塞冷鍛成形→沖孔。

圖3 閉塞成形的星形套冷鍛毛坯

⑴閉塞冷鍛成形的突出優點：1）無飛邊；2）材料利用率高；3）成形精度高、表面質量好，成形表面達到少、無切削水平，熱處理后溝道可直接磨削；4）模具壽命高；5）單位能源消耗比傳統熱鍛工藝有較大幅度降低；6）生產效率達到20件/min左右，適合于大批量生產。

⑵閉塞冷鍛成形的不足之處：1）工藝流程長；2）工藝流程中球化退火工序周期達48h，而且是主要能耗工序；3）冷鍛變形抗力大，要使用大噸位壓力機，設備投資大；4）鍛件組織為球化退火組織，切削性能很差；5）退火和磷、皂化工序的間歇生產特征，難以改造為流程化生產模式，不利于生產管理模式的進步；6）工藝流程中的磷、皂化處理有嚴重的環保問題。

星形套閉塞冷鍛成形雖然有以上缺點，但成形精度好、模具壽命長及生產效率高的突出優點，使閉塞冷鍛在星形套的精密成形生產中占據了主導地位，特別是在日本，絕大部分星形套都是用閉塞冷鍛工藝成形。

星形套的閉塞溫鍛

對環境污染越來越嚴格的管制，促使企業盡一切可能來尋求避免使用磷化處理的精密成形工藝。特別是在歐洲，各國政府的環保部門一直在醞釀要徹底取消磷化處理工序。因此，歐洲的企業在取消磷化生產工序方面更加迫切。20世紀90年代以來，鋼鐵溫鍛成形技術日漸成熟，并很快被應用于等速萬向節星形套的精密成形生產中。

⑴星形套閉塞溫鍛工藝流程。

星形套溫鍛成形工藝流程與冷鍛相似：棒料剝皮→鋸切下料→拋丸→預熱（150℃）→石墨涂層處理→感應加熱（850℃）→溫鍛整形→閉塞溫鍛成形→沖孔→控制冷卻→拋丸。

⑵星形套閉塞溫鍛優點：1）生產周期短。星形套溫鍛工藝與冷鍛相似，但冷鍛長達2晝夜的球化退火被溫鍛短短幾分鐘的感應加熱所取代，所以生產周期得以大幅度縮短；2）能耗低。溫鍛加熱能耗小于球化退火；溫鍛成形力小，鍛造能耗也??；3）生產效率高；4）材料利用率高；5）通過控制冷卻，可將鍛件組織和硬度調整到切削性能較好狀態；6）投資少。成形設備的噸位小于冷鍛，因此，設備投資也小于冷鍛；7）易實現流程化生產；8）沒有嚴重的環保問題。溫鍛不用磷皂化處理，沒有含磷廢水排放污染環境問題。

⑶星形套閉塞溫鍛的缺點：1）溫鍛的模具冷卻—潤滑遠比熱鍛和冷鍛要求苛刻；2）溫鍛件形狀、尺寸精度和表面質量不及冷鍛件。

由于溫鍛星形套毛坯精度稍低于冷鍛毛坯，因此，星形套的溝道和外球面需精密加工的表面上留有比冷鍛毛坯稍大的加工余量。偏大的磨削余量容易引起磨削燒傷，并使砂輪消耗過大。但當星形套的熱處理后加工采用對加工余量不太敏感的硬車和硬銑加工時，溫鍛星形套加工余量偏大的不足能被容忍。因此，星形套閉塞溫鍛在等速萬向節的配套生產中得到較多的應用。

星形套“熱—冷”聯合成形

課題的提出

星形套閉塞冷鍛工藝具有節能節材和毛坯精密化、生產效率高的特殊優點，但冷鍛工藝生產流程復雜，生產周期較長，對當代制造業追求個性化生產的趨勢，強調小批量多品種生產很不適應；閉塞冷鍛工藝流程中的退火和磷、皂化處理為間歇生產模式，對提倡“一個流”的精益生產管理，顯露出越來越不協調的趨勢；閉塞冷鍛工藝難以解決含磷排放的環保管制；星形套溫鍛工藝具有與冷鍛相似的優點，而且生產流程簡單、生產周期很短。但溫鍛毛坯精度方面的不足妨礙了溫鍛工藝的進一步推廣。在這種形勢下，我們希望開發的星形套成形工藝，來解決高精度和低成本、高效率和短流程之間的矛盾。

新工藝的工藝目標

與閉塞冷鍛相當的表面質量及精度；與冷鍛、溫鍛相當的材料利用率；高于閉塞溫鍛和閉塞冷鍛的生產效率；低于冷鍛、溫鍛、熱精鍛等傳統工藝的生產成本；流程短，最好能實現流程化生產；取消磷酸鹽皮膜處理。

星形套“熱—冷”聯合成形新工藝

幾年前，針對上述目標，江蘇森威精鍛有限公司與瑞士哈特貝爾公司合作開發了以高速熱鐓鍛與閉塞冷鍛聯合成形的新工藝。

⑴工藝過程簡介。

棒材剝皮→感應加熱（1180℃）→高速熱鐓鍛成形→控制冷卻→拋丸→潤滑處理→閉塞冷精整→沖孔（或鉆孔）。

⑵關鍵工序。

1）高速熱鐓鍛成形（預成形）是星形套“熱—冷”聯合成形的關鍵工序。新工藝充分發揮高速熱鐓鍛技術的低成本、高效率的生產特點，將星形套由棒料到鍛件的大部分變形量安排在高速熱鐓鍛工序中完成。從熱鐓機下來的毛坯已按最終鍛件形狀基本完成體積的分配，而星形套毛坯的最終精度由后續閉塞冷鍛來完成。但高速熱鐓鍛機傳統的鍛造產品主要是軸承套圈和六角螺帽等形狀相對簡單的鍛件。這一類鍛件的成形和脫模都比較容易，生產過程穩定，生產效率高達120～140個/ min，模具壽命在1.5萬件左右。而星形套預成形鍛件形狀復雜，鍛件的外輪廓面積要比圓筒類鍛件大得多。因此，星形套毛坯的高速熱鐓鍛成形遇到了成形充填不足和脫模困難的難題。通過數字模擬分析和采用特種潤滑劑，解決了成形問題和脫模問題，使星形套“熱—冷”聯合成形工藝終于投產。

2）控制冷卻工序。在閉塞冷鍛中，球化退火是使毛坯獲得足夠的塑性和較低的變形抗力的關鍵工序。但球化退火是高能耗工藝，其能源消耗占了總能耗的一半以上。新工藝的最終成形工序雖然也是閉塞冷鍛，但由于在前工序預成形中已將毛坯材料按最終鍛件形狀做好了體積分配，因此在閉塞冷鍛成形時，毛坯材料流動路徑短，變形小，所以不需采用以球化退火來獲得塑性和硬度的最佳狀態，而以充分利用鍛造余熱的控制冷卻來調整工件的組織和硬度，即可順利完成后續的閉塞冷鍛成形，并且有較高的模具壽命。

3）潤滑工序。因為高速熱鐓鍛（預成形）已基本完成材料的體積分配，到最終成形工序時，材料的流動和變形都被控制在相當于冷鐓―整形的變形范圍內，因此，可以用簡單的高分子潤滑劑浸漬處理來替代有嚴重環保問題的磷、皂化處理。實踐證明，浸漬高分子潤滑劑的毛坯與經過磷、皂化處理的毛坯在成形性能和脫模效果方面沒有明顯差異，模具壽命也沒有明顯影響，但高分子潤滑處理成本略高于磷、皂化處理。

4）閉塞冷精整成形。新工藝的閉塞冷精整成形與傳統的閉塞冷鍛成形沒有什么大的差異，是很成熟的成形技術，只是變形量更小一點。因此，稱之為“閉塞冷精整”更確切一些。另外，如上所述，對毛坯的潤滑處理也可簡單化。

⑶關鍵設備。

1）高速熱鐓鍛機。目前，全世界能生產高速熱鐓鍛機的工廠也沒幾個。我們曾經在日本阪村的高速熱鐓鍛機上完成過熱成形試驗。目前我們使用的是瑞士哈特貝爾（HATEBUR）AMP-30S高速熱鐓鍛機（圖2），為完成星形套的預成形作了一些改裝，該成形機生產星形套時生產速度高達100件/min以上。

■ 表1 星形套成形工藝指標比較

2）控制冷卻生產線。這是根據高速熱鐓鍛鍛件下線溫度專門訂做的專用設備?？乩浜蟮慕M織為細片狀珠光體＋少量球化組織，如圖4所示，晶粒度6級～8級；硬度80HRB左右，完全符合冷鍛精整和后續機加工的要求。

圖4 控制冷卻后的鍛件組織

3）閉塞冷鍛壓力機?！盁帷洹甭摵铣尚蔚拈]塞冷鍛用壓力機與傳統的閉塞冷鍛成形壓力機沒有什么不同。由于冷精整工序變形量較小，因此短行程的肘桿式冷鍛壓力機也能勝任閉塞精整工序。

星形套“熱—冷”聯合成形與傳統成形方法比較

⑴星形套“熱—冷”聯合成形全面達到課題提出的目標（表1）。

⑵星形套“熱—冷”聯合成形的不足。投資額巨大，主要是高速熱鐓鍛機必須進口，而且價格不菲，因此需要年產量高達千萬以上的產量來支持，否則將背上巨額的投資包袱；快的生產節拍和很高的產量，適合于星形套大批量生產，對小批量多品種生產并不適合。

因此，星形套“熱—冷”聯合成形工藝適合于客戶固定，產品單調、有極大生產批量的汽車精密鍛造專業供應商或配套市場的等速萬向節制造廠商。

結束語

當前，在國內外汽車零部件制造行業，等速萬向節星形套精密成形的主流生產工藝還是閉塞冷鍛生產工藝。星形套“熱—冷”聯合成形工藝的出現，仿佛是精鍛陣營里的一支生力軍，有著蓬勃的生命力?！盁帷洹甭摵铣尚喂に囈匀鎯瀯俚募夹g和經濟指標，超越傳統工藝，取得越來越廣泛的應用。世界上以高速熱鐓鍛成形＋冷鍛精整為特征的“熱—冷”聯合成形工藝，除等速萬向節星形套以外，最高水平的應用當屬歐洲某企業開發的汽車差速器錐齒輪的“熱—冷”聯合精密成形。