現代化鍛造生產中鍛件折疊成因分析及控制

文／李艷，李騰飛，巨軍榮，張向卓·陜西法士特齒輪有限責任公司

根據以往生產中的實例，分析了工廠鍛造生產中的折疊現象。本文從成形過程、下料、脫模劑使用、鋼材表面缺陷等幾個方面分析講解了折疊的形態、成因、現場控制排除方法等，都是現場質量控制的實用型方法，文中同時講到了新的生產線、新的鍛造生產方法等內容。

隨著鍛造自動化生產線、精密設備(圖1)的引進，我公司鍛造水平得到很大的提升，鍛件向小余量和精鍛的方向發展；機器人的投入使用代替了部分人力，鍛造自動生產線連續生產節拍時間達到6 秒，與之配套的精密剪切機每分鐘可以剪切約20 件，高效率使鍛造產能得到大幅度提升。自動化程度的提高對各方面配套提出了更高的要求，也要求鍛造過程缺陷可控，否則會造成極大損失。雖然目視和測量能發現的缺陷容易控制，但是隱性的缺陷就很難控制了。

圖1 自動化精密設備

提出問題

折疊的界定

公司鍛造車間閉式鍛造的推行，精化余量鍛件，精鍛齒和鍛出油槽等工藝的開發使鍛造工藝水平躍上新臺階。鍛件成形缺陷主要有未充滿、折疊、同軸度超差、磕碰、油槽變形等。其中鍛造折疊因為不易被發現而最難被控制，折疊是金屬變形流動過程中與氧化過的表層金屬匯合到一起而形成的。折疊不僅減少了零件的承載面積，而且工作時，由于此處的應力集中往往成為疲勞源。有折疊的零件在后續工序(主要是熱處理時)，折疊尾端常常會擴展，在后擴展的部分形成裂紋；末端呈尖形，其表面一般無氧化、脫碳現象。折疊成為裂紋產生的一種誘因，所以折疊對鍛件的危害極大，技術文件中規定鍛件上一般不允許有折疊。

現狀

鍛造車間的鍛件生產是工廠產品加工的第一道工序，后面還有粗車→精車→產品熱處理等。在鍛件上或成品件上，也可能出現后續工藝不當、使用維護不當或者設計與選材問題等引起的質量問題，以及其他類似裂紋的缺陷。鍛件質量分析如圖2 表示，在公司內部剔除熱處理、表面處理、冷加工產生的缺陷，剩余就是鍛件本身存在的缺陷；設計選材和使用維護的缺陷由公司定性。

圖2 鍛件質量分析

因為鍛造折疊通過目視不易發現，而且其和后工序產生的裂紋不易被區分，造成分析困難，所以應在鍛造工序盡早控制。但是由于其成因復雜且屬于隱性缺陷，難以避免被轉出?；诩訌姽ば蜷g溝通，前工序服務后工序，所以鍛造車間經常協助發現缺陷工序車間共同查找和解決問題，群策群力并以期“去偽存真”。再運用先進的BIQ(Built-In-Quality)共鑄質量管理方法，對折疊從現象、原因、產生、排除等幾方面層層分析，以期提高鍛件質量。

技術人員于2016 年7 月在齒輪加工車間處理反饋的問題時，發現該批精車件(8620H 材質)上有圖3 所示的目視缺陷，特征是在產品上分布無規律，無氧化發黑，技術人員判斷其是非鍛造過程引起，對其進行了送檢確認，同時避免了大量的挑揀工作?；谝伤啤傲鸭y、折疊”給鍛造車間帶來的大量額外工作和影響，車間技術人員有必要對鍛造工序中的折疊成因進行分析，做到“知己”。

圖3 目視缺陷

查找與排除問題

如圖4 所示，從本廠生產實際出發，技術人員總結出鍛造生產中的折疊成因，主要產生在以下幾個方面。

圖4 鍛件上的折疊形成因素

圖5 鍛件凸圓弧上的折疊

圖6 模具圓弧塌陷引起的折疊

圖7 刮料壓折

鍛造成形折疊

鍛造折疊可以是兩股(或多股)金屬對流匯合而形成；也可以是一股金屬的急速大量流動將臨近部分的表層金屬帶著流動，兩者匯合而形成；也可以是由于金屬發生彎曲、回流而形成；還可以是部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內而形成，一般發生在圓角部位。我公司鍛造設計中使用DEFORM-3D 模擬軟件，主要用來分析金屬流動的趨勢，在設計工作中可以有效分析金屬流動情況，對成形折疊的發生起到一定的預防作用。幾種常見成形折疊見表1。

表1 幾種常見成形折疊

閉式鍛造預鍛毛刺壓入鍛件、異物壓入鍛件

鍛件在熱模鍛壓力機(圖8)上進行閉式鍛造，有鐓粗、預鍛、終鍛三道工步?；剞D體鍛件由于鐓粗制坯分料不均勻，造成預鍛成形時局部會擠出毛刺，終鍛時毛刺壓折在鍛件上端面外圓處形成折疊；型腔中掉落的異物被毛邊壓折在鍛件端面或其他部位也會引起折疊。壓入折疊實例見表2。

表2 壓入折疊實例

圖8 熱模鍛壓力機

圖9 擠出毛刺壓折

圖10 異物壓傷

剪切坯料端面缺陷及引起的鍛造缺陷

精密剪切機是一種高效自動化的下料設備。表3列出了我公司的老式剪切機易出現的缺陷，我公司鍛造車間備料二期和三期引進的萬陽精密剪切機，在刀座的上刃下方設計了托料器，相比老式剪床剪切質量改善明顯，如圖11 所示。

表3 剪切缺陷實例

圖11 剪切料斷面質量良好

圖12 端斜和壓扁

圖13 剪切裂紋

在備料工段，圓鋸機鋸切出的料端面質量好，料段重量精確。普通帶鋸機精度低，鋸切時易出現端面斜度大的料。生產中個別輪輻窄的鍛件，例如出口件23160(副箱中間軸傳動齒輪，材質8620RH)，極小的剪切毛刺(符合剪切質量要求)也會引起折疊。經過分析該類鍛件輪輻窄，毛刺料水平流動范圍小，由于流動時受阻積留在鍛件輪輻部位。這類品種現場將剪切下料改為鋸切下料，以消除毛刺，消除這個品種的輪輻折疊。

自動生產線脫模劑失效引起的折紋

公司的鍛造自動生產線(圖14)是鍛造車間自動化程度最高的生產線，沖孔后的鍛件自動轉入正火爐，主機的兩條步進梁代替人工操作，產能提升很大。主要生產鐓粗類圓餅件，除了鍛造成形的常規折疊外，偶然有自動噴霧潤滑時潤滑劑失效，造成金屬流動受阻造成的折紋(圖15)，一般形狀不規則，但這種缺陷極少出現。

圖14 自動生產線成形

圖15 輪輻折疊

軋制過程中的螺旋形折紋

我公司的楔橫軋成形是一種采取回轉成形方法，通過局部連續塑性成形軋制軸類件。與鍛造成形相比，工作載荷小、設備質量輕、生產率高、產品精度高、工作環境好，易于實現機械化和自動化。由于楔橫軋的成形特點，容易出現由模具引起的表面缺陷，如螺旋狀凹痕和中心疏松等，這些缺陷與外部螺旋形連續壓折區別明顯，而從外部螺旋形連續壓折判斷，明顯是由于原材料裂紋所引起。如圖16 所示的67051105(二軸)出現的對稱或非對稱連續線，特征包括較長范圍，少數件(一般產生在一根上，有時在某爐號鋼材集中出現)。生產中由操作工仔細觀察，并挑出隔離缺陷件，同時向上級反饋。

圖16 軸表面壓折

供楔橫軋機(圖17)生產用的鋸切好的料段，軋制時如果表面有壓折就需要對其做磁粉探傷以剔除缺陷料。鋼材內部缺陷對軋件質量影響較大，在生產中對軋件心部的質量檢測一般使用超聲波探傷儀。

圖18 鋼材表面螺旋形凹坑

圖19 鋼材表面凹坑

圖20 鋼材表面軸向細裂紋

圖21 圓餅鼓形部分豎裂紋

圖22 鍛件外圓軸向裂紋

圖23 鍛件端面徑向細紋

圖24 直供件表面凹坑

圖25 機加工時出現的目視缺陷

鋼材表面缺陷壓入鍛件表面形成的裂紋等其他缺陷

工廠采購的軋制鋼材表面，由于生銹(也稱黃皮料)和軋制氧化(青皮料)的原因，在生產中不易發現其表面缺陷，但在散開和鋸切備料時可以發現部分表面缺陷。常見鋼材表面缺陷及引起的后續工序缺陷見表4。

表4 鋼材缺陷及引起的后續缺陷實例

以上鋼材表面缺陷分析未對成因做深入研究，只對缺陷現象做了較細致歸類，以方便生產中操作者做比對篩出。鋼材經過加熱、鍛造，其表面缺陷會壓在鍛件表面，外觀類似鍛造折疊，造成質量隱患。鍛造車間必須剔除材料問題，排除干擾“因素”才能有效分析整個鍛造過程。鍛造車間鼓勵員工積極反映材料的外觀問題，并且獎勵貢獻大的個人，且報送公司授獎。這極大提高了職工的積極性，使材料問題應發現盡發現，并可以得到快速處理。公司材料中心和質量檢驗部門通過先進的理化手段，能夠迅速對發現的材料內外部缺陷定性。

總結

根據鍛件上的缺陷在下料、鍛造工序以前是否存在來劃分缺陷責任，鍛造成形折疊、閉式預鍛毛刺壓入、異物壓傷，剪切坯料端面缺陷等引起的折疊都屬于是鍛造過程引起。

根據以上“折疊”成因分析，鍛造過程中折疊和鋼材表面缺陷是折疊產生的兩個方面。在發現鋼材缺陷方面，本公司鍛造車間采取生產中本工序篩查隔離，同時報質量部門，質量部門通知后工序進行示警。在隔離鋼材缺陷方面，鍛造車間做了很多工作，對后面工序發現的裂紋，經由鍛造技術人員在服務中采用確認是鍛造折疊還是鋼材裂紋。分辨鍛造折疊和材料裂紋時，技術人員采用互為確認、排除的方法，從缺陷的外觀形態和形成過程進行分析，以達到快速分辨并給質量部門提供初判意見。粗車→精車→產品熱處理也有自己的技術手段來分析本工序缺陷，質量管理部采用的這種逐單位責任分離的方法有利于準確快速地解決問題。

在提升鍛件質量的道路上，我們鍛造人一直在努力。