小坂田 宏造：冷锻成形工艺概要~

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今天强烈推荐冷锻行业一篇“王牌世界级”的大作，来自于大阪大学名誉教授   小坂田   宏造：冷锻成形工艺概要 。苏州汉金模具技术有限公司 王欣 译。

小坂田 宏造先生是大阪大学的名誉教授，世界著名的塑性加工专家，曾担任日本塑性加工学会(JSTP)主席和锻造委员会主任委员，国际冷锻组织( ICFG)理事会成员， CIRP 塑性加工部门主任委员，国际学术期刊“ International Journal of Mechanical Science ”和“ Journal of Machine Tool& Manufacture ”编委。

他和中国锻压行业的交流由来已久，早在20世纪八十年代初就和我们的前辈—李社钊理事长在中国的行业会议上有交往，并于2005年“世界先进锻压技术系列讲座”上系统地介绍了日本锻造技术，受到业内好评。

　　1．冷锻的概念

温度越高金属材料变得越软,锻造成形就越容易,可是,高温状态下锻件的精度不好，因为900℃以上时钢材表面的氧化急剧加快。另外，低温进行的冷锻，锻件精度好，强度也高，可锻造成形的压力高，无论是工具还是锻件在锻造中都容易引起开裂。

在金属学上，材料加热到再结晶温度（钢约是700℃）以上进行的锻造称为热锻,再结晶温度以下叫做冷锻。实际上,一般是根据作业条件，按照图1进行锻造名称的细分。

习惯上再结晶以下的加热锻造很难想象是属于冷锻，材料在室温下锻造时称为（狭义的）冷锻，当对材料加热后进行锻造时叫温锻。另外，表面氧化不多在850℃左右的锻造，在实际中也称为温锻。

　　2．冷锻方法

图2显示了经常使用的几种冷锻方法。端面矫正和镦粗成形属于单纯的压缩变形，用于切断面的矫正以及材料形状的调整。半密闭锻造用于高精度的锻造。冷锻的主要工序有轴杆的挤压，杯筒的挤压，挤压工序可以获得半径方向的高精度。冲孔工序用于切除不需要的连皮或飞边部分。

　　3. 冷锻工序

一般来说，冷锻成形是通过多种工序的组合来获得零件最终的形状。图3是冷锻的一个例子。坯料切断后，轴杆正挤压，杯筒反挤压，杯筒正挤压，镦粗，冲孔，管的正挤压等组合而成。分成多工序加工是为了避免一次成形时的过大压力。由于工序越少成本就越低，降低成形压力减少工序数量是工序设计的关键所在。



　　4. 冷锻基础知识

（1）材料的变形抵抗  冷锻加工过程中的材料强度用变形抵抗来表示。变形抵抗随着加工度（应变）的增加而增大，这个现象被称为加工硬化。图4中的应变为1.0，表示当材料压缩到原始高度的1/3时的变形量。如后面阐述的那样，加工压力，成形吨位与变形抵抗成正比。

在图示的碳钢中，S45C(0.45%C钢)的变形抵抗大约是S10C(0.1%C钢)的1.5倍，所以低碳钢的锻造成形比较容易。SCM435这样的低合金钢与碳钢的变形抵抗接近。铝、铜等的变形抵抗低,高合金钢如SUS304（18-8不锈钢）的变形抵抗则高。（2）工具寿命  工具承受的压力过大时会导致开裂,即使一次受力开裂不了，反复加载时也会导致疲劳破坏。锻造成形力将很大地影响一个工具能够加工的锻件个数（疲劳寿命）。图5是冲头压力与寿命的关系。该冲头的压缩破坏强度在2500MPa以上，可是2500MPa的压力时只有几千个的寿命，2000MPa压力时寿命是5万个，1500MPa压力时寿命是10万个以上。工具的压力降低可以飞跃性地提高工具寿命。（3）工具面压与锻造吨位  锻造压力Pm与变形抵抗Y成正比，可以用下式来表示：C为约束系数，代表约束材料变形的程度。约束小的时候C取1～2，约束大的时候C会超过4。如图6所示，材料与加压工具接触部分的投影面积设为A，锻造吨位P是Pm与A的乘积，如下式表示：图7表示了半密闭锻造成形时的加工力变化情况。加工力随着行程的增加而增大，在这里可以从公式C、A、Y变量的变化进行考察。第一阶段为镦粗成形阶段，加工力的增加取决于变形抵抗和接触面积的增加。投影面积当模腔充满后几乎不在变化。在加工的最终阶段，约束系数C急速增加，导致加工力的急剧升高。如图4所示，变形抵抗随应变而变化，应变大于0.5后变化就不大了。近似计算时使用应变1.0时的变形抵抗值作为Y值代入进行计算。如S45C的变形抵抗近似取Y=720MPa，这里假设9.8MPa=1kgf/mm2。

直径60mm的S45C圆柱形状的材料，镦粗成厚度为8mm的圆饼状，这里计算一下工具面压和成形吨位。假设约束系数C=2.5，A=π×202=2826mm2，成形压力为：

（4）加工发热  冷锻成形后锻件的温度一般升高100～200℃。这是因为锻造能的大部分转换成了热量,在连续锻造时，锻件温度的升高将导致模具温度的上升，从而会影响锻件制品的精度，应该引起注意。

图8表示的是直径11.2mm，高 16.8mm的S35C圆柱材料，压缩量70%时的吨位上，工具的位移量与材料表面温度变化的关系。加工时间约为0.15s，温度上升约为150℃。（5）冷锻用钢材  冷锻加工将根据不同的加工工序得到不同的形状：①线材→退火→润滑→切断・冷锻成形。②钢棒（钢管）→切断→退火→润滑→冷锻成形。③板材→冲剪→退火→润滑→冷锻成形。螺丝机（冷镦机）及高速冷锻机等卧式锻造机使用①的工序。从钢棒或钢管开始锻造的②工序，一般是在立式的机械压力机上锻造较大和复杂的零部件时采用。最近，使用钢管坯料进行中空锻造的零部件在增加。使用板材做为坯料的工序③，通常是用在材料的长度与直径比非常短的零件锻造上。

在冷锻使用的钢材中，JIS规格的钢种名称如表所示。这些材料不是冷锻的专用钢种，但用于冷锻时则要求表面瑕疵少，变形抵抗低，夹杂物的数量和形状方面具有抑制开裂产生的作用。钢种

钢号

范围

备注

碳素钢

优质碳素钢

SC

S15C~S58C

含碳量

一般结构钢

SS

SS330~540

抗拉强度

锰钢

优质锰钢

SMn

SMn420~443

Mn:1.20~1.65

一般结构锰钢

SMnC

SMnC420~443

SMn+Cr:0.35~0.70

合金钢

(表面淬火钢)

铬钢

SCr

SCr415~445

SC+Cr:0.90~1.20

铬钼钢

SCM

SCM415~445

SCr+Mo:0.15~0.30

SCM822

Mo:0.35~0.45

镍铬钼钢

SNCM

SNCM220~240

SCM+Ni:0.40~0.70

SNCM415~447

Ni:1.60~2.00

SNCM616~630

Ni:2.80~3.50

SNCM815

Ni:4.00~4.50

线材

软钢线材

SWRM

SWRM6~22

C:0.06~0.22

硬钢线材

SWRH

SWRH27~37

Mn:0.30~0.60

SWRH42~82

A类:Mn:0.30~0.60

B类:Mn:0.60~0.90

冷锻炭素钢

SWRCH

SWRCH6~17R

R类沸腾钢

SWRCH6A~22A

A类Al镇静钢

Si≤0.10 Al≥0.02

SWRCH10K~50K

K类Si镇静钢Si:0.10~0.35

冷锻硼钢线材

SWRCHB

SWRCHB220~237

Mn:0.60~0.90

SWRCHB320~334

Mn:0.70~1.00

SWRCHB420~437

Mn:0.80~1.10

SWRCHB526~531

Mn:0.90~1.20

SWRCHB620~637

Mn:1.10~1.40

SWRCHB726~737

Mn:1.20~1.50

SWRCHB823

Mn:1.35~1.65

冷锻上经常使用的优质碳素钢SC材料（用S＊＊C表示：＊＊表示含碳量的多少，中国一般表示成＊＊#等），SS×××则表示一般碳素结构钢的轧制钢板。

合金钢在锻造后要进行淬火和回火处理，是要求保证规定的淬火深度的钢材。为了既要保证淬火性能又满足冷锻的要求，材料中一般添加Cr、Mo、Ni等合金元素。SCr材料中相对于0.20%的碳将添加1.0%左右的Cr。合金钢的淬火性能分别按SCr钢材，SCM钢材，SNCM钢材的顺序增加。

线材材料中有软钢线和硬钢线，在冷锻成形中，一般使用冷镦用SWRCH线材。钢棒中有冷锻用的CH材料。SWRCH材料，CH材料以及SC材料和他们的成分规格不是很清楚，但是表面瑕疵，脱炭层深度等项目的管理非常严格，适合于变形剧烈的冷锻成形。

（6）润滑  即使是钢材的冷锻，当表面扩大很小时，使用润滑油就可以成形，为了减小摩擦及防止咬合，如图9所示的磷皂化皮膜处理已经使用了多年。该润滑层与材料表面结合牢固，即使在表面剧烈扩大的情况下也不易破裂，金属肥皂能够降低摩擦系数。当加工条件非常苛刻时，同时使用MoS２粉末增加润滑效果。表面润滑处理的时间长，残渣会污染环境，最近开发成功了新型润滑方法，并应用于生产。　　5. 冷锻主要加工方法的概述

（1）镦粗  图2b是外侧面不受模具约束的自由镦粗。加工压力随着摩擦约束而增加，变形时坯料高度H大于直径D0时（H/D0＞1.0），C=1.2左右，可是当坯料变薄后C将上升到2.5左右。图10给出了各种镦粗成形时的约束系数的大小。当压下率增加时，如图11a所示，在外周面斜方向和纵向将产生裂纹。裂纹的发生取决于材料的延展性，为此需要使用专门为冷锻制造的材料。

自由镦粗中，当坯料的初期高度是直径的2倍以上时，如图11b所示，由于材料失稳而导致坯料的折弯，从而形成折叠缺陷。为了预防材料的失稳，通常使用图11c形状的模具进行预备成形。

（2）半密闭锻造  如图6，7所示，半密闭锻造成形是通过产生飞边增加模腔内的压力，促进材料充满的一种方法。当飞边部分被压缩时，约束系数C会增大到6.0～9.0，飞边的厚度要尽量控制在必要的厚度以上。图12是使用半密闭锻造进行冷锻成形的例子。（3） 轴杆的挤压  轴杆挤压是使材料直径缩小的加工方法，通常叫做正挤压。轴杆的挤压，可以分为图13a那样的将坯料放入模具中进行挤压的模内约束挤压，及图13b所示的自由挤压。自由挤压应用于加工度小的成形中。

假设直径D的坯料，通过挤压半角为α的圆锥模具，把坯料缩小成直径d。通常使用断面减少率来表示加工度的大小：挤压比R用下式表示：约束系数（见图14），随着断面减少率的增加而增加，断面减少率超过0.8后加工压力显著上升。图15显示了模具半角α与约束系数C的关系。约束系数在模具半角α=20°时为最小。断面减少率0.3以下时，所需的挤压力低使用自由挤压可以实现。反复的自由挤压可以实现大的断面减少率，可是断面减少率小的挤压反复进行后，如图16所示，容易产生内部开裂。轴杆挤压的最后阶段材料的流动处于非定常状态，如图17所示，容易产生中心空洞或者裂纹。

（4）杯筒挤压  杯筒的挤压是在坯料外径被模具约束的同时，把冲头挤入材料形成带底的圆筒零件，是冷锻中最常用的方法。通常挤压冲头挤入材料，材料流动方向与冲头的运动方向相反，所以称为反挤压，不过也有冲头不动通过挤压材料成形圆筒零件的正挤压方法。图18所示，模具内径为D，冲头直径为d，断面减少率可用下式计算：另外，挤压比R为：

影响冲头压力的约束系数，如图19所示，随着断面减少率的增加而减少，r=0.6时达到最小值，之后断面减少率超过0.8后约束系数急速升高。如图20所示，冲头端部的圆锥半角对冲头压力的影响则比较小。杯筒挤压当冲头较长时，高的压缩力施加上去后需要考虑冲头失稳的问题,必须引起重视。

　　6．复合驱动的冷锻方法

如图3所示，一般来说冷锻成形需要多个工序，这主要是考虑到使用一个工序成形时模具的压力过大。高的模具面压不仅会使模具产生强度破坏，同时还会引起模具的弹性变形导致锻件成品精度的下降。最近开发的齿轮冷锻工艺，如果使用通常的锻造方法，需要很高的成形压力来完成齿形部分的充满。为了用尽可能少的工序来锻造齿轮，需要使用具有复合运动功能的闭塞锻造或者分流锻造方法。

（1）闭塞锻造 图21是闭塞锻造原理与锥齿轮锻造。把坯料放入上下模具形成的模腔中，通过上下冲头对材料实行压缩变形。材料与冲头的接触面积几乎保持不变材料被挤向半径方向，与半密闭锻造中压缩飞边相比，能大幅成形力。使用该方法需要除了要求上下冲头的运动和合模力之外，还需要特别设计的模架装置。通过密闭锻造方法，成功生产出了如锥齿轮，等速万向节等零件。  （2）分流锻造 分流锻造的原理是在材料流动的主方向和反方向都设计有供材料流动的空间，从而降低锻造压力。图22a那样反挤压时,在前面也设计一个挤压出口的方法叫做弃轴法，图22b是为了把材料流向外侧的齿形部，而同时在材料的内部设计一个空洞使材料同时产生向内侧的流动，既所谓的设孔法。利用该方法通过采用复合动作的模具,被应用于齿轮的锻造，根据材料流动的特点称该方法为分流锻造法。近年来，使用该方法并通过利用模具的复合运动，成功开发了斜齿轮的精密锻造。

文章发表于《金属加工（热加工）》2012年第15期，转载请注明来源！

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