冷溫鍛技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

冷鍛成形是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的先進(jìn)制造技術(shù)，冷鍛產(chǎn)品具有材料致密、金屬流線連續(xù)、疲勞強(qiáng)度高和后續(xù)切削余量小，甚至達(dá)到凈形成形的特點(diǎn)，在批量生產(chǎn)中具有低成本的優(yōu)勢(shì)，并具有節(jié)約材料和能源的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在汽車零部件的大批量生產(chǎn)中。近年來(lái)，溫-冷聯(lián)合成形乃至熱-冷聯(lián)合成形工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以溫鍛或熱鍛工藝完成毛坯的大變形加工，再以冷鍛精整的方法獲得最終精度，解決了大規(guī)格產(chǎn)品冷鍛成形的模具和設(shè)備能力不夠的問(wèn)題，并解決了中、高碳合金鋼溫鍛和熱鍛成形精度不高、而冷鍛成形受到變形量制約的問(wèn)題。溫-冷/ 熱-冷聯(lián)合成形技術(shù)在汽車零部件制造業(yè)的應(yīng)用，使汽車行業(yè)有能力不斷增加產(chǎn)量、降低成本，并使汽車朝輕量化方向發(fā)展。

1.冷溫鍛技術(shù)的應(yīng)用概略統(tǒng)計(jì)

下表為冷、溫鍛技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用概略統(tǒng)計(jì)。





由上表可見(jiàn)，國(guó)外汽車行業(yè)每臺(tái)車測(cè)算應(yīng)用冷溫鍛造毛坯總質(zhì)量將近52kg，實(shí)際上由于各種零部件配套組合原因，應(yīng)不到此數(shù)。據(jù)最近國(guó)際會(huì)議報(bào)道，每臺(tái)日本制造的乘用車，應(yīng)用冷、溫鍛毛坯總量達(dá)到大于42kg，而歐美制造的乘用車，冷、溫鍛毛坯總量45~50kg。由于日本的汽車工業(yè)是在20世紀(jì)70年代起飛，汽車零部件的生產(chǎn)與國(guó)際上冷、溫鍛造技術(shù)的發(fā)展基本同步，因此，日本的汽車零部件制造業(yè)有條件優(yōu)先采用冷、溫鍛造技術(shù)。而歐美等國(guó)，原本是冷、溫鍛造技術(shù)發(fā)源地，但因是老牌汽車制造大國(guó)，在汽車零部件制造方面，因傳統(tǒng)制造工藝先行一步，冷、溫鍛造技術(shù)的普及率反不及日本。我國(guó)作為當(dāng)今世界汽車制造大國(guó)，2007年汽車生產(chǎn)總量達(dá)850萬(wàn)輛，僅次于年產(chǎn)量大于1000 萬(wàn)輛的美國(guó)和日本而居世界第3位。但我國(guó)汽車廠家眾多，車型繁雜，使汽車零部件配套品種多、批量小，對(duì)推廣應(yīng)用冷溫鍛造技術(shù)不利，因而我國(guó)每臺(tái)乘用車應(yīng)用冷溫鍛造毛坯的平均水平還不到 20kg，不到日本和歐美的一半，這也是我國(guó)的汽車零部件在國(guó)際上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的主要原因。

2.只能用冷溫鍛成形的典型零件

從上表中，我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律，某些成形難度很大的零部件，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用冷溫鍛造技術(shù)的比例并不低。這是由于這一類汽車零部件在國(guó)外設(shè)計(jì)時(shí)就立足于精密成形，其緊湊的結(jié)構(gòu)無(wú)法改用熱鍛-切削的傳統(tǒng)方法來(lái)制造。

具有這一規(guī)律的零部件舉例如下：

（1）汽車等速萬(wàn)向節(jié)滑套# 由于等速萬(wàn)向節(jié)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密，很難用切削加工方法加工，有的型號(hào)甚至無(wú)法用機(jī)加工方法成形。因此，等速萬(wàn)向節(jié)的制造過(guò)程中普遍采用了精密冷溫鍛造技術(shù) （見(jiàn)圖 1）。



圖1所示汽車等速萬(wàn)向節(jié)滑套由于其異形不通孔特征的精密腔體結(jié)構(gòu)，使得除精密成形技術(shù)外，無(wú)其他經(jīng)濟(jì)的加工手段能夠完成成形。

典型的等速萬(wàn)向節(jié)滑套成形工藝如圖2所示。



經(jīng)精密切斷的中碳鋼棒料在表面石墨涂層處理后，通過(guò)感應(yīng)加熱達(dá)到 750~900℃的溫鍛溫度，通過(guò) 3工位溫鍛過(guò)程，完成了從棒料到產(chǎn)品的體積成形。由于鋼鐵在溫鍛溫度下變形抗力只有冷鍛時(shí)的幾分之一，溫鍛技術(shù)使大尺寸的殼體能在較小噸位的多工位壓力機(jī)上順利成形，避免了熱鍛的強(qiáng)烈氧化和脫碳，使毛坯的表面質(zhì)量得到保證。另外，中碳鋼的冷態(tài)塑性較差，無(wú)法滿足等速萬(wàn)向節(jié)滑套成形的大變形鍛造要求。而在溫鍛溫度下，中碳鋼的塑性得以大大改善，充分滿足了滑套大變形成形的要求，但溫鍛的精度遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)品的裝配精度。因此，我們對(duì)溫鍛毛坯追加了一道冷鍛精整工序。



冷精整后的毛坯可達(dá)到 IT7~IT8級(jí)的精度，完全滿足最終產(chǎn)品的裝配要求。因此，冷溫鍛造的等速萬(wàn)向節(jié)滑套，其內(nèi)腔于鍛造后無(wú)需再進(jìn)行加工，達(dá)到了少無(wú)切削的加工水平。

（2）某些差速器齒輪 圖3所示的差速器齒輪為了加強(qiáng)輪齒的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，特別設(shè)計(jì)了帶加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)使切齒刀具與加強(qiáng)筋發(fā)生嚴(yán)重干涉。因此，只有采用冷溫鍛造技術(shù)才能使這一類齒輪能夠順利成形（見(jiàn)圖4）。

（3）某些結(jié)構(gòu)緊湊的起動(dòng)齒輪和齒輪軸 （起動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸） 圖 5a的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)齒輪軸與圖 5b 相比，為了使起動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊化，縮短了電動(dòng)機(jī)軸的長(zhǎng)度，并減少了齒數(shù)。這個(gè)方案使?jié)L齒加工會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重根切，較大的滾刀直徑也將與電動(dòng)機(jī)軸的軸承臺(tái)階產(chǎn)生干涉，為避免干涉，不得不加長(zhǎng)了長(zhǎng)度方面的尺寸，這樣一來(lái)將使起動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸向尺寸增加。采用冷鍛成形的齒輪軸避免了軸承臺(tái)階的干涉，數(shù)控成形的模具制造方法可以按照最有利的原則生成和修正齒形，從而避免了少齒數(shù)齒輪的根切對(duì)齒輪強(qiáng)度的削弱，并有效地改善了齒輪傳動(dòng)的沖擊和噪聲，使起動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸向尺寸減小。



以上實(shí)例，大多是產(chǎn)品在國(guó)外設(shè)計(jì)時(shí)就選定用精密成形工藝制造，已很難用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)。這些型號(hào)的零部件在國(guó)產(chǎn)化時(shí)，除采用冷溫鍛造技術(shù)成形外別無(wú)選擇。因此，零部件廠通常會(huì)盡量采購(gòu)或自制精密鍛件，即使生產(chǎn)達(dá)不到經(jīng)濟(jì)批量，致使制造成本稍高也在所不惜。這一類冷溫鍛件在積累了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和具有一定批量的生產(chǎn)規(guī)模后，一定能夠達(dá)到降低成本、與國(guó)際汽車零部件價(jià)格接軌或低于國(guó)際平均價(jià)格的目標(biāo)。

3.既可用冷溫鍛又可用傳統(tǒng)工藝成形的典型零件

具有另一類特征的產(chǎn)品是既可用冷溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)，又可用傳統(tǒng)熱鍛)機(jī)加工工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。典型的產(chǎn)品舉例如下：



（１）汽車活塞銷　高檔的汽車活塞銷 （見(jiàn)圖６）是不允許有中間連皮的，這一類活塞銷既可冷鍛成形，也可機(jī)加工成形。

圖 ６所示的汽車活塞銷雖然外形簡(jiǎn)單，但中高檔的汽車活塞銷為了保證疲勞壽命，不允許采用帶中間連皮的雙向擠壓法成形，而無(wú)中間連皮的活塞銷屬深孔擠壓范圍，成形難度很大。在國(guó)外專業(yè)工廠大批大量生產(chǎn)場(chǎng)合，這一類活塞銷通常用多工位冷成形機(jī)成形。多工位冷成形機(jī)效率雖高，但投資很大，所以國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)規(guī)模不大的活塞銷工廠，寧愿用無(wú)縫鋼管車加工，甚至于采用實(shí)心鋼棒鉆孔加工的辦法來(lái)完成無(wú)連皮活塞銷的成形。

（2）等速萬(wàn)向節(jié)鐘形殼 該典型零件見(jiàn)圖7。這一類產(chǎn)品既可以用冷溫鍛造技術(shù)精密成形，也可用熱鍛毛坯機(jī)加工成形。等速萬(wàn)向節(jié)先進(jìn)的鐘形殼成形工藝路線見(jiàn)圖 8，與等速萬(wàn)向節(jié)滑套一樣，屬溫)冷聯(lián)合成形工藝。但鐘形殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使復(fù)雜的內(nèi)腔可以用數(shù)控銑甚至專用銑床加工出來(lái)，因此，這一類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外都是冷溫鍛造先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的熱鍛)機(jī)加工工藝并存。而在國(guó)內(nèi)，熱鍛-機(jī)加工傳統(tǒng)工藝占主導(dǎo)地位，這也是因?yàn)閲?guó)內(nèi)汽車車型繁雜，單一品種的零部件很少能達(dá)到經(jīng)濟(jì)批量生產(chǎn)，而多工位自動(dòng)化生產(chǎn)線在頻繁換模生產(chǎn)的場(chǎng)合很難發(fā)揮出高效率和高效益。





以上屬第二類特征的汽車零部件還有諸如汽車變速箱換檔結(jié)合齒輪、汽車差速器齒輪等。這一類產(chǎn)品在國(guó)外已越來(lái)越多地改用冷溫鍛成形生產(chǎn)。由于國(guó)內(nèi)汽車零部件廠家多而規(guī)模小，并且由于冷溫鍛造技術(shù)基礎(chǔ)較差，目前國(guó)內(nèi)仍主要以傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，這也是每臺(tái)汽車采用冷溫鍛件總量不到日本與歐美一半的主要原因。

4.結(jié)語(yǔ)

隨著整車生產(chǎn)整合的開(kāi)始，汽車零部件行業(yè)將很快結(jié)束戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，當(dāng)國(guó)內(nèi)某個(gè)型號(hào)的零部件年產(chǎn)量接近100萬(wàn)臺(tái)份時(shí)，即是冷溫鍛技術(shù)應(yīng)用的黃金時(shí)代。目前，國(guó)內(nèi)的冷溫鍛造行業(yè)正在積極籌劃投資現(xiàn)代化自動(dòng)生產(chǎn)線，等待著整合時(shí)代的到來(lái)。