袁海兵， 楊益， 陳博文， 李明明， 黃偉·錢(qián)潮森威股份公司
中空軸作為現(xiàn)代工業(yè)中的重要零部件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，因其有重量輕、強(qiáng)度高、抗扭性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，成為關(guān)鍵的傳動(dòng)和承載部件。隨著對(duì)輕量化和高性能的需求日益增加，中空軸的制造工藝受到廣泛關(guān)注。
徑向鍛造技術(shù)作為一種先進(jìn)的成形工藝，通過(guò)徑向加壓實(shí)現(xiàn)金屬的塑性變形，具有材料利用率高、組織均勻、機(jī)械性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)鍛造方法相比，徑向鍛造顯著提升了生產(chǎn)效率，減少了材料浪費(fèi)。本論文旨在研究中空軸徑向鍛造技術(shù)的發(fā)展歷程、工藝原理及未來(lái)趨勢(shì)，以期為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用提供參考。
中空軸徑向鍛造技術(shù)的發(fā)展歷程
早期中空軸制造技術(shù)
中空軸(圖1)作為關(guān)鍵的機(jī)械零部件，早期的制造技術(shù)主要依賴于傳統(tǒng)的車削和鉆孔工藝。這些方法通常使用實(shí)心錠坯，通過(guò)去除材料來(lái)形成中空結(jié)構(gòu)。然而，這類工藝不僅導(dǎo)致了大量材料浪費(fèi)，還可能引發(fā)較大的內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷，進(jìn)而影響中空軸的整體力學(xué)性能。為了解決這些問(wèn)題、提高材料利用率和加工精度，擠壓成形等技術(shù)逐步被引入到中空軸的生產(chǎn)中。盡管軸向擠壓技術(shù)在一定程度上提高了制造質(zhì)量，但由于成本較高、工藝復(fù)雜等因素，在應(yīng)用上仍然存在局限性，無(wú)法完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高性能中空軸的需求。
圖1 某平臺(tái)中空軸鍛件示意圖
徑向鍛造工藝的引入與發(fā)展
徑向鍛造技術(shù)由奧地利科學(xué)家B.Rralowetz 博士于1946 年提出，成為中空軸制造技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。到20 世紀(jì)60 年代，首臺(tái)四錘頭徑向鍛機(jī)誕生，徑向鍛造工藝開(kāi)始廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。其核心原理是通過(guò)多向徑向壓力，使材料在高壓下均勻變形，從而形成預(yù)定的結(jié)構(gòu)形狀。這一技術(shù)的引入顯著提升了復(fù)雜零部件的制造精度和效率，尤其是在中空軸的生產(chǎn)中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。
到20 世紀(jì)中后期，隨著全球主要徑向鍛機(jī)及其附屬設(shè)備制造商的開(kāi)發(fā)和推廣，如奧地利的GFM(圖2)、德國(guó)的SMS Meer 和意大利的Danieli 等，徑向鍛造技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是在大型中空軸的生產(chǎn)中逐漸成為主流工藝。響應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高性能鍛造技術(shù)的需求，我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代中期開(kāi)始研究液壓式徑向鍛機(jī)，現(xiàn)已在研發(fā)和制造水平上取得了顯著提升。
圖2 GFM 某型號(hào)徑向鍛機(jī)
中空軸徑向鍛造的工藝原理
徑向鍛造的原理介紹
徑向鍛造是一種在同一平面上對(duì)軸類零件施加多個(gè)均勻分布的鍛打力的成形工藝。其工作原理如圖3所示，多個(gè)錘頭沿零件周向均勻分布，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下進(jìn)行徑向開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，零件由夾持機(jī)構(gòu)沿軸向送進(jìn)，并根據(jù)工藝要求控制工件的旋轉(zhuǎn)速度。部分徑向鍛機(jī)允許錘頭在鍛打過(guò)程中進(jìn)行微小擺動(dòng)或低速轉(zhuǎn)動(dòng)。零件在高靜水壓力下承受高速、高頻、短沖程的鍛打力，材料沿軸向和徑向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)均勻成形。這種工藝能夠使零件獲得均勻的結(jié)構(gòu)和良好的力學(xué)性能，特別適用于復(fù)雜形狀的軸類零件制造。
圖3 旋鍛工作原理
工藝控制的關(guān)鍵參數(shù)
在徑向鍛造過(guò)程中，鍛造力、變形速率和坯料的軟化處理是確保成品質(zhì)量的關(guān)鍵控制參數(shù)。鍛造力的大小直接決定金屬材料的塑性變形程度，過(guò)大的鍛造力可能導(dǎo)致材料過(guò)度變形或內(nèi)部缺陷，而過(guò)小的鍛造力則可能導(dǎo)致成形不足，影響工件的精度和性能。變形速率則對(duì)坯料的變形均勻性和最終組織結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵作用，過(guò)高的速率可能導(dǎo)致不均勻變形，形成缺陷；而速率過(guò)低則會(huì)影響生產(chǎn)效率，甚至對(duì)材料性能產(chǎn)生不利影響。
坯料的軟化處理同樣至關(guān)重要。合適的加熱溫度(冷鍛采用退火或正火工藝)能夠降低材料的變形阻力，減少裂紋等缺陷的出現(xiàn)，并確保工件具有良好的力學(xué)性能，見(jiàn)圖4、圖5。如果加熱溫度不足或退火(正火)組織不合格，材料的塑性會(huì)受到影響，裂紋風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，在徑向鍛造工藝中，必須精確控制鍛造力、變形速度和坯料的軟化處理，以確保中空軸的質(zhì)量和性能穩(wěn)定。
圖4 某中空軸退火工藝曲線
圖5 組織金相(球化率≥85%)
典型的鍛件制造工藝流程
⑴坯料準(zhǔn)備。
根據(jù)中空軸的尺寸和材料要求，選擇合適的金屬坯料。通常情況下，坯料以管坯形式預(yù)加工，經(jīng)過(guò)初步的尺寸和形狀處理，以便滿足后續(xù)徑向鍛造的需求。這一階段的坯料準(zhǔn)備至關(guān)重要，確保坯料在后續(xù)工藝中的成形效果。
⑵軟化處理。
為了確保坯料具備足夠的塑性，徑向鍛造前通常需要進(jìn)行軟化處理，可以通過(guò)退火(適用于冷鍛成形)或加熱至合適溫度(適用于溫鍛或熱鍛成形)來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟化處理有助于坯料達(dá)到理想的塑性狀態(tài)，從而確保鍛造過(guò)程的順利進(jìn)行。精確控制軟化處理過(guò)程中的溫度和時(shí)間對(duì)防止坯料在鍛造過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂或其他缺陷至關(guān)重要。
⑶徑向鍛造。
在這一關(guān)鍵步驟中，通過(guò)多向施加徑向壓力，將坯料塑性變形為中空軸的初步形狀。多組錘頭同時(shí)作用于坯料，確保材料在徑向上均勻受力，并在高壓下變形。徑向鍛造的同步施壓特點(diǎn)有助于避免變形不均現(xiàn)象，保證中空軸的力學(xué)性能和尺寸一致性。中空軸徑向鍛造工藝圖見(jiàn)圖6，鍛造毛坯見(jiàn)圖7。
圖6 中空軸徑向鍛造工藝圖
圖7 某中空軸徑向鍛造毛坯
⑷質(zhì)量檢測(cè)。
在完成所有加工步驟后，成品必須通過(guò)一系列嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。尺寸精度檢測(cè)確保中空軸的幾何尺寸符合設(shè)計(jì)要求，內(nèi)外表面缺陷檢測(cè)(如目視檢查、內(nèi)窺鏡檢測(cè))用于發(fā)現(xiàn)表面或內(nèi)部可能存在的缺陷。
傳統(tǒng)加工方式的分析及對(duì)比
在中空軸鍛件的傳統(tǒng)制造過(guò)程中，通常采用以下兩種工藝路線。
⑴冷擠壓+鉆孔工藝：通過(guò)多工位冷擠壓形成實(shí)心軸，然后通過(guò)鉆孔去除內(nèi)部材料形成空腔。此方法雖然可以實(shí)現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)，但材料利用率較低，同時(shí)由于深孔加工難度較大，內(nèi)腔尺寸精度難以保證。
⑵冷反擠壓+焊接工藝：通過(guò)冷反擠壓成形兩半杯狀結(jié)構(gòu)的軸體，然后通過(guò)焊接工藝將兩半軸體連接在一起，形成空心結(jié)構(gòu)。此方法相對(duì)提高了材料利用率，但焊接處的強(qiáng)度和整體性能較差，影響了產(chǎn)品的耐用性。
傳統(tǒng)工藝的不足之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
⑴材料浪費(fèi)：實(shí)心軸鉆孔去除心部材料，導(dǎo)致大量原材料浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本。
⑵加工精度：深孔加工技術(shù)要求高，使用壽命短的鉆具影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的內(nèi)腔尺寸精度。
⑶工藝復(fù)雜性：焊接工藝雖然能改善材料利用率，但焊接部位的力學(xué)性能難以達(dá)到整體要求。
經(jīng)濟(jì)性與成本效益分析
空心軸徑向鍛造技術(shù)在材料利用率、生產(chǎn)效率和成品性能等方面相較于傳統(tǒng)鍛造方式展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。首先，材料成本的節(jié)約最為顯著。對(duì)于高強(qiáng)度鋼、合金鋼等高性能材料來(lái)說(shuō)，徑向鍛造通過(guò)提高材料利用率，直接降低了原材料的投入，從而減少了整體的生產(chǎn)成本。其次，得益于生產(chǎn)流程的簡(jiǎn)化和加工時(shí)間的縮短，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也大幅下降。通過(guò)減少工序，企業(yè)能夠在相同的時(shí)間內(nèi)完成更多的產(chǎn)品生產(chǎn)，極大地提高了產(chǎn)能利用率，進(jìn)一步降低了單位產(chǎn)品的制造成本。
此外，自動(dòng)化和智能化技術(shù)的廣泛應(yīng)用進(jìn)一步增強(qiáng)了徑向鍛造的經(jīng)濟(jì)效益。智能化控制系統(tǒng)的引入減少了對(duì)人工操作的依賴，降低了人力成本的同時(shí)，提高了生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)度。這些自動(dòng)化技術(shù)確保了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和一致性，進(jìn)而降低了因質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致的額外成本支出。
從長(zhǎng)期來(lái)看，徑向鍛造工藝的成本優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在短期的直接收益上，還體現(xiàn)在生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定性以及生產(chǎn)效率的穩(wěn)步提升方面。該技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得中空軸的制造具備了強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在高強(qiáng)度、輕量化要求較高的行業(yè)中，如航空航天和汽車工業(yè)，徑向鍛造為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
總之，徑向鍛造工藝在材料利用率、生產(chǎn)效率和成本控制方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，使其成為工業(yè)生產(chǎn)中中空軸制造的重要工藝。隨著工藝技術(shù)的不斷成熟和智能化水平的提升，徑向鍛造將繼續(xù)為制造企業(yè)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值。
未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
工藝自動(dòng)化和智能化發(fā)展
工藝自動(dòng)化與智能化是徑向鍛造技術(shù)未來(lái)的重要發(fā)展方向之一。隨著智能制造系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化設(shè)備與智能控制系統(tǒng)將深度融合，實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)監(jiān)控。通過(guò)引入傳感器、工業(yè)機(jī)器人和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，工藝參數(shù)如壓力、溫度、變形速度可在生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)優(yōu)化，確保產(chǎn)品的一致性與精度。此外，人工智能技術(shù)的應(yīng)用使生產(chǎn)線具備更強(qiáng)的自主決策能力?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)能通過(guò)歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)反饋?zhàn)灾髡{(diào)節(jié)工藝參數(shù)，減少人為干預(yù)，降低操作失誤與產(chǎn)品缺陷率，最終提高生產(chǎn)效率并減少材料浪費(fèi)。
新材料在中空軸徑向鍛造中的應(yīng)用
隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，新型高性能材料在中空軸徑向鍛造中的應(yīng)用前景愈加廣闊。例如，超高強(qiáng)度鋼、鈦合金、復(fù)合材料等材料因其輕量、高強(qiáng)度及耐腐蝕性，正逐步應(yīng)用于汽車、航空航天等對(duì)輕量化和高性能要求極高的行業(yè)。為適應(yīng)這些新材料的特性，鍛造工藝也在升級(jí)，如高強(qiáng)度材料需更高的鍛造力與加熱溫度，復(fù)合材料則要求更加精準(zhǔn)的工藝控制。通過(guò)先進(jìn)的仿真技術(shù)與數(shù)字化設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)者可預(yù)先模擬材料的加工過(guò)程，優(yōu)化參數(shù)，降低試錯(cuò)成本，從而推動(dòng)中空軸在更多高科技領(lǐng)域的應(yīng)用，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
綠色制造與可持續(xù)性發(fā)展
綠色制造和可持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)正深刻影響徑向鍛造工藝的未來(lái)發(fā)展。首先，節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)綠色制造的核心目標(biāo)。通過(guò)提升材料利用率、減少能耗，徑向鍛造能夠顯著降低環(huán)境負(fù)荷。工藝優(yōu)化與智能控制則有助于減少能源浪費(fèi)與廢料產(chǎn)生，使生產(chǎn)過(guò)程更為環(huán)保。其次，降低廢品率與廢料回收利用也是綠色制造的重要組成部分。自動(dòng)化檢測(cè)和智能反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，快速糾正偏差，減少不合格品的產(chǎn)生。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的提升，徑向鍛造工藝將進(jìn)一步向低碳、節(jié)能方向發(fā)展，探索新的制造模式，以滿足可持續(xù)發(fā)展的需求，助推其在未來(lái)工業(yè)體系中的重要地位。
總之，工藝自動(dòng)化、智能化、新材料應(yīng)用以及綠色制造技術(shù)的推動(dòng)，將成為中空軸徑向鍛造未來(lái)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。隨著這些技術(shù)的不斷完善和集成，徑向鍛造工藝將在更多行業(yè)和更復(fù)雜的制造需求中發(fā)揮重要作用，并為我們制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
