袁海兵， 楊益， 陳博文， 李明明， 黃偉·錢潮森威股份公司
中空軸作為現(xiàn)代工業(yè)中的重要零部件，廣泛應用于汽車、航空航天等領域，因其有重量輕、強度高、抗扭性能優(yōu)異等優(yōu)點，成為關鍵的傳動和承載部件。隨著對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注。
徑向鍛造技術作為一種先進的成形工藝，通過徑向加壓實現(xiàn)金屬的塑性變形，具有材料利用率高、組織均勻、機械性能優(yōu)良等優(yōu)勢。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。本論文旨在研究中空軸徑向鍛造技術的發(fā)展歷程、工藝原理及未來趨勢，以期為相關行業(yè)的技術進步和應用提供參考。
中空軸徑向鍛造技術的發(fā)展歷程
早期中空軸制造技術
中空軸(圖1)作為關鍵的機械零部件，早期的制造技術主要依賴于傳統(tǒng)的車削和鉆孔工藝。這些方法通常使用實心錠坯，通過去除材料來形成中空結(jié)構(gòu)。然而，這類工藝不僅導致了大量材料浪費，還可能引發(fā)較大的內(nèi)應力和內(nèi)部缺陷，進而影響中空軸的整體力學性能。為了解決這些問題、提高材料利用率和加工精度，擠壓成形等技術逐步被引入到中空軸的生產(chǎn)中。盡管軸向擠壓技術在一定程度上提高了制造質(zhì)量，但由于成本較高、工藝復雜等因素，在應用上仍然存在局限性，無法完全滿足現(xiàn)代工業(yè)對高性能中空軸的需求。
圖1 某平臺中空軸鍛件示意圖
徑向鍛造工藝的引入與發(fā)展
徑向鍛造技術由奧地利科學家B.Rralowetz 博士于1946 年提出，成為中空軸制造技術發(fā)展的重要里程碑。到20 世紀60 年代，首臺四錘頭徑向鍛機誕生，徑向鍛造工藝開始廣泛應用于工業(yè)領域。其核心原理是通過多向徑向壓力，使材料在高壓下均勻變形，從而形成預定的結(jié)構(gòu)形狀。這一技術的引入顯著提升了復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。
到20 世紀中后期，隨著全球主要徑向鍛機及其附屬設備制造商的開發(fā)和推廣，如奧地利的GFM(圖2)、德國的SMS Meer 和意大利的Danieli 等，徑向鍛造技術在全球范圍內(nèi)得到廣泛應用，特別是在大型中空軸的生產(chǎn)中逐漸成為主流工藝。響應國內(nèi)市場對高性能鍛造技術的需求，我國從20 世紀70 年代中期開始研究液壓式徑向鍛機，現(xiàn)已在研發(fā)和制造水平上取得了顯著提升。
圖2 GFM 某型號徑向鍛機
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軸類零件施加多個均勻分布的鍛打力的成形工藝。其工作原理如圖3所示，多個錘頭沿零件周向均勻分布，在驅(qū)動機構(gòu)的帶動下進行徑向開合運動。同時，零件由夾持機構(gòu)沿軸向送進，并根據(jù)工藝要求控制工件的旋轉(zhuǎn)速度。部分徑向鍛機允許錘頭在鍛打過程中進行微小擺動或低速轉(zhuǎn)動。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，實現(xiàn)均勻成形。這種工藝能夠使零件獲得均勻的結(jié)構(gòu)和良好的力學性能，特別適用于復雜形狀的軸類零件制造。
圖3 旋鍛工作原理
工藝控制的關鍵參數(shù)
在徑向鍛造過程中，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，過大的鍛造力可能導致材料過度變形或內(nèi)部缺陷，而過小的鍛造力則可能導致成形不足，影響工件的精度和性能。變形速率則對坯料的變形均勻性和最終組織結(jié)構(gòu)起到關鍵作用，過高的速率可能導致不均勻變形，形成缺陷；而速率過低則會影響生產(chǎn)效率，甚至對材料性能產(chǎn)生不利影響。
坯料的軟化處理同樣至關重要。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性能，見圖4、圖5。如果加熱溫度不足或退火(正火)組織不合格，材料的塑性會受到影響，裂紋風險增加。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，坯料以管坯形式預加工，經(jīng)過初步的尺寸和形狀處理，以便滿足后續(xù)徑向鍛造的需求。這一階段的坯料準備至關重要，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行軟化處理，可以通過退火(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)來實現(xiàn)。軟化處理有助于坯料達到理想的塑性狀態(tài)，從而確保鍛造過程的順利進行。精確控制軟化處理過程中的溫度和時間對防止坯料在鍛造過程中出現(xiàn)開裂或其他缺陷至關重要。
⑶徑向鍛造。
在這一關鍵步驟中，通過多向施加徑向壓力，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有助于避免變形不均現(xiàn)象，保證中空軸的力學性能和尺寸一致性。中空軸徑向鍛造工藝圖見圖6，鍛造毛坯見圖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。
在完成所有加工步驟后，成品必須通過一系列嚴格的質(zhì)量檢測。尺寸精度檢測確保中空軸的幾何尺寸符合設計要求，內(nèi)外表面缺陷檢測(如目視檢查、內(nèi)窺鏡檢測)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比
在中空軸鍛件的傳統(tǒng)制造過程中，通常采用以下兩種工藝路線。
⑴冷擠壓+鉆孔工藝：通過多工位冷擠壓形成實心軸，然后通過鉆孔去除內(nèi)部材料形成空腔。此方法雖然可以實現(xiàn)空心結(jié)構(gòu)，但材料利用率較低，同時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：通過冷反擠壓成形兩半杯狀結(jié)構(gòu)的軸體，然后通過焊接工藝將兩半軸體連接在一起，形成空心結(jié)構(gòu)。此方法相對提高了材料利用率，但焊接處的強度和整體性能較差，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)在以下幾個方面：
⑴材料浪費：實心軸鉆孔去除心部材料，導致大量原材料浪費，增加了生產(chǎn)成本。
⑵加工精度：深孔加工技術要求高，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工藝復雜性：焊接工藝雖然能改善材料利用率，但焊接部位的力學性能難以達到整體要求。
經(jīng)濟性與成本效益分析
空心軸徑向鍛造技術在材料利用率、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。首先，材料成本的節(jié)約最為顯著。對于高強度鋼、合金鋼等高性能材料來說，徑向鍛造通過提高材料利用率，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)流程的簡化和加工時間的縮短，單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也大幅下降。通過減少工序，企業(yè)能夠在相同的時間內(nèi)完成更多的產(chǎn)品生產(chǎn)，極大地提高了產(chǎn)能利用率，進一步降低了單位產(chǎn)品的制造成本。
此外，自動化和智能化技術的廣泛應用進一步增強了徑向鍛造的經(jīng)濟效益。智能化控制系統(tǒng)的引入減少了對人工操作的依賴，降低了人力成本的同時，提高了生產(chǎn)過程的精準度。這些自動化技術確保了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和一致性，進而降低了因質(zhì)量問題而導致的額外成本支出。
從長期來看，徑向鍛造工藝的成本優(yōu)勢不僅體現(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。該技術的廣泛應用，使得中空軸的制造具備了強大的市場競爭力，特別是在高強度、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)帶來了可觀的經(jīng)濟效益。
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，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)帶來更高的經(jīng)濟效益，為企業(yè)創(chuàng)造更多價值。
未來發(fā)展趨勢
工藝自動化和智能化發(fā)展
工藝自動化與智能化是徑向鍛造技術未來的重要發(fā)展方向之一。隨著智能制造系統(tǒng)的廣泛應用，自動化設備與智能控制系統(tǒng)將深度融合，實現(xiàn)全流程的自動控制與數(shù)據(jù)監(jiān)控。通過引入傳感器、工業(yè)機器人和實時數(shù)據(jù)分析，工藝參數(shù)如壓力、溫度、變形速度可在生產(chǎn)過程中自動優(yōu)化，確保產(chǎn)品的一致性與精度。此外，人工智能技術的應用使生產(chǎn)線具備更強的自主決策能力?；跈C器學習算法，系統(tǒng)能通過歷史數(shù)據(jù)與實時反饋自主調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，減少人為干預，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。
新材料在中空軸徑向鍛造中的應用
隨著材料科學的不斷進步，新型高性能材料在中空軸徑向鍛造中的應用前景愈加廣闊。例如，超高強度鋼、鈦合金、復合材料等材料因其輕量、高強度及耐腐蝕性，正逐步應用于汽車、航空航天等對輕量化和高性能要求極高的行業(yè)。為適應這些新材料的特性，鍛造工藝也在升級，如高強度材料需更高的鍛造力與加熱溫度，復合材料則要求更加精準的工藝控制。通過先進的仿真技術與數(shù)字化設計，工藝設計者可預先模擬材料的加工過程，優(yōu)化參數(shù)，降低試錯成本，從而推動中空軸在更多高科技領域的應用，增強市場競爭力。
綠色制造與可持續(xù)性發(fā)展
綠色制造和可持續(xù)發(fā)展趨勢正深刻影響徑向鍛造工藝的未來發(fā)展。首先，節(jié)能降耗是實現(xiàn)綠色制造的核心目標。通過提升材料利用率、減少能耗，徑向鍛造能夠顯著降低環(huán)境負荷。工藝優(yōu)化與智能控制則有助于減少能源浪費與廢料產(chǎn)生，使生產(chǎn)過程更為環(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。自動化檢測和智能反饋系統(tǒng)能夠?qū)崟r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)保標準的提升，徑向鍛造工藝將進一步向低碳、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，助推其在未來工業(yè)體系中的重要地位。
總之，工藝自動化、智能化、新材料應用以及綠色制造技術的推動，將成為中空軸徑向鍛造未來發(fā)展的核心驅(qū)動力。隨著這些技術的不斷完善和集成，徑向鍛造工藝將在更多行業(yè)和更復雜的制造需求中發(fā)揮重要作用，并為我們制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。
