鍛造新工藝
發布于：05-27
鍛造新工藝
我們知道，金屬加工的最終目的是提供零件，這些件來自于鑄造（液態金屬凝固）、粉末冶金（金屬粉末壓實）、（固體金屬的）成形和（切除金屬的）切削。鍛造實際是固體金屬成形的一種金屬加工方法。鍛造與其它方法結合便涌現出一系列新的方法，即鍛造新工藝。因此，鍛造新工藝是在相關理論和工藝的基礎上發展而來的。有的工藝目前處于應用研究階段，有的處于探索階段。本章介紹一些新工藝的概念、原理及工藝參數等。
5.1等溫鍛造（Isothermal forging）
顧名思義，等溫鍛造為恒定溫度下的鍛造，而常規鍛造為一定溫度區間（始鍛溫度-終鍛溫度）內的鍛造。前者具有明顯的優點，由于等溫鍛造，必然組織均勻，制品性能均勻。
5.2粉末鍛造（Powder forging）
與鑄造相比，粉末鍛造之前的鑄造過程被粉末處理過程所替代，因此粉末鍛造的工藝發生了變化。粉末熱鍛的工藝流程為：粉末原料→預成形坯→燒結→加熱→鍛造。由于粉末鍛造是在普通粉末冶金和精密模鍛工藝基礎上發展而來的，因此它具有如下特點：1）粉末預成形坯通過加熱鍛造的途徑，提高了制品的密度，因此使制品的性能接近甚至超過同類熔鑄制品的水平；2）保持了粉末冶金工藝制造坯料的特點，因為粉末預成形坯含有80%左右的孔隙，其鍛造應力比普通熔鑄材料要低很多；3）材料的利用率達80%以上；4）制品的精度高、組織結構均勻、無成分偏析；5）能夠鍛造難于鍛造的金屬或合金和各種復雜形狀的制品，例如難變形的高溫鑄造合金。
5.3精密模鍛（精鍛）(Precision forging)
精鍛的方法有三種：高溫精鍛（熱精鍛）、中溫精鍛（溫精鍛）和室溫精鍛（冷精鍛）。高溫精鍛時坯料在控制氣氛中加熱，以防止坯料產生氧化和脫碳。通常采用的是少氧化火焰加熱爐，爐溫1200℃時，CO2/CO≤0.3， H2O/ H2≤0.8，便可以實現少氧化加熱，此時的空氣過剩系數控制在0.5左右。中溫精鍛是在尚未產生強烈氧化的溫度范圍內加熱坯料并完成精鍛的一種加工方法。例如，45號鋼的抗拉強度到600℃時為室溫時的一半。600℃以上的抗拉強度較低，碳鋼在600-850℃范圍內無強烈的氧化現象，因此此種條件下鍛造可使鍛件達到較高的精度和較低的表面粗糙度。室溫精鍛取消了毛坯鍛前加熱，不存在坯料氧化問題。但是為了順利進行冷精鍛，常須進行潤滑處理改善表面的狀態。
5.4半固態模鍛 (Semi-solid die forging)
半固態模鍛是將半固態坯料加熱至半固態溫度后，迅速轉移至金屬模膛中，在機械靜壓力作用下，使處于半熔融態的金屬產生粘性流動、凝固和塑性變形復合，從而獲取毛坯或零件的一種鍛造新工藝。
5.5超塑性鍛造 (Superplastic forging)
超塑性鍛造指在利用材料的超塑性性能進行的鍛造。超塑性指材料在一定的組織和熱力學條件（溫度、應變速率、應變）下獲得大于100%拉斷延伸率的一種成形方式。不同的材料在不同的條件下可以展現超塑性。經典超塑性材料要求組織為細晶、熱穩定、應力小、應變速率低、應變速率敏感性為0.5左右。近年來出現了金屬間化合物、陶瓷、復合材料的超塑性，發展和豐富了經典超塑性的內容，出現了溶質拖曳蠕變較高的延伸率和高應變速率超塑性。普通鍛造是熱成形過程，應變速率比較高。為了獲得較好的塑性，需要在高溫低應變速率下進行鍛造。一些先進材料超塑性成形的條件如表1所示
表1一些先進材料超塑性成形的條件
材料 晶粒尺寸 溫度 應變速率 m值 延伸率
μm K 1/s %
Ti-25Al-10Mo-3V-1Mo 1223 8×10-5 0.5-0.6 887
Fe3(Al,Si) 100 1123 10-4 100
Ni3Al 10 1373 10-3 541
TiAl 60 1373 10-3 0.2-0.3 >100
Ni3Si 15 1353 10-3 0.5 650
SiCw/2124 20%vol 748-823 3×10-3 0.33 300
SiCp/2024 15%vol 753 4×10-4 0.4 349
5.6連鑄連鍛(Continuous casting and forging)
它是先鑄造后立即鍛造的鑄鍛聯合的先進工藝。實質是鑄造與鍛造的結合。這一點和連鑄連軋、連續鑄軋、連續鑄擠發生聯系，都屬于冶金短流程的工藝。短流程的工藝帶來能耗的降低、流線縮短、占地面積減少。進一步的情況請見所附文獻或相關雜志。
5.7液態模鍛 (Liquid die forging)
液態模鍛工藝集熱模鍛和全液態壓鑄優點于一身。該工藝將熔融金屬液注入開式模膛內,然后合模實現充填成形,在壓力作用下凝固并有少量塑性變形。該工藝可獲得力學性能接近鍛件的制件,可在一個工步內完成較復雜制件的成形。鋁合金液態模鍛是液態模鍛工藝中發展最成熟、應用最廣泛的工藝,其典型產品為汽車活塞。
5.8輥鍛(Roller forging)
輥鍛是使毛坯在裝有扇形模塊的一對旋轉的軋輥中通過，借助模槽產生塑性變形，從而獲得所需要的鍛件或鍛坯，如圖1所示。
輥鍛工藝分類及其應用范圍如表2所示。
圖1 輥鍛示意圖
1-軋輥 2-扇形模塊 3-鍛件
表2 輥鍛工藝分類及其應用范圍
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分類 |
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變形過程特點 |
應用 |
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制坯輥鍛 |
單型槽輥鍛 |
在開式型槽內一次或多次輥鍛，或用閉式型槽一次輥鍛 |
用于毛坯端部拔長或用于模鍛前的制坯工序，例如搬手的桿部延伸 |
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多型槽輥鍛 |
在幾個開式型槽中連續輥鍛，或在閉式與開式的組合型槽中輥鍛 |
主要用于模鍛前的制坯工序，例如汽車連桿的制坯輥鍛 |
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成形輥鍛 |
完全成形輥鍛 |
在輥鍛機上完成鍛件的全部成形過程?？稍陂_式型槽、閉式型槽或開式閉式型槽中輥鍛 |
適用于小型鍛件及葉片類鍛件的直接輥鍛成形，例如各類葉片的冷、熱精密輥鍛和醫療器械的冷輥鍛 |
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預成形輥鍛 |
鍛件在輥鍛機上基本成形，即完成相當于模鍛工藝的預鍛或超過預鍛的成形程度。在輥鍛后需要其他設備進行最終整形 |
適用于輥制截面差較大、形狀較為復雜的鍛件，例如內燃機連桿、拖拉機履帶節的預成形 |
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部分成形輥鍛 |
鍛件的一部分形狀在輥鍛機上成形，而另外部分采用模鍛或其他工藝成形 |
適用于輥制具有長桿類或板片類鍛件。例如鋤頭、梨刀、汽車變速器操縱桿、剪刀股等 |
輥鍛工藝是軋制、模鍛兩種工藝的結合，它集中了這兩種工藝的優點，所以輥鍛工藝具有如下的特點：
（1）產品精度高，表面粗糙度小。
（2）鍛件質量高，具有良好的金屬流線。
（3）生產效率高。這是由于輥鍛過程中鍛輥是連續轉動的，間隙時間短。
（4）模具壽命長。
（5）所需設備噸位小。
（6）工藝過程簡單，易于實現機械化自動化，而且勞動條件好。
5．9環軋(Ring rolling)
5．9．1環軋原理
環形件輾軋簡稱環軋，有稱為環形件擴孔。其原理如圖2所示。輾壓輪1與芯軸輥2旋轉中心軸平行，輾環時，電動機通過減速箱驅動輾壓輪旋轉，輾壓輪通過它與環形坯件之間的摩擦力曳入毛坯并連續地施壓，環形坯與芯輥之間的摩擦力帶動芯輥轉動，同時輾壓輪與芯輥之間的中心距逐漸縮小，直至變形結束。經輾環變形的工件，截面積和徑向厚度都減小，環形件外徑和孔徑都相應地增加。因此，環軋主要是徑向壓縮切向延伸的鍛造過程。
圖2 環軋原理圖
5．9．2環形件的分類
根據環壁截面形狀，環形件可分為矩形、錐形、十字形、溝槽形和法蘭形等五類，如圖3所示。按直徑尺寸分為：超小型（φ50mm以下）、小型（φ50~200mm）、中型（φ200~500mm）、大型（φ500~1500mm）和超大型（φ1500mm以上）。
圖3 環形鍛件分類
（a）矩形 （b）錐形 （c）十字形 （d）溝槽形 (e)法蘭形
5．9．3環軋工藝特征
環形件輾軋工藝，按其受壓變形方向不同可分為徑向輾軋和徑向-軸向輾軋兩類。
徑向輾軋
在輾軋過程中，環壁徑向受壓縮，金屬沿切線方向延伸。而軸向即使不受軋輥限制，環壁的寬展量仍然很小。徑向輾軋工藝主要適用于矩形截面、溝槽形截面、十字形截面類環件，這種工藝所用的設備簡單，如圖4所示。
徑向-軸向輾軋
這是在徑向輾軋的基礎上，加端面軋輥，使其產生軸向變形的環軋工藝。這種工藝主要適用于壁厚較大或截面較復雜的環件，見圖5 。
圖4徑向輾軋示意圖 圖5徑向-軸向輾軋
1-芯輥 2-主軋輥 3-鍛件 1-芯輥 2-主軋輥 3-鍛件 4-端面軋輥
5．9．4環軋工藝的特點
（1） 可軋制接近零件外廓形狀的鍛件。
（2） 環壁切向的機械性能好。因為變形均勻，金屬流線沿圓周方向分布。
（3） 生產效率高，環軋工藝生產率比自由鍛高10~20倍。
（4） 環形件尺寸幾乎不受限制，直徑為25~6000mm，重量為0.4kg~(6~8)t的環形件，均可用環軋工藝制造。
（5） 設備簡單、造價低，對廠房要求不高，勞動條件較好。
5．10擺動輾壓(Swing rolling)
擺動輾壓屬于熱鍛與鍛造工藝結合的新工藝。屬于擺動式精密鍛造技術。該工藝節省時間、費用低、制品質量高。
5．10．1擺動輾壓基本原理
擺動輾壓（簡稱擺輾）是指上模的軸線與被輾壓工件（放在下模）的軸線（稱主軸線）傾斜一個小角度，模具一面繞主軸旋轉，一面對坯料連續進行壓縮，這種連續累計的成形方法稱為擺動輾壓。它具有省力、無沖擊振動、無噪聲、勞動條件好、工件精度高、設備制造費用低等優點，已在世界各國工業生產中得到廣泛的應用。
鍛造所需要的變形力的大小是由模具與工件接觸區域內的平均單位壓力及接觸投影面積之積來確定的。因此減小變形力的一個途徑就是減少模具與工件間的接觸面積，經若干次的局部連續成形而達到整體成形，擺輾就是基于這種思想產生的，其成形原理如圖6所示。
圖6工作原理示意圖
1-上模 2-毛坯 3-滑塊 4-液壓缸
5．10．2擺輾特點
（1）輾壓力小。加工相同的零件，僅為普通鍛造方法的1/20~1/5，所以小功率的擺動輾壓機可加工較大的鍛件。
（2）產品尺寸精度高，質量好，不易開裂。這是壓縮變形特點決定的。
（3）適合于加工薄盤類零件成形。但擺動輾壓使用上有其局限性。以往生產薄盤類零件，用普通鍛壓方法加工時，因摩擦力的影響，則所需要的壓力可能超過模具材料的強度極限，而造成無法繼續加工。鍛壓時摩擦力的大小取決于模具與被鍛壓的毛坯間的潤滑狀態及相對運動情況。采用擺輾方法時，模具與毛坯的接觸面積小，工具與毛坯表面間的摩擦可能由滑動摩擦變成滾動摩擦，摩擦系數大大減小，因此作用在毛坯上的變形力減小了。
（4）無噪聲、無振動、易于實現機械化、自動化，勞動環境好，勞動強度低。
（5）投資少，能耗低，設備制造費用低等。
（6）缺點是機器結構較為復雜，另外往往要求制坯。
5．10．3擺輾產品
擺動輾壓適合加工各種盤類、環類、法蘭類以及帶法蘭的長軸類等回轉體鍛件，如齒輪牙嵌離合器、銑刀片、汽車后半軸、碟形彈簧、止推軸承圈等，甚至還可用于提高粉末燒結件的密度或零件表面強化等，如圖 所示。擺動輾壓幾乎可加工所有可塑性材料，如鉛、鋁、銅及其合金、碳素鋼、合金鋼、不銹鋼、軸承鋼和高速鋼等。
5．10．4擺輾典型工藝與應用
擺輾典型工藝如圖7所示。
圖7典型工藝
(a) 鐓粗 (b)法蘭鐓粗 (c)垂直成形 (d)反擠壓 (e) 正擠壓 (f)正擠壓鐓粗 (g)精沖 (h)粉末壓實 (i)縮口 (j)翻邊 (k)錐端鉚接 (l)平端鉚接 (m)半圓鉚接 (n)翻孔鉚接 (o)翻邊（擴口）鉚接 (p)卷邊鉚接
（1）鍛造
擺輾鍛造主要用于成形各種餅盤類、環類、帶法蘭的長軸類鍛件。根據成形溫度不同，擺輾可分冷輾成形、熱輾和溫輾。冷輾鍛件精度較高，需要力較大，質量好，模具壽命長；熱輾省力，但模具壽命低；溫輾介于二者之間，目前發展較快。國外冷輾較多，近來發展溫輾，國內熱輾較多，近年發展冷輾和溫輾。我國擺輾成形件的實例有：汽車半軸及汽車后橋被動大齒輪、銑刀片、盤形彈簧片、揚聲器導體和鐵路車輛銷類件等。
（2）鉚接
擺輾鉚接無噪聲、無振動、與風鉚相比非常安靜，主要用于汽車、造船、家具、電氣、門窗等工業生產部門之中。不同鉚頭可實現圓頭、平面、擴口、卷邊等鉚接工藝?？摄T接的材料有低碳鋼、中碳鋼、有色金屬、塑料及陶瓷。
（3）粉末壓制
粉末燒結體的預制坯經擺輾成形后可提高其致密度。
（4）精沖、圓管縮口及翻邊
擺輾精沖所需設備噸位小，便于制造，它與擺輾翻邊一樣都處于研究階段。擺輾縮口可使金屬管端部形成拋物面、球面、錐面等各種形狀零件。與模壓法縮口相比所需變形力小，工件表面質量高，模具簡單，成型極限高，可以加工壁厚大的管件。
（5）擠壓
日本在擺輾擠壓方面做了大量工作，試驗材料有鋁、銅及35號鋼等。
5．10．5 擺輾主要工藝參數的確定
（1）極限變形度
變形度Ф表示變形程度大小，用下式表示。
Ф=ln(A1/A0)=ln(R12/R02)
式中，A0-毛坯面積（mm2）；A1-工件面積（mm2）；R0-毛坯徑向尺寸(mm)；R1-工件徑向尺寸(mm)。圖8是R0和R1的選取情況。
擺輾件 毛坯
圖8毛坯、工件徑向尺寸的選取
極限變形度ФL是指擺輾件邊緣無破裂的最大可能變形程度。ФL=0.7-2.7,隨材料的不同而不同。
（2）毛坯粗度系數（高徑比）
毛坯粗度系數C表示高度與直徑之比。
對于圓形截面毛坯：C=H/d0
對于矩形截面毛坯：C=H/1.16a
式中H-毛坯高度(mm)；d0-圓形截面毛坯直徑（mm）；a-矩形截面毛坯短邊長度（mm）。
粗度系數超過一定極限值，就會存在毛坯縱向彎曲或偏心的危險，毛坯粗度系數允許值CL=1.4-3.0，隨材料的不同而不同。
（3）毛坯體積與尺寸的確定
1)計算毛坯體積；2)由極限變形度確定圓形截面毛坯直徑d0 或矩形截面毛坯短邊長度a，根據材料規格圓整計算值；3)計算毛坯高度H；4)校核毛坯粗度系數C，如C>CL,增大毛坯直徑，重復第3）步以下計算過程，直到C<=CL為止。
（4）擺角γ
擺角γ大小直接影響到面積接觸率λ大小，影響到機器的軸向壓力和功率的大小，進而影響到機器效率和工件質量。冷輾時，通常擺角γ=1o-2o。熱輾時一般取γ=3o-5o。鉚接時為了加快金屬徑向流動，γ常取4o-5o。
（5）面積接觸率λ
擺輾面積接觸率λ是擺輾模具與毛坯接觸面積Ac和毛坯上表面積A的比值。
λ=Ac/A
（6）擺輾力
P=pAc
式中P-擺輾力；p-平均單位壓力。
5．11橫軋與斜軋（Cross rolling and skew rolling）
5．11．1 橫軋與斜軋的特點、分類及用途
5．11．1．1 運動特點
5．11．1．1．1橫軋的運動特點
如圖9所示，其特點是：1）兩個軋輥軸心線平行，其旋轉方向相同；2）軋件作平行于軋輥軸心線與軋輥旋轉方向相反的旋轉運動。
圖9 橫軋齒輪原理圖
1-軋輥 2-軋件
圓形坯料（又稱軋件）旋轉時，在軋輥孔型的作用下，局部連續成形零件，進出料設有專門的裝置。
軋件的轉速n2與軋輥轉速n1的關系為：
n2=(Rkn1)/rk
式中Rk–軋輥的軋制半徑；rk -軋件的軋制半徑。
k點為軋輥與軋件作無滑動的滾動點。Rk與rk按軋件力矩平衡條件確定。
5．11．1．1．2 斜軋的運動特點
如圖10所示，其特點是：1）兩個軋輥軸心線交叉一個不大的角度，其旋轉方向相同；2）軋件在兩個軋輥的交叉中心線上作與軋輥旋轉方向相反的旋轉運動外，還作前進直線運動，所以斜軋又稱螺旋軋制。
圖10 斜軋鋼球原理圖
圓形坯料旋轉前進時，在軋輥孔型的作用下，局部連續成形零件。進出料靠軋輥自動完成。
軋件的轉速n2與軋輥轉速n1的關系為：
n2=(Rkcosα·n1)/rk
軋輥帶動軋件前進速度為：
V=(πRk n1sinα)/30
5．11．1．2 基本類型
5．11．1．2．1橫軋的基本類型
1 齒輪橫軋
如圖9所示，帶齒形 軋輥1與圓形坯料2在對滾中，實現局部連續成形，軋制成齒輪。這種橫軋的變形主要在徑向進行，軸向變形很小。既有熱軋也有冷軋，此方法還可以軋制鏈輪、花鍵軸等。
橫軋齒輪有兩種方式，一種是單件軋制（圖11），齒輪軋輥邊轉動邊徑向進給；一種是多件軋制（圖12），齒輪軋輥只轉動，徑向不動，毛坯軸向進給。
圖11 橫軋齒輪（單件）原理圖
圖12橫軋齒輪（多件）原理圖
圖13橫軋螺紋原理圖
2 螺紋橫軋
螺紋橫軋又稱螺紋滾壓。如圖13所示，兩個帶螺紋的軋輥（滾輪），以相同的方向旋轉，帶動圓形坯料旋轉，其中一個軋輥徑向進給，將坯料軋制成螺紋，這種橫軋的變形主要在徑向進行。
這種方法主要用于冷軋直徑3~20mm的緊固件螺紋，其精度可達7級。螺紋表面的粗糙度Ra可達0.4μm。
3 楔橫軋
如圖14所示，兩個帶楔形模的軋輥，以相同的方向旋轉，帶動圓形坯料旋轉，坯料在楔形孔型的作用下，軋制成各種形狀的臺階軸。楔橫軋的變形主要為徑向壓縮和軸向延伸。
圖14楔橫軋原理圖
1-帶楔形模具的軋輥 2-坯料 3-導板
與傳統鍛造比較，楔橫軋具有生產率高、節材、節能、產品精度高等優點，并已廣泛應用于汽車、拖拉機、摩托車、內燃機等軸類零件毛坯的生產，還可以為模鍛件精確制坯，例如連桿、曲柄軸等，得到廣泛應用。
5．11．1．2．2斜軋的基本類型
1 穿孔斜軋
如圖15所示，兩個帶正反錐的軋輥，其軸心線相互交叉一個角度，軋輥以相同方向旋轉帶動圓形坯料既旋轉又向前移動，在正錐的壓縮作用下，坯料的中心發生疏松與空腔，坯料繼續旋轉前進到軋輥的反錐部分，坯料中心疏松與空腔在頂頭的作用下，軋制成空心管坯。這種斜軋已有上百年歷史，是冶金工廠生產無縫鋼管的主要方法之一。
圖15 穿孔斜軋原理圖
2螺旋孔型斜軋
兩個帶螺旋孔型的軋輥，其軸心線相互交叉一個不大的角度，軋輥以相同方向旋轉，帶動圓形坯料既旋轉又向前移動，坯料在螺旋孔型的作用下，成形回轉體零件。這種斜軋的變形主要表現為直徑壓縮和軸向延伸。
由于螺旋孔型斜軋與傳統鍛造比較，生產某些零件，如鋼球、球頭掛環等，具有很高的生產效率，今后將有較大的發展。
3 仿形斜軋
如圖16所示，三個帶錐形的軋輥1帶動圓形坯料2旋轉，由于軋輥軸心線與圓形坯料軸線有一傾斜角，故坯料除旋轉外還向前移動。三個軋輥借助于仿形板改變距坯料中心線的徑向距離，實現變截面軸的軋制。這種斜軋的變形主要為直徑壓縮和軸向延伸。為了保持一定的拉力和支承軋件，在出口端設有夾持拉力裝置。
圖16仿形斜軋原理圖
1-軋輥 2-軋件 3-仿形板
5．11．1．3 楔橫軋、螺旋孔型斜軋及仿形斜軋的比較
楔橫軋、螺旋孔型斜軋及仿形斜軋都是用來零件成形的方法。它們與一般鍛造工藝比較，均具有效率高、節約材料、無沖擊少噪音等優點。但三者之間又有差異，這些差異決定了它們各自的應用范圍。其主要差別列于表3中。
表3對螺旋孔型斜軋、楔橫軋及仿形斜軋的工藝特點比較后，可以得出它們應用范圍的下述結論：
螺旋孔型斜軋具有生產率高，材料利用率高，產品表面質量好及進出料方便等優點，但軋輥復雜，工藝調整困難，故它一般適合于軋制長度小于200mm，年批量大于5~10萬件的軸類零件。
楔橫軋具有生產率較高，材料利用率較高，產品表面質量好等優點，由于軋輥大并且比較復雜，故它一般適合于軋制長度小于800mm，年批量大于3~5萬件的軸類零件。
仿形斜軋具有軋輥直徑小，形狀簡單等優點，但由于生產率較低，產品表面質量較差，料頭損失大以及工藝調整困難等缺點，故總體上不如螺旋孔型斜軋與楔橫軋，僅適用于長度大于800mm，年批量大于3~5萬件的某些軸類零件。
表3楔橫軋、螺旋孔型斜軋及仿形斜軋的比較
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楔橫軋 |
螺旋孔型斜軋 |
仿形斜軋 |
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生產率/（件/min） 工件直徑50mm的公差/mm 表面粗糙度/μm 平均材料利用率（%） 軸臺階過渡形狀 模具復雜程度 軋輥直徑 |
6~30 0.8
6.3~100 90 任意形狀 較復雜 大 |
40~3000 0.6
3.2~50 94 任意形狀 復雜 較大 |
0.5~6 2
25~300 85 較大錐角過渡 簡單 小 |
5．11．2 楔橫軋與孔型斜軋的主要工藝參數
5．11．2．1 楔橫軋工藝參數的確定
楔橫軋有三個主要工藝參數，斷面減縮率Ф，軋輥孔型的成形角α及展寬角β（見圖17）。
圖17 典型楔橫軋展寬圖
5．11．2．1．1斷面減縮率Ф
斷面減縮率又稱斷面收縮率。斷面減縮率Ф為坯料軋前面積F0減去軋后面積F1與軋前面積之比，即：
Ф=（F0-F1）/F0=1-(d1/d0)2
式中 d0-坯料軋前直徑；d1-坯料軋后直徑。
楔橫軋一次的斷面減縮率Ф一般小于75%，否則容易產生軋件的不旋轉、螺旋縮頸甚至拉斷等問題。當軸類零件直徑尺寸相差很大時，即斷面減縮率Ф超過75%時，可采用在同一軋輥模具上兩次楔入軋制，即每次楔入軋制的斷面減縮率Ф小于75%，兩次斷面減縮率Ф大于75%的方法。在個別情況下，也可采用局部堆積軋制（將毛坯直徑軋大），解決斷面減縮率Ф大于75%的方法。
需要指出的是，當斷面減縮率Ф小于35%時，若某些工藝參數選擇不當，不但軋件直徑尺寸精度不易保證，而且容易出現軋件中心疏松等缺陷。因此過小時，變形未能滲透到軋件中心，主要變形發生在軸的表面，多余金屬在模具間反復揉搓，使軋件軸心產生拉應力與反復剪切應力的作用，致使中心出現疏松甚至空腔缺陷。為避免小Ф產生的疏松缺陷，應選擇較小的展寬角與較大的成形角。
所以，楔橫軋比較有利的斷面減縮率為：
Ф=40%-65%
5．11．2．1．2成形角
成形角α是楔橫軋工藝設計中兩個最主要最基本的參數之一。
理論與實踐表明，在楔橫軋正常展寬部分（圖6-2-11）的成形角α，一般在下列范圍內選用：18o<=α<=32o。
成形角α對軋件的旋轉條件、疏松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著的影響。一般情況下，α角越大，旋轉條件越差，容易產生縮頸，但中心疏松條件改善。
成形角α與斷面減縮率Ф的關系較大。一般情況下，Ф越大，越容易發生縮頸和軋件不旋轉的問題，而不容易發生中心疏松，故α選擇較小值。
5．11．2．1．3展寬角β
展寬角β是楔橫軋工藝設計中兩個最主要最基本的參數之一。理論與實踐表明，在楔橫軋正常展寬部分（圖6-2-11）的展寬角β，一般在下列范圍內選用：4<=β<=12o。
展寬角β對軋件的旋轉條件、疏松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩也都有顯著的影響，一般情況下，β角越大，旋轉條件越差，容易產生螺旋縮頸，軋制壓力與力矩增加，但中心不容易產生疏松。
為了減少模具的周長度，在模具設計時應盡可能選取較大的β角。
斷面減縮率Ф對展寬角β的影響比較復雜，一般情況是：當Ф>70%時，應該選擇較小的β值，否則容易產生縮頸；當Ф<40%時，也應該選擇較小的β值，否則容易產生疏松。
5．11．2．2 螺旋孔型斜軋工藝參數的確定
5．11．2．2．1極限壓縮量Z’
螺旋孔型斜軋的必要條件之一是：軋制中要建立穩定的旋轉條件，否則既不能正常軋制，也出不了合格產品，并且容易損壞模具與設備。
由于螺旋孔型斜軋的旋轉條件比較復雜，一般用簡單橫軋的旋轉條件進行近似的分析。
簡單橫軋的旋轉條件為摩擦力T組成的力矩MT應大于或等于正壓力P組成的力矩MP,即: MT>=MP 或Z/d>=μ2/(1+d/D)
式中 Z-軋件每半圈的壓縮量；D-軋輥直徑；d-軋件直徑；μ-摩擦系數。
將上式寫成等式，此時，軋件每半圈的壓縮量Z就成為滿足旋轉條件下的極限壓縮量，用Z’表示，寫成：Z’/d>=μ2/(1+d/D)
Z’/d稱為極限相對壓縮量。極限壓縮量Z’是設計或者校核孔型凸棱高度變化曲線的重要依據。
5．11．2．2．2軋輥傾角α
螺旋孔型斜軋軋件的軸向前進運動有兩方面的因素起作用。一是軋輥孔型圓周速度在軸向的分速度帶動軋件的前進速度（無整體打滑），用vc表示為：vc=(πDn1)/60。二是軋輥孔型的螺旋帶動軋件的前進速度，用uc表示為：uc=(n1Scosα)/60。
實現理想平穩的軋制，應該是以上兩個速度相等。這樣就不會出現孔型前后擠壓或者切割軋件前后端面的不良現象。
5．12 徑向鍛造（Radial forging）
5．12．1`徑向鍛造的特點、分類及用途
5．12．1．1 特點
徑向鍛造是在坯料周圍對稱分布錘頭，對坯料沿徑向進行高頻率同步鍛打，坯料通常邊旋轉邊作軸向送進，使坯料斷面尺寸減小，軸向延伸，同時加壓方向繞軸回轉，使斷面成對稱狀，其使用的設備為徑向鍛機。
圖18 徑向鍛造的各種形式
a)二錘頭回轉式 b) 二錘頭坯料回轉式
c)三錘頭坯料回轉式 d)四錘頭非回轉式
5．12．1．2 分類
徑向鍛機的工作部分有二錘頭、三錘頭及四錘頭之分，如圖18所示。對于某些專用棒材生產的徑向鍛機則有6錘頭或8錘頭的。有坯料不轉，錘頭每次打擊都要繞坯料旋轉的錘頭回轉式；有錘頭只作打擊，坯料旋轉的坯料回轉式；以及錘頭和坯料都不旋轉的非回轉式三種形式。
5．12．1．2 用途
目前國內徑向鍛機上可鍛直徑達400mm的實心軸及直徑600mm的空心軸。圖19所示為應用范圍：圓棒或圓筒的減徑件（圖19a）；帶錐度的件（圖19c）；帶臺階的件（圖19b,d）；內、外表面異形件（圖19g,h）；縮口件（圖19e）；和其他物體固定件（圖19i）；彎曲軸的矯正及鋼錠的開坯等。
圖19徑向鍛造的應用舉例
a)全部斷面減縮 b)一部分斷面減縮 c)鍛錐度 d)鍛外部臺階 e)縮口
f)鍛內臺階 g)鍛外異形斷面 h)鍛內異形斷面 i)鍛接
因此，徑向鍛造廣泛地用于鍛造各種機床、汽車、拖拉機、機車、飛機、坦克和其他機械上的實心臺階軸、錐度軸和空心軸，以及這幾種形狀兼有的軸類鍛件。還可以專門用于各種氣瓶、炮彈殼的收口，航空用氧氣瓶，火箭上噴管的縮頸，鍛造槍觀管、炮管和深孔螺母、內花鍵以及方形、矩形、六邊形、八邊形和十二邊形的棒材。
5．12．2 徑向鍛造工藝參數的確定
徑向鍛造的主要工藝參數有鍛件轉數、軸向送進速度、徑向壓入量和徑向送進（進錘）速度以及毛坯的加熱溫度。
5．12．2．1 鍛件轉數
徑向鍛機上鍛出的鍛件外圓，實際上呈多邊形，只不過是因為采用圓形工作表面錘頭，多邊形已不明顯。工件轉數只影響邊數多少，而與工件直徑無關。多邊形邊數越多，鍛件也就越圓滑。錘頭的打擊次數是不變的，一般夾頭的轉數是可調的，一般為25-46r/min。
5．12．2．2 軸向送進速度
軸向送進速度越大，生產率越高，但是鍛件外表質量也就越不好。熱鍛時一般選用1.5-2.5m/min;溫鍛時選0.3-0.5m/min;冷鍛時選0.06-0.2m/min
5．12．2．3 進錘速度
進錘速度對鍛件表面質量影響不大，一般選200-300mm/min。
5．12．2．4徑向壓入量
在機器力量允許的情況下，選用較大的徑向壓入量可減少工步，提高生產率。但是徑向壓入量大，橫向變形也大；在軸向送進速度較大時，鍛件表面會出現螺旋形脊椎紋，尤其在鍛小直徑時更明顯。一般若選用較大的徑向壓入量，則配之以較低的軸向送進速度。
5．12．2．5 鍛造溫度
徑向鍛造的機動時間較短，錘頭與鍛件接觸時間極短，錘頭帶走的熱量很少，所以一般鍛件的終鍛溫度較高，故毛坯加熱溫度可比一般鍛造低100-200℃。
參考文獻
付傳鋒、張鈺成、賴周藝、胡亞民，中國機械工程，2006，17（supp）,135
王允禧，鍛造與沖壓工藝學，北京，冶金工業出版社，1994