陜西法士特汽車(chē)傳動(dòng)集團(tuán)公司始建于1968年，2017年產(chǎn)銷(xiāo)變速器超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)。法士特公司年需求齒輪5000萬(wàn)只，大部分由法士特鍛造承制。法士特鍛造具備年產(chǎn)鍛件10萬(wàn)噸的能力，在鍛造工藝、加工設(shè)備、模具管理等方面，均有非常成熟的體系和經(jīng)驗(yàn)。

圖1 自動(dòng)線上常見(jiàn)鍛件品種

自動(dòng)鍛造線上模具冷卻潤(rùn)滑的應(yīng)用與實(shí)踐

法士特公司作為汽車(chē)零部件生產(chǎn)商，鍛件需求量大，無(wú)論是在自動(dòng)鍛造線上，還是普通的鍛壓機(jī)上，每年所消耗的工裝及輔料費(fèi)用巨大。而脫模劑的選擇又直接關(guān)系到鍛造模具的有效使用壽命，因此如何選擇一款“性?xún)r(jià)比”較高的脫模劑就成為法士特鍛造節(jié)能降耗很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

對(duì)自動(dòng)鍛造線而言，選擇脫模劑的主要標(biāo)準(zhǔn)是：能保證連續(xù)生產(chǎn)、不能頻繁停機(jī)，模具壽命較長(zhǎng)、不能頻繁換模，模具失效形式主要為磨損以便模具重復(fù)利用，以及單件鍛件的生產(chǎn)成本（含脫模劑費(fèi)用、模具費(fèi)用）最低。根據(jù)這幾個(gè)原則，我們進(jìn)行了自動(dòng)線的脫模劑實(shí)驗(yàn)。

觀察自動(dòng)鍛造線的常見(jiàn)鍛件品種（圖1）模具的失效形式，有一部分是如圖2所示的異常失效，這種類(lèi)似“氣蝕”的開(kāi)口失效形式在普通鍛壓機(jī)上從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。分析工藝及模具設(shè)計(jì)過(guò)程，為什么與普通鍛壓機(jī)基本一致的型腔設(shè)計(jì)思路，在自動(dòng)鍛造線上卻會(huì)出現(xiàn)這樣完全不同的失效形式呢？經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的工藝驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該是與終鍛成形過(guò)程中，在模具和預(yù)鍛件接觸時(shí)形成了封閉腔體有關(guān)（圖3）。由于自動(dòng)線的噴淋量更大，封閉腔體內(nèi)部的液體在高溫環(huán)境下迅速汽化，在幾千上萬(wàn)次的氣體“氣蝕”力作用下，模具便形成了圖2這種特殊的失效模式。據(jù)此思路，我們改進(jìn)了自動(dòng)鍛造線的型腔設(shè)計(jì)，基本避免了模具“氣蝕”異常失效。脫模劑實(shí)驗(yàn)就選擇了這樣一個(gè)鍛件品種進(jìn)行。

圖2 自動(dòng)線模具異常失效

圖3 封閉腔體

實(shí)驗(yàn)條件

⑴實(shí)驗(yàn)設(shè)備：3500t自動(dòng)鍛造線。

⑵使用模具：第3、4道為關(guān)鍵模具，更換脫模劑時(shí)全套換新；第4道上模為重點(diǎn)監(jiān)控模具，各脫模劑品牌均使用同批次模具；第1、2道模具對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響，只在必要時(shí)更換。

評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

⑴脫模劑用量：日常生產(chǎn)配比為10%～15%，常用比例為12%，各脫模劑廠家可根據(jù)自己的產(chǎn)品性能推薦比例。

⑵下頂出力：下頂出力最大為10t，當(dāng)超過(guò)10t時(shí)設(shè)備將報(bào)警，若頻繁報(bào)警，生產(chǎn)將會(huì)中斷。

⑶模具狀態(tài)：模具下線后對(duì)模具表面狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

⑴模具狀態(tài)。

1）模具是否出現(xiàn)“氣蝕”開(kāi)口及出現(xiàn)時(shí)間。

本次實(shí)驗(yàn)選擇了6種脫模劑，其中有兩種是我們?nèi)粘Ｔ谑褂玫?，根?jù)本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在我們已經(jīng)對(duì)模具型腔進(jìn)行了改進(jìn)、基本消除了“氣蝕”的情況下，使用3#～6#四個(gè)品種脫模劑的模具仍然出現(xiàn)這種異常失效，使用5#和6#脫模劑的模具甚至在僅生產(chǎn)了500～800件時(shí)即出現(xiàn)“開(kāi)口”。使用6#脫模劑的模具不僅早期“開(kāi)口”，甚至還引起鍛件頻繁跳模，導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行，最后不得不終止實(shí)驗(yàn)，觀察使用6#脫模劑的下線模具，雖然只生產(chǎn)了不到3000件，但其表面已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的徑向劃槽，說(shuō)明潤(rùn)滑狀態(tài)很差。而使用1#和2#脫模劑的模具則生產(chǎn)至8000件左右，表面狀態(tài)依然不錯(cuò)。見(jiàn)圖4對(duì)比。

圖4 6種脫模劑“氣蝕”失效對(duì)比

2）其他模具表面狀態(tài)。

表1是6種脫模劑實(shí)驗(yàn)完成后，模具使用情況的統(tǒng)計(jì)表，可以看到，除了終鍛上?！皻馕g”失效對(duì)比明顯以外，其余模具表面狀況差別也很大。例如使用3#和6#脫模劑：預(yù)鍛上模、預(yù)鍛下模表面均出現(xiàn)嚴(yán)重徑向溝槽報(bào)廢；終鍛下模第1件均異常開(kāi)裂，換了第2件。使用4#和5#脫模劑：終鍛下模鑲塊均出現(xiàn)較深的環(huán)槽，不可再繼續(xù)使用。

⑵下頂出力。

3500t自動(dòng)鍛造線在頂出力超過(guò)10t時(shí)會(huì)報(bào)警停機(jī)，需要更換預(yù)、終鍛下模鑲塊。本次實(shí)驗(yàn)，使用3#、4#、6#脫模劑的模具均更換過(guò)下模鑲塊，甚至出現(xiàn)過(guò)下模鑲塊開(kāi)裂。

⑶脫模劑用量。

實(shí)驗(yàn)的6種脫模劑，1#～5#混合比例均按12%設(shè)定，6#則陸續(xù)由12%調(diào)整至20%、24%，最后在24%時(shí)才勉強(qiáng)能夠生產(chǎn)。因此理論上講，在生產(chǎn)相同數(shù)量鍛件時(shí)6#脫模劑的用量更大。

表1 自動(dòng)鍛造線上模具使用情況統(tǒng)計(jì)

⑷自動(dòng)鍛造線潤(rùn)滑小結(jié)。

按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)先選用1#脫模劑，2#脫模劑作為備用。

需要特別說(shuō)明的是，對(duì)于自動(dòng)線，由于自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)節(jié)拍快，為保證模具使用壽命，避免出現(xiàn)“氣蝕”等異常失效形式，對(duì)模具的冷卻潤(rùn)滑要求也更高，即不僅噴淋量更大，對(duì)脫模劑本身，除了需要關(guān)注黏度、濃度等基本參數(shù)外，還需要重點(diǎn)考慮如下兩個(gè)方面。

1）產(chǎn)氣量的影響：在同批次模具、同樣的噴淋狀態(tài)下，為什么3#～6#四個(gè)品種竟然在500～800件時(shí)就出現(xiàn)模具氣蝕開(kāi)口，6#脫模劑甚至還引起鍛件頻繁跳模，這與脫模劑本身在高溫下汽化量有很大關(guān)系。

2）是否易于混合均勻：實(shí)驗(yàn)中的6#脫模劑，初始設(shè)定12%（實(shí)測(cè)出口處濃度僅6%），頂出力大無(wú)法生產(chǎn)，陸續(xù)增加至20%、24%后，實(shí)測(cè)出口濃度也才8.8%、11%，最終按24%生產(chǎn)。觀察原液的下降量也異常，在24%的混合比例下，并未如預(yù)想的那樣快速下降，反而極其緩慢。觀察模具，約800件時(shí)出現(xiàn)開(kāi)口，用至3000件，模具有深、長(zhǎng)徑向溝槽。說(shuō)明6#的易吸入性、易混合性差，導(dǎo)致最終的潤(rùn)滑效果不佳。

鍛壓機(jī)上模具冷卻潤(rùn)滑的應(yīng)用與實(shí)踐

鍛壓機(jī)上鍛件品種較多，尺寸及形狀變化較大，常見(jiàn)品種如圖5所示。但不同品種的鍛件，模具失效形式多以正常磨損為主。常見(jiàn)的異常失效形式是圖6所示的快速磨損、打塌和早期開(kāi)裂。

鍛壓機(jī)所用潤(rùn)滑劑除需要保證正常生產(chǎn)外，最主要的考察項(xiàng)目有三點(diǎn)：下線模具狀態(tài)（考慮模具重復(fù)利用）、脫模劑殘留、單件鍛件成本（含脫模劑和模具費(fèi)用兩項(xiàng)）等。因此本輪鍛壓機(jī)脫模劑實(shí)驗(yàn)也是從這幾個(gè)方面入手。

圖5 鍛壓機(jī)上常見(jiàn)鍛件形狀

圖6 鍛壓機(jī)模具常見(jiàn)異常失效形式

實(shí)驗(yàn)條件

⑴實(shí)驗(yàn)設(shè)備：4000t熱模鍛壓力機(jī)。

⑵使用模具：第2、3道為關(guān)鍵模具，更換脫模劑時(shí)全套換新；第2道上模與第3道下模為重點(diǎn)監(jiān)控模具，各脫模劑品牌均使用同批次模具。

評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

⑴模具狀態(tài)：考慮后續(xù)模具落面翻新，不允許出現(xiàn)開(kāi)裂；模具下線后對(duì)模具表面磨損狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比。

⑵脫模劑殘留：不允許在下模鑲塊、下模內(nèi)芯之間存在大面積結(jié)痂。

⑶單件鍛件成本的脫模劑成本：脫模劑廠家可根據(jù)產(chǎn)品性能推薦使用比例。

⑷模具成本：生產(chǎn)相同數(shù)量鍛件產(chǎn)生的模具費(fèi)用差別。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

⑴模具狀態(tài)。

1)重點(diǎn)監(jiān)控的終鍛下模：1#和2#脫模劑，200kg均可生產(chǎn)11000件以上，且模具沒(méi)有開(kāi)裂，表面狀態(tài)好；3#和5#均在6000件左右模具開(kāi)裂，且200kg脫模劑實(shí)際只能生產(chǎn)7000件左右的鍛件；4#脫模劑，200kg僅生產(chǎn)6100件鍛件。

2)模具情況：5#脫模劑預(yù)鍛上模磨損嚴(yán)重且打塌。圖7是鍛壓機(jī)模具狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。表2所示為鍛壓機(jī)上6種脫模劑模具使用情況統(tǒng)計(jì)表。

表2 鍛壓機(jī)上6種脫模劑模具使用情況統(tǒng)計(jì)表

圖7 鍛壓機(jī)模具壽命對(duì)比

圖8 鍛壓機(jī)用脫模劑殘留對(duì)比

⑵脫模劑殘留對(duì)比。

觀察下線模具：1#脫模劑殘留很少；2#脫模劑有較多殘留，但是是酥散的粉狀，不影響模具拆裝；3#、4#、5#脫模劑，在模具圓周面、底面均有1～3mm厚的瀝青樣結(jié)痂，質(zhì)地堅(jiān)硬，難于清理，模具很難拆卸下來(lái)。圖8所示為鍛壓機(jī)用脫模劑殘留對(duì)比。

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單件鍛件成本主要考慮脫模劑費(fèi)用和模具費(fèi)用。表3所示是使用5種脫模劑所產(chǎn)生的脫模劑和模具的綜合費(fèi)用（折算為系數(shù)值），可以看到，如果1#脫模劑的綜合費(fèi)用為1的話，3#、4#、5#的綜合費(fèi)用高達(dá)1.55、1.663、和1.984。尤其需要說(shuō)明的是，這次實(shí)驗(yàn)是按模具使用一次計(jì)算的成本，如果考慮模具的重復(fù)利用問(wèn)題，則3#和5#脫模劑因?yàn)槟＞唛_(kāi)裂報(bào)廢，無(wú)法再利用，成本會(huì)更大。

⑷鍛壓機(jī)鍛造線潤(rùn)滑小結(jié)。

根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)先選擇1#脫模劑，2#脫模劑作為備用。

關(guān)于終鍛下模開(kāi)裂，與模具設(shè)計(jì)時(shí)該處較為單薄也有關(guān)系，但是本次實(shí)驗(yàn)的5種脫模劑中，1#和2#脫模劑生產(chǎn)至一萬(wàn)件左右時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂，而3#和5#脫模劑則在生產(chǎn)至五六千件時(shí)已經(jīng)開(kāi)裂。說(shuō)明即使模具強(qiáng)度偏低，也可以通過(guò)選擇潤(rùn)滑效果好的脫模劑來(lái)減少模具開(kāi)裂。

另外，有一種觀念應(yīng)該盡快改變，即鍛壓機(jī)上的鍛造用潤(rùn)滑劑的選擇，不能僅僅關(guān)注每公斤脫模劑的單價(jià)，必須同時(shí)考慮脫模劑費(fèi)用和模具費(fèi)用，計(jì)算其綜合成本，最終選擇出性?xún)r(jià)比最高的脫模劑品種。

表3 使用5種脫模劑所產(chǎn)生的脫模劑和模具的綜合費(fèi)用

精密鍛造模具冷卻潤(rùn)滑的應(yīng)用與實(shí)踐

法士特公司在精密鍛造方面的實(shí)踐雖然起步晚，但是已經(jīng)取得了一些實(shí)效：同步器鋼齒環(huán)精鍛件已批量生產(chǎn)；結(jié)合齒精密鍛造取得初步成果；嚙合套精鍛件批量供貨；常規(guī)齒坯件在熱模鍛壓力機(jī)和模鍛錘上的閉式鍛造已普及，批量較大品種已陸續(xù)縮減余量至1mm。下文所述精密鍛造，不包括無(wú)飛邊的閉式鍛造，以及縮減加工余量的1mm工程等。圖9是法士特公司一些典型精鍛件品種。

我們的精鍛件總體工藝流程為：下料→加熱→熱鍛→毛坯軟化→表面清理→毛坯潤(rùn)滑→冷精鍛→倒錐。熱鍛和冷精鍛模具失效形式完全不同，潤(rùn)滑條件改善是應(yīng)對(duì)模具失效眾多策略之一。

模具失效形式

⑴熱鍛模具主要失效形式。

⑶單件鍛件成本。

⑵冷鍛模具主要失效形式（圖11）。

1)開(kāi)裂：易出現(xiàn)沿著圓角根部的開(kāi)裂。

2)掉塊：鍵側(cè)等局部位置有掉塊。

3)打塌：圓角部位容易塌陷。

模具失效應(yīng)對(duì)策略

⑴熱鍛。

1)工藝方面：如前所述，工藝流程采用熱鍛加冷精整的方式，因此對(duì)熱鍛模具的允許磨損程度可以有一定程度的放寬，從而既能保證熱鍛模具壽命適當(dāng)延長(zhǎng)，又不影響最終冷精整后的產(chǎn)品尺寸。

2)模具材料方面：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，普通模鍛采用的H13材料強(qiáng)度及硬度都有所欠缺，容易快速磨損或打塌。公司目前常用的熱鍛模具材料是RM2，模具壽命根據(jù)不同品種，可達(dá)到4500件～7600件。也在試用其他新型模具材料例如SRM-1等。

圖9 法士特公司部分精鍛件

圖10 熱鍛模具主要失效形式

圖11 冷鍛模具主要失效形式

3）潤(rùn)滑條件方面：現(xiàn)場(chǎng)試用過(guò)自動(dòng)線專(zhuān)用的白色脫模劑，發(fā)現(xiàn)不僅打擊力增加較多，而且齒部嚴(yán)重充不滿(mǎn)。對(duì)于一些新型熱精鍛用脫模劑，我們也在調(diào)研。目前我公司批量使用的是石墨型脫模劑，脫模效果好，模具壽命長(zhǎng)。

⑵冷精鍛。

1)工藝方面：改善熱鍛設(shè)計(jì)，減小冷精鍛模具開(kāi)裂部位應(yīng)力集中情況。

2)模具方面：考慮對(duì)冷精鍛模具表面涂層處理，從而加強(qiáng)冷精鍛時(shí)金屬的流動(dòng)效果，但目前還沒(méi)有批量進(jìn)行涂層處理。在當(dāng)前沒(méi)有涂層的情況下，冷精鍛模具壽命最好可以達(dá)到4萬(wàn)件以上。

3)潤(rùn)滑條件：冷精鍛的潤(rùn)滑方法較多，從早期的動(dòng)物油脂，到應(yīng)用廣泛的磷皂化工藝，再到近年發(fā)展出來(lái)的新型的磷皂化替代技術(shù)，各個(gè)生產(chǎn)廠家需要根據(jù)自身產(chǎn)品、成本以及環(huán)保要求選擇適合自己的潤(rùn)滑方式。法士特公司目前采用的是“沖壓拉深油+液壓油”按一定比例混合作為冷精鍛潤(rùn)滑劑的。

⑶精密鍛造潤(rùn)滑與實(shí)踐小結(jié)。

法士特公司精密鍛造起步較晚，一方面是因?yàn)榇蟛糠之a(chǎn)品尺寸較大，局限于設(shè)備；另一方面是思想上不夠重視，人員、研發(fā)資金投入較少。目前已經(jīng)批量生產(chǎn)的幾個(gè)品種，在工藝設(shè)計(jì)、模具加工、潤(rùn)滑冷卻、現(xiàn)場(chǎng)控制等各個(gè)方面，也都有很大的改進(jìn)空間。

總結(jié)

總結(jié)一下，自動(dòng)線上的潤(rùn)滑重點(diǎn)需要考慮的因素除粘度、濃度外，還要關(guān)注脫模劑是否易于吸入及混合均勻、是否更容易產(chǎn)生模具的氣蝕失效。

鍛壓機(jī)上用脫模劑重點(diǎn)關(guān)注脫模劑實(shí)際使用效果，模具是否會(huì)出現(xiàn)早期磨損、打塌、開(kāi)裂等異常失效。精密鍛造方面，對(duì)熱精鍛和冷精鍛，需要考慮的潤(rùn)滑要求有很大不同，潤(rùn)滑條件的改善也只是模具壽命提升的一個(gè)方面，另外還需要重點(diǎn)考慮工藝的改進(jìn)、模具材料因素等等。

綜上所述，無(wú)論是自動(dòng)線、熱模鍛壓力機(jī)上的常規(guī)模鍛，還是同步器鋼齒環(huán)、結(jié)合齒、嚙合套等的精密鍛造，潤(rùn)滑劑的選擇非常重要，無(wú)論選擇何種潤(rùn)滑劑，其最終要實(shí)現(xiàn)的是模具壽命更長(zhǎng)、鍛件生產(chǎn)成本最優(yōu)。

——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2019年第3、5期