图1  旋锻、径锻原理

本文针对旋转锻造及轴向成形工艺在汽车制造领域中的应用，介绍了其工艺特点，并讨论了提高其加工性能和质量的方法和有效途径。

旋转锻造

旋转锻造是用来使棒料（管）直径减小、长度增加的一种锻造工艺，在锻造过程中对轴向送进的棒料或管料施加径向脉冲打击力，使坯料横截面减小，锻成沿轴向具有不同横截面或等截面的锻件，锻打时，棒（管）料与模具之间有相对的旋转运动和轴向移动。当锻模和滑块不旋转，只在固定导轨内往复运动，而外环及滚柱旋转，此时亦称径向锻造，便可以锻出圆形、方形和矩形等形状。当旋转到滚柱与滑块（蘑菇头）接触位置时，模具向中心移动，模具闭合，打击坯料；当滚柱继续转动离开滑块后，在离心力作用下滑块反向运动，使锻模处于张开状态，实现一次锻造循环；当主轴不断旋转时，上述动作重复进行，不断向坯料施加脉冲式打击力，使坯料横截面不断减小，实现坯料的渐进成形，金属沿轴线的前后方向移动（见图1）。

旋转锻造可以是热锻、温锻和冷锻，冷锻时精度可达7～8级，工件在锻锤的带动下作相对转动，锻造区域不重复，可以达到很高的圆度和较低的表面粗糙度（Ra0.4～0.8μm），有时可替代磨削。当需要精密控制管材的内孔尺寸和形状或优化管料的壁厚时，可采用插芯杆锻造。

旋转锻造兼有脉冲加载和多向锻打两个特点，且脉冲频率高，每次变形量小。因此金属变形流动距离短，摩擦阻力小，变形均匀。采用多锤头从几个方向锻打，使金属处于三向压应力状态下变形，有利于金属塑性的提高。因此旋转锻造工艺不仅适用于一般钢材，而且也适用于高强度低塑性的高合金钢，尤其是难熔合金的开坯和锻造。对某些低塑性合金，脉冲加载锻打要比连续加载锻压的工艺塑性提高2.5～3倍。若加载频率在1000次/min以上，金属会保持很高的工艺，从而可实现冷锻。

图2  调频调幅式轴向成形原理

调频调幅式轴向成形

如图2所示，在传统连续冷挤压加工的基础上，附加脉冲式振动，形成调频调幅式轴向模具成形。成形过程中对工件施加高频振动，变模具的连续恒速进给为脉冲式进给。在每两次挤压的间隔时间内：允许材料弹性恢复使得变形抗力获得释放，没有累加，可以有效地减小变形抗力；允许冷却润滑液进入变形区域，形成润滑油膜，减少了工件与模具间的摩擦，进一步降低了变形抗力。实验结果表明，采用高频振动进给方式可以减少变形抗力达到40%，减少了模具的磨损，延长了模具寿命。

成形工艺技术特点

冷态旋转锻造成形和调频调幅轴向成形具有一般近净成形、金属冷态成形的一切优点，如工件内部晶粒均匀细化、金属纤维组织得以完整保留以及变形强化等。由于金属成形过程是“脉冲式、多向锻打”，施加于工件上的锻打力通过“振动式进给”方式作用，零件总体变形量是多次锻打小变形的累加，是典型的渐进式成形过程，具有如下显著特点：

1.每次锻打金属变形量小，变形区小，金属移动的体积也很小，极大地减小了变形力，使工件精度得以提高；

2.模具“振动式进给”频率高， 降低金属的内外摩擦系数，变形更均匀，所成形的零件综合机械性能远优于普通近净冷态金属成形；

3.加工效率高（一个形面的成形仅需十几秒，一般零件加工不到1min）；

4.材料适应范围广，几乎所有金属材料均适用；

5.金属塑性变形时呈三向压应力状态，改善了金属的塑性，可以实现大的塑性变形（普遍达到30%～40%，甚至70%）。

图3  汽车传动轴设计过程演变

在汽车等工业领域，为了实现特殊的功能，其零件设计在材料选择、结构设计及综合机械性能等方面均有特殊要求。如果没有先进的工艺方法，零件结构设计时必须考虑现有工艺方法和制造技术的可行性，即满足结构工艺性要求；对于必须满足的结构设计，因为受传统工艺方法的限制，加工困难、加工精度不容易保证，并且加工效率低，原材料浪费严重，加工过程中能源及其他消耗高，加工成本过高。

旋转锻造、调频调幅轴向成形设备及其工艺技术是机械工程技术领域工艺方法和制造技术的创新，使原来由于加工工艺方法限制认为不合理的设计变得合理；使原来不可能实现或很难实现的结构制造变得可能和容易，突出零件功能的实现；使原来很难保证的零件技术指标得以轻松保证，并得到质的提高，因而零件的可靠性得以根本改善。

在汽车制造中的应用

旋转锻造和轴向成形工艺具有“节材减重、变形强化、高效率、高精度及绿色环保”的特点，被广泛应用于汽车转向、变速系统和传动系统中各种精密轴类工件的生产加工和各种常规加工方法难于实现的特殊零件构造中。轴向振动成形还被创造性地应用于装配式凸轮轴。

图4  转向轴

1.精密轴类零件的冷态精密成形

旋转锻造及附加振动的轴向成形相结合，可对工件进行内、外成形，不但可以成形回转表面，还可以成形非回转体表面（如对称多边形、非对称多边形及曲线与直线复合形状），可以加工内、外花键和齿轮等。其变形强化的特点可以使原来实心零件的设计变成空心零件，高牌号材料替代低牌号材料，节材减重效果明显，特别适合轻量化要求的制造领域。因而，随着旋转锻造及附加振动的轴向成形技术的发展，给汽车零部件的设计也带来了革命性的变革。

图3所示为汽车转向轴结构设计的演变过程。其中，图3a转动轴采用整体实心零件；图3b采用两段式结构，每个零件采用深孔加工方法加工，摩擦焊接相连，工件重量得以降低，动态性能（如固有频率得以提高，远离汽车工作频率）得以改善，加工效率低，精度保证困难、能源消耗大且污染厉害；图3c采用三段式结构，普通设备加工，摩擦焊接相连，加工效率低，精度保证困难、能源消耗大且污染严重；图3d采用空心整体式结构，旋锻加工，工件强度（中空部分直径加大）力学及机械性能不降反升；图3e采用空心整体式结构，旋锻加工，中间壁厚减小为3mm，工件重量得以进一步降低（减轻重量30%），动态性能（如固有频率从原来的200Hz以下提高到300Hz以上）得以改善，加工效率高（在以旋锻机为主要加工设备的生产线上加工1个零件不到1min）。

2.汽车零部件的典型应用

（1）管状转向柱 与相应的实心转向柱相比，管状转向柱能减轻70%的重量；达到最理想的壁厚分布：中心部份最小壁厚，需和其他零件联接的头尾部壁厚增加；因冷作硬化提高工件硬度，允许采用硬度级别较低的材料 （ST37代替ST52）。

（2）驱动轴 与实心驱动轴相比，管状驱动轴节省了材料，减轻了工件重量，具体如表1所示。

（3）转向轴（见图4） 有效提高零件综合机械性能：提高应力工件的机械性能；采用较低强度材料以降低成本；多次成形而在中间不需进行退火；旋锻后，工件可随时进行其他无屑成形工序或金属切削。坯料部分与锻造部分性能比较如表2所示。

结语

冷态内外成形高精度旋转锻造和调频调幅轴向成形工艺技术在汽车零部件生产中的应用，优化了产品结构，不但更好地满足了工件的强度和可靠性要求，同时减轻了工件质量、节约了材料，提高了零件加工和装配效率，进一步提升了整车性能。因此，加强高精度旋转锻造设备和调频调幅轴向成形设备的研发，实现其国产化，可有效促进我国汽车工业的发展，意义深远。