袁海兵， 杨益， 陈博文， 李明明， 黄伟·钱潮森威股份公司
中空轴作为现代工业中的重要零部件，广泛应用于汽车、航空航天等领域，因其有重量轻、强度高、抗扭性能优异等优点，成为关键的传动和承载部件。随着对轻量化和高性能的需求日益增加，中空轴的制造工艺受到广泛关注。
径向锻造技术作为一种先进的成形工艺，通过径向加压实现金属的塑性变形，具有材料利用率高、组织均匀、机械性能优良等优势。与传统锻造方法相比，径向锻造显著提升了生产效率，减少了材料浪费。本论文旨在研究中空轴径向锻造技术的发展历程、工艺原理及未来趋势，以期为相关行业的技术进步和应用提供参考。
中空轴径向锻造技术的发展历程
早期中空轴制造技术
中空轴(图1)作为关键的机械零部件，早期的制造技术主要依赖于传统的车削和钻孔工艺。这些方法通常使用实心锭坯，通过去除材料来形成中空结构。然而，这类工艺不仅导致了大量材料浪费，还可能引发较大的内应力和内部缺陷，进而影响中空轴的整体力学性能。为了解决这些问题、提高材料利用率和加工精度，挤压成形等技术逐步被引入到中空轴的生产中。尽管轴向挤压技术在一定程度上提高了制造质量，但由于成本较高、工艺复杂等因素，在应用上仍然存在局限性，无法完全满足现代工业对高性能中空轴的需求。
图1 某平台中空轴锻件示意图
径向锻造工艺的引入与发展
径向锻造技术由奥地利科学家B.Rralowetz 博士于1946 年提出，成为中空轴制造技术发展的重要里程碑。到20 世纪60 年代，首台四锤头径向锻机诞生，径向锻造工艺开始广泛应用于工业领域。其核心原理是通过多向径向压力，使材料在高压下均匀变形，从而形成预定的结构形状。这一技术的引入显著提升了复杂零部件的制造精度和效率，尤其是在中空轴的生产中展现出巨大优势。
到20 世纪中后期，随着全球主要径向锻机及其附属设备制造商的开发和推广，如奥地利的GFM(图2)、德国的SMS Meer 和意大利的Danieli 等，径向锻造技术在全球范围内得到广泛应用，特别是在大型中空轴的生产中逐渐成为主流工艺。响应国内市场对高性能锻造技术的需求，我国从20 世纪70 年代中期开始研究液压式径向锻机，现已在研发和制造水平上取得了显著提升。
图2 GFM 某型号径向锻机
中空轴径向锻造的工艺原理
径向锻造的原理介绍
径向锻造是一种在同一平面上对轴类零件施加多个均匀分布的锻打力的成形工艺。其工作原理如图3所示，多个锤头沿零件周向均匀分布，在驱动机构的带动下进行径向开合运动。同时，零件由夹持机构沿轴向送进，并根据工艺要求控制工件的旋转速度。部分径向锻机允许锤头在锻打过程中进行微小摆动或低速转动。零件在高静水压力下承受高速、高频、短冲程的锻打力，材料沿轴向和径向流动，实现均匀成形。这种工艺能够使零件获得均匀的结构和良好的力学性能，特别适用于复杂形状的轴类零件制造。
图3 旋锻工作原理
工艺控制的关键参数
在径向锻造过程中，锻造力、变形速率和坯料的软化处理是确保成品质量的关键控制参数。锻造力的大小直接决定金属材料的塑性变形程度，过大的锻造力可能导致材料过度变形或内部缺陷，而过小的锻造力则可能导致成形不足，影响工件的精度和性能。变形速率则对坯料的变形均匀性和最终组织结构起到关键作用，过高的速率可能导致不均匀变形，形成缺陷；而速率过低则会影响生产效率，甚至对材料性能产生不利影响。
坯料的软化处理同样至关重要。合适的加热温度(冷锻采用退火或正火工艺)能够降低材料的变形阻力，减少裂纹等缺陷的出现，并确保工件具有良好的力学性能，见图4、图5。如果加热温度不足或退火(正火)组织不合格，材料的塑性会受到影响，裂纹风险增加。因此，在径向锻造工艺中，必须精确控制锻造力、变形速度和坯料的软化处理，以确保中空轴的质量和性能稳定。
图4 某中空轴退火工艺曲线
图5 组织金相(球化率≥85%)
典型的锻件制造工艺流程
⑴坯料准备。
根据中空轴的尺寸和材料要求，选择合适的金属坯料。通常情况下，坯料以管坯形式预加工，经过初步的尺寸和形状处理，以便满足后续径向锻造的需求。这一阶段的坯料准备至关重要，确保坯料在后续工艺中的成形效果。
⑵软化处理。
为了确保坯料具备足够的塑性，径向锻造前通常需要进行软化处理，可以通过退火(适用于冷锻成形)或加热至合适温度(适用于温锻或热锻成形)来实现。软化处理有助于坯料达到理想的塑性状态，从而确保锻造过程的顺利进行。精确控制软化处理过程中的温度和时间对防止坯料在锻造过程中出现开裂或其他缺陷至关重要。
⑶径向锻造。
在这一关键步骤中，通过多向施加径向压力，将坯料塑性变形为中空轴的初步形状。多组锤头同时作用于坯料，确保材料在径向上均匀受力，并在高压下变形。径向锻造的同步施压特点有助于避免变形不均现象，保证中空轴的力学性能和尺寸一致性。中空轴径向锻造工艺图见图6，锻造毛坯见图7。
图6 中空轴径向锻造工艺图
图7 某中空轴径向锻造毛坯
⑷质量检测。
在完成所有加工步骤后，成品必须通过一系列严格的质量检测。尺寸精度检测确保中空轴的几何尺寸符合设计要求，内外表面缺陷检测(如目视检查、内窥镜检测)用于发现表面或内部可能存在的缺陷。
传统加工方式的分析及对比
在中空轴锻件的传统制造过程中，通常采用以下两种工艺路线。
⑴冷挤压+钻孔工艺：通过多工位冷挤压形成实心轴，然后通过钻孔去除内部材料形成空腔。此方法虽然可以实现空心结构，但材料利用率较低，同时由于深孔加工难度较大，内腔尺寸精度难以保证。
⑵冷反挤压+焊接工艺：通过冷反挤压成形两半杯状结构的轴体，然后通过焊接工艺将两半轴体连接在一起，形成空心结构。此方法相对提高了材料利用率，但焊接处的强度和整体性能较差，影响了产品的耐用性。
传统工艺的不足之处主要体现在以下几个方面：
⑴材料浪费：实心轴钻孔去除心部材料，导致大量原材料浪费，增加了生产成本。
⑵加工精度：深孔加工技术要求高，使用寿命短的钻具影响了生产效率和产品的内腔尺寸精度。
⑶工艺复杂性：焊接工艺虽然能改善材料利用率，但焊接部位的力学性能难以达到整体要求。
经济性与成本效益分析
空心轴径向锻造技术在材料利用率、生产效率和成品性能等方面相较于传统锻造方式展现出显著优势。首先，材料成本的节约最为显著。对于高强度钢、合金钢等高性能材料来说，径向锻造通过提高材料利用率，直接降低了原材料的投入，从而减少了整体的生产成本。其次，得益于生产流程的简化和加工时间的缩短，单位产品的生产成本也大幅下降。通过减少工序，企业能够在相同的时间内完成更多的产品生产，极大地提高了产能利用率，进一步降低了单位产品的制造成本。
此外，自动化和智能化技术的广泛应用进一步增强了径向锻造的经济效益。智能化控制系统的引入减少了对人工操作的依赖，降低了人力成本的同时，提高了生产过程的精准度。这些自动化技术确保了生产的稳定性和一致性，进而降低了因质量问题而导致的额外成本支出。
从长期来看，径向锻造工艺的成本优势不仅体现在短期的直接收益上，还体现在生产的持续稳定性以及生产效率的稳步提升方面。该技术的广泛应用，使得中空轴的制造具备了强大的市场竞争力，特别是在高强度、轻量化要求较高的行业中，如航空航天和汽车工业，径向锻造为企业带来了可观的经济效益。
总之，径向锻造工艺在材料利用率、生产效率和成本控制方面具有突出的优势，使其成为工业生产中中空轴制造的重要工艺。随着工艺技术的不断成熟和智能化水平的提升，径向锻造将继续为制造企业带来更高的经济效益，为企业创造更多价值。
未来发展趋势
工艺自动化和智能化发展
工艺自动化与智能化是径向锻造技术未来的重要发展方向之一。随着智能制造系统的广泛应用，自动化设备与智能控制系统将深度融合，实现全流程的自动控制与数据监控。通过引入传感器、工业机器人和实时数据分析，工艺参数如压力、温度、变形速度可在生产过程中自动优化，确保产品的一致性与精度。此外，人工智能技术的应用使生产线具备更强的自主决策能力。基于机器学习算法，系统能通过历史数据与实时反馈自主调节工艺参数，减少人为干预，降低操作失误与产品缺陷率，最终提高生产效率并减少材料浪费。
新材料在中空轴径向锻造中的应用
随着材料科学的不断进步，新型高性能材料在中空轴径向锻造中的应用前景愈加广阔。例如，超高强度钢、钛合金、复合材料等材料因其轻量、高强度及耐腐蚀性，正逐步应用于汽车、航空航天等对轻量化和高性能要求极高的行业。为适应这些新材料的特性，锻造工艺也在升级，如高强度材料需更高的锻造力与加热温度，复合材料则要求更加精准的工艺控制。通过先进的仿真技术与数字化设计，工艺设计者可预先模拟材料的加工过程，优化参数，降低试错成本，从而推动中空轴在更多高科技领域的应用，增强市场竞争力。
绿色制造与可持续性发展
绿色制造和可持续发展趋势正深刻影响径向锻造工艺的未来发展。首先，节能降耗是实现绿色制造的核心目标。通过提升材料利用率、减少能耗，径向锻造能够显著降低环境负荷。工艺优化与智能控制则有助于减少能源浪费与废料产生，使生产过程更为环保。其次，降低废品率与废料回收利用也是绿色制造的重要组成部分。自动化检测和智能反馈系统能够实时监控产品质量，快速纠正偏差，减少不合格品的产生。随着环保标准的提升，径向锻造工艺将进一步向低碳、节能方向发展，探索新的制造模式，以满足可持续发展的需求，助推其在未来工业体系中的重要地位。
总之，工艺自动化、智能化、新材料应用以及绿色制造技术的推动，将成为中空轴径向锻造未来发展的核心驱动力。随着这些技术的不断完善和集成，径向锻造工艺将在更多行业和更复杂的制造需求中发挥重要作用，并为我们制造业的可持续发展贡献力量。
