先進(jìn)精密鍛造技術(shù)的類型與應(yīng)用

文/蔣鵬,張淑杰·北京機(jī)電研究所

先進(jìn)精密鍛造技術(shù)的類型與應(yīng)用

文/蔣鵬,張淑杰·北京機(jī)電研究所

精密鍛造技術(shù)是一種零件鍛造成形后只需少量加工或不再加工即符合零件要求的少或無切削加工成形技術(shù)，一般可以將精密鍛造技術(shù)分成熱精鍛技術(shù)、溫精鍛技術(shù)、冷精鍛技術(shù)和復(fù)合精鍛技術(shù)等四類。

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，全世界鋼質(zhì)模鍛件總產(chǎn)量為1350萬噸，其中汽車鍛件占60%，約為800萬噸。最近幾年，我國模鍛件年產(chǎn)量已經(jīng)超過600萬噸，圖1所示為2008～2013年中國模鍛件年產(chǎn)量變化趨勢圖，從產(chǎn)量上來說已經(jīng)居世界前列。根據(jù)比例測算，我國汽車模鍛件超過300萬噸，汽車鍛件都是精密級的優(yōu)質(zhì)鍛件，是采用精密鍛造技術(shù)裝備生產(chǎn)出來的。

以前精密鍛造原材料主要是各種成分的碳素鋼和合金鋼，即傳統(tǒng)的黑色金屬材料.近年來，隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及節(jié)約能源的需求，鋁、鎂、銅、鈦等有色金屬材料及其合金的使用量在迅速增加。

圖1 2008～2013年中國模鍛件年產(chǎn)量變化趨勢（單位：萬噸）

熱精鍛技術(shù)

熱精鍛技術(shù)利用材料在熱態(tài)下塑性較好的特性，將被加工材料加熱到金屬的再結(jié)晶溫度以上，使用可以提供足夠成形壓力和合理變形速度的鍛壓機(jī)械，使變形材料在合理的潤滑條件下在成形模具中通過一次或多次變形，從而得到精度較高的成形工件。

熱精鍛工藝加熱溫度高，變形抗力小，材料塑性和流動性好，成形較為容易，所需設(shè)備噸位小，容易成形比較復(fù)雜的工件，但也正由于加熱溫度高，容易產(chǎn)生氧化、脫碳及熱膨脹等問題，降低了產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量。因此，一般熱精鍛鍛件都要留有一定的切削加工余量作為最終產(chǎn)品，即熱精鍛主要用于精化毛坯的生產(chǎn)。

閉式模鍛是熱精鍛常用的工藝方法之一，由于下料不準(zhǔn)，模具設(shè)計、制造精度不夠等原因，閉式模鍛最后階段變形抗力很大，對設(shè)備和模具造成較大的損害。利用分流降壓原理可以解決該問題。

等溫精鍛工藝可以歸入熱精鍛技術(shù)大類，一般指坯料在趨于恒定的溫度下模鍛成形。為了保證恒溫成形的條件，模具也必須加熱到與坯料相同的溫度。等溫精鍛常用于航空航天工業(yè)中的鈦合金、鋁合金、鎂合金等難變形材料的精密成形。近年來也用于汽車等行業(yè)中有色金屬的精密成形。等溫鍛造主要應(yīng)用于鍛造溫度較窄的金屬材料，尤其是對變形溫度非常敏感的鈦合金。

溫精鍛技術(shù)

溫精鍛技術(shù)是在金屬再結(jié)晶溫度之下某個適合的溫度下進(jìn)行的精密鍛造工藝。溫鍛精密成形技術(shù)既突破了冷鍛成形中變形抗力大、零件形狀不能太復(fù)雜、需增加中間熱處理和表面處理工步的局限性，又克服了熱鍛中因強(qiáng)烈氧化作用而降低表面質(zhì)量和尺寸精度的問題。它同時具有冷鍛和熱鍛的優(yōu)點，克服了二者的缺點。但是溫精鍛工藝鍛造溫度低、鍛造溫度范圍狹窄，且對其鍛造范圍要求較為嚴(yán)格，需要高精度專門的設(shè)備，而且對模具結(jié)構(gòu)和模具材料有較高的要求。

鋼的溫鍛成形溫度通常認(rèn)為在完全再結(jié)晶溫度以下(200～850℃之間)。金屬材料不同，其溫鍛成形溫度、變形速度、變形程度等也不盡相同。對于各種結(jié)構(gòu)鋼，其溫鍛溫度范圍一般為600～800℃。

冷精鍛技術(shù)

冷精鍛又稱冷鍛，是指在室溫條件下，利用安裝在設(shè)備上的模具將金屬坯料成形為具有一定形狀與使用性能的零件的塑性加工方法。冷鍛是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的精密塑性成形工藝，具有如制件尺寸精度高、機(jī)械性能好、材料利用率高、便于大批量自動化生產(chǎn)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸工具、航空航天和機(jī)床等行業(yè)。當(dāng)前汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛技術(shù)的發(fā)展提供了原動力，據(jù)不完全統(tǒng)計，每輛轎車中的冷、溫精密鍛件重量達(dá)45～50kg。為克服冷精鍛成形工藝變形抗力大、填充效果差的問題，相繼開發(fā)了一些新的工藝方法，主要包括閉塞鍛造、浮動凹模鍛造、預(yù)制分流鍛造等。

閉塞鍛造是在封閉凹模內(nèi)通過1個或2個沖頭，單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形。圖2所示為錐齒輪閉塞冷精鍛原理圖,閉塞鍛造加工，技術(shù)中所使用的上、下模具都是組合件，分別由上凹模、上沖頭、下凹模、下沖頭組成。在鍛造成形過程中，先將上、下凹模閉合，形成封閉模腔，同時對其施加足夠的壓力，然后用上、下沖頭對模膛內(nèi)的坯料進(jìn)行擠壓成形。在鍛造過程中坯料處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，塑性好，可以一次成形復(fù)雜形狀的零件，生產(chǎn)效率高，而且金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布，鍛件的力學(xué)性能好。圖3所示為直錐齒輪冷精鍛坯料與零件。

浮動凹模鍛造技術(shù)中的凹模不是固定的，會隨著鍛造過程進(jìn)行發(fā)生浮動。這種設(shè)計降低了凹模與金屬變形體間的相對速度，減小了接觸面上摩擦力的影響，鍛件充填性能獲得較大提高，變形抗力大大下降。

圖2 錐齒輪閉塞冷精鍛原理

圖3 直錐齒輪冷精鍛坯料與零件

分流鍛造法通過在鍛件某一位置設(shè)置溢流口，使材料在充填型腔的過程中始終有自由流動的余地，從而提高型腔填充性，降低變形阻力和加工載荷。為了改善直齒圓柱齒輪精密鍛造的充型情況,張清萍等提出了預(yù)制分流孔和分流鍛造的工藝方法。該工藝方法預(yù)鍛時上模與下模帶有凸臺，在坯料兩端中心部分鍛造出分流區(qū)。在終鍛時，中心分流區(qū)起到分流材料的作用，改善了材料的流動狀態(tài)，從而降低成形載荷，改善坯料充填性。圖4所示為中空分流精鍛成形原理圖。

我國冷鍛技術(shù)經(jīng)過近40年的發(fā)展整體上取得了較大的進(jìn)步，在部分工藝、技術(shù)和裝備上已經(jīng)接近工業(yè)發(fā)達(dá)國家的水平。多工位冷擠壓成形也已經(jīng)用于軸類精密鍛件的生產(chǎn)。圖5所示為軸類零件多工位冷擠壓成形過程。

復(fù)合精鍛技術(shù)

隨著精鍛工件的日趨復(fù)雜以及精度要求提高，單純的冷、溫、熱鍛工藝已不能滿足要求。復(fù)合精鍛工藝將冷、溫、熱鍛工藝進(jìn)行組合共同完成一個工件的鍛造，可以發(fā)揮冷、溫、熱鍛的優(yōu)點，避免冷、溫、熱鍛的缺點。復(fù)合精鍛工藝是目前精鍛工藝發(fā)展的一個重要方向。

表1是鋼的熱鍛、溫鍛和冷鍛等幾種鍛造工藝的比較，其中溫鍛是介于熱鍛與冷鍛之間的一種鍛造工藝，但因為沒有特別合適的模具材料和潤滑劑，若該工藝使用不當(dāng)有時會出現(xiàn)集熱鍛冷鍛兩者之短的情況，導(dǎo)致模具壽命降低，制品質(zhì)量也不高。在這種情況下，用復(fù)合精鍛成形技術(shù)可以得到較好的效果。

圖4 中空分流精鍛成形原理圖

圖5 軸類零件多工位冷擠壓成形過程

表1 鋼的熱鍛、溫鍛和冷鍛等幾種鍛造工藝的比較

表2 復(fù)合精密成形技術(shù)的特點

復(fù)合精鍛技術(shù)為熱鍛和冷鍛兩種工藝的復(fù)合，分熱鍛和冷鍛兩個主要工步，并以熱鍛件為冷鍛工步的毛坯。其一般工藝流程如下：下料→加熱→熱鍛→切飛邊、沖連皮→退火→清理→磷化皂化處理→冷鍛→熱鍛冷鍛件。在前述幾種加工工藝中，熱鍛所能加工的零件形狀的范圍最廣，而冷鍛加工的精度最高，復(fù)合精密成形技術(shù)集中兩者的優(yōu)點，其技術(shù)特點如表2。

復(fù)合精密成形技術(shù)在以下零件的成形中有優(yōu)勢：(1)零件的體積重量較大，冷鍛需要大噸位設(shè)備，而熱鍛又不能達(dá)到其精度要求的，如大型傘齒輪的精密成形；(2)形狀復(fù)雜且精度要求高的零件，只用冷鍛難以成形的，如小汽車自動變速箱中的一些帶齒形件；(3)采用冷鍛技術(shù)對熱鍛件進(jìn)行二次成形加工后，可以省去某些加工難度較大的機(jī)械加工工序，有利于總加工成本降低的。

自動變速器結(jié)合齒輪原來采用鍛造并機(jī)加工后兩件焊接為一體的分體制造，材料利用率不超過40%，產(chǎn)品性能差，廢次品率高且周期長。采用下料→加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→正火或退火→清理→磷化→冷精整這種熱精鍛+冷精整復(fù)合成形工藝，實現(xiàn)了整體精鍛成形，材料利用率提高到90%以上，節(jié)省加熱能耗50%，齒形精度達(dá)GB10095-2008中的7～8級，提高生產(chǎn)效率5～6倍。圖6所示為結(jié)合齒精鍛成形件。

圖6 結(jié)合齒精鍛成形件

精鍛技術(shù)發(fā)展動向

(1)鍛造技術(shù)的內(nèi)涵從成形改性發(fā)展到控形控性，凸顯了對尺寸精度和組織性能的主動控制。

(2)智能制造是中國制造業(yè)的未來發(fā)展方向，需要適應(yīng)鍛造自動化和智能化的鍛造技術(shù)與之相適應(yīng)。

(3)隨著汽車輕量化要求的提高，鋁合金鍛造技術(shù)推廣應(yīng)用迅速普及。

(4)結(jié)合兩種以上成形手段的復(fù)合加工技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，可以結(jié)合兩種工藝的優(yōu)點，如熱鍛（溫鍛）冷鍛復(fù)合工藝，板料沖壓冷鍛工藝，粉末鍛造工藝，鑄鍛復(fù)合工藝等。

（本文中部分內(nèi)容發(fā)表在《塑性工程路線圖》一書中，華中科技大學(xué)王新云教授、上海交通大學(xué)趙震教授為共同撰稿人，文中不少資料由華中科技大學(xué)夏巨諶教授提供，在此一并致謝！）