洪久精密鍛造

        精密鍛造成形技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了冷精鍛、熱精鍛、溫精鍛及復(fù)合精鍛工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向；分析了精密鍛造設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀；總結(jié)了精密鍛造模具的特點(diǎn)，介紹了模具彈性補(bǔ)償、高速切削、模具補(bǔ)焊等先進(jìn)的模具設(shè)計(jì)、制造技術(shù)；從數(shù)值模擬和反向模擬兩個(gè)方面綜述了成形過程，模擬技術(shù)在精密鍛造工藝中的應(yīng)用情況及存在的問題；介紹了精密鍛造工藝優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀。最后對精密鍛造成形技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

        精密鍛造成形技術(shù)(凈成形)是指零件鍛造成形后，只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成形技術(shù)。精密鍛造成形技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，也是汽車、礦山、能源、建筑、航空、航天、兵器等行業(yè)中應(yīng)用廣泛的零件制造工藝。精密鍛造成形技術(shù)不僅節(jié)約材料、能源，減少加工工序和設(shè)備，而且顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，從而提高產(chǎn)品的市場競爭能力。

        經(jīng)過30多年的發(fā)展，精密鍛造成形技術(shù)得到了飛速發(fā)展，取得了眾多的研究成果。文中從工藝方法、設(shè)備、模具、成形過程模擬和工藝優(yōu)化等5個(gè)方面，總結(jié)近年來精密鍛造成形技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，并對精密鍛造成形技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1、精密鍛造工藝方法

目前已應(yīng)用于生產(chǎn)的精密鍛造工藝很多。按成形溫度不同可以分為熱精鍛、冷精鍛、溫精鍛、復(fù)合精鍛、等溫精鍛等。

1.1熱精鍛工藝

        鍛造溫度在再結(jié)晶溫度之上的精密鍛造工藝稱為熱精鍛。熱精鍛材料變形抗力低、塑性好，容易成形比較復(fù)雜的工件，但是因強(qiáng)烈氧化作用，工件表面質(zhì)量和尺寸精度較低。熱精鍛常用的工藝方法為閉式模鍛，由于下料不準(zhǔn)，模具設(shè)計(jì)、制造精度不夠等原因，閉式模鍛最后合模階段變形抗力很大，對設(shè)備和模具造成較大的損害。解決該問題常用的方法是分流降壓原理，即在封閉型腔最后充滿的地方設(shè)置形狀與尺寸大小合理的分流降壓腔孔。當(dāng)型腔完全充滿后坯料的多余金屬從分流腔孔擠出，這樣既解決了坯料體積與型腔體積不能嚴(yán)格相等的矛盾，同時(shí)又降低了型腔的內(nèi)部壓力，有利于提高模具壽命。

        早在20世紀(jì)50年代，由于缺乏足夠的齒輪加工機(jī)床，德國人開始用閉式熱模鍛的方法試制直齒錐齒輪。熱精鍛齒輪技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用在我國起步于20世紀(jì)70年代初期，成熟于20世紀(jì)80年代中后期。1970年上海機(jī)械化工藝研究所和上海汽車齒輪廠合作，對美國大道奇T234汽車差速器行星齒輪進(jìn)行熱精鍛工藝成形試驗(yàn)，并于1973年投資建立精鍛車間，進(jìn)行批量生產(chǎn)[；20世紀(jì)80年代，山東大學(xué)開展了傘齒輪精密鍛造工藝研發(fā)，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。由于經(jīng)濟(jì)效益顯著，近年來熱精鍛工藝獲得了廣泛的應(yīng)用。

1.2冷精鍛工藝

        冷精鍛是在室溫下進(jìn)行的精密鍛造工藝。冷精鍛工藝具有如下特點(diǎn)：工件形狀和尺寸較易控制，避免高溫帶來的誤差；工件強(qiáng)度和精度高，表面質(zhì)量好。冷鍛成形過程中，工件塑性差、變形抗力大，對模具和設(shè)備要求高，而且很難成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。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(dòng)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(gè)或2個(gè)沖頭，單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形。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(shí)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(如圖1所示)。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。

        浮動(dòng)凹模鍛造技術(shù)中的凹模不是固定的，會(huì)隨著鍛造過程進(jìn)行發(fā)生浮動(dòng)。這種設(shè)計(jì)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。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(dòng)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)制分流孔一分流鍛造的工藝方法。該工藝方法預(yù)鍛時(shí)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(shí)，中心分流區(qū)起到分流材料的作用，改善了材料的流動(dòng)狀態(tài)，從而降低成形載荷，改善坯料充填性。近年來，冷鍛工藝在國內(nèi)獲得一定的發(fā)展，江蘇太平洋精密鍛造公司引進(jìn)日本小松公司的冷鍛機(jī)和先進(jìn)的模具加工設(shè)備，是中國目前冷鍛設(shè)備條件最好的企業(yè)。江蘇大豐森威集團(tuán)汽車精鍛件廠是目前中國最大的專業(yè)化冷鍛廠，年產(chǎn)汽車、摩托車各類精密冷、溫鍛件總產(chǎn)量達(dá)4000t。一些典型的高難度冷鍛件如轎車等速萬向節(jié)外套、星形套、變速箱傳動(dòng)軸等，在該廠均已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

1.3溫精鍛工藝

        溫精鍛是在再結(jié)晶溫度之下某個(gè)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(shí)具有冷鍛和熱鍛的優(yōu)點(diǎn)，克服了二者的缺點(diǎn)。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。

1.4復(fù)合精鍛工藝

        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(gè)工件的鍛造，能發(fā)揮冷、溫、熱鍛的優(yōu)點(diǎn)，摒棄冷、溫、熱鍛的缺點(diǎn)。表1為采用3種不同的工藝方法生產(chǎn)的直齒錐齒輪的技術(shù)性能比較，從表中可以可以看出，復(fù)合精鍛工藝生產(chǎn)的工件其機(jī)械性能、尺寸精度、表面粗糙度與其它2個(gè)工藝相比，都有所提高[]。因此，復(fù)合精鍛工藝是目前精鍛工藝發(fā)展的一個(gè)重要方向。

        在國外，溫鍛十冷精整成形工藝以德國蒂森克虜伯公司為代表，他們的復(fù)合成形工藝代表了世界的領(lǐng)先技術(shù)。在國內(nèi)，蔣鵬f5l和張崢嶸[6]等分別對熱、冷和溫、冷復(fù)合成形進(jìn)行了研究。上海鐵福傳動(dòng)軸公司用溫鍛/冷整形工藝大批量生產(chǎn)轎車等速萬向節(jié)外星輪，江蘇太平洋精鍛公司采用熱(或溫)鍛/冷整形大批量生產(chǎn)齒輪等精鍛件。

1.5等溫精鍛工藝

        等溫精鍛是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。等溫模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，近年來也用于汽車和機(jī)械工業(yè)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。等溫鍛造的零件一般具有薄的腹板、高筋和薄壁，此類零件坯料熱量很快被模具吸收，溫度迅速下降，采用普通鍛造方法，不僅需大幅度提高設(shè)備的噸位，而且也易造成模具的開裂。

1.6精密鍛造工藝的發(fā)展趨勢

        隨著制造業(yè)的發(fā)展，對精鍛成形零件的要求越來越高，也對精密鍛造工藝的研究和發(fā)展提出了更高的要求，目前精密鍛造工藝研究的主要方向有以下幾方面。

1)持續(xù)不斷的工藝革新。為了滿足成形零件的要求，降低生產(chǎn)成本，需要不斷的開發(fā)成形精度高、模具壽命長、生產(chǎn)效率高的精密鍛造成形新工藝。

2)復(fù)合工藝的開發(fā)。隨著成形零件工藝要求的不斷提高，單一的精密鍛造很難滿足要求，這就需要開發(fā)復(fù)合成形工藝，將不同溫度或不同工藝方法的鍛造工藝結(jié)合起來，取長補(bǔ)短共同完成一個(gè)零件的加工制造。也可以將精密鍛造工藝與其它精密成形工藝如精密鑄造、精密焊接等工藝進(jìn)行組合，提高精密成形工藝的應(yīng)用范圍和加工能力。

3)基于知識的工藝設(shè)計(jì)。隨著精密鍛造工藝的不斷發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，為了提高工藝設(shè)計(jì)的可靠性和高效性，開發(fā)基于知識的專家系統(tǒng)是未來精密鍛造工藝設(shè)計(jì)的重要研究方向。