精锻成形技术与装备

第1章 绪论 1.1 精锻成形技术的内涵和基本类型 1.1.1 精锻成形技术的内涵 十多年来，随着机械零部件制造，尤其是汽车零部件技术的快速发展和竞争激化，高精度、高性能的产品以及高效节材节能的生产方式已成为 提升产品竞争力的关键途径。常规粗放型塑性成形技术已难以满足发展要求，因此生产尽量接近*终零件形状的锻件，甚至是成品零件，成为材料 成形与加工技术变革的必然趋势和发展方向[1]。 精锻成形技术通常是指锻件只需少量加工或不需加工即符合零件要求的一种少无切削加工技术[2]，精锻成形技术用于实现零件的净成形和近净 成形[3]。净成形时，锻件的关键工作部位可直接达到零件精度要求，无须后续机加工。近净成形时，因复杂零件的关键工作部位难以实现净成形， 需预留一定的机加工余量(可取普通锻造余量的1/2以内)，再通过后续机加工得到*终零件。近净成形主要用于精化锻坯，减少后续机加工量。 精锻成形技术是先进制造技术的重要组成部分，以生产尽量接近零件*终形状的产品甚至是成品零件为目标。精锻成形技术已成为提高产品性 能与质量、增强企业市场竞争力的关键技术和重要途径，在世界范围内得到迅速发展[4-7]。它不但可以节约材料、降低能耗和制造成本，而且可以 获得合理的微观组织与流线分布，提高零件的使用性能[8]。 精锻成形技术是在传统大余量锻造成形技术的基础上逐渐完善和发展起来的。自由锻是*早期的一种锻件成形方法，但是生产效率低、尺寸精 度差。随着锻件形状越来越复杂、批量越来越大，粗放型的自由锻已难以适应发展需求，胎模锻和模锻等技术应运而生。同时为了满足各种形状锻 件制造的需要，还出现了正/反/复合挤压、环轧、辊锻、楔横轧、摆动碾压等特种成形方法。近几十年来，为了改善锻件尺寸精度，出现了小(无) 飞边模锻、多向模锻、等温模锻、超塑性成形、粉末成形、旋压成形及冲锻成形等技术。为进一步提高锻件精度，又出现了闭塞锻造成形和基于分 流原理的精锻成形等新方法。目前，零件日益复杂化、精密化和高性能化，这给成形技术提出了更高的要求，因此精锻成形技术正向着部分乃至全 部取消切削加工环节而直接生产零件的净成形方向发展。 1.1.2 精锻成形技术的基本类型 精锻成形技术按照成形温度可以分为热精锻、冷精锻、温精锻，以及复合精锻等。 1. 热精锻 热精锻是将坯料加热到再结晶温度以上进行精密锻造的一种方法。由于材料在再结晶温度以上具有更好的塑性变形能力，所以热精锻几乎适用 于所有的金属材料，并能生产各种形状的零件。其缺点是加工过程中存在强烈的氧化行为和热膨胀现象，导致表面质量差、尺寸公差大、后续机加 工余量较大。经过多年的探索，目前锻造行业已经掌握了热精锻技术，实现了大批量生产，但还是有一些问题需要改进，包括进一步提高锻件精度 、延长模具寿命、控制氧化程度、实现在线检测和质量控制等。 2. 冷精锻 冷精锻是将经过退火及磷皂化处理的坯料在室温下直接精密锻造成形的一种方法。锻前不需要对毛坯加热，有效地解决了氧化问题。虽然在剧 烈变形过程中，变形热可使锻件温度升高100～200℃，但是这对表面质量和尺寸精度几乎没有影响。因此，冷精锻成形技术可以得到很高的表面质 量和尺寸精度，实现净成形。汽车等工业的迅猛发展对节能节材、降低成本、提高生产效率及产品精度提出了更高要求，促进了冷精锻成形技术的 快速发展。但冷精锻过程所需成形力大、模具承载要求高、所需设备吨位大。如何保证得到满足尺寸精度要求的锻件，并延长模具寿命、降低设备 使用成本，一直是冷精锻成形技术的研究重点。 3. 温精锻 温精锻是将坯料加热到室温与再结晶温度之间特定范围内进行精密锻造的一种方法。以黑色金属为例，其成形温度一般为650～850℃。在此温 度范围内，材料屈服应力下降为室温的2/3，可显著减小精锻模具所受的应力，同时有效提高材料塑性变形能力，减少加工工序。温精锻既能获得与 热精锻相似的材料成形性能，又因无明显的氧化行为而获得接近冷精锻的高质量加工表面。因此，温精锻成形技术发展迅速，特别是在含碳量和含 合金量较高、轮廓尺寸较大且形状复杂零件的精密成形中，具有明显优势。但是由于温精锻过程中的影响因素较多，工艺窗口较窄，目前其工艺设 计和模具开发的费用高于热精锻和冷精锻。 4. 复合精锻 虽然热精锻和温精锻成形工艺有许多优点，但加热引起的金属体积膨胀和表面氧化会降低锻件尺寸精度；而冷精锻成形工艺虽然尺寸精度高和 表面质量好，但所需成形载荷大、设备吨位大。若将热精锻与冷精锻、温精锻与冷精锻相结合，则可发挥各自优势。在获得高尺寸精度与良好表面 质量的同时，可以减少工序数量、降低对设备吨位的要求。因此，复合精锻成形技术得到了快速发展和广泛应用。例如，轿车的发动机传动轴、变 速箱弧齿锥齿轮、差速器齿轮、离合器齿轮、结合齿轮等二十余种零件已通过采用热/冷或温/冷复合精锻成形技术实现了大批量生产[9-12]。其中 相对尺寸变化大的复杂杯杆类零件，如轿车等速万向节钟形罩，一般采用温/冷复合精锻成形技术，即先采用多工位温精锻来实现基本的成形工序( 包括镦粗头部、正挤杆部、反挤杯体等)，然后经过退火和磷化处理，再进行冷精锻成形(包括冷精整和冷缩径等工序)[13]。 热精锻、冷精锻和温精锻三种精锻成形工艺所能达到的技术指标和适用范围如表1-1所示。 表1-1 三种精锻成形工艺所能达到的技术指标和适用范围比较 1.2.1 精锻成形技术的特点 精锻成形技术生产效率高、能耗低、制造成本低、产品市场竞争力强，其主要特点如下[14-16]。 (1) 精锻零件整体或部分无须后续切削加工，大大提高了原材料利用率。 (2) 精锻零件的尺寸精度高、表面质量好、加工余量小，为后续高精、高效机械加工提供了理想前提。 (3) 精锻零件内部流线随形连续、晶粒细化效果好、微观组织致密，相对于传统机械加工的产品，其力学性能大为提高。 (4) 与传统锻造成形技术相比，精锻成形技术提高了材料利用率、降低了能源消耗、减少了环境污染、改善了生产条件，符合绿色制造的发展 趋势。 1.2.2 精锻成形技术的应用 精锻成形技术广泛应用在各行业零部件制造中，特别是在汽车、航空航天、电子、机械、铁路机车等行业的零部件制造中起到至关重要的作用 。例如，已应用于汽车发动机曲轴、连杆及进排气门、汽车底盘上的前轴、左/右转向节、传动轴系上的滑动叉、万向节叉、十字轴、中间花键轴等 ，高铁及动车上的钩尾框、牵引杆、车轴、车轮及轴承环等，舰船大功率发动机全纤维锻造曲轴，飞机的起落架、大梁、隔框、上缘条、下缘条等 大型构件，航天飞行器上的旋转台支架、承重旋转接头等。此外，还应用于武器装备、农机、矿山机械、工程机械和各种机器上承受拉、压、弯、 扭及冲击载荷的关键零件等[17-30]。 以齿轮件精锻成形为例，华中科技大学与武汉新威奇科技有限公司合作，在国内某厂建成了重型汽车直锥齿轮全自动化温精锻生产线，如图1-1 所示。温精锻工艺流程为：高速带锯机下料→中频加热(≤850℃)→**台电动螺旋压力机上温精锻→第二台电动螺旋压力机上低温(≤600℃)精整 →切边。锻前模具预热到250℃以上，压力机每锻1次，自动润滑冷却装置以喷雾的方式对上、下模自动进行润滑和冷却，确保模具温度不超过400℃ ，润滑效果好，使模具寿命延长1倍以上。所生产的直锥齿轮锻件质量为3kg，坯料仅为3.1kg，材料利用率高达97%。 图1-1 全自动化温精锻生产线与直锥齿轮锻件 1.3 精锻成形技术的需求与发展 1.3.1 精锻成形技术市场需求分析 近20年来，我国一直是世界锻件生产**大国。据统计，2018年我国锻件产量为1054万吨，约占世界锻件总产量的45%。若所生产的全部锻件根 据锻件结构特点和锻件材料的特性，研发出相应的精锻近净成形技术并推广应用，按照至少提高材料利用率15%计算，则可节约优质钢材150万吨以 上；按感应加热1kg钢材至1200℃需0.15kW h电能计算(不计热效率损失)，则可节省加热电能2.25亿kW h。不难看出，采用精锻成形技术不仅节 材、节能效益显著，还可以减少机械加工工作量和机械加工机床数量，而且环境保护等附加效益也极为显著。 1.3.2 精锻成形技术需求与发展 精锻成形技术的发展趋势可以归纳为以下几个方向[31-34]。 (1) 由近净成形向净成形方向发展。目前，精锻成形技术已经实现了接近零件形状的近净成形，正在向直接制造*终零件形状和尺寸的净成形 方向发展。今后，大部分中小零件的切削加工将会被精锻净成形技术所取代。 (2) 加工过程控制和产品质量控制向智能化方向发展。随着市场竞争的加剧和用户需求的多元化，大批量的生产方式转向多品种变批量生产。 为快速响应市场需求，需要在精锻过程中结合大数据、人工智能、机器人和在线检测等技术，实现生产系统的智能化和敏捷化。 (3) 成形工艺向新型工艺和复合工艺方向发展。随着各学科的交叉和相应前沿技术的发展，新型工艺和复合工艺会不断出现。将多种不同的加 工技术集成在一台设备、一条生产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。例如，3D打印与锻造相结合制造具备局部精细特征的大型锻件、铸 造与锻造相结合实现轻合金构件的短流程高效制造、冲压与锻造复合成形具有大厚度差特征的板料类整体零件等。 (4) 工艺由“技艺”向“工程科学”方向发展。工艺设计和成形分析由基于经验判断的定性分析走向基于科学规律的定量分析，是精锻成形技 术的一个重要发展趋势。应用数值模拟、专家系统、物理实验和工艺实验相结合来研究加工过程的机理和规律，预测加工过程中可能产生的缺陷及 应采取的预防措施，优化工艺方案和成形参数，控制和保证加工工件的质量，实现高质高效的生产。 (5) 精锻成形向绿色制造方向发展。在工业经济快速发展的今天，环境问题已越来越受到人们的广泛关注。如何正确处理好经济发展和环境保 护之间的关系，实现“双赢”，已成为全社会共同面临的重要问题。我国也出台了*新的工业生产环境保护及污染控制治理国家标准、行业标准和 强制性条文。而绿色生产技术是协调工业发展和环境保护之间矛盾的一种新型生产方式，是21世纪制造业发展的要求和特征。随着净成形技术的发 展和新型工艺的出现以及环境保护意识的加强，绿色型的精锻成形技术将在21世纪得到大力发展。 参考文献 [1] 孙友松， 刘天湖， 肖小亭. 面向新世纪的塑性加工技术——第六届塑性技术国际会议综述[J]. 锻压技术， 2000， (2): 59-60. [2] 塑性成形技术路线图编委会. 塑性成形技术路线图[M]. 北京: 中国科学技术出版社， 2016. [3] 胡亚民， 付传锋， 赵军华. 精锻成形技术60年的发展与进步[J]. 金属加工， 2010， (15): 1-5. [4] Cominotti R， Gentili E. Near net shape technology: An innovative opportunity for the automotive industry [J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2008， 24(6): 722-727. [5] Kopp R. Some current development trends in metal-forming technology [J]. Journal of Materials Processing Technology， 1996， 60: 1-9. [6]