精密鍛造裝備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

文/趙婷婷·山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院

崔來勝·淄博奧瑞科機電科技有限公司

畢義儉，岳昆鵬·山東科匯電力自動化有限公司開關(guān)磁阻電機事業(yè)部

張元良，朱元勝·青島青鍛鍛壓機械有限公司

精密鍛造裝備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢

文/趙婷婷·山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院

崔來勝·淄博奧瑞科機電科技有限公司

畢義儉，岳昆鵬·山東科匯電力自動化有限公司開關(guān)磁阻電機事業(yè)部

張元良，朱元勝·青島青鍛鍛壓機械有限公司

精密鍛造技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分，是支撐國家汽車工業(yè)、高速列車、飛機制造、船舶制造、航空航天以及能源工業(yè)、兵器工業(yè)等眾多行業(yè)的重要制造技術(shù)。精密鍛造技術(shù)是凈成形或近凈成形的標(biāo)志性技術(shù)，是鍛造行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)，所成形的精鍛件具有與最終零件相一致的形狀尺寸、高精度、低表面粗糙度值。精鍛件只要少量切削加工或無切削加工，就可直接用作最終零件，不僅減少了傳統(tǒng)制件的切削量，減少了材料和能源消耗與加工工序，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提高了企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，而且還使得金屬流線沿零件輪廓合理分布，獲得更好的材料組織結(jié)構(gòu)與性能，在更輕的制件質(zhì)量的基礎(chǔ)上，具有更高的產(chǎn)品安全性、可靠性和使用壽命。

我國的精鍛技術(shù)已走過了五六十年的發(fā)展歷程，生產(chǎn)的產(chǎn)品從冷壓螺栓到冷擠花鍵，從精鍛錐齒輪到精鍛葉片，從精鍛汽車車橋、精鍛列車鉤尾框到精鍛飛機整體隔框；生產(chǎn)用的材料從碳鋼、鋁合金、鈦合金、合金鋼和高強度鋼到硬質(zhì)合金；工藝則從熱精鍛、等溫精鍛、溫精鍛到冷精鍛。隨著社會經(jīng)濟與工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，精鍛產(chǎn)品種類越來越多，用途越來越廣，所生產(chǎn)的精鍛件達到了7級精度與表面粗糙度R a為1.6μm的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。但是，在2010年我國生產(chǎn)的1028萬噸鍛件中，精鍛件還不足5％。在低碳經(jīng)濟、綠色工業(yè)的推動下，更多的鍛造企業(yè)擁有精密鍛造的技術(shù)，更多的金屬零件通過精密鍛造生產(chǎn)是鍛造行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵技術(shù)

鍛造是利用設(shè)備和模具對金屬鍛坯施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鍛造分自由鍛、模鍛和特種鍛造。鐓鍛、輥鍛、軋鍛、擠壓、旋壓、輾壓等坯料體的塑性成形工藝可歸類于特種鍛造。精密鍛造是獲得與最終零件接近一致鍛件的鍛造方法的統(tǒng)稱。

影響精密鍛造的因素有以下三種：

⑴與鍛坯有關(guān)的因素。如鍛坯形狀尺寸精度、鍛造溫度、可鍛性、加熱和氧化情況等。

⑵與模具有關(guān)的因素。如型腔模材料、溫度、型腔形狀尺寸（拔模斜度、圓角半徑等）、工件變形的程度、型腔清理、摩擦力與摩擦速度、潤滑條件等。

⑶與設(shè)備有關(guān)的因素。如設(shè)備噸位、能量、行程次數(shù)、調(diào)模試模性能、悶?zāi)r間、頂出裝置和送料裝置等，最新的關(guān)鍵指標(biāo)還包括速度、壓力的數(shù)控性能等。

圖1 影響精密鍛造的因素

因此，鍛造技術(shù)的三要素可概括為：鍛坯、模具和設(shè)備。

在鍛件的生產(chǎn)過程中，有效保持鍛坯、模具和設(shè)備這三要素的各參數(shù)高精度地重復(fù)，不發(fā)生變化，參數(shù)穩(wěn)定一致，從而使所生產(chǎn)的鍛件形狀尺寸穩(wěn)定一致，則能夠得到公差小的高精度鍛件。由此可知，鍛造三要素重復(fù)精度是精密鍛造工藝的生產(chǎn)條件，是精密鍛造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

鍛件的形狀尺寸越接近最終零件，切削加工余量越少，就越接近凈成形。例如，最終零件的外形沒有拔模斜度，則鍛件的拔模斜度越小越接近精密鍛造。由此，鍛件形狀尺寸與最終零件接近一致是精密鍛造工藝的設(shè)計條件，是精密鍛造關(guān)鍵技術(shù)的另一目標(biāo)要求。

綜上所述，精密鍛造的關(guān)鍵技術(shù)是其工藝設(shè)計技術(shù)和其工藝生產(chǎn)技術(shù)，目標(biāo)是使鍛件形狀尺寸與最終零件接近一致，并使鍛坯、模具和設(shè)備所提供的成形工藝參數(shù)保持高的重復(fù)精度。

圖2 精密鍛造的關(guān)鍵技術(shù)

精鍛設(shè)備現(xiàn)狀與存在的問題

我國的精鍛技術(shù)在國家經(jīng)濟需求的推動下，發(fā)展速度較快。隨著制造業(yè)的不斷提升，精密下料、少無氧化加熱等技術(shù)的進步，鍛坯技術(shù)已趨于成熟。在多工序、多工位的工藝支撐下，各工位的工件變形程度減小，鍛件形狀尺寸的合格率得到了有效保證，加之計算機三維軟件輔助的CAD智能設(shè)計、CAE智能分析、CAM智能制造技術(shù)的應(yīng)用，使模具技術(shù)也逐步趨于成熟。而長期以來，精密鍛造所用設(shè)備幾乎沒有得到實質(zhì)性的改進。落后的設(shè)備技術(shù)成為精鍛技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸，現(xiàn)對設(shè)備技術(shù)的現(xiàn)狀與存在的問題作如下分析。

錘上模鍛

長期以來，錘上模鍛是我國模鍛生產(chǎn)的主要方法。錘上模鍛長期沿用傳統(tǒng)的氣動鍛錘，近期的新進展是液壓鍛錘的應(yīng)用。液壓鍛錘的打擊能量可數(shù)控，鍛造精度高于氣動鍛錘。但是，無論是氣動鍛錘還是液壓鍛錘，都存在如下問題：一是沒有封閉的錘身，其砧座下模與錘身和上模分離，上模、下模分別受地面振動影響，難以保持打擊力的重復(fù)精度和位置重復(fù)精度；二是錘擊速度過快，模具受沖擊力過大，模具磨損快；三是難以強力頂出。因此，使用錘類設(shè)備進行鍛造生產(chǎn)，拔模斜度大，鍛件公差大，難以生產(chǎn)出精密鍛件。

摩擦壓力機上模鍛

長期以來，摩擦壓力機上模鍛是我國半精鍛生產(chǎn)的主要方法。相比鍛錘，摩擦壓力機具有封閉機身、下模穩(wěn)定的優(yōu)勢，但存在的問題有：打擊能量不能數(shù)字化重復(fù)控制，打擊力誤差大，摩擦傳動能耗很大。所生產(chǎn)的鍛件，雖然比錘上模鍛的鍛件精度高，但難以滿足高精度鍛件的要求。如果解決了摩擦壓力機存在的問題，精密鍛造技術(shù)將得到進一步發(fā)展。

離合器式螺旋壓力機上模鍛

離合器式螺旋壓力機又稱高能螺旋壓力機，屬于壓力限定性設(shè)備，其壓力由離合器控制。在鍛件的生產(chǎn)過程中，若能夠保持壓力高精度的重復(fù)，則所生產(chǎn)的鍛件精度就高。但該類設(shè)備有兩套主運動系統(tǒng)，存在能耗大、悶?zāi)r間長、易出故障及難維護的問題。如果解決了離合器式螺旋壓力機存在的問題，精密鍛造技術(shù)也將得到更廣泛的發(fā)展。

電動螺旋壓力機上模鍛

電動螺旋壓力機適合精密鍛造，現(xiàn)有的德國技術(shù)機型由變頻電機驅(qū)動。雖然該機型的打擊能量可以設(shè)置，但存在電機發(fā)熱較大、能耗較大、啟動性能差的問題。解決了電動螺旋壓力機存在的以上問題，將使精密鍛造技術(shù)得到快速發(fā)展。

液壓機上模鍛

液壓機是壓力限定性設(shè)備，屬于靜壓力成形。液壓機適合慢速的精密鍛造工藝?，F(xiàn)有液壓機由閥控液壓系統(tǒng)驅(qū)動，存在閥易損、耗能大、發(fā)熱大的問題，部分帶有調(diào)壓調(diào)速設(shè)備的液壓系統(tǒng)需要水冷卻，如圖3所示。解決了液壓機存在的問題，將使液壓機上精密鍛造技術(shù)得到迅速發(fā)展。

曲柄壓力機上模鍛

曲柄壓力機又稱熱模鍛壓力機，是位置限定性設(shè)備，比較適合生產(chǎn)精密鍛件，但存在如下問題：一是閉式模鍛易悶車，開式模鍛飛邊大；二是巨大的飛輪慣性與機身受力的彈性變形，可導(dǎo)致調(diào)模困難和悶車故障；三是存在電機空轉(zhuǎn)耗能和摩擦離合器耗能的浪費現(xiàn)象。解決了曲柄壓力機存在的問題，將使曲柄壓力機上精密鍛造技術(shù)得到進一步的發(fā)展。

綜上所述，模鍛設(shè)備存在的問題是制約精密鍛造技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸。

圖3 液壓系統(tǒng)的控制閥與水冷系統(tǒng)

設(shè)備問題的解決和精鍛技術(shù)的實現(xiàn)

為了解決鍛造設(shè)備存在的問題，國外最新的技術(shù)是采用永磁交流伺服驅(qū)動，這種方式雖然實現(xiàn)了精確數(shù)控，但交流伺服存在啟動電流大、抗沖擊性能差和價格昂貴的缺陷。

進入21世紀(jì)，開關(guān)磁阻數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的成熟為解決鍛造設(shè)備存在的問題提供了有效的、可行的和實用的解決方法。開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)子既無繞組，也無導(dǎo)體、永磁體，抗沖擊性好，啟動性能好，高效節(jié)能（比變頻調(diào)速節(jié)能10％以上），自動數(shù)控，特別適合鍛造設(shè)備的性能需求。采用開關(guān)磁阻電機改造設(shè)備后，增加了設(shè)備的數(shù)控功能，取得了節(jié)能效果，完善了設(shè)備的性能，實現(xiàn)了精密鍛造技術(shù)的進一步發(fā)展。

在開關(guān)磁阻設(shè)備出現(xiàn)之前，有的企業(yè)投入巨資進口國外的交流伺服設(shè)備；在開關(guān)磁阻設(shè)備出現(xiàn)之后，眾多企業(yè)不再購買進口設(shè)備，而是改造現(xiàn)有設(shè)備或購置開關(guān)磁阻設(shè)備，進行精密鍛件的生產(chǎn)。

在政府部門節(jié)能政策的導(dǎo)向下，對傳統(tǒng)設(shè)備進行節(jié)能數(shù)控改造正在各地的鍛造行業(yè)實施。通過對設(shè)備的改造，既解決了設(shè)備存在的問題，又使生產(chǎn)技術(shù)得以提升，繼而可實現(xiàn)精密鍛件的生產(chǎn)，如圖4所示。通過對設(shè)備的改造，企業(yè)無需投資購置專用精鍛設(shè)備，節(jié)省了精鍛件生產(chǎn)的設(shè)備投資和使用費用，有效地促進了精鍛件生產(chǎn)的快速發(fā)展。

圖4 實施精鍛生產(chǎn)技術(shù)的途徑

圖5 節(jié)能數(shù)控螺旋壓力機

通過采用開關(guān)磁阻電機及其數(shù)控系統(tǒng)，對鍛造設(shè)備進行改造，從而獲得節(jié)能數(shù)控功能，是實現(xiàn)精密鍛造的最佳方案。改造后的鍛造設(shè)備具有了高效節(jié)能、數(shù)控性能好、啟動性能好、抗沖擊性能好、可靠性高的優(yōu)勢，有效地解決了模鍛設(shè)備所存在的問題，為精密鍛造技術(shù)提供了工藝參數(shù)重復(fù)性能高的精鍛工藝生產(chǎn)條件。具體技術(shù)有如下幾種。

節(jié)能數(shù)控螺旋壓力機上精鍛技術(shù)

圖6 開關(guān)磁阻電機直驅(qū)螺旋壓力機

將原摩擦壓力機的摩擦盤去掉，通過花鍵機構(gòu)或直齒輪螺旋運動機構(gòu)，實施摩擦壓力機的改造，如圖5所示。去掉原離合器式螺旋壓力機的離合器和回程液壓系統(tǒng)，采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動螺旋壓力機，如圖6所示。低速開關(guān)磁阻電機可以直接驅(qū)動螺桿，也可以采用電機轉(zhuǎn)速額定值750r/min，通過一級減速系統(tǒng)驅(qū)動螺桿。將鍛坯置于螺旋壓力機的模具上，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動螺旋副與滑塊運動，數(shù)控系統(tǒng)通過電機速度數(shù)控打擊能量，壓力由噸位儀數(shù)字化顯示，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動螺旋副帶動滑塊頻繁啟停換向運動，解決了摩擦壓力機所存在的問題。相比摩擦壓力機節(jié)能67.86％，還解決了離合器式螺旋壓力機所存在的問題，結(jié)構(gòu)簡單，免維護，也解決了變頻螺旋壓力機所存在的問題，節(jié)省了風(fēng)冷系統(tǒng)，實現(xiàn)了打擊速度、打擊能量、打擊力的數(shù)字化重復(fù)性控制，有效地提高了鍛件的重復(fù)精度，如圖7所示。

圖7 開關(guān)磁阻螺旋壓力機上生產(chǎn)的精鍛件

節(jié)能數(shù)控曲柄壓力機上精鍛技術(shù)

采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動曲柄壓力機，將鍛坯置于曲柄壓力機的模具上，離合器在零速時結(jié)合，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動曲柄與滑塊運動，小慣量飛輪實施全速降，數(shù)控系統(tǒng)通過電機速度數(shù)控打擊能量，壓力由噸位儀數(shù)字化顯示，滑塊停則電機停。此技術(shù)沒有了電機空轉(zhuǎn)能耗和離合器結(jié)合能耗，節(jié)能效果顯著。同時，調(diào)模時電機控制滑塊慢速下行，滑塊不過下止點可反轉(zhuǎn)上行，徹底解決了離合摩擦、調(diào)模試模困難和悶車故障的問題，實現(xiàn)了精密鍛造的無故障運行。

節(jié)能數(shù)控液壓機上精鍛技術(shù)

采用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動液壓泵，將鍛坯置于液壓機的模具上，滑塊的速度由開關(guān)磁阻電機數(shù)控液壓泵的轉(zhuǎn)速控制，滑塊的壓力由開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩數(shù)控液壓泵的壓力控制，實現(xiàn)了無閥數(shù)控液壓系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著，徹底解決了液壓系統(tǒng)的閥故障問題和油發(fā)熱問題，實現(xiàn)了精密鍛造速度和壓力的數(shù)字化重復(fù)性控制。

發(fā)展趨勢

在低碳經(jīng)濟和綠色工業(yè)的推動下，鍛造設(shè)備的節(jié)能數(shù)控技術(shù)將為精密鍛造帶來新一輪的技術(shù)進步，使精密鍛造技術(shù)在節(jié)能降耗、自動數(shù)控、降低成本、降低故障率、提高模具壽命方面取得突破。

精密鍛造技術(shù)的發(fā)展趨勢可從以下三個方面進行概括。

設(shè)備技術(shù)

⑴由于鍛錘設(shè)備的上、下模分別振動，難以生產(chǎn)高精度的精鍛件，且振動影響周圍環(huán)境。因此，隨著技術(shù)的進步，鍛錘將被逐步淘汰。

⑵現(xiàn)有的摩擦壓力機、液壓式螺旋壓力機、離合器式螺旋壓力機、曲柄（熱模鍛）壓力機、液壓機將在政府節(jié)能政策的導(dǎo)向下，實施節(jié)能數(shù)控改造。

⑶開關(guān)磁阻電機驅(qū)動的無閥液壓機、曲柄壓力機和螺旋壓力機作為新一代先進壓力成形技術(shù)，將逐漸改造并替代現(xiàn)有的設(shè)備，實現(xiàn)高效節(jié)能和自動數(shù)控，實現(xiàn)成形工藝參數(shù)的高精度重復(fù)，提高鍛件精度。

⑷多工位的精鍛工藝將由多臺設(shè)備連線與同步數(shù)控完成，將從根源上消除多工位偏載所造成的精度誤差、導(dǎo)軌導(dǎo)向誤差、磨損和故障隱患。

⑸在工業(yè)機器手、機器人的輔助下，開關(guān)磁阻電機驅(qū)動主運動配合交流伺服驅(qū)動進給運動將是未來的發(fā)展趨勢，通過數(shù)字化程序控制生產(chǎn)連線，將實現(xiàn)無人自動化、智能化生產(chǎn)。

模具技術(shù)

通過提高頂出力，減小拔模斜度，增加后續(xù)精壓工序，在數(shù)控速度和壓力的條件下，降低精壓模具的沖擊載荷和磨損，將有效提高鍛件的精度，使更多的鍛件通過精密鍛造工藝生產(chǎn)為精鍛產(chǎn)品。

鍛坯方面

采用精密下料技術(shù)和少無氧化加熱技術(shù)，將有效提高鍛坯的一致性，降低表面粗糙度值。

結(jié)束語

在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的推動下，精密鍛造技術(shù)在各行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用，但長期以來的設(shè)備技術(shù)落后問題，阻礙了精密鍛造技術(shù)的進一步發(fā)展。開關(guān)磁阻電機技術(shù)的應(yīng)用，解決了模鍛設(shè)備的工藝參數(shù)數(shù)字化重復(fù)控制的難題，使設(shè)備具備了節(jié)能高效、數(shù)控性能好、工藝參數(shù)重復(fù)精度高、啟動性能好、抗沖擊性能好和可靠性高的精密鍛造所需求的生產(chǎn)條件。

開關(guān)磁阻節(jié)能數(shù)控驅(qū)動鍛造設(shè)備是我國自主研發(fā)的技術(shù)，相比國外最新的交流伺服技術(shù)，開關(guān)磁阻電機技術(shù)的節(jié)能效果更好，啟動性能更好，抗沖擊性能更好，投資與使用成本更低。該技術(shù)的應(yīng)用，為鍛造行業(yè)的跨越式發(fā)展帶來了機遇。

依靠我國的自主產(chǎn)權(quán)技術(shù)，大力發(fā)展精密鍛造、強力促進節(jié)能降耗，加快改造淘汰落后產(chǎn)能，跨越式提升鍛造產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，將為我國的精密鍛造行業(yè)插上騰飛的翅膀。

趙婷婷，教授，主要從事鍛壓工藝、模具與設(shè)備的研究與教學(xué)。主持的項目“基于開關(guān)磁阻系統(tǒng)的節(jié)能數(shù)控螺旋壓力機技術(shù)開發(fā)”獲得2011年度淄博市技術(shù)發(fā)明一等獎。