冷壓成形技術(shù)本質(zhì)特征

盧險(xiǎn)峰

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

1 金屬塑性加工分類的現(xiàn)狀

1.1 學(xué)科理論中的分類

對(duì)于金屬塑性加工(成形)分類這個(gè)一直伴隨科學(xué)發(fā)展的問(wèn)題，20世紀(jì)中期國(guó)外研究較多，如先后有日本工藤英明、德國(guó) K.H.Hofner(哈佛納)、K.Lage(朗格)等，他們分別是依據(jù)概念的類種、應(yīng)力負(fù)荷的性質(zhì)與表面形成、變形力學(xué)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行的。同一時(shí)期，還出現(xiàn)既涉及成形難易又考慮成形工件內(nèi)部機(jī)能影響，且所用詞語(yǔ)簡(jiǎn)便的標(biāo)準(zhǔn)而進(jìn)行的分類。目前，在鍛壓加工原理中，按照金屬學(xué)再結(jié)晶及其溫度角度，對(duì)其有以下2種分類方法。

1)將金屬塑性變形分為熱變形和冷變形兩大類。以金屬再結(jié)晶溫度(Tr)為劃分界限。兩類變形的本構(gòu)方程已有建立。

2)將金屬塑性變形分為熱變形、不完全熱變形、不完全冷變形和冷變形等4類。這種分法考慮了再結(jié)晶的過(guò)程，較細(xì)致，但對(duì)于不完全熱、冷變形的本構(gòu)方程并不明晰。

1.2 工程技術(shù)界的分類

德國(guó)、日本等國(guó)家的專家學(xué)者從生產(chǎn)技術(shù)角度對(duì)塑性加工進(jìn)行分類，這種分類方法甚至進(jìn)入了這些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)中，例如DIN，JIS等。在我國(guó)家的鍛壓標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有類似的分類。我國(guó)現(xiàn)今在工程技術(shù)界，從是否對(duì)坯料進(jìn)行加熱的角度，對(duì)金屬塑性加工的分類有以下幾種情況。

1)主要與鍛造(體積成形)和沖壓(板料成形)相對(duì)應(yīng)，分為熱成形和冷成形兩大類。僅以加熱與否為判別依據(jù)，形成鍛造就是熱成形，沖壓即是冷成形的定型觀念。于是，導(dǎo)致出現(xiàn)將冷鍛既有歸屬熱鍛又有歸屬特種鍛造的分類混亂。

2)劃分為熱成形(加工)、冷成形(加工)和溫成形(加工)等3類，或者叫熱鍛、冷鍛和溫鍛。其溫成形具體溫度目前尚未有統(tǒng)一的界定。

3)中國(guó)鍛壓協(xié)會(huì)以前是將鍛壓生產(chǎn)行業(yè)分為3個(gè)專業(yè)委員會(huì):鍛造、沖壓和冷鍛委員會(huì)。2010年開(kāi)始，改成了鍛造(加熱或不加熱)、沖壓、鈑金和制作3個(gè)委員會(huì)。其中，鍛造又分出熱精密成形、冷精密成形、大鍛件等委員會(huì)或理事會(huì);沖壓(鈑金)又分出精沖、旋壓、封頭等委員會(huì);制作被視為各種管、型材的裁切、彎曲等特種沖壓加工。此種動(dòng)態(tài)反映鍛壓行業(yè)里冷壓成形的產(chǎn)品和企業(yè)越來(lái)越多。

4)中國(guó)塑性工程學(xué)會(huì)(原中國(guó)鍛壓學(xué)會(huì))曾設(shè)立原理、鍛造、沖壓、冷鍛等學(xué)術(shù)委員會(huì)。顯然其鍛造為熱成形，沖壓、冷鍛為冷成形。后來(lái)改為了理論、精密鍛造、沖壓、旋壓等學(xué)術(shù)委員會(huì)。冷鍛未與熱鍛同位設(shè)立，從20世紀(jì)末以來(lái)，一直還成立一個(gè)環(huán)境保護(hù)學(xué)術(shù)委員會(huì)。現(xiàn)今，中國(guó)塑性工程學(xué)會(huì)仍然是(以總會(huì)而未以其分支會(huì)的名義)與國(guó)際深拉深研究會(huì)(IDDRG)、國(guó)際冷鍛組織(ICFG)等對(duì)口的聯(lián)絡(luò)單位。

1.3 國(guó)外較新動(dòng)態(tài)反映

20世紀(jì)五六十年代，前蘇聯(lián)出版的關(guān)于沖壓技術(shù)或稱之為冷壓的書(shū)籍中，就有一些介紹了部分冷鍛工序技術(shù)知識(shí)，寓意是冷鍛包括在廣義的沖壓加工之中。

最晚是在20世紀(jì)70年代，英、美國(guó)家出版的關(guān)于金屬加工工程類部分書(shū)籍中，在論述其冷、熱壓加工的特點(diǎn)時(shí)，特別提及了冷壓加工有更適應(yīng)于人類對(duì)環(huán)境影響要求的內(nèi)涵。

前西德在1945年以后，冷鍛生產(chǎn)中逐漸出現(xiàn)將其基本工序復(fù)合的組合變形工序，其基本工序和組合工序均屬塊料冷體積成形，冷鍛并未等同冷壓。

日本于1970年代出版了《冷鍛手冊(cè)》一書(shū)，這可認(rèn)為是首部論述和介紹冷鍛的專著，但它并不包含冷沖壓的內(nèi)容。日本1987年開(kāi)始編寫的《會(huì)田沖壓手冊(cè)》一書(shū)中，把冷鍛和沖壓加工主要工序并列編排，而熱鍛和溫鍛僅作為其它工序之內(nèi)，意味著冷、熱壓有別，各有屬類。

俄羅斯學(xué)術(shù)期刊《鍛壓生產(chǎn)》的欄目設(shè)置在20世紀(jì)里主要為理論、鍛造、沖壓和設(shè)備等，但在21世紀(jì)初就改為了理論、熱成形、冷成形和設(shè)備等。顯然，這也是把鍛壓加工分為熱壓加工和冷壓加工的一種觀點(diǎn)，一種明確的分類及應(yīng)用。

從金屬塑性成形到上位的機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際性學(xué)術(shù)組織及其活動(dòng)中，常有這種傾向、動(dòng)態(tài)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際深拉深研究會(huì)(IDDRG)、國(guó)際冷鍛組織(ICFG)等，開(kāi)展冷壓科技學(xué)術(shù)活動(dòng)尤為活躍。

2 冷壓成形技術(shù)本征的再認(rèn)識(shí)

2.1 分類理論基本概念

分類是劃分的特殊形式，它是以對(duì)象的本質(zhì)屬性或顯著特征為依據(jù)所作的劃分，即把屬概念分為種概念。被劃分的概念叫做“劃分的母項(xiàng)”，劃分后所得的概念叫做“劃分的子項(xiàng)”。劃分時(shí)，根據(jù)實(shí)踐的需要，所選擇事物的屬性叫做“劃分的標(biāo)準(zhǔn)”。劃分的規(guī)則有:應(yīng)相稱;每次劃分只能根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)此，對(duì)金屬塑性成形根據(jù)其再結(jié)晶與否及加工硬化與否，分為熱壓成形與冷壓成形，要較之前敘述中的其它一些分類方法更為科學(xué)合理。

2.2 冷壓成形技術(shù)本源特點(diǎn)

金屬學(xué)和塑性成形理論指出，金屬再結(jié)晶是一個(gè)過(guò)程，有一個(gè)從開(kāi)始(最低)再結(jié)晶溫度(Tbr)到完全再結(jié)晶溫度(Tar)的溫度范圍。

進(jìn)一步分析理論上的那種不完全熱變形、不完全冷變形以及工程上的溫成形，在變形的實(shí)質(zhì)上都有回復(fù)與再結(jié)晶發(fā)生，而其變形結(jié)果的表征、加工特點(diǎn)與環(huán)境條件等基本上與熱變形相同或相近。此外，可將最低再結(jié)晶溫度為0℃的鉛、錫，以及最低再結(jié)晶溫度為1200℃的鎢等幾種材料視為特例，從而將適用于絕大多數(shù)金屬的塑性成形劃分為冷壓成形與熱壓成形兩類，既符合分類理論，又結(jié)合了塑性工程實(shí)際。此兩類成形的時(shí)間-溫度范圍如圖1所示[32]。

金屬的冷、熱壓塑性成形，相對(duì)于其它成形加工有共同的優(yōu)缺點(diǎn)，但它們之間的優(yōu)越程度及存在問(wèn)題的嚴(yán)重程度是有很大差別的。雖然它們各有缺點(diǎn)，不能相互替代，在塑性成形的下位中將會(huì)永遠(yuǎn)同位存在，但是認(rèn)識(shí)這種差別，強(qiáng)調(diào)并重視具有其本源特點(diǎn)的分類標(biāo)準(zhǔn)，既有科學(xué)的理論學(xué)術(shù)價(jià)值，又有積極的工程實(shí)踐意義，也正是強(qiáng)調(diào)應(yīng)該研究冷壓成形技術(shù)特點(diǎn)的原因。冷壓成形的技術(shù)特點(diǎn)可從以下3個(gè)方面給予認(rèn)識(shí)和重視。

圖1 塑性成形一種分類示意

1)變形本質(zhì)方面。冷壓成形是在金屬最低再結(jié)晶溫度以下，對(duì)大多數(shù)金屬而言是在室溫中進(jìn)行的變形。冷變形有加工硬化效應(yīng)，其力學(xué)意義為dσ/dε＞0，多用σ=kεn冪函數(shù)曲線描述硬化規(guī)律(當(dāng)然，還有其它幾種描述規(guī)律的方法)，沒(méi)有回復(fù)與再結(jié)晶現(xiàn)象發(fā)生，而熱變形則反之。冷壓成形過(guò)程中材料的流動(dòng)性稍差于熱壓成形，相同變形程度下，冷壓成形過(guò)程中變形抗力較大，消耗力能比熱壓成形時(shí)更大。

2)工件質(zhì)量方面。由于冷壓成形中沒(méi)有因加熱而產(chǎn)生熱脹冷縮及被氧化的現(xiàn)象，故冷壓成形工件的尺寸、形位精度及表面粗糙度優(yōu)于熱壓成形工件。熱壓成形件僅因?yàn)槌尚芜^(guò)程中保持了纖維的連續(xù)性而具有強(qiáng)化性能的優(yōu)點(diǎn)，冷壓成形件不僅因纖維連續(xù)性，更由于冷變形硬化效應(yīng)使其被強(qiáng)化的能力大大提高。這一本質(zhì)特征導(dǎo)致了兩類成形件功能上的本質(zhì)差異。

3)環(huán)境質(zhì)量方面。冷壓成形設(shè)備為各種壓力機(jī)，對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)地及周圍環(huán)境有產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲的影響，但較熱壓成形中各種鍛錘的振動(dòng)與噪聲要小得多。由于冷壓成形中不需要加熱，故因加工過(guò)程、各種操作、潤(rùn)滑及清理等而產(chǎn)生的對(duì)空氣質(zhì)量、人體健康與安全的影響要小得多，整個(gè)成形過(guò)程及其后續(xù)加工過(guò)程的綠色程度比較高。

兩類金屬塑性成形主要特點(diǎn)的比較見(jiàn)表1[32]。

表1 兩類金屬塑性成形主要特點(diǎn)比較

3 中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖之領(lǐng)悟

3.1 冷壓成形技術(shù)之位屬關(guān)系

冷壓成形技術(shù)與平行類熱壓成形技術(shù)的上位類是塑性成形技術(shù)，而塑性成形技術(shù)、鑄造技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)等的上位是機(jī)械工程技術(shù)。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)是我國(guó)機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域重要的科技社團(tuán)，其宗旨是引領(lǐng)科學(xué)發(fā)展，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。不言而喻，冷壓成形技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展、規(guī)劃預(yù)測(cè)之大方向、行動(dòng)綱領(lǐng)，當(dāng)然受該社團(tuán)的引領(lǐng)指導(dǎo)。

新世紀(jì)伊始時(shí)，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)為加強(qiáng)引導(dǎo)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展，先后組織了眾多兩院院士和權(quán)威專家學(xué)者編寫出版了《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典》、《中國(guó)模具設(shè)計(jì)大典》、《中國(guó)模具工程大典》、《中國(guó)材料工程大典》等重要著作。根據(jù)人類歷史的發(fā)展規(guī)律、國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的動(dòng)向以及中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)的實(shí)際，2010年，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)又組織了19名院士在內(nèi)的200多名專家，傾心調(diào)研、分析、總結(jié)、編寫，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社出版的《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》于2011年8月30日在北京釣魚(yú)臺(tái)國(guó)賓館隆重首發(fā)，首發(fā)儀式如圖2所示。

圖2 《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》首發(fā)儀式

這些“大典”和《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》，旨在認(rèn)真總結(jié)過(guò)去，科學(xué)預(yù)測(cè)以后，尤其是《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》，“是對(duì)我國(guó)整個(gè)機(jī)械工程制造技術(shù)發(fā)展的引導(dǎo)，是未來(lái)創(chuàng)新進(jìn)步的行動(dòng)綱領(lǐng)”[33]。其前瞻性著眼于未來(lái)20年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，是一個(gè)較長(zhǎng)期的規(guī)劃。毋庸置疑，對(duì)于冷壓成形技術(shù)而言，更是符合其路線方向。

3.2 總體構(gòu)架

《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖》[34]涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成形制造、智能制造、精密與微納制造、仿生制造、再制造、流體傳統(tǒng)與控制、齒輪、軸承、刀具、模具等11個(gè)領(lǐng)域，規(guī)劃了面向2030年后甚至更長(zhǎng)遠(yuǎn)時(shí)期。我國(guó)機(jī)械工程技術(shù)發(fā)展的五大趨勢(shì):綠色、智能、超常、融合和服務(wù);八大技術(shù):復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的創(chuàng)意、建模、優(yōu)化技術(shù)，零件精確成形技術(shù)，大型結(jié)構(gòu)件成形技術(shù)，高速精密加工技術(shù)，微納器件與系統(tǒng)，智能設(shè)備制造，智能化集成化傳動(dòng)技術(shù)，數(shù)字化工廠。

總體規(guī)劃十分清晰，11個(gè)領(lǐng)域及八大技術(shù)字面上就有1/3為塑性成形，特別是冷壓成形，五大趨勢(shì)之首為綠色，而冷壓成形件在其制造過(guò)程和使用過(guò)程中的綠色程度均較高(參見(jiàn)表1)，應(yīng)盡力應(yīng)用和深入發(fā)展。

3.3 我國(guó)汽車零部件制造業(yè)落后(冷壓技術(shù)角度)之反思

中國(guó)制造的第1輛“民生”牌汽車是在1931年出廠，解放后制造出的第1款(CA10)汽車是在1953年出廠，第1輛“解放”牌汽車是在1956年下線，無(wú)論從上述哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)年份算起，我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展僅用了幾十年的時(shí)間，已甩掉了汽車生產(chǎn)落后國(guó)的帽子，尤其是制定將汽車作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略之后，經(jīng)過(guò)最近20年的迅猛發(fā)展，我國(guó)成為了世界上汽車產(chǎn)銷量第一的國(guó)家。從圖3可知，我國(guó)汽車年產(chǎn)量從1992年的百萬(wàn)輛，到2010，2011年均達(dá)千萬(wàn)輛，20年間提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中轎車年產(chǎn)量從1992年的十萬(wàn)輛，到2002年的百萬(wàn)輛，再到2011年的千萬(wàn)輛，20年間提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)!

圖3 中國(guó)汽車年產(chǎn)數(shù)量升級(jí)示意

可以認(rèn)為，我國(guó)汽車從年產(chǎn)百萬(wàn)輛到年產(chǎn)千萬(wàn)輛，實(shí)際上主要發(fā)生在圖3所列的后10年里，即中國(guó)加入世界貿(mào)易組織后的10年里。鳳凰網(wǎng)在2012年3月底開(kāi)辦的“汽車”節(jié)目中，用“入世十年，中國(guó)汽車業(yè)實(shí)現(xiàn)了從百萬(wàn)級(jí)到千萬(wàn)級(jí)的跨越”予以評(píng)述報(bào)道。

國(guó)內(nèi)上、下及汽車行業(yè)內(nèi)、外都明確指出，我國(guó)是一個(gè)汽車生產(chǎn)大國(guó)，但還不是一個(gè)汽車生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)。大，主要表現(xiàn)在汽車整車數(shù)量規(guī)模的高速發(fā)展;弱，主要表現(xiàn)在零部件制造技術(shù)質(zhì)量的落后。這種零部件薄弱落后的根源是我國(guó)普遍存在一種忽視長(zhǎng)遠(yuǎn)利益，而過(guò)于著重眼前經(jīng)濟(jì)效益的浮躁心理，且尚欠從積極面考慮綠色環(huán)保的必然結(jié)果。主要體現(xiàn)在:缺乏自主核心技術(shù)和品牌，致使低端車型較多;自主品牌市場(chǎng)占有份額大致為1/3，獲取利潤(rùn)只有1/10[35]。換句話說(shuō)在制造業(yè)中自產(chǎn)零部件工藝技術(shù)少有品牌，少具研發(fā)，大多采購(gòu)國(guó)外零部件、模具及設(shè)備，采取耗能、耗料、耗資源的工藝技術(shù)進(jìn)行制造，湊合使用。

從有利于汽車產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展出發(fā)，提出要改變“重整車輕零部件”的傾向，加大對(duì)零部件領(lǐng)域的研發(fā)力度、投入及鼓勵(lì)等，如此一些反思與對(duì)策。這當(dāng)然是正確的，但尚不夠深入。如果找出更具針對(duì)性的方向、措施，比如，能從冷壓技術(shù)角度進(jìn)行反思，則有可能真正找到處理好制約發(fā)展的重要因素。

1)汽車中60%～70%的金屬零部件為沖壓件，實(shí)際上還應(yīng)該和必要有一定比例的冷鍛件。顯然，缺乏自主核心技術(shù)和品牌的零部件主要是沖壓件和冷鍛件比例的問(wèn)題，因此應(yīng)大力宣傳、推進(jìn)、實(shí)施、創(chuàng)新汽車零部件中的沖壓產(chǎn)品。

2)通常所說(shuō)的沖壓是指冷沖壓。我國(guó)在較長(zhǎng)時(shí)期，甚至至今各汽車廠的車身、車架分廠一直不見(jiàn)有熱沖壓的，可謂綠色制造了。近年來(lái)，卻有一些企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)汽車零件熱沖壓生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)線的項(xiàng)目，不少人還積極搞鈑料汽車零件的熱沖壓研究，這讓我國(guó)汽車生產(chǎn)中的綠色程度反比以前更差了。

3)2012年2月德國(guó)總理在北京講演中談及德國(guó)的制造技術(shù)時(shí)說(shuō):連一顆螺絲釘?shù)闹圃旒夹g(shù)水平，德國(guó)也是世界上最先進(jìn)的。對(duì)此從專業(yè)角度反思一下，中國(guó)產(chǎn)的螺釘類零件，尚有很多為熱鍛件，即便是冷鍛件，對(duì)其材質(zhì)、工藝與質(zhì)量方面也不太重視，而螺紋的加工方法，并非普及了的滾壓(俗稱有滾絲和搓絲)，采用切削(俗稱車絲)的方法仍不少。

4)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中很多零件及其他一些結(jié)構(gòu)件等，國(guó)外的制造技術(shù)多為冷鍛加工件。此不一定是ISO組織或某些國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而是一種共識(shí)和世界大趨勢(shì)所向。比如，轎車中冷鍛件的質(zhì)量，1990年代，日本平均達(dá)到42 kg/臺(tái)，美國(guó)、德國(guó)等也接近40 kg/臺(tái)，而我國(guó)為4～5 kg/臺(tái)，小一個(gè)數(shù)量級(jí);20年后的今天，外國(guó)達(dá)45～50 kg/臺(tái)，而我國(guó)雖也有提高，但還處在6～7 kg/臺(tái)的水平，仍小一個(gè)數(shù)量級(jí)。試想一下，如能縮小此種差距，定會(huì)使今天仍處于1980年代中期國(guó)際水平的我國(guó)轎車生產(chǎn)水平有超常發(fā)展，且更加是綠色制造。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)視冷壓技術(shù)為我國(guó)汽車整車發(fā)展、零部件生產(chǎn)提升而成為汽車生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)之戰(zhàn)略中的一個(gè)符合機(jī)械工程發(fā)展趨勢(shì)之首要——綠色的關(guān)鍵性戰(zhàn)術(shù)。無(wú)論如何，此戰(zhàn)術(shù)是確保此戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的一種不可忽略的戰(zhàn)術(shù)。

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