探討精密鍛造工藝

張明，石岳林

精密鍛造是在普通鍛造的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的一種少無切削新工藝，經(jīng)過幾十年已經(jīng)發(fā)展成為由熱精鍛、溫精鍛、冷精鍛、復(fù)合精鍛、等溫精鍛等組成的多類別、應(yīng)用廣泛、科技含量高的新型材料成形技術(shù)。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，精鍛技術(shù)的日趨成熟，在汽車、船舶、航空航天、軍事等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。如日本豐田汽車廠在1996年發(fā)表資料說，該廠在1987年精鍛件重量占全部鍛件質(zhì)量11.6%，到1991年發(fā)展到19.5%。這里不包括螺母、螺釘件。它們已投產(chǎn)精鍛十字頭軸、花鍵軸、圓柱齒輪、錐齒輪、等速傳動(dòng)軸、內(nèi)花鍵齒套等汽車零件。特別這幾年發(fā)展溫鍛技術(shù)后，一些變形程度大的復(fù)雜件和變形抗力大的合金材料的汽車零件的精鍛也成為可能。

日本有相關(guān)論文表明，日本鍛件成本下降20%～30%。精密鍛造技術(shù)不僅節(jié)約材料、能源，減少加工工序和設(shè)備，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)品市場(chǎng)競(jìng)爭力，精密鍛造已是鍛壓工藝技術(shù)未來的發(fā)展方向之一。

1.精密鍛造的優(yōu)越性

與普通鍛造相比（見圖1），精密鍛造優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)于表面質(zhì)量好、機(jī)加工余量少，能提高材料利用率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，零件生產(chǎn)成本也低，尺寸公差相較于普通鍛件也有明顯減少，一般僅為普通鍛件公差的一半，甚至更小，表面質(zhì)量好，表面粗糙度值可達(dá)Ra=0.4～3.2μm。

與切削加工相比（見圖2），精密鍛造主要優(yōu)點(diǎn)是：因鍛造毛坯形狀和尺寸與零件成品尺寸幾乎甚至完全一樣，因而材料利用率高，因精密模鍛塑性成形，金屬纖維流線分布與零件形狀一致，因而使零件力學(xué)性能有較大提高，所以精密鍛造又叫少無切削工藝。

總之，精密鍛造最明顯的特點(diǎn)是材料利用率高，尺寸精度高，表面粗糙度值低。

圖1

2.精密鍛造方法

目前，應(yīng)用于精密鍛造的工藝主要有冷精鍛、溫精鍛、熱精鍛、復(fù)合精鍛、等溫精鍛等，其中冷精鍛、溫精鍛、熱精鍛應(yīng)用范圍最廣。

根據(jù)鍛造溫度的差異，我們把在室溫的精密鍛造工藝叫冷精鍛，在再結(jié)晶溫度以下的精密鍛造工藝叫溫精鍛，在再結(jié)晶溫度以上的精密鍛造工藝叫熱精鍛。溫精鍛件要比熱精鍛件精度高得多，而冷精鍛件要比溫精鍛件精度高得多。

雖然精鍛工藝相對(duì)于傳統(tǒng)鍛造工藝能夠顯著降低成本、節(jié)約原料，但其需要精密的鍛造設(shè)備和先進(jìn)的鍛造工藝裝備作為支撐，不僅如此，冷精鍛還對(duì)原材料有著極其苛刻的要求。

圖 2

冷鍛成形過程中，工件塑性差、變形抗力大，因此很難成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，為克服這一問題，相繼開發(fā)了在封閉凹模內(nèi)通過一個(gè)或兩個(gè)沖頭單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形，獲得無飛邊的近凈形精鍛件閉塞鍛造，凹模會(huì)隨著鍛造過程發(fā)生移動(dòng)的浮動(dòng)凹模鍛造，在毛坯或模具的成形部分建立一個(gè)材料的分流腔或分流通道，鍛造過程中，材料在充滿型腔的同時(shí)，部分材料流向分流腔或分流通道預(yù)制分流鍛造等一批先進(jìn)的冷精鍛工藝方法。

熱精鍛中因開式鍛造會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈氧化作用，工件表面質(zhì)量和尺寸精度較低；而采用閉式模鍛，因坯料體積和型腔體積不能嚴(yán)格相等，造成最后合模階段變形抗力很大，對(duì)設(shè)備和模具造成很大損害，因此采用分流降壓原理，在封閉型腔最后填充滿的地方設(shè)置形狀和大小合理的分流降壓腔孔，有效降低了型腔內(nèi)部的壓力，有利于提高模具壽命。溫精鍛技術(shù)，同時(shí)具有冷精鍛和熱精鍛的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn)。但是對(duì)鍛造溫度范圍要求較為嚴(yán)格，需要高精度的專門設(shè)備，而且對(duì)模具結(jié)構(gòu)和模具材料有較高要求。應(yīng)用還不是十分廣泛，但是發(fā)展方向之一。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)精鍛成形零件的要求越來越高，也對(duì)精密鍛造工藝的研究和發(fā)展提出了更高要求，單獨(dú)的冷、溫、熱精鍛工藝已不能滿足要求。這就需要將不同溫度或不同工藝方法的鍛造工藝結(jié)合起來，復(fù)合精鍛工藝和等溫精鍛工藝等更加先進(jìn)的精鍛工藝應(yīng)運(yùn)而生。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。與機(jī)加工和熱鍛相比，用復(fù)合精鍛工藝生產(chǎn)的工件其力學(xué)性能、尺寸精度、表面粗糙度都有顯著提高。等溫鍛造主要應(yīng)用于鍛造溫度較窄的金屬材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金等，可以有效防止模具開裂，大幅減少機(jī)加工工時(shí)，節(jié)約大量貴重材料，降低成本。

3.精密鍛造的應(yīng)用

（1）精化毛坯 用精鍛工藝取代粗加工工序，將精密鍛件直接進(jìn)行精加工而得到成品零件。

（2）精鍛零件 通過精鍛鍛造直接獲得成品零件，目前為止完全通過精密鍛造獲得成品零件實(shí)例尚少，只是一些簡單零件和尺寸精度要求不高的零件，但是隨著技術(shù)發(fā)展，其應(yīng)用必定會(huì)越來越廣泛。

冷精鍛尺寸精度可達(dá)0.02～0.05mm。因具有優(yōu)質(zhì)、高效、低能耗等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于汽車零部件大批量生產(chǎn)中，如汽車起動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)齒輪和汽車傳動(dòng)軸花鍵，冷精鍛工藝能使齒輪表面獲得殘余壓應(yīng)力，可有效提高齒輪壽命。

近年來，冷精鍛工藝在國內(nèi)外獲得了一定發(fā)展，其中閉塞鍛造因?yàn)槟軌颢@得無飛邊的近凈形精鍛件。對(duì)于行星齒輪和半軸齒輪、星形套、十字軸等采用冷精鍛技術(shù)可省去絕大部分切削加工，成本大幅降低。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外精密鍛造專家將分流鍛造理論應(yīng)用于正齒輪和弧齒錐齒輪冷鍛成形。分流鍛造技術(shù)應(yīng)用，使較高精度齒輪少無切削加工迅速達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

熱精鍛因?yàn)椴牧献冃慰沽Φ?、塑性好，容易成形比較復(fù)雜工件，用熱精鍛工藝鍛造成形的齒輪精度已達(dá)IT7～9，離合器齒面及錐齒輪齒面均可鍛后直接裝配，而無需機(jī)加工。直齒錐齒輪精密鍛造是一個(gè)非常典型且應(yīng)用廣泛的案例，很多文獻(xiàn)資料指出，精鍛齒輪因金屬流線沿齒廓分布且組織致密，這使得齒輪強(qiáng)度、齒面耐磨性能、熱處理工藝性和嚙合噪聲都較切削加工齒輪優(yōu)越。經(jīng)大量研究，實(shí)踐證明，精鍛齒輪強(qiáng)度可提高20%，抗彎疲勞壽命提高40%，熱處理變形減少30%。華中科技大學(xué)與東風(fēng)汽車齒輪廠研究轎車錐齒輪精密鍛件，已取得成功。齒形部分尺寸精度穩(wěn)定在IT7級(jí)，表面粗糙度值達(dá)Ra=0.2～0.8μm。即齒形部分尺寸精度達(dá)到了直接裝車的使用要求。經(jīng)過冷精鍛使毛坯晶粒度值由7級(jí)達(dá)到了9級(jí)。提高了齒輪的強(qiáng)度和疲勞壽命且提高了生產(chǎn)效率。

采用復(fù)合精鍛可很好地達(dá)到提高鍛件精度、降低成本、節(jié)約能源的目的。等溫鍛造工藝在滿足航空航天工業(yè)對(duì)鈦合金和高溫合金等難變形材料復(fù)雜構(gòu)件的需求過程中發(fā)揮了很大的作用，目前已經(jīng)投入生產(chǎn)應(yīng)用的有盤類、軸類、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件及葉片等。

4.結(jié)語

鍛造行業(yè)正在發(fā)生著深刻變化，而其中精密鍛造也在發(fā)生巨大變化，從單一精鍛工藝到多種精鍛工藝相結(jié)合復(fù)合精鍛，從室溫鍛造到等溫鍛造，精密鍛造精度也在向微米級(jí)邁進(jìn)。20140318