熱精鍛工藝及其裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（上）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學(xué)

熱精鍛工藝及其裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（上）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學(xué)

熱精鍛工藝的特點(diǎn)及需求分析

熱精鍛工藝的特點(diǎn)及適用范圍

精鍛與普通熱模鍛工藝的相同點(diǎn)在于金屬材料在高溫下塑性好，模鍛時不易開裂；變形抗力小，所需設(shè)備噸位小；可采用自動化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)多工位連續(xù)生產(chǎn)。

與普通熱模鍛工藝的不同在于鍛件飛邊小甚至無飛邊，機(jī)加工余量及公差小，材料利用率高；因節(jié)約材料而節(jié)省加熱能耗；減少后續(xù)機(jī)加工工時，提高了零件的生產(chǎn)效率。

熱精鍛工藝存在的不足主要有金屬特別是鋼在高溫時產(chǎn)生氧化皮，影響鍛件質(zhì)量和模具壽命；金屬在加熱與冷卻時產(chǎn)生熱脹冷縮，鍛件尺寸精度難以控制。

熱精鍛工藝適用于所有金屬及合金材料，尤其是含碳量和含合金量高的金屬材料；但是如果鍛件質(zhì)量大、輪廓尺寸大，即使含碳量和含合金量低也必須采用熱精鍛；適用于生產(chǎn)留有一定機(jī)加工余量的精密模鍛（精化）毛坯。

工業(yè)發(fā)達(dá)國家應(yīng)用精鍛工藝的情況

美國制定的21世紀(jì)前20年的鍛造工業(yè)發(fā)展目標(biāo)為：模具壽命比21世紀(jì)初延長10倍，單件模具成本減少50%；材料用量減少15%，鍛件廢品率減少90%；鍛造生產(chǎn)綜合能耗和人力/國際使用量之比減少75%；全員人均生產(chǎn)率提高50%，鍛造設(shè)備年均利用率達(dá)90%以上，鍛件平均成本降低60%；鍛件的用戶返回不良品率控制在25%以下，質(zhì)量管理達(dá)到±8（標(biāo)準(zhǔn)偏差）的標(biāo)準(zhǔn)，使用中的鍛件故障為零；加熱中產(chǎn)生的有害物質(zhì)最少或?yàn)榱?，車間噪聲控制在85dB以下。

日本21世紀(jì)前25年的鍛造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略及計(jì)劃為：1）實(shí)現(xiàn)日本年產(chǎn)精密鍛件90萬噸，其精密模鍛件占模鍛件總量的37%，為了在全球化體制中，繼續(xù)保持最新鍛造技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位，建立鍛造技術(shù)開發(fā)中心，成為向世界提供研究、教育、信息的中心。2）實(shí)現(xiàn)輕量化、復(fù)雜形狀、高精度、凈形率、環(huán)保的目標(biāo)，具體為產(chǎn)品制造廠、零部件組裝廠，以及鍛造專業(yè)廠相適合的集約化生產(chǎn)工程系統(tǒng)的構(gòu)筑；發(fā)展材料利用率達(dá)到90%以上的凈形鍛造技術(shù)；利用各種組合技術(shù)延長模具壽命10倍以上；發(fā)展復(fù)雜形狀齒形件的高精度鍛造（凈形鍛造）技術(shù)；CO2的排放量削減25%，降低環(huán)境污染；完全再利用生產(chǎn)系統(tǒng)的確立；構(gòu)筑人才培養(yǎng)體制和共同研究體制。

熱精鍛工藝技術(shù)的需求分析

由圖1和圖2可知，我國目前汽車模鍛件產(chǎn)量約占整個模鍛件產(chǎn)量的63%，為了節(jié)材、節(jié)能必須大量采用熱精鍛工藝技術(shù)生產(chǎn)；高鐵、動車、坦克及裝甲車等高速重載承力件要求以熱精鍛鋼件取代鑄鋼件；大功率發(fā)動機(jī)、轎車、無噪聲空調(diào)壓縮機(jī)等中高硅鋁合金零件要求以熱精密鍛件取代壓鑄件；應(yīng)用成形過程數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。

圖1 2006～2011年鍛件總產(chǎn)量

圖2 2006～2011年模鍛件總產(chǎn)量

熱精鍛工藝技術(shù)及裝備的進(jìn)展

熱精鍛工藝技術(shù)及裝備的進(jìn)展

⑴熱精鍛工藝的進(jìn)展。

近年來開發(fā)出熱（溫）精鍛工藝生產(chǎn)的汽車零件有中高壓管接頭、萬向節(jié)叉、十字軸、花鍵軸套、餅盤類齒輪坯、大模數(shù)大直徑直錐齒輪、倒檔齒輪、結(jié)合齒輪、等速萬向節(jié)鐘形套、三銷滑套、爪極，電力金具中的單支耳、雙夾箍，轎車及軍工產(chǎn)品中的高強(qiáng)度鋁合金零件等，品種和數(shù)量大幅增加。

⑵精鍛裝備的進(jìn)展。

1)進(jìn)口與國產(chǎn)大中型模鍛壓力機(jī)品種和數(shù)量快速增長，主要是熱模鍛壓力機(jī)、多工位溫鍛壓力機(jī)，高能與電動螺旋壓力機(jī)、精鍛液壓機(jī)等；2）建立了多條自動化熱模鍛生產(chǎn)線，如連桿、前軸、曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等機(jī)器人操作的熱模鍛自動化生產(chǎn)線；齒輪、齒輪坯、連桿類鍛件步進(jìn)梁操作的熱精鍛自動化生產(chǎn)線。

與國外先進(jìn)水平的差距

⑴精鍛工藝。1）我國模鍛件與鍛件總產(chǎn)量的比例仍然較低。日本、德國和美國等模鍛件產(chǎn)量占鍛件總產(chǎn)量的80%以上，我國2010年，模鍛件產(chǎn)量與鍛件總產(chǎn)量分別為690萬噸和1022.4萬噸，占比為67.49%；2011年，模鍛件產(chǎn)量與鍛件總產(chǎn)量分別為669萬噸和1067萬噸，占比為62.70%。2）我國精密模鍛件與模鍛件產(chǎn)量之比更低，日本模鍛件年產(chǎn)量約250萬噸，而精密模鍛件的占比為36%；德國模鍛件年產(chǎn)量略低于日本的產(chǎn)量，而精密模鍛件的占比為37%；我國精密鍛件產(chǎn)量約占模鍛件產(chǎn)量的6%～8%。所以，我國雖然模鍛件產(chǎn)量遠(yuǎn)高于日本和德國，但其效益卻低于日本和德國。

⑵精鍛模具。模具壽命低，熱鍛模具壽命平均約為6000件，鍛模費(fèi)用平均占鍛件成本的6%，為國外的2倍；大型復(fù)雜精鍛模具尚依賴進(jìn)口。

⑶精鍛設(shè)備。通用設(shè)備多，大型、高精、高效精鍛設(shè)備依賴進(jìn)口。

熱精鍛工藝的發(fā)展趨勢

閉式模鍛

開式模鍛（圖3a）時鍛件沿分模面周圍形成橫向飛邊，閉式模鍛（圖3b和圖3c）時不形成橫向飛邊，其中，圖3b為整體凹模閉式模鍛，圖3c為可分凹模閉式模鍛，也稱閉塞鍛造。

圖3 開式模鍛與閉式模鍛簡圖

表1 某型汽車變速箱齒輪閉式模鍛與開式模鍛用料的對比

閉式模鍛亦稱無飛邊模鍛，模鍛時坯料金屬在封閉的模膛中成形。因此，閉式模鍛可以使 鍛件的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量最大限度地接近于產(chǎn)品零件的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。

閉式模鍛與開式模鍛相應(yīng)指標(biāo)加以比較，具有如下特點(diǎn)：

⑴金屬材料利用率高。閉式模鍛特別是可分凹模模鍛不產(chǎn)生飛邊，模鍛斜度為1°～3°，甚至無斜度，可以鍛出垂直于鍛擊方向的盲孔。這些優(yōu)點(diǎn)能使金屬材料利用率從25%～70%提高到50%～90%，也就是說由有飛邊模鍛變?yōu)榭煞职寄o飛邊閉式模鍛，每生產(chǎn)1t鍛件平均能節(jié)約金屬材料200kg左右。表1為某型汽車變速箱齒輪閉式模鍛與開式模鍛的用料比較。

在模鍛件中，餅盤類中質(zhì)量在2～3kg以內(nèi)均可采用無飛邊閉式模鍛；長軸類中的小型階梯軸以及小型連桿均可采用單沖頭可分凹模閉式模鍛；枝叉類中質(zhì)量在2～3kg以內(nèi)的鍛件可采用單沖頭或多沖頭可分凹模閉式模鍛。據(jù)估計(jì)，可采用無飛邊模鍛的鍛件可達(dá)到整個鍛件產(chǎn)量的30%以上。小型汽車用的鍛件可采用且要求采用閉式模鍛生產(chǎn)的超過其所需鍛件的50%。隨著國產(chǎn)小汽車和引進(jìn)小汽車用鍛件的國產(chǎn)化，閉式模鍛工藝節(jié)省金屬材料的優(yōu)越性將得到更加充分的發(fā)揮。

⑵提高勞動生產(chǎn)率。采用可分凹模模鍛，常?？蓽p少甚至取消模鍛制坯工藝，還可省去切邊工步和一些輔助工步，生產(chǎn)率平均可提高50%以上，容易實(shí)現(xiàn)模鍛生產(chǎn)自動化。

⑶提高鍛件質(zhì)量。閉式模鍛能使鍛件與成品零件的形狀非常接近或完全一致，使金屬纖維沿零件輪廓分布，變形金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬材料的塑性，能夠防止零件內(nèi)部出現(xiàn)疏松，因此產(chǎn)品力學(xué)性能較一般開式模鍛件可提高25%以上；此外，由于無飛邊不會因切邊而形成纖維外露，這對應(yīng)力腐蝕敏感的材料和零件抗腐蝕氣氛是有利的。

⑷節(jié)約加熱能耗。節(jié)約加熱能耗是伴隨提高材料利用率而產(chǎn)生的，餅盤類鍛件由開式有飛邊模鍛改為閉式無飛邊模鍛時，其材料利用率平均可提高15%。因此，加熱鍛件毛坯的電能同樣也可節(jié)約15%；若將閉式熱鍛改為閉式溫鍛，即將始鍛溫度由1200℃降低到800℃或800℃以下，則可節(jié)約加熱電能35%。

閉式模鍛的應(yīng)用

想到隨遇而安的老公，再想想曾經(jīng)游手好閑的他，其實(shí)是有在努力成熟的；想到今年收到的心儀的品牌包包，再想想去年收到的那束花店隨處可見的包裝好的玫瑰，雖然還是俗氣，但至少注入了真心。

實(shí)現(xiàn)閉式模鍛的技術(shù)途徑主要有兩條：1）設(shè)計(jì)制造專用可分凹模模具裝置與通用模鍛設(shè)備（機(jī)械壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)和模鍛液壓機(jī)等）配套使用；2）設(shè)計(jì)制造專用閉式精鍛壓力機(jī)。前者適合于多品種中小批量生產(chǎn)，后者適用于少品種大批量生產(chǎn)。

⑴中小型鍛件應(yīng)用實(shí)例。

圖4 三通管接頭多向閉式模鍛與普通開式模鍛的比較

1）三通管接頭可分凹模多向閉式模鍛。圖4為三通管接頭采用多向閉式模鍛與采用普通開式模鍛相比的情況。采用多向模鍛工藝后，節(jié)省材料30%以上；減少熱加工工序4～5道、冷加工工序1～2道，相應(yīng)節(jié)省設(shè)備6～7臺（次）、減少操作工7～8人（班）；尺寸精度由9～10級提高到7～8級，表面粗糙度降低到Ra12.5～25μm；降低鍛件成本50%以上；此外，還改善了生產(chǎn)條件，降低了勞動強(qiáng)度。

2）十字軸徑向擠壓閉式模鍛。與傳統(tǒng)模鍛工藝相比，提高材料利用率30%以上；提高生產(chǎn)效率1倍以上；扭轉(zhuǎn)疲勞壽命由8萬次提高到23.4萬次。

圖5 十字軸徑向擠壓模具與鍛件

⑵大中型鍛件半閉式小飛邊熱精鍛典型實(shí)例。

1）連桿輥鍛或楔橫軋制坯→壓扁→預(yù)鍛→小飛邊終鍛→切邊（圖6）。與傳統(tǒng)模鍛工藝相比，提高材料利用率8%以上。

圖6 連桿小飛邊鍛模與鍛件

2）軌鏈節(jié)三工位熱精鍛（圖7）。軌鏈節(jié)在25000kN電動螺旋壓力機(jī)上三工位精鍛成形，材料利用率高達(dá)93%。

圖7 軌鏈節(jié)鍛件與小飛邊

圖8 三銷滑套多工序溫鍛與冷精整

溫精鍛（溫鍛）

溫鍛與熱鍛相比，降低了毛坯表面加熱氧化層的厚度，減小了熱脹冷縮對尺寸精度的影響；與冷鍛相比，變形抗力約為冷鍛的1/3，可以進(jìn)行多工序連續(xù)生產(chǎn)；溫鍛工藝具有冷、熱兩種工藝的綜合優(yōu)點(diǎn)；鍛件力學(xué)性能、表面質(zhì)量及尺寸精度接近冷鍛工藝的水平。

三銷滑套多工位溫精鍛（圖8）。其工藝流程為：下料→加熱（780±20℃）→桿部正擠壓→頭部鐓粗→頭部定位反擠→頭部反擠→冷精整。

質(zhì)量≥2.5kg直錐齒輪中溫預(yù)鍛與低溫精整。重卡直錐齒輪一般大端模數(shù)m≥5mm，直徑d≥120mm，質(zhì)量為3～4kg，試驗(yàn)成功的溫精鍛工藝為下料→加熱（t≤800℃）→中溫預(yù)鍛→低溫（t≤500～600℃）精整→切邊。生產(chǎn)的精鍛齒輪精度為8.5～9級，齒形部分不需任何機(jī)加工達(dá)到直接裝車使用要求。

大模數(shù)大直徑齒輪類零件溫（熱）預(yù)鍛與冷精整

⑴直錐齒輪溫（熱）預(yù)鍛與冷精整，其工藝流程為：下料→表面清理→加熱→預(yù)鍛→低溫精整→冷精整→切飛邊。

⑵圓柱直齒輪溫?zé)衢]式擠壓與冷精整。模數(shù)m≥5mm，頂圓直徑d≥80mm的圓柱直齒輪主要用于重卡、大型農(nóng)機(jī)和礦山及工程機(jī)械，近年來，年需求量超過5000萬件，采用鍛造毛坯經(jīng)多道機(jī)械加工方法生產(chǎn)，材料利用率≤60%，效率低，金屬流線被切斷嚴(yán)重?fù)p害其承載性能。針對所存在的問題，提出閉式熱擠壓預(yù)成形與中空分流冷精整的新工藝為：下料→加熱（溫度范圍為800～1100℃之間）→閉式反擠壓→沖底→退（正）火+表面處理→正向擠壓（中空分流冷精整）。

中空分流鍛造

中空分流鍛造原理如圖9a、c所示，環(huán)形毛坯閉式模鍛時，在內(nèi)、外圓之間會存在一個分流面，分流面以外的金屬向外流動使齒頂型腔充滿，分流面以內(nèi)的金屬向內(nèi)流動使內(nèi)孔縮小。相對于實(shí)心毛坯閉式模鍛，不僅齒頂型腔能完全充滿，而且成形力大幅度降低。因此成為盤狀齒輪近凈成形的一種理想新工藝。圖9b、d為軸分流，其原理與孔分流相似。

采用中空分流熱精鍛工藝生產(chǎn)的結(jié)合齒輪，同傳統(tǒng)加工方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：由整體精鍛成形代替分體加工+焊接成形，材料利用率由35%提高到90%以上；結(jié)合齒輪精密鍛件的倒錐齒圈，其齒形達(dá)到GB10095-2008中的7～8級精度，齒面粗糙度Ra降到0.2～0.8μm，可達(dá)到直接裝車使用的要求；結(jié)合齒輪精密鍛件僅中心孔和輪緣需少量精密加工后進(jìn)行外圓斜齒加工，生產(chǎn)效率可提高5～6倍；無焊接變形的影響，加上金屬流線連續(xù)且分布合理，齒輪產(chǎn)品的力學(xué)性能大為提高；生產(chǎn)成本大為降低。結(jié)合齒輪中空分流熱精鍛為國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”中“黑色金屬與輕合金冷溫精鍛成形技術(shù)”子項(xiàng)的研究內(nèi)容之一，已在江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司建立示范性生產(chǎn)線，形成系列產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

流動控制成形

⑴成形原理。

流動控制成形也是近年來發(fā)展起來的一種閉式模鍛新工藝，其概念最先由德國與日本學(xué)者提出，其變形實(shí)質(zhì)是對于復(fù)雜難成形鍛件，在封閉的模膛內(nèi)造成由最難充滿部位到凹模入口處，絕對值由小到大的壓應(yīng)力梯度場，確保模鍛過程中在其他部位充滿的同時，最難充滿的部位也完全充滿，從而實(shí)現(xiàn)了流動方向的控制，故稱流動控制成形。

⑵典型應(yīng)用實(shí)例（圖10）。

壓蓋與殼體是構(gòu)成轎車安全氣囊氣體發(fā)生器的兩個關(guān)鍵零件，材料為7A04超硬鋁合金，針對采用壓鑄件通過數(shù)控銑削加工存在的問題。華中科技大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用減壓式閉式流動控制成形工藝成功的開發(fā)出壓蓋與殼體精鍛產(chǎn)品。其精密鍛件經(jīng)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)檢查，鍛件尺寸達(dá)到美國規(guī)定的精度指標(biāo)，所裝配成的氣體發(fā)生器通過水爆試驗(yàn)完全達(dá)到美國安全氣囊防碰撞的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。針對類似問題，北京機(jī)電所研究成2014鋁合金蝸旋盤阻尼式流動控制成形新工藝。流動控制成形也是上述科技重大專項(xiàng)子項(xiàng)目的研究內(nèi)容，已在江蘇飛船股份有限公司建立了示范性生產(chǎn)線，形成了批量生產(chǎn)。

圖10 流動控制成形典型件

等溫模鍛

等溫模鍛是將毛坯和模具都加熱到模鍛溫度，在模鍛過程中，毛坯和模具溫度基本保持不變的模鍛工藝，其優(yōu)點(diǎn)是可減少甚至消除模具激冷和材料應(yīng)變硬化的影響；大大減小了變形抗力；提高了材料的成形性能，可模鍛出形狀復(fù)雜的精密鍛件。存在的問題是模具壽命短，生產(chǎn)效率低。等溫模鍛適合于加工鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金。

《熱精鍛工藝及其裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（下）》見《鍛造與沖壓》第3期