精密塑性近凈成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

摘? 要：本文綜述了精密塑性近凈成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了溫-冷復(fù)合近凈成形技術(shù)、溫鍛-冷精整復(fù)合成形技術(shù)、長壽命模具技術(shù)、復(fù)雜精鍛件精度控制技術(shù)以及綠色生產(chǎn)線改進(jìn)技術(shù)。隨后進(jìn)一步指出了精密塑性近凈成形技術(shù)發(fā)展過程中存在的問題與技術(shù)難點(diǎn)，并結(jié)合生產(chǎn)實際與產(chǎn)業(yè)政策提出了精密塑性近凈成形技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：精密塑性近凈成形技術(shù);溫-冷復(fù)合近凈成形;長壽命模具技術(shù);復(fù)雜精鍛件精度控制

引言

精密塑性近凈成形技術(shù)是利用金屬材料的塑性，借助于模具裝備，通過壓力加工的方式，生產(chǎn)接近最終形狀的機(jī)械零件。該技術(shù)具有提高零件綜合力學(xué)性能、少無切削、便于組織大批量生產(chǎn)等重要特點(diǎn)[1]。對一般零件，應(yīng)用該技術(shù)可節(jié)約原材料30%，減少切削加工余量50%以上;對復(fù)雜型面零件，如齒形零件、帶球形等異形曲面的萬向節(jié)類零件等，優(yōu)勢更為明顯，復(fù)雜型面成形后無需切削加工，與切削加工相比生產(chǎn)效率提高20～30倍。因此該技術(shù)屬于節(jié)材、節(jié)能、高效、短流程（減少加工工序、縮短工藝路線）的綠色制造技術(shù)，在汽車工業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。塑性近凈成形技術(shù)的水平已成為衡量一個國家制造水平的重要標(biāo)志[2]。

近年來，德、日等國在數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用研究、自動化生產(chǎn)、模具壽命、應(yīng)用領(lǐng)域及提高鍛件精度等方面都有長足的發(fā)展。我國50年代開始塑性凈成形技術(shù)的理論與應(yīng)用研究，但發(fā)展緩慢，其主要原因為：沒有形成適合國情的關(guān)鍵技術(shù)，生產(chǎn)與模具裝備相對落后。由于鍛造模具工況環(huán)境比較惡劣，所承受工作載荷、熱應(yīng)力大，導(dǎo)致模具壽命較低，常用的模具材料H13、3Cr2W8V和H11，國內(nèi)鍛模平均壽命只有4000-5000件左右，使得鍛件的生產(chǎn)成本偏高，競爭力減弱，嚴(yán)重制約著精密塑性近凈成形技術(shù)的發(fā)展。

1 精密塑性近凈成形技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

（1）溫-冷復(fù)合近凈成形過程中數(shù)值模擬技術(shù)

溫冷復(fù)合近凈成形技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種精密鍛造成形工藝，其既能夠有效降低變形抗力，還結(jié)合了冷加工的成形精度[3]。目前，其研究的重點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

① 建立中碳鋼及中碳合金鋼溫塑性成形過程的本構(gòu)模型。采用Gleeble3500熱模擬實驗機(jī)對中碳鋼及中碳合金鋼進(jìn)行熱壓縮實驗，依據(jù)實驗流動應(yīng)力曲線確定不同溫度下的本構(gòu)模型中的參數(shù)，并分析模型參數(shù)隨變形條件的變化規(guī)律。

② 正確處理金屬成形過程中的接觸摩擦潤滑問題，建立合理的摩擦模型和邊界條件，是確保模擬仿真準(zhǔn)確的關(guān)鍵技術(shù)之一。金屬成形過程中，工件接觸邊界的變化不僅是接觸面積和形狀的變化，還包括接觸面內(nèi)摩擦條件的變化。摩擦條件的變化尤為復(fù)雜，與加工溫度、速度、材料性質(zhì)、潤滑條件等因素有關(guān)。

（2）溫鍛-冷精整復(fù)合成形技術(shù)

在溫冷復(fù)合近凈成形的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出溫鍛-冷精整復(fù)合成形技術(shù)[4， 5]。通過溫冷工序的設(shè)計與優(yōu)化，進(jìn)一步發(fā)揮溫冷成形的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)球籠、角速萬向節(jié)、齒輪、軸類等形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件的高效短流程工藝。大變形主要由溫成形完成，重要尺寸精度和表面質(zhì)量由冷成形工藝保證。結(jié)合動態(tài)材料模型加工圖理論制定溫成形溫度、速度、變形量工藝參數(shù)，是提升鍛件質(zhì)量的關(guān)鍵。同時，充分利用溫鍛余熱，以控溫冷卻代替冷成形前材料軟化處理，進(jìn)一步縮短工藝流程。

（3）長壽命模具技術(shù)

鍛壓成形過程中，模具承受了極高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，其主要失效形式有磨損、斷裂、塑性變形和機(jī)械疲勞等[6]。因此，深入研究模具的失效機(jī)理并著力于提升模具壽命，是提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本的重要手段。

① 研究溫成形工步對模具壽命的影響。分析熱（溫度）-力（變形力、摩擦力）-化學(xué)介質(zhì)（潤滑劑）多物理場耦合作用下模具表面氧化、吸附、粘著、切削、開裂等物理、化學(xué)變化以及磨損和開裂的形成過程，探明精鍛模具的微觀磨損機(jī)理和開裂機(jī)制，建立模具壽命預(yù)測模型。提出減小模具應(yīng)力和載荷的方法。

② 研究模具熱處理工藝。研究高溫擴(kuò)散、真空淬火、深冷處理、表面激光強(qiáng)化、循環(huán)熱處理等熱處理工藝，改善模具材料的內(nèi)在組織，提高模具的承載能力。

（4）復(fù)雜精鍛件精度控制技術(shù)

對于復(fù)雜精鍛件，其成形精度的控制是至關(guān)重要的。同時，由于精密鍛造工藝過程的復(fù)雜性，鍛件的精度控制是一個系統(tǒng)性的工程。

① 分析成形件精度的影響因素。綜合考慮模具的彈性變形和磨損、工件的彈性回復(fù)、溫升引起的工件尺寸變化，以及機(jī)床的剛性對成形精度的影響。

② 建立模具和工件耦合的彈塑性-彈性三維熱力模型。分析模具的變形對工件尺寸精度的影響;建立溫度場模擬模型，分析溫升對制件尺寸的影響。建立壓力機(jī)工作模型，分析壓力機(jī)工作過程的彈性變形對工件尺寸精度的影響。

③ 研究考慮彈性變形行為和熱變形行為的模具補(bǔ)償與修正方法。探討現(xiàn)在常用補(bǔ)償與修模方法的不足之處，提出模腔補(bǔ)償與修正的新方法。

（5）綠色生產(chǎn)線改進(jìn)技術(shù)

通過選用合適的加熱設(shè)備、優(yōu)化坯料加熱速度和溫度等加熱參數(shù)，降低能源的消耗;選用噪音低的模鍛設(shè)備，并在設(shè)備安裝過程中安置減震降噪設(shè)施，降低車間噪音分貝，改善車間工作環(huán)境;運(yùn)用短流程技術(shù)，減少鍛件的加熱次數(shù)，從而降低鍛件后續(xù)熱處理的能耗，建立節(jié)能減排的綠色鍛造生產(chǎn)線[7]。

2.精密塑性近凈成形技術(shù)存在的問題

（1）材料利用率總體較低。

國內(nèi)外材料利用率整體上隨著工藝水平不斷上升，盡管有了很明顯的提高，但大部分仍處于毛坯生產(chǎn)階段，近凈成形技術(shù)推廣的領(lǐng)域較窄。盡管閉式鍛造工藝的材料利用率非常高，但是閉式鍛造對下料精度（質(zhì)量）要求較高，金屬過多會使變形功急劇增加，模具壽命下降，下料小則難以充滿模膛。而且必須設(shè)置頂料裝置，否則無法起模。閉式鍛造技術(shù)的自身弱點(diǎn)阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要新的成形工藝、技術(shù)來補(bǔ)充。C5034C9A-2782-470B-8851-8CF602C66F1E

（2）模具使用壽命有待提高。

由于鍛造模具工況環(huán)境比較惡劣，所承受工作載荷、熱應(yīng)力大，導(dǎo)致模具壽命較低，常用的模具材料H13、3Cr2W8V和H11，國內(nèi)鍛模平均壽命只有4000-5000件左右，使得鍛件的生產(chǎn)成本偏高，競爭力減弱，嚴(yán)重制約著精鍛行業(yè)的發(fā)展。

（3）能源消耗較大。

開展節(jié)能減排綠色生產(chǎn)已經(jīng)迫在眉睫。鍛后通常再次加熱進(jìn)行常規(guī)淬火、退火、正火和等溫正火獲得較好的組織、性能，但顯著增加了工藝流程和能耗。

3 精密塑性近凈成形技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著企業(yè)內(nèi)外部技術(shù)市場環(huán)境的不斷變化，汽車零部件行業(yè)的競爭日趨白熱化。開發(fā)近凈成形新技術(shù)，前期研究結(jié)果表明溫冷成形能夠較好應(yīng)用于等角速萬向節(jié)、齒輪、軸類等汽車傳動件的高效短流程工藝中，但工序設(shè)計、工藝參數(shù)的優(yōu)化還有待進(jìn)一步確定;通過有限元模擬與優(yōu)化，改善模具在工作中的受力狀況、減輕磨損、延長壽命。采用等磨損的模具設(shè)計思想、綜合優(yōu)化技術(shù)提高了模具壽命。采用分流減壓、同步充填成形的型槽設(shè)計方法，大大降低變形抗力，以達(dá)到延長模具壽命目的;在現(xiàn)代鍛造企業(yè)中運(yùn)用短流程技術(shù)，減少加熱次數(shù)和鍛造工步，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。通過控制鍛件的鍛后冷卻，防止形成粗大的鐵素體和珠光體以及析出網(wǎng)狀碳化物，使其直接獲得相當(dāng)于鍛后再次加熱進(jìn)行的常規(guī)淬火、退火、正火和等溫正火所得到的組織、性能。這樣常規(guī)的淬火、退火、正火和等溫正火的加熱工步均可以取消?？s短了工藝流程，降低了能耗。因此，在鍛造車間設(shè)計時，鍛造余熱熱處理應(yīng)納入工廠設(shè)計，把熱處理爐安排在大批量生產(chǎn)的熱模鍛設(shè)備機(jī)組內(nèi)，組成鍛造生產(chǎn)線和自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)綠色鍛造，并具有自主知識產(chǎn)權(quán)。

4 結(jié)語

精密塑性近凈成形技術(shù)不僅具有較高的成形精度，還有利于鍛造企業(yè)的節(jié)能減排，發(fā)展綠色鍛造。精密塑性近凈成形技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，一方面需要不斷發(fā)展借鑒國內(nèi)外的先進(jìn)制造經(jīng)驗，開拓創(chuàng)新，結(jié)合我國生產(chǎn)實際持續(xù)突破現(xiàn)有技術(shù)難題;另一方面，瞄準(zhǔn)精密塑性成形所面臨的關(guān)鍵共性難題，開展基礎(chǔ)性研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王瑤， 査光成， 謝斌，等. 螺旋傘齒輪近凈成形試驗研究[J]. 塑性工程學(xué)報， 2020， 27（4）：8.

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[3]楊暉慧. 汽車零件溫冷復(fù)合成形加工工藝探討[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品， 2017（3）：1.

[4]徐祥龍.冷、溫鍛造在中國的發(fā)展（上）[J].鍛造與沖壓，2020（09）：20+22+24+26+28+30.

[5]徐祥龍. 冷，溫鍛造在中國的發(fā)展（下）[J]. 鍛造與沖壓， 2020（11）：5.

[6]吳延昭， 王華君， 王華昌，等. 長壽命熱鍛模的磨損分析與壽命預(yù)測[J]. 鍛壓技術(shù)， 2011， 36（2）：5.

[7]王陽、滕紀(jì)云、汪興. 鍛造車間綠色制造技術(shù)應(yīng)用[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計， 2020（23）：3.

作者簡介：沈華賓（1987-），男，江蘇人，工程師，本科，主要研究方向：塑性成形及機(jī)械工程。C5034C9A-2782-470B-8851-8CF602C66F1E