精密鍛造設(shè)備技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(一)

精密鍛造設(shè)備技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(一)

Dec 07, 2020

摘要:綜述了精密鍛造成形技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,介紹了冷精鍛、熱精鍛、溫精鍛及復(fù)合精鍛工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向;分析了精密鍛造設(shè)備的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀;總結(jié)了精密鍛造模具的特點(diǎn),介紹了模具彈性補(bǔ)償、高速切削、模具補(bǔ)焊等先進(jìn)的模具設(shè)計、制造技術(shù);從數(shù)值模擬和反向模擬兩個方面綜述了成形過程,模擬技術(shù)在精密鍛造工藝中的應(yīng)用情況及存在的問題;介紹了精密鍛造工藝優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀。最后對精密鍛造成形技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

 

 

關(guān)鍵詞:精密鍛造工藝;鍛造設(shè)備;模具;數(shù)值模擬;反向模擬;工藝優(yōu)化

 

 

精密鍛造成形技術(shù)(凈成形)是指零件鍛造成形后,只需少量加工或不再加工即符合零件要求的成形技術(shù)。精密鍛造成形技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分,也是汽車、礦山、能源、建筑、航空、航天、兵器等行業(yè)中應(yīng)用廣泛的零件制造工藝。精密鍛造成形技術(shù)不僅節(jié)約材料、能源,減少加工工序和設(shè)備,而且顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,從而提高產(chǎn)品的市場競爭能力。

經(jīng)過30多年的發(fā)展,精密鍛造成形技術(shù)得到了飛速發(fā)展,取得了眾多的研究成果。文中從工藝方法、鍛造設(shè)備、模具、成形過程模擬和工藝優(yōu)化等5個方面,總結(jié)近年來精密鍛造成形技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,并對精密鍛造成形技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

 

 

1、精密鍛造工藝方法

目前已應(yīng)用于生產(chǎn)的精密鍛造工藝很多。按成形溫度不同可以分為熱精鍛、冷精鍛、溫精鍛、復(fù)合精鍛、等溫精鍛等。

 

 

1.1熱精鍛工藝

鍛造溫度在再結(jié)晶溫度之上的精密鍛造工藝稱為熱精鍛。熱精鍛材料變形抗力低、塑性好,容易成形比較復(fù)雜的工件,但是因強(qiáng)烈氧化作用,工件表面質(zhì)量和尺寸精度較低。熱精鍛常用的工藝方法為閉式模鍛,由于下料不準(zhǔn),模具設(shè)計、制造精度不夠等原因,閉式模鍛最后合模階段變形抗力很大,對鍛造設(shè)備和模具造成較大的損害。

 

解決該問題常用的方法是分流降壓原理,即在封閉型腔最后充滿的地方設(shè)置形狀與尺寸大小合理的分流降壓腔孔。當(dāng)型腔完全充滿后坯料的多余金屬從分流腔孔擠出,這樣既解決了坯料體積與型腔體積不能嚴(yán)格相等的矛盾,同時又降低了型腔的內(nèi)部壓力,有利于提高模具壽命。

 

 

早在20世紀(jì)50年代,由于缺乏足夠的齒輪加工機(jī)床,德國人開始用閉式熱模鍛的方法試制直齒錐齒輪。熱精鍛齒輪技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用在我國起步于20世紀(jì)70年代初期,成熟于20世紀(jì)80年代中后期。

 

1970年上海機(jī)械化工藝研究所和上海汽車齒輪廠合作,對美國大道奇T234汽車差速器行星齒輪進(jìn)行熱精鍛工藝成形試驗(yàn),并于1973年投資建立精鍛車間,進(jìn)行批量生產(chǎn)[;20世紀(jì)80年代,山東大學(xué)開展了傘齒輪精密鍛造工藝研發(fā),并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。由于經(jīng)濟(jì)效益顯著,近年來熱精鍛工藝獲得了廣泛的應(yīng)用。

 

 

1.2冷精鍛工藝

冷精鍛是在室溫下進(jìn)行的精密鍛造工藝。冷精鍛工藝具有如下特點(diǎn):工件形狀和尺寸較易控制,避免高溫帶來的誤差;工件強(qiáng)度和精度高,表面質(zhì)量好。冷鍛成形過程中,工件塑性差、變形抗力大,對模具和設(shè)備要求高,而且很難成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。為克服冷精鍛成形工藝變形抗力大、填充效果差的問題,相繼開發(fā)了一些新的工藝方法,主要包括閉塞鍛造、浮動凹模鍛造、預(yù)制分流鍛造等。

 

 

閉塞鍛造是在封閉凹模內(nèi)通過1個或2個沖頭,單向或?qū)ο驍D壓金屬一次成形。閉塞鍛造加工技術(shù)中所使用的上、下模具都是組合件,分別由上凹模、上沖頭、下凹模、下沖頭組成。在鍛造成形過程中,先將上、下凹模閉合,形成封閉模腔,同時對其施加足夠的壓力,然后用上、下沖頭對模膛內(nèi)的坯料進(jìn)行擠壓成形(如圖1所示)。在鍛造過程中坯料處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài),塑性好,可以一次成形復(fù)雜形狀的零件,生產(chǎn)效率高,而且金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布,鍛件的力學(xué)性能好。

浮動凹模鍛造技術(shù)中的凹模不是固定的,會隨著鍛造過程進(jìn)行發(fā)生浮動。這種設(shè)計降低了凹模與金屬變形體間的相對速度,減小了接觸面上摩擦力的影響,鍛件充填性能獲得較大提高,變形抗力大大下降。

 

 

分流鍛造法通過在鍛件某一位置設(shè)置溢流口,使材料在充填型腔的過程中始終有自由流動的余地,從而提高型腔填充性,降低變形阻力和加工載荷。為了改善直齒圓柱齒輪精密鍛造的充型情況,張清萍等提出了預(yù)制分流孔一分流鍛造的工藝方法。該工藝方法預(yù)鍛時上模與下模帶有凸臺,在坯料兩端中心部分鍛造出分流區(qū);在終鍛時,中心分流區(qū)起到分流材料的作用,改善了材料的流動狀態(tài),從而降低成形載荷,改善坯料充填性。

 

 

近年來,冷鍛工藝在國內(nèi)獲得一定的發(fā)展,江蘇太平洋精密鍛造公司引進(jìn)日本小松公司的冷鍛機(jī)和先進(jìn)的模具加工設(shè)備,是中國目前冷鍛設(shè)備條件最好的企業(yè)。江蘇大豐森威集團(tuán)汽車精鍛件廠是目前中國最大的專業(yè)化冷鍛廠,年產(chǎn)汽車、摩托車各類精密冷、溫鍛件總產(chǎn)量達(dá)4000t。一些典型的高難度冷鍛件如轎車等速萬向節(jié)外套、星形套、變速箱傳動軸等,在該廠均已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

 

1.3溫精鍛工藝

溫精鍛是在再結(jié)晶溫度之下某個適合的溫度下進(jìn)行的精密鍛造工藝。溫鍛精密成形技術(shù)既突破冷鍛成形中變形抗力大、零件形狀不能太復(fù)雜、需增加中間熱處理和表面處理工步的局限性,又克服了熱鍛中因強(qiáng)烈氧化作用而降低表面質(zhì)量和尺寸精度的問題。它同時具有冷鍛和熱鍛的優(yōu)點(diǎn),克服了二者的缺點(diǎn)。但是溫精鍛工藝鍛造溫度低、鍛造溫度范圍狹窄且對其鍛造范圍要求較為嚴(yán)格,需要高精度專門的鍛造設(shè)備,而且對模具結(jié)構(gòu)和模具材料有較高的要求。

 

 

1.4復(fù)合精鍛工藝

隨著精鍛工件的日趨復(fù)雜以及精度要求提高,單純的冷、溫、熱鍛工藝已不能滿足要求。復(fù)合精鍛工藝將冷、溫、熱鍛工藝進(jìn)行組合共同完成一個工件的鍛造,能發(fā)揮冷、溫、熱鍛的優(yōu)點(diǎn),摒棄冷、溫、熱鍛的缺點(diǎn)。表1為采用3種不同的工藝方法生產(chǎn)的直齒錐齒輪的技術(shù)性能比較,從表中可以可以看出,復(fù)合精鍛工藝生產(chǎn)的工件其機(jī)械性能、尺寸精度、表面粗糙度與其它2個工藝相比,都有所提高[]。因此,復(fù)合精鍛工藝是目前精鍛工藝發(fā)展的一個重要方向。

在國外,溫鍛十冷精整成形工藝以德國蒂森克虜伯公司為代表,他們的復(fù)合成形工藝代表了世界的領(lǐng)先技術(shù)。在國內(nèi),蔣鵬f5l和張崢嶸[6]等分別對熱、冷和溫、冷復(fù)合成形進(jìn)行了研究。上海鐵福傳動軸公司用溫鍛/冷整形工藝大批量生產(chǎn)轎車等速萬向節(jié)外星輪,江蘇太平洋精鍛公司采用熱(或溫)鍛/冷整形大批量生產(chǎn)齒輪等精鍛件。

 

1.5等溫精鍛工藝

等溫精鍛是指坯料在趨于恒定的溫度下模鍛成形。為了保證恒溫成形的條件,模具也必須加熱到與坯料相同的溫度。等溫模鍛常用于航空航天工業(yè)中的鈦合金、鋁合金、鎂合金等難變形材料的精密成形,近年來也用于汽車和機(jī)械工業(yè)有色金屬的精密成形。

 

 

等溫鍛造主要應(yīng)用于鍛造溫度較窄的金屬材料,尤其是對變形溫度非常敏感的鈦合金。等溫鍛造的零件一般具有薄的腹板、高筋和薄壁,此類零件坯料熱量很快被模具吸收,溫度迅速下降,采用普通鍛造方法,不僅需大幅度提高鍛造設(shè)備的噸位,而且也易造成模具的開裂。

 

1.6精密鍛造工藝的發(fā)展趨勢

隨著制造業(yè)的發(fā)展,對精鍛成形零件的要求越來越高,也對精密鍛造工藝的研究和發(fā)展提出了更高的要求,目前精密鍛造工藝研究的主要方向有以下幾方面。

 

 

1)持續(xù)不斷的工藝革新。為了滿足成形零件的要求,降低生產(chǎn)成本,需要不斷的開發(fā)成形精度高、模具壽命長、生產(chǎn)效率高的精密鍛造成形新工藝。

 

 

2)復(fù)合工藝的開發(fā)。隨著成形零件工藝要求的不斷提高,單一的精密鍛造很難滿足要求,這就需要開發(fā)復(fù)合成形工藝,將不同溫度或不同工藝方法的鍛造工藝結(jié)合起來,取長補(bǔ)短共同完成一個零件的加工制造。也可以將精密鍛造工藝與其它精密成形工藝如精密鑄造、精密焊接等工藝進(jìn)行組合,提高精密成形工藝的應(yīng)用范圍和加工能力。

 

3)基于知識的工藝設(shè)計。隨著精密鍛造設(shè)備工藝的不斷發(fā)展,工藝設(shè)計日趨復(fù)雜,為了提高工藝設(shè)計的可靠性和高效性,開發(fā)基于知識的專家系統(tǒng)是未來精密鍛造工藝設(shè)計的重要研究方向。

 

作者:王忠雷 趙國群(1.山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心,濟(jì)南250061;2.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,濟(jì)南250101)

 

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