20世纪50年代,德国开始用闭式热精锻的方法试制直齿锥齿轮,后来被逐渐推广使用。中国开发应用热精锻齿轮起步于20世纪70年代初期,成熟于80年代中后期。1970年,上海机械工艺研究所和上海汽车齿轮厂对汽车差速器行星齿轮进行热精锻成形试验,并于1973年投资建立精锻车间进行批量生产。20世纪80年代,山东大学开展了伞齿轮热精密锻造研发,并实现了产业化。进入21世纪,精锻在中国获得迅速发展。华中科技大学开展了冷精锻的研发,并实现了轿车齿轮、轴类件的冷精锻成形。江苏将引进的冷锻装备及先进的模具加工设备与自身开发能力相结合,使精锻工艺达到了世界先进水平,其生产规模也排在世界前列。江苏自主开发了多种精锻,专业生产汽车、摩托车各类精密冷、温锻件,一些典型的高难度冷锻件,如轿车等速万向节外套、星形套、变速箱传动轴等均已实现批量生产。
精锻
零件锻造成形后只需少量加工或不再加工即符合零件要求的少无切削加工方法。
- 英文名称
- precision forging
- 所属学科
- 机械工程
精锻可以分成热精锻、温精锻、冷精锻和复合精锻4类。①在金属再结晶温度以上进行的锻造称为热精锻。②在高于室温和低于再结晶温度范围内进行的锻造称为温精锻。以钢为例,钢的再结晶温度约为727℃,因此一般采用800℃作为热精锻与温精锻的划分线(实际生产中始锻温度在850~900℃仍称为温锻)。③在室温下进行的锻造称为冷精锻(或称为冷锻)。④由于零件成形的需要,将热锻或温锻与冷锻技术结合,发展了复合精锻。
热精锻利用变形材料在热态下塑性较好的特性,先将材料加热到金属的再结晶温度以上,再采用锻压机械使其在成形模具中通过一次或多次变形,从而得到精度较高成形工件的方法。热精锻加热温度高,金属变形抗力小,材料塑性和流动性好,所需设备吨位小,可以成形形状复杂的工件。但也正由于加热温度高,容易产生氧化、脱碳等问题,降低了产品的尺寸精度和表面质量。
闭式模锻是热精锻常用的方法之一,由于下料不准,模具设计、制造精度不够等原因,闭式模锻最后合模阶段变形抗力很大。利用分流降压原理可以有效降低闭式模锻最终阶段模具型腔的内部压力,提高模具寿命。
等温精锻可以归入热精锻大类,常用于航空航天工业中的钛合金、铝合金、镁合金等难变形材料的精密成形,也用于汽车等行业中有色金属的精密成形。主要应用于锻造温度较窄的金属材料,尤其是对变形温度非常敏感的钛合金。
见温锻。
见精锻。
随着精锻工件的日趋复杂以及精度要求提高,单纯的冷、温、热锻已不能满足要求。复合精锻将冷、温、热锻进行组合共同完成一个工件的锻造,能发挥冷、温、热锻的优点,摒弃冷、温、热锻的缺点。复合精锻是精锻发展的一个重要方向。复合精锻可以分为热冷复合和温冷复合两种。①热冷复合,为热锻和冷锻的复合,分热锻和冷锻两个主要工步,并以热锻件为冷锻工步的毛坯。其一般工艺流程如下:下料→加热→热锻→切飞边、冲连皮→退火→清理→磷化皂化处理→冷锻→热锻冷锻件。②温冷复合,降低了锻造温度,使冷锻前的毛坯具有更高的精度。
复合精锻在以下零件的成形中有优势:零件的体积重量较大,冷锻需要大吨位设备,而热锻又不能达到其精度要求的,如大型伞齿轮的精密成形;形状复杂且精度要求高的零件,只用冷锻难以成形的,如小汽车自动变速箱中的一些带齿形件;采用冷锻对热锻件进行二次成形加工后,可以省去某些加工难度较大的机械加工工序,有利于总加工成本的降低。
精锻应用比较多的新工艺有板料冷锻和管料冷锻。①板料冷锻,板料冲压与冷锻的交叉与综合:板料→平面应力变形+三向应力体积成形→复合锻件。形成一种复合成形工艺,即板料锻造成形工艺。针对板料冷锻成形的特点,研究板料冷锻成形流动规律,提出有效的板料增厚成形方法,拓宽其在变厚度精密零件的开发上的应用,已成为板料冷锻的发展目标。②管料冷锻,代表性工艺为旋转锻造工艺,具有以下优点:锻件纤维流线连续,表面精度较高;锻件表面的附加压应力提高了锻件的抗弯强度;锻件的表面硬度明显增加,提升了锻件的力学性能。随着汽车轻量化的发展,空心结构件的使用将会越来越广泛。
精锻应用比较多的技术有精锻精确数值模拟和伺服压力机精锻。①精锻精确数值模拟,借助商业化有限元模拟软件,设计并分析精锻已经成为中国部分精密锻造企业技术中心的日常工作。但是精确数值模拟技术有待完善。研究冷锻成形过程的精确建模方法,实现冷锻成形全流程的数值模拟,精确预测锻件缺陷与模具应力状况,以及锻件力学性能,并在此基础上完成冷锻工艺的多目标优化,成为冷锻精确数值模拟技术的发展目标。②伺服压力机精锻,伺服压力机可根据不同的生产需要设定不同的行程长度和成形速度,运行噪声超低,由于没有传统机械压力机的飞轮、离合器、制动器部分,电力损耗少和润滑油用量小,机器使用成本低;具有工作特性可变、效率高、精度高、柔性高、节能环保等优点。
精锻原材料主要是各种成分的碳素钢和合金钢,即传统的黑色金属材料。随着社会和经济的发展以及节约能源的需求,铝、镁、铜、钛等有色金属材料及其合金的使用量在迅速增加。材料的原始形态主要为棒料,也有铸锭、金属粉末和液态金属等。棒料的晶粒组织均匀,机械性能良好,形状和尺寸准确,表面质量好,有利于大批量生产。
精锻是先进制造技术的重要组成部分,较传统成形技术减少了后续的切削加工量,可以减少材料、能源消耗,缩短加工工序,提高生产效率,保证产品质量,降低生产成本,是汽车、采矿、航空、航天、兵器、能源、建筑等行业中应用广泛的零件制造工艺。精锻主要应用于以下两个方面:生产净形零件,例如齿形部分不用机械加工即可直接使用的精锻齿轮;生产近净形零件(精化毛坯),以减少后续机加工量。
智能制造和绿色生产是精锻技术的未来发展方向。智能制造的基础是自动化,在此基础上还需要推进信息化和精锻行业的深度融合。采用无污染、低功耗、可重复利用精锻方法是绿色生产的途径。
扩展阅读
- 夏巨谌.金属材料精密塑性加工方法.北京:国防工业出版社,2007.
- 海锦涛.塑性成形技术的新思路.中国机械工程,2000,11(Z1):180-182.
- 王忠雷,赵国群.精密锻造技术的研究现状及发展趋势.精密成形工程,2009,1(1):32-38.