精密塑性近凈成形技術的發展現狀及趨勢

摘? 要：本文綜述了精密塑性近凈成形技術的發展現狀，探討了溫-冷復合近凈成形技術、溫鍛-冷精整復合成形技術、長壽命模具技術、復雜精鍛件精度控制技術以及綠色生產線改進技術。隨后進一步指出了精密塑性近凈成形技術發展過程中存在的問題與技術難點，并結合生產實際與產業政策提出了精密塑性近凈成形技術未來的發展趨勢。

關鍵詞：精密塑性近凈成形技術;溫-冷復合近凈成形;長壽命模具技術;復雜精鍛件精度控制

引言

精密塑性近凈成形技術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，生產接近最終形狀的機械零件。該技術具有提高零件綜合力學性能、少無切削、便于組織大批量生產等重要特點[1]。對一般零件，應用該技術可節約原材料30%，減少切削加工余量50%以上;對復雜型面零件，如齒形零件、帶球形等異形曲面的萬向節類零件等，優勢更為明顯，復雜型面成形后無需切削加工，與切削加工相比生產效率提高20～30倍。因此該技術屬于節材、節能、高效、短流程（減少加工工序、縮短工藝路線）的綠色制造技術，在汽車工業、工程機械等行業具有廣泛的應用前景。塑性近凈成形技術的水平已成為衡量一個國家制造水平的重要標志[2]。

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

1 精密塑性近凈成形技術的發展現狀

（1）溫-冷復合近凈成形過程中數值模擬技術

溫冷復合近凈成形技術是20世紀70年代發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，還結合了冷加工的成形精度[3]。目前，其研究的重點主要有以下幾點：

① 建立中碳鋼及中碳合金鋼溫塑性成形過程的本構模型。采用Gleeble3500熱模擬實驗機對中碳鋼及中碳合金鋼進行熱壓縮實驗，依據實驗流動應力曲線確定不同溫度下的本構模型中的參數，并分析模型參數隨變形條件的變化規律。

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，是確保模擬仿真準確的關鍵技術之一。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，還包括接觸面內摩擦條件的變化。摩擦條件的變化尤為復雜，與加工溫度、速度、材料性質、潤滑條件等因素有關。

（2）溫鍛-冷精整復合成形技術

在溫冷復合近凈成形的基礎上，進一步發展出溫鍛-冷精整復合成形技術[4， 5]。通過溫冷工序的設計與優化，進一步發揮溫冷成形的優點，開發球籠、角速萬向節、齒輪、軸類等形狀復雜的結構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量由冷成形工藝保證。結合動態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，是提升鍛件質量的關鍵。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，進一步縮短工藝流程。

（3）長壽命模具技術

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

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）-化學介質（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理和開裂機制，建立模具壽命預測模型。提出減小模具應力和載荷的方法。

② 研究模具熱處理工藝。研究高溫擴散、真空淬火、深冷處理、表面激光強化、循環熱處理等熱處理工藝，改善模具材料的內在組織，提高模具的承載能力。

（4）復雜精鍛件精度控制技術

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

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、溫升引起的工件尺寸變化，以及機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。建立壓力機工作模型，分析壓力機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償與修正方法。探討現在常用補償與修模方法的不足之處，提出模腔補償與修正的新方法。

（5）綠色生產線改進技術

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

2.精密塑性近凈成形技術存在的問題

（1）材料利用率總體較低。

國內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階段，近凈成形技術推廣的領域較窄。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。而且必須設置頂料裝置，否則無法起模。閉式鍛造技術的自身弱點阻礙了其進一步發展，迫切需要新的成形工藝、技術來補充。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境比較惡劣，所承受工作載荷、熱應力大，導致模具壽命較低，常用的模具材料H13、3Cr2W8V和H11，國內鍛模平均壽命只有4000-5000件左右，使得鍛件的生產成本偏高，競爭力減弱，嚴重制約著精鍛行業的發展。

（3）能源消耗較大。

開展節能減排綠色生產已經迫在眉睫。鍛后通常再次加熱進行常規淬火、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的發展趨勢

隨著企業內外部技術市場環境的不斷變化，汽車零部件行業的競爭日趨白熱化。開發近凈成形新技術，前期研究結果表明溫冷成形能夠較好應用于等角速萬向節、齒輪、軸類等汽車傳動件的高效短流程工藝中，但工序設計、工藝參數的優化還有待進一步確定;通過有限元模擬與優化，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計思想、綜合優化技術提高了模具壽命。采用分流減壓、同步充填成形的型槽設計方法，大大降低變形抗力，以達到延長模具壽命目的;在現代鍛造企業中運用短流程技術，減少加熱次數和鍛造工步，提高生產效率，節約成本。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狀碳化物，使其直接獲得相當于鍛后再次加熱進行的常規淬火、退火、正火和等溫正火所得到的組織、性能。這樣常規的淬火、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，在鍛造車間設計時，鍛造余熱熱處理應納入工廠設計，把熱處理爐安排在大批量生產的熱模鍛設備機組內，組成鍛造生產線和自動化生產線，實現綠色鍛造，并具有自主知識產權。

4 結語

精密塑性近凈成形技術不僅具有較高的成形精度，還有利于鍛造企業的節能減排，發展綠色鍛造。精密塑性近凈成形技術的進一步發展，一方面需要不斷發展借鑒國內外的先進制造經驗，開拓創新，結合我國生產實際持續突破現有技術難題;另一方面，瞄準精密塑性成形所面臨的關鍵共性難題，開展基礎性研究。

參考文獻

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

[2]束學道. 零件軋制近凈成形：一種兼具理論與實用價值的先進成形技術[J]. 寧波大學學報：理工版， 2018， 31（1）：1.

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

[4]徐祥龍.冷、溫鍛造在中國的發展（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測[J]. 鍛壓技術， 2011， 36（2）：5.

[7]王陽、滕紀云、汪興. 鍛造車間綠色制造技術應用[J]. 工程建設與設計， 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：塑性成形及機械工程。C5034C9A-2782-470B-8851-8CF602C66F1E