精密锻造文献小综述

一，总述类1.1.加工技术展望：塑性加工既是材料制备的主要手段,又是装备制造的重要环节,它正随着新材料的出现及对装备性能的不断完善而提出的新要求面临很多挑战与机遇,其发展总的趋是:(1)构件轻量化成形有两个主要途径,一是从材料角度,采用高强钢、铝合金和镁合金;二是从结构角度,采用管件液压成形和拼焊板成形。前一成形方法是“按需配料,物尽其用”;后一成形方法是“以空代实”,在减轻重量的同时保持构件有很高的刚度。应当指出,构件轻量化成形不仅仅是为了减轻产品的重量,而且还为其带来运行过程中显著的节能效果。(2)柔性化成形柔性化是制造业的总趋势,即是一种迅速适应产品与构件多变性的制造方式。这不仅是市场竞争的需求,也应是成形技术发展的趋势,不应再指望一套模具长期用下去的“几十年一贯制”。减少装备(包括模具)的数量无疑会增加制造的柔性,软模成形(含液压成形、聚氨酯成形及气压成形)可省去凸模或凹模,甚至不用模具的无模胀形已经得到应用,利用可调节的离散化模具成形将会越来越受到重视。(3)低载荷、节能化成形塑性加工往往需要很大的动力,成形过程中浪费很多的能量。因此,如何省力与节能是塑性加工界备受关注的问题。降低变形力的主要途径有三个,一是降低流动应力,如固-液态成形;二是减少接触面积,如单点成形;三是减少摩擦,如液压成形。(4)复合成形技术例如热冲压与淬火结合、激光加热与成形结合及成形与焊接结合等复合成形技术正得到重视。作为后者的实例,可以提到搅拌摩擦焊,它是将两块金属板沿界面用高速旋转棒产生高温大塑性变形而焊合在一起。1.2现状：航空、航天和汽车等高技术领域与高端产业的发展，不断要求零件的高性能、轻量化、高可靠性和功能高效化，由此导致零件的形状复杂化、大型整体化、薄壁化、大小几何尺寸极端结合。而零件在锻造过程中对工艺参数及其耦合作用极为敏感，并要经历复杂的不均匀变形和组织演化历程，这使得其锻造过程的优化设计与稳健控制极其困难。因此，从多场耦合、多尺度与全过程的角度深入研究并深刻认识大型复杂锻件高性能精密锻造过程中的变形机理与规律，发展形性一体化调控的理论与方法，进而发展数字化高性能热精密锻造技术，是解决我国大型复杂锻件成形制造问题的技术途径，具有带动国家制造技术和工业技术水平整体提升的关键作用。习惯将精密锻造成形技术分为：冷精锻成形、热精锻成形、温精锻成形、复合成形、复动锻造(闭塞锻造)、等温锻造以及分流锻造等。我国未来热精密锻造技术的重点发展方向包括:1)更加关注材料锻造过程中的微观组织协调变形机制，与理论分析相结合，建立高精度、高效率、多尺度、全过程的模型，为实现多场和多尺度模拟的整体优化设计奠定基础。2)基于多场、多尺度、全过程模拟仿真的大型复杂锻件成形成性过程的多参量、多目标、多约束优化设计，为实现形性一体化调控奠定基础。3)发展复合成形工艺，探索高性能热精密锻造技术的新原理、新方法。4)全过程、多尺度数值模拟数值模拟的发展总体趋势是快速与准确。目前数值模拟多用于单工序分析。近来通过多尺度数值模拟的方式,可以对多工序生产过程,含加热、各成形工序和其间冷却与随后热处理的组织与性能,实行全过程模拟。通过这种所谓的“多尺度”模拟方式,可以得到加工、处理全过程的宏观尺寸与微观组织的信息。二、典型精密锻造工艺：2.1闭塞锻造和热精密锻造2.2等温锻造和超塑性锻造2.3多向锻造2.4精密冷锻2.5径向锻造2.6特种锻造（1）摆动碾压（2）辊锻（3）楔横轧2.1（a）闭塞锻造2.11工艺：闭塞锻造成形工艺是最先进的精密锻造成形技术之一。它是在封闭凹模内通过一个两个冲头单向或双向复动挤压金属一次成形，获得无飞边的近净形精锻件的成形工艺。闭塞锻造的主要目的是提高材料利用率和减少加工工序。由于锻造是在封闭模腔内对坯料施加足够压力，再利用上、下冲头对模膛内的坯料进行挤压成形(图所以，锻造过程中坯料处于强烈的三向压应力状态，具有良好的塑性，可以一次成形复杂形状的零件，生产效率高，材料利用率高达85％～90％。而且金属流线沿锻件轮廓分布连续，具有良好的力学性能。与传统锻造工艺相比，锻件无飞边，尺寸精度高。闭塞锻造是一种无飞边模锻，其特点是凹模可分。成形过程为毛坯先定位，在一定的压力下凹模闭合，然后凸模加压成形。在整个锻造过程中，可控制上下模动作的先后及其速度，达到闭式模锻的最佳成果2.12产品：（1）侧向挤压：十字轴接（2）齿状筋肋成形，带十字槽的内座圈（3）背压成形当在金属流动方向或反方向施加适当的辅助压力时，可使原来不易锻造成形的零件变得可以锻造成形，这种成形法可称为背压成形闭塞锻造经一次变形就能获得较大的变形量和成形复杂的型面，特别适合形状复杂零件的生产制造。还能省去后续绝大部分的切削加工。使制造成本大幅下降。闭塞锻造主要用于生产圆锥齿轮(汽车差速器传动副)、轿车等速万向节星形套、管接头、十字轴、伞齿轮、星形套等产品。典型产品如应用浮动闭塞锻造技术生产制造2.13现状：闭塞锻造起始于20世纪80年代，90年代正式进入产业化应用。国内的江苏森威集团飞达股份有限公司、江苏飞船股份有限公司等已成功引入该技术并走在了国内同行的前列。2.14展望：（1）闭塞锻造技术在近年内还可很快向闭塞温锻和闭塞热锻领域推广，并延伸至铜合金、铝合金和镁合金锻件以及汽车行业以外的产品领域（2）闭塞锻造可分为单向、双向、三向、多向锻造。一般常用的是单向和双向锻造。后者制件毛坯流动行程短，流动阻力小，设备载荷低，流线均匀对称，制件质量好，用的是对称的浮动模具。是不是发展的方向之一？2.1(b)热精密锻造2.1.1定义：热精锻成形工艺源于20世纪50年代的德国，主要是指在再结晶温度之上的精密锻造成形工艺。2.1.2工艺/原理：热精锻时，高温作用致使材料变形抗力低、塑性好，容易成形形状比较复杂的锻件。但是，由高温引起的强烈的氧化作用，导致锻件表面质量较差，尺寸精度较低。热精锻成形工艺大多采用闭式模锻，但它对模具和设备精度要求较高，锻造时坯料体积必须严格控制。否则模具内部易产生较大压力，且在最后合模阶段的变形抗力较大，容易对模具和锻造设备造成较大的损坏。故在设计闭式模锻模具时，通常运用分流降压原理来解决此问题。即在封闭型腔最后充满的地方设置形状与尺寸大小合理的分流降压腔孔．当型腔完全充满后．多余的坯料金属从分流腔孔流出。这样既解决了坯料体积与型腔体积不能严格相等的矛盾．同时又降低了型腔的内部压力，有利于提高模具寿命，并由此也会产生很好的经济效益。2.1.3现状：田福样等人提出了螺旋伞齿轮无飞边一火两锻闭式模锻新工艺和新型模具结构嘲；国外的达纳公司对热精密闭式模锻，特别是锥齿轮和螺旋锥齿轮的精密闭式模锻做了比较深入的研究同．国内的洛阳华冠齿轮股份有限公司多年来也一直从事直齿锥齿轮的生产用。目前我国载重汽车所用的直齿锥齿轮大多采用热精锻成形工艺生产，其工艺流程为：下料、车皮、加热、预锻、终锻、切飞边、温精压(或冷精整)复合成形技术生产181．加工的齿形精度可达到8级，完全取代了切齿加工技术。由于经济效益显著，近年来热精锻技术已获得广泛的开发与。2.2等温锻造和超塑性锻造2.2.1(a)等温锻造等温锻造技术是指坯料在趋于恒定的温度下模锻成形的一种新兴精锻成形工艺。它与常规锻造的主要区别在于：它是将锻模的温度控制在和毛坯加热温度大致相同的范围内，解决了温差带来的急剧塑性变化，使热毛坯在被加热到锻造温度的恒温模具中．以较低的应变速率成形。等温锻造通常在真空或惰性气体气氛保护下进行，目的是为了防止工件和模具的氧化。等温锻造一般用于锻造温度范围较窄的材料。特别是对变形温度较敏感、难成形的金属材料和零件，如钛合金、铝合金、镁合金、薄的腹板、高筋和一些较薄零件等。等温锻造时金属在等温慢速的条件下变形，塑性显著提高，锻件纤维连续、力学性能好、各向异性不明显、余量小、精度高、复杂程度高、无残余应力，材料利用率高达60％～90％。由于常规热变形工艺中存在着因热变形过程中坯料温度降低而产生一系列影响产品质量的问题，使其发展和应用受到某种程度的限制。解决坯料在热变形过程中温度降低的问题大致有两种方法，即坯料保温和提高模具的预热温度。这样热模/等温锻造技术就发展起来了，所谓的等温成形技术就是提高模具的预热温度，使模具温度接近或者等于坯料的变形温度，并且在整个变形过程中保持这一温度。与普通锻造方法相比，等温锻造具有以下特点:(1)、没有模具激冷、表面氧化和局部过热，材料具有更理想的微观组织与机械性能。(2)、锻造载荷小，设备吨位大大减小。(3)、等温锻造可密切控制锻件尺寸，产品的形状比常规锻造更符合实际需要，从而节省了原材料，并且大大减少了机械加工和降低了成本。(4)、等温锻造可密切控制加工参数，使产品具有均匀一致的微观组织和优良的机械性能。等温锻造工艺与热模锻造工艺相比可以显著提高金属材料的塑性。模锻时，由于热效应放出大量的热量，使金属材料的温度升高，有可能使变形温度范围较窄的金属转变为脆性状态。等温变形的金属软化过程完全流动，在较低的变形速度下可“愈合”金属材料的显微裂纹。极大降低了金属的变形抗力。等温变形坯料的润滑效率提高。在慢速模锻时，金属呈超塑性状态。（晶粒尺寸，变形速率合适吗？）金属变形的抗力大大减小，模锻力相当于普通模锻的几分之一到几十分之一。形状复杂、薄壁、高筋锻件可一次成形。等温变形，金属流动性好和充型性好。在恒温保压下，有扩散蠕变机理作用，可充满型腔的尖角部位，获得轮廓清晰的锻件。在慢的变形速度下，锻件内部不存在残余应力，使锻件在冷却和热处理时变形减小，提高锻件的质量和几何稳定。锻件具有均匀的机械性能，等温变形，毛坯摩擦力的减小和温度场均匀，提高金属变形均匀性。成形后的晶粒仍为等轴晶，（5）机械性能各项同性，具有较高的抗应力腐蚀性能。前苏联、美国和英国等工业发达国家早在20世纪60年代初就开始了金属高温等温变形的研究而我国的等温锻造起步较晚．直到20世纪70年代等温锻造工艺在我国才得到了迅猛发展，并用于航天、航空、兵器、船舶、石油化工等行业中。北京航空材料研究院的杨洪涛、北京科技大学的朱磊、宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司的孟庆通以及宝钢集团上海五钢有限公司周建华等人对钛合金的等温锻造做了较深入的研究。等温锻造可分为等温精密模锻、等温超塑性模锻和粉末坯等温锻造三类．锻造时一般根据锻件材料和性能要求以及经济性和可行性分析选择合适的等温锻造工艺。2.2.2等温模锻的工艺设备（1）设备。等温模锻要求缓慢成型，因此变形设备通常采用液压机。液压机的规格，可根据等温模锻的变形力选定。大体上等温模锻的压力为普通模锻的1/5～1/10。（2）模具。由于等温模锻需将模具加热到毛坯的锻造温度，这就必须相应解决一些问题。铝镁合金的变形温度低，用5CrNiMo、3Cr3Mo3VNb等一般的模具钢作为等温锻模具材料就能满足要求。钛合金和高温合金的等温锻，则需寻找高温下能够长期稳定可靠工作而且不氧化的模具材料。一般应选择耐热性良好的合金作模具材料，目的是使其在等温锻造温度下的力学性能高于模锻材料的相应性能。尤其是模具材料的屈服强度，至少应为模锻材料屈服强度的三倍。英、美等国在锻造钛合金时，用得较多的模具材料为：：Inconel-713C、INl00、MAR-M200、Udimet700等，前苏联则用铸造镍基高温合金强ЖC6-K，ЖC6-Y，J1114。我国目前根据材料资源的情况，较多地选用K3铸造高温合金作为等温模锻钛合金用的模具材料。模锻材料是根据等温锻造的合金牌号和锻件的产量决定，选用高级的高温合金在经济上需要要做具体分析，在锻造小批量锻件时，一般可选用较低级的合金。高温合金、粉末合金等的等温模锻由于变形温度超过1000℃，所以不宜选用一般的铸造高温合金作模具材料，而要选用高熔点金属(如钼合金)或金属陶瓷作为模具材料。钼合金在大气中使用，500℃时就开始氧化，因此钼合金必须在真空或惰性气氛中使用。最近，用陶瓷作为模具材料有了新的进展。其强度、韧性低和收缩率大的弱点已有所改善。例如以高纯度的人造氧化铝(添加少量氧