哈工大研究生塑性体积成形大作业1

复杂构件精密锻造技术的新进展学院：材料科学与工程学院姓名：孙巍学号：14S109063摘要：本文综述了精密锻造成形技术的研究与应用现状，介绍了冷精锻、热精锻、温精锻、复合精锻工艺、等温锻造成型、复动锻造及分流锻造的应用现状和发展方向；并简单介绍了粉末锻造；最后对精密锻造成形技术发展方向进行了展望。关键词：复杂构件；精密铸造；进展材料、能源和信息是当代科学技术的三大支柱，材料成形与加工是现代材料科学的组成要素之一。近年来,随着机械工业，尤其是汽车工业的飞速发展，与国际竞争的日趋激化，零部件及其设计与生产过程的高精度、高性能、高效率、低成本、低能耗,已成为提高产品竞争力的主要途径。常规切削加工技术和普通锻造成形制坯工艺已难以满足发展要求，因此以生产尽量接近最终形状的产品，甚至是以完全提供成品零件为目标应是塑性加工技术变革的必然趋势和发展方向[1]。精密锻造成形技术作为先进制造技术的主要组成部分，伴随着汽车、摩托车、兵器、航空、航天、电子以及通用机械等支柱产业的需求与发展而得到了迅速的发展，并已成为提高产品性能与质量,提高市场竞争力的关键技术与重要途径。因为精密锻造成形不但可以节材、节能，缩短产品制造周期，降低生产成本，而且可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织结构与性能，从而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、可靠性和使用寿命[2]。精密锻造成形技术，亦称近形或近净成形技术，是指零件成形后仅需要少量加工或不再加工就可以用作机械构件的成形技术，即制造接近零件形状和尺寸要求的毛坯。它是在普通锻造成形工艺的基础上逐渐完善和发展起来的一项先进制造技术，集合了新材料、新能源、信息技术、计算机技术等多学科高新技术于一体的应用技术，具有高效率、节能、节材、高精度、轻量化、低成本等优点。在20世纪70年代到90年代期间，精密锻造成形技术取得了飞速发展，并逐渐在发展中形成了由锻压设备、成形工艺、锻造模具、成形过程的数值模拟和工艺优化等构成的锻造成形体系。精密锻造成形过程中金属的流线沿零件外形分布合理而不被切断，不仅能提高零件的承载能力，而且还能够获得更好的组织结构，得到安全性、可靠性和使用寿命都较高、外观较好的产品，获得更好的经济效益。激烈的市场竞争也使得发展新型精密锻造成形技术成为制造业的主流趋势。目前，精密锻造成形技术主要应用于两个方面：精化毛坯（用精密锻造技术取代粗机械加工工序，即将精锻件直接进行精切削加工得到成品零件）和精锻零件（一般用于精密成形零件上难切削加工的部位），而其他部位仍需进行少量的切削加工[3]。1.1各种精密锻造成形工艺精密锻造成形工艺可按多种方式分类，按成形温度可分为：高温、中温、室温、超塑等温精锻成形；按变形时金属的流动情况可分为：开式、闭式、半闭式精锻成形；按变形速度可分为：一般、慢速、高速精锻成形等。1.1.1热精锻工艺锻造温度在再结晶温度之上的精密锻造工艺称为热精锻。热精锻材料变形抗力低、塑性好，容易成形比较复杂的工件，但是因强烈氧化作用，工件表面质量和尺寸精度较低。热精锻常用的工艺方法为闭式模锻，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，对设备和模具造成较大的损害。解决该问题常用的方法是分流降压原理,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。当型腔完全充满后坯料的多余金属从分流腔孔挤出,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。早在20世纪50年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开始用闭式热模锻的方法试制直齿锥齿轮。热精锻齿轮技术的开发应用在我国起步于20世纪70年代初期,成熟于20世纪80年代中后期。1970年上海机械化工艺研究所和上海汽车齿轮厂合作,对美国大道奇T234汽车差速器行星齿轮进行热精锻工艺成形试验,并于1973年投资建立精锻车间,进行批量生产[4]；20世纪80年代，山东大学开展了伞齿轮精密锻造工艺研发，并实现了产业化。由于经济效益显着，近年来热精锻工艺获得了广泛的应用。1.1.2冷精锻成形将不加热的金属材料直接进行锻造称为冷锻，主要包括冷挤压与冷镦挤[5]。冷精锻工艺是在室温下锻造成形的一种精锻成形技术，冷态金属在压力作用下发生塑性变形，生成各种不同形状的精密锻件。冷精锻工艺由于在室温下成形，所以工件形状和尺寸较易控制，可避免高温带来的外形误差，锻件表面无氧化和烧损等热加工缺陷，具有高的表面质量和精度，可代替某些切削加工。同时，冷精锻产生的加工硬化效果可使冷锻件的强度显着提高，因此冷精锻生产的制件精度比温精锻和热精锻都要高，在精密成形领域有着其独特的优势。但在冷锻成形过程中，工件塑性差、变形抗力大、填充效果差，对模具和设备要求高，而且很难成形结构复杂的零件。冷精锻成形技术比较适合多品种小批量生产，主要用来制造汽车、摩托车的各种零部件以及一些齿形零件，如早期的活塞销、轮胎螺母、球头销，现今的等速万向节、发电机爪极、花键轴、起动齿轮、差速器锥齿轮、十字轴、三销轴、螺旋锥齿轮、汽车后轮轴、轿车等速万向节外套、星形套、变速箱传动轴、斜齿轮[6]等各种零部件。1.1.3温精锻工艺温精锻是在再结晶温度之下某个适合的温度下进行的精密锻造工艺。温锻精密成形技术既突破冷锻成形中变形抗力大、零件形状不能太复杂、需增加中间热处理和表面处理工步的局限性，又克服了热锻中因强烈氧化作用而降低表面质量和尺寸精度的问题。它同时具有冷锻和热锻的优点，克服了二者的缺点。但是温精锻工艺锻造温度低、锻造温度范围狭窄且对其锻造范围要求较为严格，需要高精度专门的设备，而且对模具结构和模具材料有较高的要求[7]。1.1.4复合成形复合成形突破了传统锻造加工方法的局限性，或将不同种类的锻造加工方法组合起来，或将其它金属成形方法（如铸造、粉末冶金等）和锻造加工方法结合起来，使变形金属在外力作用下产生塑性流动，得到所需形状、尺寸和性能的制品。复合成形扩展了锻造成形的加工对象，有效利用了不同成形工艺的优势，具有良好的技术经济效益。精冲与挤压，热锻与冷整形，温锻与冷整形，热锻与温整形等各种相互交叉的复合成形都在迅速发展。等速万向节外套的温锻-冷精整成形如图1所示：图1采用温锻-冷精整成形的等速万向节外套Fig.1Warmforgingandcoldsizingofthehousingofconstantvelocityuniversaljoint30CrMnSiNi2A超高强度钢壳体零件温挤压-冷变薄拉深如图2所示。汽车用交流发电机转子工件通过4次温挤（变形力分别为500,1659,2000,250kN）、5次冷挤（反挤、弯曲、冲孔、精压，变形力分别700,1250,250,3300kN）成形。汽车差速器锥齿轮通过冷镦头、温成形、冲孔冷、精整生产，齿厚公差为±0.005mm，齿间误差为0.01~0.03mm，如图3所示。汽车联轴节每件质量为1~2.5kg，经过4~5道温挤（正挤、镦粗、冲边、反挤、成形等），然后再冷成形2次，其公差可达0.04~0.08mm。还有半闭式挤压预成形件生产带枝叉转向节锻件，冷/温挤联合成形生产100~400轴承套圈，采用铸造毛坯再精锻生产有色金属铝合金轮毂锻件等[8-20]。图2温挤压-冷变薄拉深成形的超高强度钢壳体Fig.2Warmextrusionandcolddrawingofshellbodyofultra-high-strengthsteel图3锥齿轮的温锻-冷整形复合精密锻造工艺Fig.3Combinedformingtechnologyofwarmforgingandcoldsizingforstraightbevelgear1.1.5等温锻造成形等温锻造与其他常规锻造的主要不同点在于：把锻模的温度控制在和毛坯加热温度大致相同的范围内，使毛坯在温度不变的条件下完成锻造的全过程。等温精密成形减小或消除了模具激冷和材料应变硬化的影响，提高了材料的塑性，不仅使变形抗力减小，而且有利于简化成形过程，以较少的变形工步成形具有复杂形状的锻件。采用等温锻造、近等温锻造成形技术可以为航空、航天、兵器、船舶、石油化工、工程机械、汽车行业提供所需的高温合金、钛合金、铝合金等难变形材料的等温锻件。等温锻造生产的飞机发动机、兵器弹药系统中的涡轮盘、压气机盘、安装边、轴、机匣、引信、发动机壳体等高温合金、钛合金、高强度铝合金锻件[21-23]如图4所示。图4等温锻造成形的航空、兵器用高强度锻件Fig.4High-strengthforgingsofisothermalforgingforaviationandordnance1.1.6复动锻造（闭塞锻造）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或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5）。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[24-26]。图5闭塞锻造原理图Fig.5Theschematicdiagramofclosed-dieforgingprinciple1.1.7分流锻造分流锻造的关键技术是在毛坯或模具的成形部分建立一个材料的分流腔或分流通道，以保证材料填充效果良好。锻造成形过程中，材料在充满型腔的同时，部分材料流向分流腔或分流通道，形成分流状态，从而有利于难成形部位的充填或只充填希望成形的部位（图6）。分流锻造因避开封闭状态，所以能够在模具容许压力范围内成形齿轮等零部件，成形的零件可达到无需后续加工的精度、且有利于提高模具寿命。该工艺的关键技术是设计合理的坯料形状或模具结构，确定合理的分流腔或分流道的位置。在生产加工中，该技术通常结合其他成形工艺共同完成锻造过程。目前，分流锻造技术主要应用于正齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形工艺。分流锻造技术的应用，使得较高精度齿轮的少，无切削加工迅速达到了产业化规模[27-29]。图6分流锻造原理图Fig.6Thediagramofshuntforgingprinciple2.1其它精密锻造成形方法锻造所用的坯料一般均为体积毛坯。现今大力发展的粉末锻造成形工艺能提高粉末冶金件的密度，大大提高了粉末冶金件的抗拉强度，从而大大扩大了它的应用范围。用粉末锻造成形加工的连杆早已问世，并在生产实践中得到应用[30-31]。另外，用板料的冲锻成形工艺过程也在发展之中[32-33]。3.1结语精密锻造成形技术近20年来发展迅猛，并在我国获得了广泛的工业应用。精密锻造成形工艺和锻造成形装备的数字化、自动化、精密化、专门化和绿色化是精密锻造成形技术以后发展的重要内容。在目前我国经济高速发展、国内需求旺盛和提倡可持续发展的今天，若能把握这一发展机遇，将会显著提高我国在精密锻造成形工艺和锻造成形装备的制造水平。参考文献：[1]胡亚民,华林,伍太宾,等.锻造工艺过程及模具设计[M].北京:中国林业出版社,北京大学出版社,2006.[2]谢谈,贾德伟,蒋鹏,等.精密塑性成形技术在中国的应用与进展[J].机械工程学报,2001,37(7):100-104.[3]谢水生,李强,周六如.锻压工艺及应用[M].北京:国防工业出版社,2011[4]赵军华,莫江涛,成国发等.直齿锥齿轮精锻技术现状和发展[J].金属加工(热加工),2008,(17):15-18.[5]LouvisEleftherios,FoxPeter,SutcliffeChristopherJ.Selectivelasermelingofaluminiumcomponents[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2011,211(