精密鍛造裝備技術的發展現狀與未來趨勢

文/趙婷婷·山東理工大學機械工程學院

崔來勝·淄博奧瑞科機電科技有限公司

畢義儉，岳昆鵬·山東科匯電力自動化有限公司開關磁阻電機事業部

張元良，朱元勝·青島青鍛鍛壓機械有限公司

精密鍛造裝備技術的發展現狀與未來趨勢

文/趙婷婷·山東理工大學機械工程學院

崔來勝·淄博奧瑞科機電科技有限公司

畢義儉，岳昆鵬·山東科匯電力自動化有限公司開關磁阻電機事業部

張元良，朱元勝·青島青鍛鍛壓機械有限公司

精密鍛造技術是先進制造技術的重要組成部分，是支撐國家汽車工業、高速列車、飛機制造、船舶制造、航空航天以及能源工業、兵器工業等眾多行業的重要制造技術。精密鍛造技術是凈成形或近凈成形的標志性技術，是鍛造行業生產技術發展的終極目標，所成形的精鍛件具有與最終零件相一致的形狀尺寸、高精度、低表面粗糙度值。精鍛件只要少量切削加工或無切削加工，就可直接用作最終零件，不僅減少了傳統制件的切削量，減少了材料和能源消耗與加工工序，降低了生產成本，提高了生產效率和產品質量，提高了企業產品的市場競爭力，而且還使得金屬流線沿零件輪廓合理分布，獲得更好的材料組織結構與性能，在更輕的制件質量的基礎上，具有更高的產品安全性、可靠性和使用壽命。

我國的精鍛技術已走過了五六十年的發展歷程，生產的產品從冷壓螺栓到冷擠花鍵，從精鍛錐齒輪到精鍛葉片，從精鍛汽車車橋、精鍛列車鉤尾框到精鍛飛機整體隔框；生產用的材料從碳鋼、鋁合金、鈦合金、合金鋼和高強度鋼到硬質合金；工藝則從熱精鍛、等溫精鍛、溫精鍛到冷精鍛。隨著社會經濟與工業生產的不斷發展，精鍛產品種類越來越多，用途越來越廣，所生產的精鍛件達到了7級精度與表面粗糙度R a為1.6μm的產品技術指標要求。但是，在2010年我國生產的1028萬噸鍛件中，精鍛件還不足5％。在低碳經濟、綠色工業的推動下，更多的鍛造企業擁有精密鍛造的技術，更多的金屬零件通過精密鍛造生產是鍛造行業未來發展的趨勢。

關鍵技術

鍛造是利用設備和模具對金屬鍛坯施加壓力，使其產生塑性變形以獲得一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鍛造分自由鍛、模鍛和特種鍛造。鐓鍛、輥鍛、軋鍛、擠壓、旋壓、輾壓等坯料體的塑性成形工藝可歸類于特種鍛造。精密鍛造是獲得與最終零件接近一致鍛件的鍛造方法的統稱。

影響精密鍛造的因素有以下三種：

⑴與鍛坯有關的因素。如鍛坯形狀尺寸精度、鍛造溫度、可鍛性、加熱和氧化情況等。

⑵與模具有關的因素。如型腔模材料、溫度、型腔形狀尺寸（拔模斜度、圓角半徑等）、工件變形的程度、型腔清理、摩擦力與摩擦速度、潤滑條件等。

⑶與設備有關的因素。如設備噸位、能量、行程次數、調模試模性能、悶模時間、頂出裝置和送料裝置等，最新的關鍵指標還包括速度、壓力的數控性能等。

圖1 影響精密鍛造的因素

因此，鍛造技術的三要素可概括為：鍛坯、模具和設備。

在鍛件的生產過程中，有效保持鍛坯、模具和設備這三要素的各參數高精度地重復，不發生變化，參數穩定一致，從而使所生產的鍛件形狀尺寸穩定一致，則能夠得到公差小的高精度鍛件。由此可知，鍛造三要素重復精度是精密鍛造工藝的生產條件，是精密鍛造的關鍵技術之一。

鍛件的形狀尺寸越接近最終零件，切削加工余量越少，就越接近凈成形。例如，最終零件的外形沒有拔模斜度，則鍛件的拔模斜度越小越接近精密鍛造。由此，鍛件形狀尺寸與最終零件接近一致是精密鍛造工藝的設計條件，是精密鍛造關鍵技術的另一目標要求。

綜上所述，精密鍛造的關鍵技術是其工藝設計技術和其工藝生產技術，目標是使鍛件形狀尺寸與最終零件接近一致，并使鍛坯、模具和設備所提供的成形工藝參數保持高的重復精度。

圖2 精密鍛造的關鍵技術

精鍛設備現狀與存在的問題

我國的精鍛技術在國家經濟需求的推動下，發展速度較快。隨著制造業的不斷提升，精密下料、少無氧化加熱等技術的進步，鍛坯技術已趨于成熟。在多工序、多工位的工藝支撐下，各工位的工件變形程度減小，鍛件形狀尺寸的合格率得到了有效保證，加之計算機三維軟件輔助的CAD智能設計、CAE智能分析、CAM智能制造技術的應用，使模具技術也逐步趨于成熟。而長期以來，精密鍛造所用設備幾乎沒有得到實質性的改進。落后的設備技術成為精鍛技術進一步發展的瓶頸，現對設備技術的現狀與存在的問題作如下分析。

錘上模鍛

長期以來，錘上模鍛是我國模鍛生產的主要方法。錘上模鍛長期沿用傳統的氣動鍛錘，近期的新進展是液壓鍛錘的應用。液壓鍛錘的打擊能量可數控，鍛造精度高于氣動鍛錘。但是，無論是氣動鍛錘還是液壓鍛錘，都存在如下問題：一是沒有封閉的錘身，其砧座下模與錘身和上模分離，上模、下模分別受地面振動影響，難以保持打擊力的重復精度和位置重復精度；二是錘擊速度過快，模具受沖擊力過大，模具磨損快；三是難以強力頂出。因此，使用錘類設備進行鍛造生產，拔模斜度大，鍛件公差大，難以生產出精密鍛件。

摩擦壓力機上模鍛

長期以來，摩擦壓力機上模鍛是我國半精鍛生產的主要方法。相比鍛錘，摩擦壓力機具有封閉機身、下模穩定的優勢，但存在的問題有：打擊能量不能數字化重復控制，打擊力誤差大，摩擦傳動能耗很大。所生產的鍛件，雖然比錘上模鍛的鍛件精度高，但難以滿足高精度鍛件的要求。如果解決了摩擦壓力機存在的問題，精密鍛造技術將得到進一步發展。

離合器式螺旋壓力機上模鍛

離合器式螺旋壓力機又稱高能螺旋壓力機，屬于壓力限定性設備，其壓力由離合器控制。在鍛件的生產過程中，若能夠保持壓力高精度的重復，則所生產的鍛件精度就高。但該類設備有兩套主運動系統，存在能耗大、悶模時間長、易出故障及難維護的問題。如果解決了離合器式螺旋壓力機存在的問題，精密鍛造技術也將得到更廣泛的發展。

電動螺旋壓力機上模鍛

電動螺旋壓力機適合精密鍛造，現有的德國技術機型由變頻電機驅動。雖然該機型的打擊能量可以設置，但存在電機發熱較大、能耗較大、啟動性能差的問題。解決了電動螺旋壓力機存在的以上問題，將使精密鍛造技術得到快速發展。

液壓機上模鍛

液壓機是壓力限定性設備，屬于靜壓力成形。液壓機適合慢速的精密鍛造工藝?，F有液壓機由閥控液壓系統驅動，存在閥易損、耗能大、發熱大的問題，部分帶有調壓調速設備的液壓系統需要水冷卻，如圖3所示。解決了液壓機存在的問題，將使液壓機上精密鍛造技術得到迅速發展。

曲柄壓力機上模鍛

曲柄壓力機又稱熱模鍛壓力機，是位置限定性設備，比較適合生產精密鍛件，但存在如下問題：一是閉式模鍛易悶車，開式模鍛飛邊大；二是巨大的飛輪慣性與機身受力的彈性變形，可導致調模困難和悶車故障；三是存在電機空轉耗能和摩擦離合器耗能的浪費現象。解決了曲柄壓力機存在的問題，將使曲柄壓力機上精密鍛造技術得到進一步的發展。

綜上所述，模鍛設備存在的問題是制約精密鍛造技術進一步發展的瓶頸。

圖3 液壓系統的控制閥與水冷系統

設備問題的解決和精鍛技術的實現

為了解決鍛造設備存在的問題，國外最新的技術是采用永磁交流伺服驅動，這種方式雖然實現了精確數控，但交流伺服存在啟動電流大、抗沖擊性能差和價格昂貴的缺陷。

進入21世紀，開關磁阻數控系統技術的成熟為解決鍛造設備存在的問題提供了有效的、可行的和實用的解決方法。開關磁阻電機的轉子既無繞組，也無導體、永磁體，抗沖擊性好，啟動性能好，高效節能（比變頻調速節能10％以上），自動數控，特別適合鍛造設備的性能需求。采用開關磁阻電機改造設備后，增加了設備的數控功能，取得了節能效果，完善了設備的性能，實現了精密鍛造技術的進一步發展。

在開關磁阻設備出現之前，有的企業投入巨資進口國外的交流伺服設備；在開關磁阻設備出現之后，眾多企業不再購買進口設備，而是改造現有設備或購置開關磁阻設備，進行精密鍛件的生產。

在政府部門節能政策的導向下，對傳統設備進行節能數控改造正在各地的鍛造行業實施。通過對設備的改造，既解決了設備存在的問題，又使生產技術得以提升，繼而可實現精密鍛件的生產，如圖4所示。通過對設備的改造，企業無需投資購置專用精鍛設備，節省了精鍛件生產的設備投資和使用費用，有效地促進了精鍛件生產的快速發展。

圖4 實施精鍛生產技術的途徑

圖5 節能數控螺旋壓力機

通過采用開關磁阻電機及其數控系統，對鍛造設備進行改造，從而獲得節能數控功能，是實現精密鍛造的最佳方案。改造后的鍛造設備具有了高效節能、數控性能好、啟動性能好、抗沖擊性能好、可靠性高的優勢，有效地解決了模鍛設備所存在的問題，為精密鍛造技術提供了工藝參數重復性能高的精鍛工藝生產條件。具體技術有如下幾種。

節能數控螺旋壓力機上精鍛技術

圖6 開關磁阻電機直驅螺旋壓力機

將原摩擦壓力機的摩擦盤去掉，通過花鍵機構或直齒輪螺旋運動機構，實施摩擦壓力機的改造，如圖5所示。去掉原離合器式螺旋壓力機的離合器和回程液壓系統，采用開關磁阻電機驅動螺旋壓力機，如圖6所示。低速開關磁阻電機可以直接驅動螺桿，也可以采用電機轉速額定值750r/min，通過一級減速系統驅動螺桿。將鍛坯置于螺旋壓力機的模具上，開關磁阻電機驅動螺旋副與滑塊運動，數控系統通過電機速度數控打擊能量，壓力由噸位儀數字化顯示，開關磁阻電機驅動螺旋副帶動滑塊頻繁啟停換向運動，解決了摩擦壓力機所存在的問題。相比摩擦壓力機節能67.86％，還解決了離合器式螺旋壓力機所存在的問題，結構簡單，免維護，也解決了變頻螺旋壓力機所存在的問題，節省了風冷系統，實現了打擊速度、打擊能量、打擊力的數字化重復性控制，有效地提高了鍛件的重復精度，如圖7所示。

圖7 開關磁阻螺旋壓力機上生產的精鍛件

節能數控曲柄壓力機上精鍛技術

采用開關磁阻電機驅動曲柄壓力機，將鍛坯置于曲柄壓力機的模具上，離合器在零速時結合，開關磁阻電機驅動曲柄與滑塊運動，小慣量飛輪實施全速降，數控系統通過電機速度數控打擊能量，壓力由噸位儀數字化顯示，滑塊停則電機停。此技術沒有了電機空轉能耗和離合器結合能耗，節能效果顯著。同時，調模時電機控制滑塊慢速下行，滑塊不過下止點可反轉上行，徹底解決了離合摩擦、調模試模困難和悶車故障的問題，實現了精密鍛造的無故障運行。

節能數控液壓機上精鍛技術

采用開關磁阻電機驅動液壓泵，將鍛坯置于液壓機的模具上，滑塊的速度由開關磁阻電機數控液壓泵的轉速控制，滑塊的壓力由開關磁阻電機轉矩數控液壓泵的壓力控制，實現了無閥數控液壓系統，節能效果顯著，徹底解決了液壓系統的閥故障問題和油發熱問題，實現了精密鍛造速度和壓力的數字化重復性控制。

發展趨勢

在低碳經濟和綠色工業的推動下，鍛造設備的節能數控技術將為精密鍛造帶來新一輪的技術進步，使精密鍛造技術在節能降耗、自動數控、降低成本、降低故障率、提高模具壽命方面取得突破。

精密鍛造技術的發展趨勢可從以下三個方面進行概括。

設備技術

⑴由于鍛錘設備的上、下模分別振動，難以生產高精度的精鍛件，且振動影響周圍環境。因此，隨著技術的進步，鍛錘將被逐步淘汰。

⑵現有的摩擦壓力機、液壓式螺旋壓力機、離合器式螺旋壓力機、曲柄（熱模鍛）壓力機、液壓機將在政府節能政策的導向下，實施節能數控改造。

⑶開關磁阻電機驅動的無閥液壓機、曲柄壓力機和螺旋壓力機作為新一代先進壓力成形技術，將逐漸改造并替代現有的設備，實現高效節能和自動數控，實現成形工藝參數的高精度重復，提高鍛件精度。

⑷多工位的精鍛工藝將由多臺設備連線與同步數控完成，將從根源上消除多工位偏載所造成的精度誤差、導軌導向誤差、磨損和故障隱患。

⑸在工業機器手、機器人的輔助下，開關磁阻電機驅動主運動配合交流伺服驅動進給運動將是未來的發展趨勢，通過數字化程序控制生產連線，將實現無人自動化、智能化生產。

模具技術

通過提高頂出力，減小拔模斜度，增加后續精壓工序，在數控速度和壓力的條件下，降低精壓模具的沖擊載荷和磨損，將有效提高鍛件的精度，使更多的鍛件通過精密鍛造工藝生產為精鍛產品。

鍛坯方面

采用精密下料技術和少無氧化加熱技術，將有效提高鍛坯的一致性，降低表面粗糙度值。

結束語

在我國經濟快速發展的推動下，精密鍛造技術在各行業獲得了廣泛的應用，但長期以來的設備技術落后問題，阻礙了精密鍛造技術的進一步發展。開關磁阻電機技術的應用，解決了模鍛設備的工藝參數數字化重復控制的難題，使設備具備了節能高效、數控性能好、工藝參數重復精度高、啟動性能好、抗沖擊性能好和可靠性高的精密鍛造所需求的生產條件。

開關磁阻節能數控驅動鍛造設備是我國自主研發的技術，相比國外最新的交流伺服技術，開關磁阻電機技術的節能效果更好，啟動性能更好，抗沖擊性能更好，投資與使用成本更低。該技術的應用，為鍛造行業的跨越式發展帶來了機遇。

依靠我國的自主產權技術，大力發展精密鍛造、強力促進節能降耗，加快改造淘汰落后產能，跨越式提升鍛造產業的技術水平，將為我國的精密鍛造行業插上騰飛的翅膀。

趙婷婷，教授，主要從事鍛壓工藝、模具與設備的研究與教學。主持的項目“基于開關磁阻系統的節能數控螺旋壓力機技術開發”獲得2011年度淄博市技術發明一等獎。