熱精鍛工藝及其裝備的現狀和發展趨勢（上）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學

熱精鍛工藝及其裝備的現狀和發展趨勢（上）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學

熱精鍛工藝的特點及需求分析

熱精鍛工藝的特點及適用范圍

精鍛與普通熱模鍛工藝的相同點在于金屬材料在高溫下塑性好，模鍛時不易開裂；變形抗力小，所需設備噸位??；可采用自動化生產線實現多工位連續生產。

與普通熱模鍛工藝的不同在于鍛件飛邊小甚至無飛邊，機加工余量及公差小，材料利用率高；因節約材料而節省加熱能耗；減少后續機加工工時，提高了零件的生產效率。

熱精鍛工藝存在的不足主要有金屬特別是鋼在高溫時產生氧化皮，影響鍛件質量和模具壽命；金屬在加熱與冷卻時產生熱脹冷縮，鍛件尺寸精度難以控制。

熱精鍛工藝適用于所有金屬及合金材料，尤其是含碳量和含合金量高的金屬材料；但是如果鍛件質量大、輪廓尺寸大，即使含碳量和含合金量低也必須采用熱精鍛；適用于生產留有一定機加工余量的精密模鍛（精化）毛坯。

工業發達國家應用精鍛工藝的情況

美國制定的21世紀前20年的鍛造工業發展目標為：模具壽命比21世紀初延長10倍，單件模具成本減少50%；材料用量減少15%，鍛件廢品率減少90%；鍛造生產綜合能耗和人力/國際使用量之比減少75%；全員人均生產率提高50%，鍛造設備年均利用率達90%以上，鍛件平均成本降低60%；鍛件的用戶返回不良品率控制在25%以下，質量管理達到±8（標準偏差）的標準，使用中的鍛件故障為零；加熱中產生的有害物質最少或為零，車間噪聲控制在85dB以下。

日本21世紀前25年的鍛造技術發展戰略及計劃為：1）實現日本年產精密鍛件90萬噸，其精密模鍛件占模鍛件總量的37%，為了在全球化體制中，繼續保持最新鍛造技術的領導地位，建立鍛造技術開發中心，成為向世界提供研究、教育、信息的中心。2）實現輕量化、復雜形狀、高精度、凈形率、環保的目標，具體為產品制造廠、零部件組裝廠，以及鍛造專業廠相適合的集約化生產工程系統的構筑；發展材料利用率達到90%以上的凈形鍛造技術；利用各種組合技術延長模具壽命10倍以上；發展復雜形狀齒形件的高精度鍛造（凈形鍛造）技術；CO2的排放量削減25%，降低環境污染；完全再利用生產系統的確立；構筑人才培養體制和共同研究體制。

熱精鍛工藝技術的需求分析

由圖1和圖2可知，我國目前汽車模鍛件產量約占整個模鍛件產量的63%，為了節材、節能必須大量采用熱精鍛工藝技術生產；高鐵、動車、坦克及裝甲車等高速重載承力件要求以熱精鍛鋼件取代鑄鋼件；大功率發動機、轎車、無噪聲空調壓縮機等中高硅鋁合金零件要求以熱精密鍛件取代壓鑄件；應用成形過程數值模擬及工藝參數優化技術。

圖1 2006～2011年鍛件總產量

圖2 2006～2011年模鍛件總產量

熱精鍛工藝技術及裝備的進展

熱精鍛工藝技術及裝備的進展

⑴熱精鍛工藝的進展。

近年來開發出熱（溫）精鍛工藝生產的汽車零件有中高壓管接頭、萬向節叉、十字軸、花鍵軸套、餅盤類齒輪坯、大模數大直徑直錐齒輪、倒檔齒輪、結合齒輪、等速萬向節鐘形套、三銷滑套、爪極，電力金具中的單支耳、雙夾箍，轎車及軍工產品中的高強度鋁合金零件等，品種和數量大幅增加。

⑵精鍛裝備的進展。

1)進口與國產大中型模鍛壓力機品種和數量快速增長，主要是熱模鍛壓力機、多工位溫鍛壓力機，高能與電動螺旋壓力機、精鍛液壓機等；2）建立了多條自動化熱模鍛生產線，如連桿、前軸、曲軸、轉向節等機器人操作的熱模鍛自動化生產線；齒輪、齒輪坯、連桿類鍛件步進梁操作的熱精鍛自動化生產線。

與國外先進水平的差距

⑴精鍛工藝。1）我國模鍛件與鍛件總產量的比例仍然較低。日本、德國和美國等模鍛件產量占鍛件總產量的80%以上，我國2010年，模鍛件產量與鍛件總產量分別為690萬噸和1022.4萬噸，占比為67.49%；2011年，模鍛件產量與鍛件總產量分別為669萬噸和1067萬噸，占比為62.70%。2）我國精密模鍛件與模鍛件產量之比更低，日本模鍛件年產量約250萬噸，而精密模鍛件的占比為36%；德國模鍛件年產量略低于日本的產量，而精密模鍛件的占比為37%；我國精密鍛件產量約占模鍛件產量的6%～8%。所以，我國雖然模鍛件產量遠高于日本和德國，但其效益卻低于日本和德國。

⑵精鍛模具。模具壽命低，熱鍛模具壽命平均約為6000件，鍛模費用平均占鍛件成本的6%，為國外的2倍；大型復雜精鍛模具尚依賴進口。

⑶精鍛設備。通用設備多，大型、高精、高效精鍛設備依賴進口。

熱精鍛工藝的發展趨勢

閉式模鍛

開式模鍛（圖3a）時鍛件沿分模面周圍形成橫向飛邊，閉式模鍛（圖3b和圖3c）時不形成橫向飛邊，其中，圖3b為整體凹模閉式模鍛，圖3c為可分凹模閉式模鍛，也稱閉塞鍛造。

圖3 開式模鍛與閉式模鍛簡圖

表1 某型汽車變速箱齒輪閉式模鍛與開式模鍛用料的對比

閉式模鍛亦稱無飛邊模鍛，模鍛時坯料金屬在封閉的模膛中成形。因此，閉式模鍛可以使 鍛件的幾何形狀、尺寸精度和表面質量最大限度地接近于產品零件的幾何形狀、尺寸精度和表面質量。

閉式模鍛與開式模鍛相應指標加以比較，具有如下特點：

⑴金屬材料利用率高。閉式模鍛特別是可分凹模模鍛不產生飛邊，模鍛斜度為1°～3°，甚至無斜度，可以鍛出垂直于鍛擊方向的盲孔。這些優點能使金屬材料利用率從25%～70%提高到50%～90%，也就是說由有飛邊模鍛變為可分凹模無飛邊閉式模鍛，每生產1t鍛件平均能節約金屬材料200kg左右。表1為某型汽車變速箱齒輪閉式模鍛與開式模鍛的用料比較。

在模鍛件中，餅盤類中質量在2～3kg以內均可采用無飛邊閉式模鍛；長軸類中的小型階梯軸以及小型連桿均可采用單沖頭可分凹模閉式模鍛；枝叉類中質量在2～3kg以內的鍛件可采用單沖頭或多沖頭可分凹模閉式模鍛。據估計，可采用無飛邊模鍛的鍛件可達到整個鍛件產量的30%以上。小型汽車用的鍛件可采用且要求采用閉式模鍛生產的超過其所需鍛件的50%。隨著國產小汽車和引進小汽車用鍛件的國產化，閉式模鍛工藝節省金屬材料的優越性將得到更加充分的發揮。

⑵提高勞動生產率。采用可分凹模模鍛，常?？蓽p少甚至取消模鍛制坯工藝，還可省去切邊工步和一些輔助工步，生產率平均可提高50%以上，容易實現模鍛生產自動化。

⑶提高鍛件質量。閉式模鍛能使鍛件與成品零件的形狀非常接近或完全一致，使金屬纖維沿零件輪廓分布，變形金屬處于三向壓應力狀態，有利于提高金屬材料的塑性，能夠防止零件內部出現疏松，因此產品力學性能較一般開式模鍛件可提高25%以上；此外，由于無飛邊不會因切邊而形成纖維外露，這對應力腐蝕敏感的材料和零件抗腐蝕氣氛是有利的。

⑷節約加熱能耗。節約加熱能耗是伴隨提高材料利用率而產生的，餅盤類鍛件由開式有飛邊模鍛改為閉式無飛邊模鍛時，其材料利用率平均可提高15%。因此，加熱鍛件毛坯的電能同樣也可節約15%；若將閉式熱鍛改為閉式溫鍛，即將始鍛溫度由1200℃降低到800℃或800℃以下，則可節約加熱電能35%。

閉式模鍛的應用

想到隨遇而安的老公，再想想曾經游手好閑的他，其實是有在努力成熟的；想到今年收到的心儀的品牌包包，再想想去年收到的那束花店隨處可見的包裝好的玫瑰，雖然還是俗氣，但至少注入了真心。

實現閉式模鍛的技術途徑主要有兩條：1）設計制造專用可分凹模模具裝置與通用模鍛設備（機械壓力機、螺旋壓力機和模鍛液壓機等）配套使用；2）設計制造專用閉式精鍛壓力機。前者適合于多品種中小批量生產，后者適用于少品種大批量生產。

⑴中小型鍛件應用實例。

圖4 三通管接頭多向閉式模鍛與普通開式模鍛的比較

1）三通管接頭可分凹模多向閉式模鍛。圖4為三通管接頭采用多向閉式模鍛與采用普通開式模鍛相比的情況。采用多向模鍛工藝后，節省材料30%以上；減少熱加工工序4～5道、冷加工工序1～2道，相應節省設備6～7臺（次）、減少操作工7～8人（班）；尺寸精度由9～10級提高到7～8級，表面粗糙度降低到Ra12.5～25μm；降低鍛件成本50%以上；此外，還改善了生產條件，降低了勞動強度。

2）十字軸徑向擠壓閉式模鍛。與傳統模鍛工藝相比，提高材料利用率30%以上；提高生產效率1倍以上；扭轉疲勞壽命由8萬次提高到23.4萬次。

圖5 十字軸徑向擠壓模具與鍛件

⑵大中型鍛件半閉式小飛邊熱精鍛典型實例。

1）連桿輥鍛或楔橫軋制坯→壓扁→預鍛→小飛邊終鍛→切邊（圖6）。與傳統模鍛工藝相比，提高材料利用率8%以上。

圖6 連桿小飛邊鍛模與鍛件

2）軌鏈節三工位熱精鍛（圖7）。軌鏈節在25000kN電動螺旋壓力機上三工位精鍛成形，材料利用率高達93%。

圖7 軌鏈節鍛件與小飛邊

圖8 三銷滑套多工序溫鍛與冷精整

溫精鍛（溫鍛）

溫鍛與熱鍛相比，降低了毛坯表面加熱氧化層的厚度，減小了熱脹冷縮對尺寸精度的影響；與冷鍛相比，變形抗力約為冷鍛的1/3，可以進行多工序連續生產；溫鍛工藝具有冷、熱兩種工藝的綜合優點；鍛件力學性能、表面質量及尺寸精度接近冷鍛工藝的水平。

三銷滑套多工位溫精鍛（圖8）。其工藝流程為：下料→加熱（780±20℃）→桿部正擠壓→頭部鐓粗→頭部定位反擠→頭部反擠→冷精整。

質量≥2.5kg直錐齒輪中溫預鍛與低溫精整。重卡直錐齒輪一般大端模數m≥5mm，直徑d≥120mm，質量為3～4kg，試驗成功的溫精鍛工藝為下料→加熱（t≤800℃）→中溫預鍛→低溫（t≤500～600℃）精整→切邊。生產的精鍛齒輪精度為8.5～9級，齒形部分不需任何機加工達到直接裝車使用要求。

大模數大直徑齒輪類零件溫（熱）預鍛與冷精整

⑴直錐齒輪溫（熱）預鍛與冷精整，其工藝流程為：下料→表面清理→加熱→預鍛→低溫精整→冷精整→切飛邊。

⑵圓柱直齒輪溫熱閉式擠壓與冷精整。模數m≥5mm，頂圓直徑d≥80mm的圓柱直齒輪主要用于重卡、大型農機和礦山及工程機械，近年來，年需求量超過5000萬件，采用鍛造毛坯經多道機械加工方法生產，材料利用率≤60%，效率低，金屬流線被切斷嚴重損害其承載性能。針對所存在的問題，提出閉式熱擠壓預成形與中空分流冷精整的新工藝為：下料→加熱（溫度范圍為800～1100℃之間）→閉式反擠壓→沖底→退（正）火+表面處理→正向擠壓（中空分流冷精整）。

中空分流鍛造

中空分流鍛造原理如圖9a、c所示，環形毛坯閉式模鍛時，在內、外圓之間會存在一個分流面，分流面以外的金屬向外流動使齒頂型腔充滿，分流面以內的金屬向內流動使內孔縮小。相對于實心毛坯閉式模鍛，不僅齒頂型腔能完全充滿，而且成形力大幅度降低。因此成為盤狀齒輪近凈成形的一種理想新工藝。圖9b、d為軸分流，其原理與孔分流相似。

采用中空分流熱精鍛工藝生產的結合齒輪，同傳統加工方法相比具有以下優點：由整體精鍛成形代替分體加工+焊接成形，材料利用率由35%提高到90%以上；結合齒輪精密鍛件的倒錐齒圈，其齒形達到GB10095-2008中的7～8級精度，齒面粗糙度Ra降到0.2～0.8μm，可達到直接裝車使用的要求；結合齒輪精密鍛件僅中心孔和輪緣需少量精密加工后進行外圓斜齒加工，生產效率可提高5～6倍；無焊接變形的影響，加上金屬流線連續且分布合理，齒輪產品的力學性能大為提高；生產成本大為降低。結合齒輪中空分流熱精鍛為國家科技重大專項“高檔數控機床與基礎制造裝備”中“黑色金屬與輕合金冷溫精鍛成形技術”子項的研究內容之一，已在江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司建立示范性生產線，形成系列產品的批量生產。

流動控制成形

⑴成形原理。

流動控制成形也是近年來發展起來的一種閉式模鍛新工藝，其概念最先由德國與日本學者提出，其變形實質是對于復雜難成形鍛件，在封閉的模膛內造成由最難充滿部位到凹模入口處，絕對值由小到大的壓應力梯度場，確保模鍛過程中在其他部位充滿的同時，最難充滿的部位也完全充滿，從而實現了流動方向的控制，故稱流動控制成形。

⑵典型應用實例（圖10）。

壓蓋與殼體是構成轎車安全氣囊氣體發生器的兩個關鍵零件，材料為7A04超硬鋁合金，針對采用壓鑄件通過數控銑削加工存在的問題。華中科技大學模具技術國家重點實驗室采用減壓式閉式流動控制成形工藝成功的開發出壓蓋與殼體精鍛產品。其精密鍛件經相關生產企業檢查，鍛件尺寸達到美國規定的精度指標，所裝配成的氣體發生器通過水爆試驗完全達到美國安全氣囊防碰撞的技術標準。針對類似問題，北京機電所研究成2014鋁合金蝸旋盤阻尼式流動控制成形新工藝。流動控制成形也是上述科技重大專項子項目的研究內容，已在江蘇飛船股份有限公司建立了示范性生產線，形成了批量生產。

圖10 流動控制成形典型件

等溫模鍛

等溫模鍛是將毛坯和模具都加熱到模鍛溫度，在模鍛過程中，毛坯和模具溫度基本保持不變的模鍛工藝，其優點是可減少甚至消除模具激冷和材料應變硬化的影響；大大減小了變形抗力；提高了材料的成形性能，可模鍛出形狀復雜的精密鍛件。存在的問題是模具壽命短，生產效率低。等溫模鍛適合于加工鋁、鎂、鈦等輕金屬及其合金。

《熱精鍛工藝及其裝備的現狀與發展趨勢（下）》見《鍛造與沖壓》第3期