热锻技术工艺发展趋势分析

第一节 技术发展现状

目前我国大型自由锻造的设备能力过剩，设备布局分散，利用率极低，机械化、自动化程度低，锻件加工余量大，工人劳动条件差，劳动强度大。国内自行设计制造了三条800T双机联动快锻机组，但自动化程度不高；国内冶金 行业 引进少量的快锻机组和精锻生产线；汽车大型模锻件的自动化方面，只有一汽、二汽等少数大公司从国外引进热模锻压力机自动线，绝大部分仍采用蒸空模锻锤和压力机模锻相结合的格局，自动化程度低；中小件的模锻，仍然是模锻锤占多数，基本上是手工操作，锤上模锻机械手实际应用很少，高速自动热锻机主要依赖进口。

1、模具护环热锻技术

护环是发电机上关键的大锻件，由于其工作环境特殊，受力情况复杂，技术要求十分严格，其制造技术一直是国内外学者关注的焦点。目前，大型护环生产的诸环节中，形变强化技术进展较快，其中液压胀形技术经济水平较高。新材料应用也有所发展，Mn18Cr18N抗应力腐蚀钢的选用，大大延长了护环的服役寿命。但是，热锻制坯这一中间环节，仍沿用半经验型操作，工艺参数不够科学，工艺过程和产品质量的可控性差，以致造成较多的废次品以及能源、原材料的浪费。因此， 分析 护环热成形机制， 研究 新的热成形方法，对提高护环锻件质量和生产水平有一定的意义。

2、扩挤复合成形工艺的开发

由塑性力学可知，引入有限的剪变形或复合变形机制不仅能使变形体率先进入塑性状态；而且能使变形区扩大，难变形区缩小，变形均匀且流向合理。其中复合流动不仅可以大幅度降低变形力，增加内部的等效应变，而且能有效控制金属的塑流矢量，改善变形不均匀性，提高锻件内在质量。 研究 表明，剪切变形可有效地破碎铸态结构和粗晶，改善变形体的组织性能。俄罗斯学者格纳高O.A.对锻压剪变形进行的系统定量的 研究 ，秋林B.A.教授等在多向反复变形，控制塑性流动，改变边界条件等方面的 研究 ，都证明了新的热成形机制对改善锻件质量，提高锻造技术经济水平具有重要的意义。

扩挤复合成形原理图

1.环坯2.凸模3.凹模4、5.漏盘

针对原护环热成形中存在的问题，引入复合变形、控制塑流和有限剪变形机制， 研究 开发了护环扩挤复合成形工艺。其原理如图3所示，首先将环坯置于筒形凹模内，球面凸模向下压入，环坯产生自由扩孔变形；凸模继续下压，环坯外壁与凹模接触，扩挤复合变形开始，随着接触区域的扩大，挤压变形逐渐显著；当完全接触后，环坯又产生反挤压变形。最后凸模通过环坯，变形过程结束。变形后，环坯内外径扩大，壁厚减薄，内外径尺寸完全靠凸凹模控制，故能很好地满足设计。因此可以大幅度减小加工余量，提高生产率和材料利用率。

新工艺中，空心坯是在凸模冲孔和外缘限制的条件下发生变形的，金属的流动属于扩挤复合流动模式。理论 分析 (FEM)和实验 研究 表明，与传统工艺相比，其应力状态，应变分布都得到了改善。

总之，扩挤复合成形具有操作方便，变形力小，塑流可控，变形均匀，剪切变形大以及复合变形等特点。有利于破碎粗大的铸态结构，获得细匀化的组织，能够大幅度提高锻件的内在质量。

3、热锻冷锻复合工艺

热锻冷锻是将热锻和冷锻结合起来的一种复合成形技术，它充分利用了热锻和冷锻各自的优点。热态下金属塑性好，流动应力低，因此热锻变形抗力低，所需变形能量小，可成形形状复杂和大型的锻件。但在普通热锻中，锻件表面发生气化或脱碳，模具也因热负荷引起明显的磨损和塑性变形，因此普通热锻件精度不会很高．很难达到无切削加工的精度。玲锻件的精度高，可以得到无余量高精度的零件。若设计台理的热锻工步，并将热锻件进行冷精锻，保证尺寸精度和完成产品表面的最终加工，这种复合塑性加工工艺即为热锻冷锻技术。

热锻冷锻技术为热锻和玲锻两种工艺的复合，分热锻和玲锻两个主要工步，并以热锻件为冷锻工步的毛坯，其工艺流程如下。

热锻冷锻的工艺过程

热锻冷锻技术在以下零件的成形中有优势：

a．零件的体积和重量较大，冷锻需要大吨位设备，而热锻又不能达到其精度要求，如大型伞齿轮的精密成形。

b．形状复杂且精度要求高的零件，只用玲锻难以成形，如小汽车自动变速箱中的一些带齿形件：

c．采用玲锻技术对热锻件进行二次成形加工后，可以省去某些加工难度较大的机械加工工序，有利于降低总的加工成本。

热锻冷锻的设备和模具分别与热锻和冷锻的设备和模具相同。由于热锻和冷锻分别进行，因此不存在两者之间生产协调和节拍配合的问题，只是在分配热锻冷锻各自的变形量时应充分考虑各自的变形特点，做到既能成形高质量的制品，又能减少成形力，提高模具寿命，降低锻件成本。

第二节 产品工艺特点或流程

锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成形轧制、辊锻、辗扩等。不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分 分析 、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。

热锻工艺流程主要步骤

第三节 国内外技术未来发展趋势 分析

美国、德国、日本的汽车工业如此发达，就是得益于其锻压技术及装备的领先地位。当前的世界锻压技术及装备向以下几个方面发展：

1、锻压设备自动化

国外的锻造自动化也取得了长足发展。现代化的大型自由锻造车间的锻造液压机、操作机、锻造吊车实现了联动控制，全部机械化，并配有锻件尺寸自动测量装置，锻造压机与操作机数控联动，锻造加热炉自动控制。中小型自由锻实现了压机与操作联动微要控制、计算机自动编程的自动程序锻造。

热模锻方面，大型汽车零件模锻件大部分采用以多工位热模锻压机为主休的综合自动线，美国、德国、日本基本采用热模锻压力机取代原有的模锻锤，中小型模锻件采用多工位高速自动热镦机，最高速度达到4000-12000件/小时。

德国穆勒.万加顿公司开发研制了直接驱动的螺旋压力机，并组成全自动锻造线，最大吨位达到25000吨，主要用于中、重零件的模锻和精密锻造。

2、高速化复合化相结合，提高加工效率

提高生产率是永恒的追求目标，各锻压厂家均致力于锻压机械的高速化 研究 ，各锻压厂家均致力于锻压机械的高速化 研究 ，在数控回转头压力机上，主要采用伺服控制的液压主驱动系统来提高压机的行程次数。

在追求高速化加工的同时，还必须尽可能缩短生产辅助时间，以取得良好的技术经济效益。在数控压机上配备伺服电机驱动的三坐标上下料装置，可使冲压中心实现高效板材加工。

将几种工艺或几个工序复合在一台机床上完成，是当前各类机床大幅压缩生产辅助时间，提高生产率的重要技术途径，在锻压机械上也得到了成功应用，效果十分显著。如：德国、美国、日本已相继开发出激光一步冲复合机，将模具冲切与激光切割有机地结合起来，工件一次上料即可完成冲孔、冲切、翻边、浅拉伸、切割等多道工序，最大限度地节省了辅助时间，特别适合孔型多而复杂的面板类工件的加工及多品种小批量板料加工。

3、锻压设备控制系统的发展趋势

锻压产品面临的重要挑战之一，是如何更具柔性，以适应“及时生产”的要求。压力机用户要求设备的所有控制功能集成化，从而实现全套模具的菜单化管理，主要包括滑块行程调整、平衡器气压的调整、气垫行程调整，以及自动化控制系统等各个环节的参数设定。

压力机控制系统的集成化，可通过单一操作接口实现所有压机和模具的各项控制功能，包括故障诊断、模具菜单配置、可编程限位开关和模具监控的调整等，并使设备的维修保养更加方便，而且明显增加压力机的有效工作时间。

具有现场通信网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式互联网络的现场总线技术，是压力机控制技术的发展方向，对实现自动化具有明显也推动作用。

4、注重环境保护是当今世界性的潮流

许多国外锻压设备愈来愈重视环保问题，如在数控转塔压力机上，工作台普遍采用柔性的尼龙刷支撑代替传统的滚珠支撑，以减少噪声污染；变速压机实现快速下降，慢速冲裁工件，快速回程，使振动和噪声大大降低。特别是欧洲市场，已基本贯彻ISO14000系列标准（环境管理、避免振动和噪音），锻压设备必须通过CE认证。

5、模具技术发展的几个特点

模具与压力机是决定冲压质量、精度和生产效率的两个关键因素。先进的压力机只有配备先进的模具，才能充分发挥作用，取得良好效益。模具的发展方向为：

1）充分运用IT技术发展模具设计、制造

用户对压力机速度、精度、换模效率等方面不断提高的要求，促进了模具的发展。外形车身和发动机是汽车两个关键部件，汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具，技术密集，体现当代模具技术水平，是车身制造技术的重要组成部分。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三分之二的时间，成为汽车换型的主要制约因素。目前世界上汽车的改型换代一般约需48个月，而美国仅需30个月，主要得益于在模具业中应用了CAD/CAE/CAM技术和三维实体汽车覆盖件模具结构设计软件。另外，网络技术的广泛应用提供了可靠的信息载体，实现异地设计和异地制造。虚拟制造等IT技术的应用，将推动模具工业的发展。

2）缩短金属成型模具的试模时间

主要发展液压高速试验压力机和拉伸机械压力机，特别是在生产型机械压力机上的模具试验时间可减少80%，具有巨大的节省潜力。这种试模机械压力机的发展趋势是采用多连杆拉伸压力机，它配备数控液压拉伸垫，具有参数设置和状态记忆功能。

3）车身制造中的级进冲模发展迅速

在自动冲床上用级进冲裁模或组合冲模加工转子、定子板，或者应用于插接件作业，都是众所周知的冲压技术。近些年来，级进组合冲裁模在车身制造中开始得到越来越广泛的应用，用级进模直接把卷材加工为成型零件和拉伸件，加工的零件也越来越大，省去了用多工位压力机和成套模具生产所必需串接的板材剪切、涂油、板坯运输等后续工序。级进组合冲模已在美国汽车工业中普遍应用，其优点是生产率高，模具成本低，不需要板料剪切，与多工位压力机上使用的阶梯模相比，节约30%。但是，级进组合冲模技术的应用受拉伸深度、导向和传输的带材边缘材料表面硬化的限制主要用于拉伸深度比较浅的简单零件，因此不能完全替代多工位压力机，绝大多数零件应优先考虑在多工位压力机上加工。


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