探討精密鍛造工藝

張明，石岳林

精密鍛造是在普通鍛造的基礎上逐漸發展起來的一種少無切削新工藝，經過幾十年已經發展成為由熱精鍛、溫精鍛、冷精鍛、復合精鍛、等溫精鍛等組成的多類別、應用廣泛、科技含量高的新型材料成形技術。

隨著制造業的發展，精鍛技術的日趨成熟，在汽車、船舶、航空航天、軍事等行業中得到廣泛應用。如日本豐田汽車廠在1996年發表資料說，該廠在1987年精鍛件重量占全部鍛件質量11.6%，到1991年發展到19.5%。這里不包括螺母、螺釘件。它們已投產精鍛十字頭軸、花鍵軸、圓柱齒輪、錐齒輪、等速傳動軸、內花鍵齒套等汽車零件。特別這幾年發展溫鍛技術后，一些變形程度大的復雜件和變形抗力大的合金材料的汽車零件的精鍛也成為可能。

日本有相關論文表明，日本鍛件成本下降20%～30%。精密鍛造技術不僅節約材料、能源，減少加工工序和設備，且顯著提高生產率和產品質量，降低生產成本，從而提高產品市場競爭力，精密鍛造已是鍛壓工藝技術未來的發展方向之一。

1.精密鍛造的優越性

與普通鍛造相比（見圖1），精密鍛造優點體現于表面質量好、機加工余量少，能提高材料利用率，提高勞動生產率，零件生產成本也低，尺寸公差相較于普通鍛件也有明顯減少，一般僅為普通鍛件公差的一半，甚至更小，表面質量好，表面粗糙度值可達Ra=0.4～3.2μm。

與切削加工相比（見圖2），精密鍛造主要優點是：因鍛造毛坯形狀和尺寸與零件成品尺寸幾乎甚至完全一樣，因而材料利用率高，因精密模鍛塑性成形，金屬纖維流線分布與零件形狀一致，因而使零件力學性能有較大提高，所以精密鍛造又叫少無切削工藝。

總之，精密鍛造最明顯的特點是材料利用率高，尺寸精度高，表面粗糙度值低。

圖1

2.精密鍛造方法

目前，應用于精密鍛造的工藝主要有冷精鍛、溫精鍛、熱精鍛、復合精鍛、等溫精鍛等，其中冷精鍛、溫精鍛、熱精鍛應用范圍最廣。

根據鍛造溫度的差異，我們把在室溫的精密鍛造工藝叫冷精鍛，在再結晶溫度以下的精密鍛造工藝叫溫精鍛，在再結晶溫度以上的精密鍛造工藝叫熱精鍛。溫精鍛件要比熱精鍛件精度高得多，而冷精鍛件要比溫精鍛件精度高得多。

雖然精鍛工藝相對于傳統鍛造工藝能夠顯著降低成本、節約原料，但其需要精密的鍛造設備和先進的鍛造工藝裝備作為支撐，不僅如此，冷精鍛還對原材料有著極其苛刻的要求。

圖 2

冷鍛成形過程中，工件塑性差、變形抗力大，因此很難成形結構復雜的零件，為克服這一問題，相繼開發了在封閉凹模內通過一個或兩個沖頭單向或對向擠壓金屬一次成形，獲得無飛邊的近凈形精鍛件閉塞鍛造，凹模會隨著鍛造過程發生移動的浮動凹模鍛造，在毛坯或模具的成形部分建立一個材料的分流腔或分流通道，鍛造過程中，材料在充滿型腔的同時，部分材料流向分流腔或分流通道預制分流鍛造等一批先進的冷精鍛工藝方法。

熱精鍛中因開式鍛造會產生強烈氧化作用，工件表面質量和尺寸精度較低；而采用閉式模鍛，因坯料體積和型腔體積不能嚴格相等，造成最后合模階段變形抗力很大，對設備和模具造成很大損害，因此采用分流降壓原理，在封閉型腔最后填充滿的地方設置形狀和大小合理的分流降壓腔孔，有效降低了型腔內部的壓力，有利于提高模具壽命。溫精鍛技術，同時具有冷精鍛和熱精鍛的優點，克服了兩者的缺點。但是對鍛造溫度范圍要求較為嚴格，需要高精度的專門設備，而且對模具結構和模具材料有較高要求。應用還不是十分廣泛，但是發展方向之一。

隨著制造業的發展，市場對精鍛成形零件的要求越來越高，也對精密鍛造工藝的研究和發展提出了更高要求，單獨的冷、溫、熱精鍛工藝已不能滿足要求。這就需要將不同溫度或不同工藝方法的鍛造工藝結合起來，復合精鍛工藝和等溫精鍛工藝等更加先進的精鍛工藝應運而生。復合精鍛工藝是目前精鍛工藝發展的一個重要方向。與機加工和熱鍛相比，用復合精鍛工藝生產的工件其力學性能、尺寸精度、表面粗糙度都有顯著提高。等溫鍛造主要應用于鍛造溫度較窄的金屬材料，如鈦合金、鋁合金、鎂合金等，可以有效防止模具開裂，大幅減少機加工工時，節約大量貴重材料，降低成本。

3.精密鍛造的應用

（1）精化毛坯 用精鍛工藝取代粗加工工序，將精密鍛件直接進行精加工而得到成品零件。

（2）精鍛零件 通過精鍛鍛造直接獲得成品零件，目前為止完全通過精密鍛造獲得成品零件實例尚少，只是一些簡單零件和尺寸精度要求不高的零件，但是隨著技術發展，其應用必定會越來越廣泛。

冷精鍛尺寸精度可達0.02～0.05mm。因具有優質、高效、低能耗等特點，而被廣泛應用于汽車零部件大批量生產中，如汽車起動電動機起動齒輪和汽車傳動軸花鍵，冷精鍛工藝能使齒輪表面獲得殘余壓應力，可有效提高齒輪壽命。

近年來，冷精鍛工藝在國內外獲得了一定發展，其中閉塞鍛造因為能夠獲得無飛邊的近凈形精鍛件。對于行星齒輪和半軸齒輪、星形套、十字軸等采用冷精鍛技術可省去絕大部分切削加工，成本大幅降低。20世紀80年代以來，國內外精密鍛造專家將分流鍛造理論應用于正齒輪和弧齒錐齒輪冷鍛成形。分流鍛造技術應用，使較高精度齒輪少無切削加工迅速達到了產業化規模。

熱精鍛因為材料變形抗力低、塑性好，容易成形比較復雜工件，用熱精鍛工藝鍛造成形的齒輪精度已達IT7～9，離合器齒面及錐齒輪齒面均可鍛后直接裝配，而無需機加工。直齒錐齒輪精密鍛造是一個非常典型且應用廣泛的案例，很多文獻資料指出，精鍛齒輪因金屬流線沿齒廓分布且組織致密，這使得齒輪強度、齒面耐磨性能、熱處理工藝性和嚙合噪聲都較切削加工齒輪優越。經大量研究，實踐證明，精鍛齒輪強度可提高20%，抗彎疲勞壽命提高40%，熱處理變形減少30%。華中科技大學與東風汽車齒輪廠研究轎車錐齒輪精密鍛件，已取得成功。齒形部分尺寸精度穩定在IT7級，表面粗糙度值達Ra=0.2～0.8μm。即齒形部分尺寸精度達到了直接裝車的使用要求。經過冷精鍛使毛坯晶粒度值由7級達到了9級。提高了齒輪的強度和疲勞壽命且提高了生產效率。

采用復合精鍛可很好地達到提高鍛件精度、降低成本、節約能源的目的。等溫鍛造工藝在滿足航空航天工業對鈦合金和高溫合金等難變形材料復雜構件的需求過程中發揮了很大的作用，目前已經投入生產應用的有盤類、軸類、復雜結構件及葉片等。

4.結語

鍛造行業正在發生著深刻變化，而其中精密鍛造也在發生巨大變化，從單一精鍛工藝到多種精鍛工藝相結合復合精鍛，從室溫鍛造到等溫鍛造，精密鍛造精度也在向微米級邁進。20140318