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        《模具工业》编辑委员会

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        主  办:桂林电器科学研究院有限公司

        编辑出版:《模具工业》编辑部

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        国内精密塑性成形技术的发展及其在工业生产中的应用

        时间:2020-12-18   来源:《模具工业》   作者:蒋鹏,贺小毛,杨勇,周乐育   浏览次数:339

        蒋鹏,贺小毛,杨勇,周乐育

        (北京机电研究所有限公司)

        摘要:精密塑性成形技术按材料成形温度可分为热、温、冷精密塑性成形技术以及将热、温与冷精密成形技术结合的复合精密塑性成形技术。分别介绍了闭式模锻、流动控制成形、等温模锻、可控多向模锻和高速镦锻等热精密塑性成形技术的特点,温精密塑性成形技术特点,闭塞锻造、分流锻造和冷冲锻等冷精密塑性成形技术特点,复合精密塑性成形技术特点以及这些技术在工业生产中的应用实例。

        关键词:精密塑性成形技术;闭式锻造;等温模锻;闭塞锻造;计算机模拟

        0 引言

        塑性成形技术是一种传统且重要的金属加工工艺,一般使用压力机的滑块通过模具施加作用力,使材料产生塑性变形,成形所需形状、尺寸和组织性能的零件,兼有成形与改性的功能[1]。材料经塑性成形加工后只需进行少量切削加工或不加工(如精密锻造的直齿锥齿轮的齿面不需要后续切削加工),称为精密塑性成形技术[2]。精密塑性成形技术按照材料的成形温度可分为热精密塑性成形、温精密塑性成形、冷精密塑性成形3种。近年来又将热精密成形或温精密成形与冷精密成形结合,发展了复合精密塑性成形技术。

        工业生产中精密塑性成形技术主要应用于以下2个方面:①生产净形零件,即生产的零件不用加工或仅需少量加工即可使用,例如精锻齿轮,齿形部分不用机械加工即可直接使用;②生产近净形零件,即生产出加工余量较小的精化毛坯,以减少后续机加工量,这种技术也被称为近/净成形技术。以前精密塑性成形原材料主要是碳素钢和合金钢,即黑色金属材料,近年来,随着社会和经济的发展以及节能减排的需求,铝、镁、铜、钛等有色金属材料及其合金的使用量在迅速增加。

        精密塑性成形技术是先进制造技术的重要组成部分,可以减少材料和能源的消耗,缩短制造工艺流程,提高生产效率,保证和稳定成形零件的质量,降低零件生产的总加工成本,是一种应用广泛的零件制造工艺。以汽车工业为例,汽车上使用的发动机、传动轴、变速箱、空调、安全气囊及高强度紧固件等零件可采用精密塑性成形技术生产,并取得了良好的应用效果[3-6]

        1 热精密塑性成形技术

        1.1 热精密塑性成形技术的特点及发展过程

        热精密塑性成形(也称为热精锻)技术利用变形材料在热态下塑性较好的特性,将被加工材料加热到再结晶温度以上,使用可以提供足够成形压力和合理变形速度的锻压机械,使成形坯料在合理的润滑条件下在成形模具中通过一次或多次变形,得到精度较高、性能良好的零件。

        热精密塑性成形工艺加热温度高,变形抗力小,材料塑性和流动性好,所需设备压力小,容易成形复杂的工件。但由于加热温度高,易产生氧化、脱碳及热膨胀等问题,零件的尺寸精度和表面质量难以精确控制,一般零件都留有一定的切削加工余量,热精密塑性成形主要用于精化毛坯的生产。

        由于经济效益显著,近年来热精密塑性成形工艺获得了广泛应用,并发展应用了闭式模锻(无飞边锻造)技术、流动控制成形技术、等温模锻技术、可控多向模锻技术、高速热镦锻技术等。

        1.2 闭式模锻技术

        闭式模锻(无飞边锻造)是热精密塑性成形常用的工艺方法之一[7,8]。汽车变速箱使用的齿轮坯为典型的回转体锻件,适合采用无飞边热精密塑性成形工艺生产,其工艺流程为:锯床下料→中频感应加热→镦粗→预锻→终锻→热冲→去毛刺→热处理→清理。镦粗、预锻和终锻可以在三工位热模锻压力机上进行,用步进梁夹持可搬运坯料,生产效率高;预锻和终锻均为闭式模锻,所生产的锻件仅产生纵向毛刺,材料利用率高。

        电力行业使用的锚套也可以采用闭式无飞边模锻成形,工艺方案为:下料→加热→镦粗→预锻外锥面→反挤压内孔→冲孔,具体工位如图1所示。该工艺已在10000 kN 热模锻压力机自动化锻造线上实现批量生产,生产效率8~12件/min[9]

        1.3 流动控制成形技术

        流动控制成形技术是在常规闭精锻的基础上发展的一种精锻工艺[10-12]。汽车安全气囊气体发生器压盖与壳体、新型涡旋式空气压缩机涡旋盘等零件(见图2)具有高筋薄壁结构,成形困难,采用流动控制成形技术可成形和批量生产该类零件。

        1.4 等温模锻技术

        等温模锻工艺也是热精密塑性成形技术的一种,一般指坯料和模具零件都在锻造温度下模锻成形,常用于航空航天工业中的钛合金、铝合金、镁合金等难变形材料的精密成形,近年来也用于汽车行业中有色金属的精密成形。图3所示为7A85铝合金航空接头锻件结构[10],采用闭式等温精密锻造工艺,模具温度和坯料温度均为450℃,成形速度为1~0.002mm/s,锻件充填完整,无折叠、裂纹等缺陷,只在纵向形成了少量的飞边,大幅度提高了铝合金的成形性能和材料利用率。

        1.5 可控多向模锻技术

        在传统多向模锻的基础上发展了可控多向模锻技术。某研究所根据转向活塞的结构特点,通过上、下、左、右、后5个方向联动挤压,实现一步成形。该新工艺也称为多向可控分流锻造,如图4所示[11]

        图5所示为转向活塞精密成形模具三维结构。该模具具有四向开合、左右双动的结构,属于复杂的分模精密模锻,更换产品型号时只需更换尺寸改变处的模具组件,换型方便、成本较低。与液压机共用计算机控制系统及数控液压系统,压力机及模具的所有动作充分协调,兼顾了机器人自动化生产中的圆棒料及成形最终锻件抓取、进出。也考虑了冷却润滑辅助设备安装、冷却润滑动作所需空间。

        1.6 高速热镦锻技术

        轴承套圈的高速热镦锻工序如图6所示,先下料,第1工位进行模内预成形,材料反挤压向上流动,以便充填轴承外圈边缘区域,第2工位终锻成形,第3工位冲孔,第4工位内外圈分套,内环从落料孔落入传送带,冲孔凸模将外圈带回并由卸料板挡住外圈脱离落入传送带不同槽中实现出料。

        高速热镦锻在一次行程内完成不同工位的同时成形,并采用机械手实现工位间工件的自动快速传送,提高了生产效率,实现全自动化生产,是未来精密塑性成形技术的重要发展方向之一[12]

        2 温精密塑性成形技术

        2.1 温精密塑性成形技术特点

        温精密塑性成形是在室温之上和金属再结晶温度之下进行的塑性成形工艺。目前实际生产中钢的温成形温度通常认为在200~850。对于各种结构钢,其温成形温度一般为600~800。某些牌号的钢材在加热温度处在280~400内为兰脆区,在此温度范围内塑性变差,必须避开。

        温成形不仅具有冷成形及热成形的优点,而且避免了冷、热成形的缺点,一般不需要锻前坯料软化热处理、磷化、皂化等辅助工序。

        目前,温成形工艺广泛应用于不锈钢、高碳高合金钢、轴承钢、工具钢等材料的成形。形状复杂、变形程度大、变形工序多、需要连续多工位生产的零件或为改善零件的综合力学性能,都可优先选用温成形工艺。

        2.2 应用示例

        典型杯-杆类锻件的多工位成形工艺如图7所示[13]。国内过去常使用温锻专用液压机成形这类温塑性成形件,近年来更多使用了先进的多工位自动化温锻生产线,温精密塑性成形技术与冷精密塑性成形技术结合使用更为常见,应用效果良好。

        3 冷精密塑性成形技术

        3.1 冷精密塑性成形技术的发展

        冷精密塑性成形是一种优质、高效、低成本的精密塑性成形工艺,据统计每辆轿车中的冷、温精密锻件质量达45~50kg,如后轴驱动汽车上的半轴、万向节中的十字轴、直齿圆锥齿轮、花键、轮毂螺母、汽车交流发电机爪极、前驱动轿车等速万向节零件、同步器齿环等都是典型的汽车冷成形件。

        进入21世纪,我国汽车产业迅猛发展,应用冷成形技术规模化生产汽车用钟形壳、三销套、内星轮等复杂形状零件。就冷成形工艺而言,闭塞锻造、分流锻造、多工位自动化冷成形等新工艺不断得到应用并逐步成熟。采用分流锻造实现直齿轮或螺旋直齿轮等零件的精密成形。采用闭塞锻造实现内星轮、十字轴与锥齿轮等零件的精密成形。采用多工位自动化冷成形实现汽车变速箱输入输出轴的精密成形,如图8所示。

        实心轴可改为空心轴的结构,达到减轻质量而强度不降低的效果,空心轴精密塑性加工技术的研究值得重视。

        冷成形模具材料已形成工具钢、高速工具钢、粉末高速钢和硬质合金等四大系列牌号,并具有相应的成熟钢种。冷成形模具设计与制造技术得到大幅提升并形成特色,如特殊结构的闭塞模架。模具零件表面强化技术开始应用,模具使用寿命提升较快,部分冷成形模具使用寿命具有国际竞争力。

        3.2 闭塞锻造

        闭塞锻造是在封闭凹模内通过1个或2个凸模,单向或对向挤压金属一次成形。直锥齿轮闭式冷精锻原理如图9所示。

        在闭塞锻造过程中坯料处于三向压应力状态,塑性好,可以一次成形复杂形状的零件,生产效率高,而且金属流线沿锻件外形连续分布,锻件的力学性能好[14,15]

        3.3 分流锻造

        分流锻造技术通过在锻件某一位置设置溢流槽,使材料在充填型腔的过程中始终有自由流动的余地,提高型腔填充性,降低变形阻力和加工载荷。如预锻时在坯料两端中心部分锻造分流区,终锻时,中心分流区起到分流材料,降低成形载荷,改善坯料充填性的作用[16,17]

        3.4 冷冲锻技术

        冷冲锻成形工艺是以板材(或管材)为坯料,通过冲压工艺成形中空形状,并在该工序中储备足够的金属,再采用体积成形工艺,对特定部位压缩增厚,也可称为板料的体积成形。采用冷冲锻工艺成形的零件不仅能满足尺寸要求,且力学性能良好,材料利用率高,成形速度较快,避免了采用各种传统方法加工所产生的一系列问题[18]。图10所示为冲锻成形与焊接成形过程的比较[19]

        4 复合精密塑性成形技术

        4.1 复合精密塑性成形工艺特点

        随着精密塑性成形工件的日趋复杂及精度要求的提高,单纯的冷、温、热成形工艺已不能满足要求。复合精密塑性成形工艺将冷、温、热成形工艺进行组合共同完成工件的锻造,能发挥冷、温、热成形的优点,避免冷、温、热成形的缺点。复合精密塑性成形工艺是目前精密塑性成形工艺发展的一个重要方向[20,21]

        热冷成形技术为热成形和冷成形2种工艺的复合,分热成形和冷成形2个主要工步,并以热成形件为冷成形工步的毛坯,其一般工艺流程为:下料→加热→热成形→切飞边、冲连皮→退火→清理→磷化皂化处理→冷成形→热成形冷成形件。在前述几种加工工艺中,热成形所能加工的零件形状的范围最广,而冷成形加工的精度最高,热冷成形技术结合了两者的优点。

        4.2 应用实例

        4.2.1 汽车等速万向节热(温)锻/冷锻复合成形工艺

        汽车等速万向节是汽车传动系统的关键部件。万向传动系统中的几个部件适合精密锻造,包括三销套、球笼、内星轮、十字轴等,如图11所示。基于几十年的发展,国内企业已掌握了相关的工艺和模具技术。除了小部分主要用于微型车的三销套部件是低碳钢冷锻成形,大部分相对尺寸较大的三销套部件主要采用中碳钢[22]

        4.2.2 整体式接合齿轮热锻-冷锻复合工艺

        汽车变速器接合齿轮精密塑性一体成形,保持了金属流线的连续,取消了退刀槽,加大了齿部强度,提高了接合齿轮齿部的承载能力和抗冲击能力,提高了生产效率和降低了生产成本,接合齿端倒角中心的位置比机加工件更准确,锁止角尖点圆滑过渡,对称性好,减小挂挡力,缩短换挡时间,提高了变速器总成使用性能。采用精密塑性成形工艺一体直接成形接合齿轮工艺已成为汽车变速器接合齿轮制造的发展方向[23]

        汽车变速器同步器接合齿轮,其加工工艺流程为:棒料切断→热成形预成形→(冲)钻孔→无氧化等温正火→抛丸处理→磷化处理→冷精整直齿和锁止角成形→冷倒锥成形→切削加工→碳氮共渗淬火、回火→抛丸处理→磨削加工。

        整体精密塑性成形的接合齿轮材料利用率高于90%,可节省加热能耗50%,齿形精度达GB 10095—88中的7~8级,可直接装车使用,如图12所示。提高生产效率5~6倍,产品出口国外,使国内成为继德国和日本后第3个采用整体精密塑性成形生产接合齿轮的国家。

        5 结束语

        上述介绍的精密塑性成形技术大部分在国内已得到工业应用,随着我国制造技术的快速发展,在精密塑性成形技术领域,计算机模拟的作用由仅起验证作用将会转变为可用来优化工艺模具设计的水平,实现锻件尺寸精度和性能的有效控制,研制新型热、温、冷成形用润滑剂及润滑技术将会更加成熟,复合成形工艺技术的应用将会更广,如板料、管料的冷体积成形工艺技术,高精度长寿命模具技术会有所突破,伺服驱动成形压力机及其适用精密塑性成形技术应用会越来越多。

        参考文献(略)

         
         
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