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一、溫鍛精密成形及其在汽車工業中的應用

1.溫鍛精密成形
　　溫鍛成形是近年來在冷塑性成形基礎上迅速發展起來的一種塑性成形新工藝。它的變形溫度通常認為是在室溫以上、完全再結晶溫度以下的溫度范圍內［1］。該工藝成形的零件質量好、精度高，且能成形形狀復雜的零件，近年來已獲得廣泛應用。
　　和熱模鍛相比，溫鍛成形件表面不會發生強烈氧化作用，表面質量好，尺寸公差小，甚至可直接成形零件的工作表面，完全省去后續機加工，且沒有飛邊，節省原材料。冷鍛成形雖然可以獲得更高的表面質量和尺寸精度，但冷鍛成形對變形材料及零件形狀的要求比較苛刻。對于常用的合金結構鋼，只有在其含碳量低于0.45%時才能采用冷鍛成形，且只限于成形形狀簡單的零件。在多工步冷鍛成形中，各工步之間通常要加入熱處理工步，以消除冷作硬化，此外合金結構鋼在冷成形時變形抗力大，對壓力機噸位及模具材料要求高，這樣勢必降低生產效率，增加生產成本。溫鍛成形的溫度范圍介于冷鍛和熱鍛之間，對于常用的合金結構鋼，其溫鍛時的屈服應力約為冷鍛時的1/3，材料的變形能力和室溫下相比可提高2～3倍［2］，這樣可以減少成形工步，節約設備投資；而所成形零件的尺寸精度和表面質量與冷鍛成形相當，若最后增加一個冷整形工步，則可獲得冷鍛成形相同的尺寸精度和表面質量。因此溫鍛成形既突破了冷鍛成形中變形材料、零件形狀、需增加中間熱處理工步及變形抗力的局限性，又克服了熱鍛中因強烈氧化作用而引起的表面質量及尺寸精度問題，具有顯著的優越性。
2.溫鍛精密成形在汽車工業中的應用
　　目前世界各國汽車工業之間的競爭日趨激烈，生產廠家在激烈的市場競爭中，獲勝的前提條件是利用低生產成本生產出高質量的產品，這樣對汽車工業中的塑性加工生產提出了更高的要求。廠家必須根據零件的批量及設計要求選擇合適的工藝，以降低生產成本。
　　如前所述，溫鍛精密成形技術具有顯著的優越性，但該工藝需要高精度的專門設備，且對模具結構、模具材料的要求較高，所以只適宜于大批量生產。汽車工業中存在大量形狀較復雜的軸對稱或旋轉對稱零件，包括軸徑、內星輪、外套、齒輪、極爪、聯軸器等。這些鍛件受零件材料或零件形狀的限制，用單純的冷鍛工藝難以成形；若采用熱鍛工藝，則原材料及能源的消耗量大，后續機加工量大，由于型面形狀復雜，機加工難度高，勢必增加生產成本，且切削加工會破壞零件的金屬流線結構，降低零件的機械性能。這些鍛件的生產批量大，如采用溫鍛工藝或“溫鍛+冷鍛”綜合工藝來生產，則可以充分發揮溫鍛精密成形的優越性，降低成本，提高質量。因此，溫鍛精密成形技術近年來在美國、日本、德國等發達國家得到愈來愈廣泛的應用，并有逐步取代熱鍛工藝的趨勢。
　　中國汽車工業經過40多年的創業到發展，已經逐步成為中國國民經濟帶動整個經濟增長和結構升級的支柱產業之一。和發達國家相比，我國汽車工業中的溫鍛精密成形技術還比較落后，對于發達國家一些比較成熟的溫鍛工藝，也還沒能完全消化吸收。為了提高我國汽車工業的溫鍛技術水平，縮小和發達國家之間的差距，我國金屬塑性加工領域的研究人員必須順應該領域的發展潮流，溫鍛成形理論和工藝兩個方面都亟待展開深入研究。

二、溫鍛精密成形的關鍵技術

　　溫鍛成形的溫度范圍介于冷鍛和熱鍛溫度范圍之間，因而其成形特性方面有區別于冷鍛成形和熱鍛成形的特殊性。為了能更好地掌握這一先進的成形技術的變形機理，充分發揮其優越性，需對這些特殊性進行研究。
　　1.變形溫度及變形量控制
　　溫鍛成形具有優越性的根本原因在于它不同于冷鍛和熱鍛的成形溫度，因此，對于各種變形材料，要發揮溫鍛成形的優勢，必須選擇最合適的溫鍛溫度，既能充分發揮材料的變形能力，省去中間熱處理工步，又能保證零件的尺寸精度，良好的內部組織結構及機械性能。對于汽車工業中常用的碳鋼和合金鋼，溫鍛溫度大致范圍為650～900℃，其最優變形溫度根據材料的含碳量及合金種類確定。
　　對于高強度低合金鋼或合金鋼溫鍛，可以控制材料的變形溫度和變形分布，使溫鍛件的微觀結構和機械性能達到預定要求，還可以省去熱處理工藝。因此，掌握溫鍛成形參數對溫鍛件的微觀結構和機械性能的影響關系具有重要意義。在此基礎上可建立各參數對微觀結構和機械性能的影響模型，指導生產實踐。首先通過實驗建立變形體的溫度分布、冷卻速率、應變、應力、應變速率等各參數對成形件的微觀結構及機械性能的影響關系，然后建立各種成形條件下的有限元模型，用熱、力耦合有限元模擬成形件的變形及冷卻過程，利用有限元模擬結果和前述實驗得出的影響關系可以預測成形件的微觀結構及機械性能，從而可以幫助工藝設計人員選擇合適的成形及冷卻參數，優化溫鍛工藝。
　　2.潤滑技術和潤滑劑
　　潤滑是溫鍛成形中的一個關鍵技術，良好的潤滑系統對工藝的成敗起著決定性作用，目前常用的潤滑方法可以歸為4類：(1)坯料不加潤滑劑涂層，工作模具采用油—石墨乳化液潤滑或水、油—石墨的混合液潤滑；(2)坯料采用石墨涂層，模具工作表面采用油—石墨乳化液潤滑或水、油—石墨的混合液潤滑；(3)坯料采用石墨涂層，模具工作表面采用水—石墨懸浮液或不含石墨的潤滑劑潤滑；(4)坯料采用其它涂層(不含石墨)，模具工作表面采用不含油—石墨的潤滑劑潤滑。模具工作部分的材料通常采用耐熱工具鋼或高速鋼。選擇模具材料時，考慮的主要因素不是成形溫度，而是潤滑劑的種類。用水基潤滑劑時，不宜采用高速鋼，因為高速鋼對熱應力較敏感且其熱傳導率太低。出于經濟效益和環保兩方面考慮，采用無油白色潤滑劑是溫鍛技術的發展趨勢，因此耐熱工具鋼將逐步成為首選溫鍛模具材料。
　　3.模具的受力分析及模具壽命
　　溫鍛模具在材料的變形過程中，要經受高的變形抗力及熱應力的綜合作用，最大變形壓力可達200～250MPa，連續生產時模具溫度可達300～500℃或更高。因此在進行溫鍛工藝設計時，必須充分考慮模具的受力條件和溫度條件，保證模具的強度、硬度和韌性達到生產要求，避免因模具的早期失效而造成的經濟損失。
　　為確定溫鍛模具工作時的受力情況，可利用有限元法耦合模具的彈性變形及變形體、模具之間的傳熱過程對溫鍛過程進行模擬，得出模具的溫度及應力分布，從而為選擇合適的模具材料、設計合理的模具結構(包括潤滑和冷卻系統)及尺寸提供依據。
　　4.溫鍛成形缺陷及其消除
　　塑性裂紋(包括內部開裂和表面開裂)及折疊是限制溫鍛成形過程的兩類主要成形缺陷。金屬塑性成形中的塑性斷裂是一個復雜的過程，塑性裂紋的出現是變形區的應力、應變、應變速率、溫度等場量以及變形材料抵抗塑性斷裂的能力共同作用的結果。要研究溫鍛成形的斷裂缺陷，需采用以下基本方法：
　　一是要選擇一個合適的塑性損傷斷裂準則用以計量損傷值和判斷成形失效(出現裂紋)；二是需要求出塑性損傷斷裂準則中所要用到的變形區的應力、應變、應變速率、溫度等場量，根據所選用塑性損傷斷裂準則中計量塑性損傷值的模型求出損傷值，并和相應材料的塑性損傷門檻值(由實驗確定)進行對比，找出變形區內可能出現塑性裂紋的位置，判斷是否會出現裂紋。塑性有限元方法很容易求出損傷準則中需要用到的場量，且其求解方法是在每一個時間增量步上迭代求解，容易計算損傷積累值，因此，有限元法已成為預測塑性斷裂缺陷的有力工具。
　　對于塑性斷裂問題，很多學者進行了這方面的研究工作。該問題的研究目前還處于探索階段，各研究者采用的塑性損傷斷裂理論和實驗手段各不相同，得出了不同的結論。Clift等學者認為只有基于變形體單位體積內的塑性變形功的塑性損傷斷裂準則是與實驗結果相符且較為通用的塑性損傷準則，而Sowerby等認為最大剪應力塑性損傷準則更為合理［8］。變形體內某一部位的塑性損傷是該部位的材料在變形過程各個階段的應變速率及各個階段的應力狀態累加的結果。變形材料在變形過程各個階段的應力狀態對材料的塑性損傷起著重要的作用，對于相同的應變值，不同的應力狀態對材料的塑性損傷程度不一樣�；�于變形體單位體積內的塑性變形功的塑性損傷斷裂準則沒有體現變形過程應力狀態的積累；而僅考慮變形體內的應力狀態的塑性損傷準則沒有計入應變對損傷的作用。要準確地預測變形體內的塑性裂紋，需建立這樣一種塑性損傷模型，既要體現應變的積累對塑性損傷值的作用，又要包含應力狀態的積累對損傷值的作用，即具有式(1)基本形式：

式中　σmax——變形質點的最大拉應力
　　　σH——靜水壓力
　　把這樣一種模型引入有限元模擬過程，可望能預測不同成形條件下的塑性斷裂缺陷，且預測結果和實際成形情況相符。
　　塑性有限元的模擬結果能直觀地體現溫鍛變形過程各時刻變形體速度場分布及模具型腔的填充情況，因而易于預測折疊缺陷，并可根據模擬結果改進模具參數，消除折疊缺陷。

三、溫鍛精密成形過程的研究技術路線

　　上海交通大學塑性成形工程系和上海汽車公司鍛造總廠合作承擔了上海汽車總公司科學發展基金資助的“汽車零件冷、溫鍛精密成形工藝與模具研究”項目。在該項目中，將對汽車工業中的典型零件(如圖1所示)冷、溫鍛成形過程進行研究，從理論和實踐中總結出切合實際生產流程的工藝方案及模具設計最佳方案，并將逐步投入實際生產。

圖1　汽車工業中的典型溫鍛件
(a)內星輪　(b)外套　(c)軸徑　(d)極爪

圖2 溫鍛精密成形過程的研究技術路線

　　本課題組采用試驗研究和有限元模擬技術相結合的方法，對溫鍛精密成形技術的變形理論進行系統研究，由于塑性有限元理論本身已比較成熟，本課題重點探索溫鍛溫度范圍內有別于冷鍛和熱鍛工藝的金屬變形規律，研究溫鍛成形中可能出現的成形缺陷種類及預測和消除缺陷的方法，并利用前述基金項目中列出的幾類典型溫鍛精密成形零件驗證溫鍛成形理論。本研究采用圖2所示的技術路線。

四、典型汽車零件溫鍛精密成形過程的有限元模擬

　　以汽車中的極爪零件(材料為08F鋼)為例，用三維有限元模擬其溫鍛成形工步，得出了變形過程中材料的流動情況、變形載荷及模具的受力分布，模擬結果可以為模具結構及其尺寸的選擇提供依據。
　　成形極爪零件的爪部展開零件是生產該零件的關鍵工步，圖3給出了兩種不同溫鍛工藝方案(徑向擠壓和鐓擠)的變形網格圖，圖4給出了這兩種工藝方案的載荷—行程曲線，從圖中曲線可以看出，徑向擠壓時的最大載荷約為鐓擠時的1/2。本研究中改變這兩種工藝的模具結構參數對溫鍛過程進行模擬，分析得出了兩種方案各自的優越性及限制條件，選擇了較合適的模具結構參數。模擬結果很好地指導了該零件的物理模擬試驗。研究結果提高了該零件實際生產時工藝選擇和模具設計的可靠程度。

圖3　極爪零件溫鍛成形工步的有限元網格
(a)徑向擠壓　(b)鐓擠

圖4　極爪零件不同溫鍛工藝的載荷—行程曲線

　　本研究中耦合了模具的彈性變形進行分析，得出了模具工作部分及凹模預應力圈的受力情況，選擇了合適的凸模、凹模及預應力圈材料，并確定了合適的預應力圈層數、尺寸及預緊量。

五、結束語

　　與熱鍛及單純的冷鍛成形相比，溫鍛成形在技術和經濟效益上具有顯著的優越性。采用溫鍛或“溫鍛+冷鍛”精密成形工藝生產汽車中大量使用的軸徑、內星輪、外套、齒輪、極爪、聯軸器等零件是汽車工業發展的必然趨勢。基于DEFORM-3D的溫鍛精密成形三維塑性有限元模擬系統可以直觀地分析坯料的變形和模具的受力情況，是優化溫鍛成形工藝及模具設計的強有力工具。

上海汽車工業總公司科學發展基金資助項目
肖紅生，男，28歲，博士研究生
肖紅生（上海交通大學模具CAD/CAM國家工程研究中心 200030）
林新波（上海交通大學模具CAD/CAM國家工程研究中心 200030）
張質良（上海交通大學模具CAD/CAM國家工程研究中心 200030）
吳希林（上海汽車公司鍛造總廠）

參考文獻

1，張質良.溫塑性成形技術.上海：上海科學技術文獻出版社，1986.
2，Ekkehard Korner,et al.Possibilities of warm extrusion in combination with cold extrusion.Journal of Materials Processing Technology,1992,35:451～465
3，Shinichiro Fujikawa,et al.Cold-and Warm-forging applications in the Automotive Industry.Journal of Materials Processing Technology,1992,35:317～342
4，Rajiv Shivpuri.Recent Advances in Cold and Warm Forging Processing modeling Techniques:Selected Examples.Journal of Materials Processing Technology,1994,46:253～274
5，S Sheljaskov.Current Level of Development of Warm Forging Technology.Journal of Materials Processing Technology,1994,46:3～18
6，S Sheljaskov.Warm Forging Technology for manufacturing of Precision Components.In:Advanced Technology of Plasticity,Vol.1.-5th ICTP,Oct.7～10,1996, Columbus,Ohio,USA.
7，Taylan Altan.Numerical Process Simulation for Tool and Process Design in Bulk Metal Forming.Annals of the CIRP,1996,45:599
8，S E Clift et al.Fracture Prediction in Plastic Deformation Processes, Int.J.Mech.Sci.,1990,32(1)：1～17