您的當(dāng)前位置: 首頁 > 鍛壓文獻(xiàn)庫 > 鍛造行業(yè)綜述 > 正文|
冷鍛是一種重要的精密塑性成形技術(shù)，可用于軸類、桿類、緊固件、齒輪和連接部件等的凈成形或近凈成形生產(chǎn)，具有切削加工無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如制品的機(jī)械性能好、精度高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)率高和材料利用率高等，特別適合于大批量生產(chǎn)。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛技術(shù)的發(fā)展提供了原動(dòng)力，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每輛轎車中的冷、溫精密鍛件重量達(dá)45~50kg，后軸驅(qū)動(dòng)汽車上的半軸、萬向節(jié)中的十字軸、直齒圓錐齒輪、花鍵、輪轂螺母、汽車交流發(fā)電機(jī)棘爪、前驅(qū)動(dòng)轎車等速萬向節(jié)零件、同步器齒環(huán)等都是典型的汽車?yán)溴懠D1是工藤英明教授歸納的1960~1995年間日本轎車每隔五年新投產(chǎn)的精密鍛造零件[1]。1965年時(shí)每車精鍛件只有6kg左右，到1995年已增加至45kg。從20世紀(jì)60年代開始，主要生產(chǎn)小型軸對稱產(chǎn)品如輪轂螺栓等，較大的鍛件如汽泵轉(zhuǎn)子則在20世紀(jì)70年代開始生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代，CVJ零件是重要產(chǎn)品。從1990年開始，精密齒輪成為主要的目標(biāo)產(chǎn)品。
現(xiàn)代冷鍛技術(shù)是從18世紀(jì)末開始的，但直到20世紀(jì)30年代德國人發(fā)明了在工件表面形成磷酸鹽薄膜的表面潤滑方法后，冷鍛技術(shù)才逐步走向?qū)嵱谩?967年，國際冷鍛組織(International Cold Forging Group, ICFG)成立并于1968年在英國倫敦召開第一次全體會(huì)議。ICFG每年舉行一次全體會(huì)議，并出版了大量行業(yè)技術(shù)文件或標(biāo)準(zhǔn)，對冷鍛技術(shù)的國際學(xué)術(shù)交流和生產(chǎn)起到了重要的促進(jìn)作用。目前，ICFG主要在以下領(lǐng)域開展工作[2]：
(1) 模具壽命與模具質(zhì)量(Tool life and tool quality)：主要研究與模具壽命和模具質(zhì)量相關(guān)的模具材料、表面處理、摩擦、疲勞等；
(2) 成形過程數(shù)值模擬(Process simulation)：主要研究數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用、輸入數(shù)據(jù)的可靠性、商用軟件的進(jìn)展、現(xiàn)有模型的局限性等；
(3) 冷鍛件性能(Properties of cold forged products)：主要研究冷鍛件的殘余應(yīng)力、應(yīng)變強(qiáng)化、最少化工序、尺寸精度、變形、金相組織、機(jī)加工性能、輕量化設(shè)計(jì)等；
(4) 增量體積成形(Incremental bulk forming)：主要研究與增量體積成形相關(guān)的數(shù)值建模、材料測試、物理模擬、模具磨損、創(chuàng)新應(yīng)用等。
 圖1 1960～1995年間日本轎車的冷鍛件重量變化[1]
本文對目前國外冷鍛技術(shù)的發(fā)展概況作簡略的綜述，以期對提升我國冷鍛技術(shù)水平、對蓬勃發(fā)展的中國冷鍛行業(yè)有一些促進(jìn)作用。
1. 精密鍛造技術(shù)的發(fā)展趨勢
在2006年日本舉辦的“第四屆國際精密鍛造研討會(huì)”上，研討了未來的精密鍛造技術(shù)及其挑戰(zhàn)。表1給出了會(huì)議總結(jié)的對精密鍛造技術(shù)的發(fā)展趨勢。可以看出：模具、產(chǎn)品質(zhì)量、成形方法、工藝、數(shù)值模擬、成形材料、摩擦與潤滑、成形設(shè)備、環(huán)境友好性等始終是精密鍛造領(lǐng)域永恒的話題，而時(shí)代的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，賦予這些話題不同的內(nèi)涵。
表1 精密鍛造技術(shù)未來的挑戰(zhàn)[3]
限于篇幅，下面僅對冷鍛成形領(lǐng)域中的數(shù)值模擬技術(shù)、模具壽命問題及高速鍛造技術(shù)予以介紹。
2. 數(shù)值模擬技術(shù)在冷鍛成形中的應(yīng)用
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和塑性有限元理論的快速發(fā)展，許多塑性成形過程中很難求解的問題可以用有限元法求解。在冷鍛成形領(lǐng)域，通過建模和合適的邊界條件的確定，有限元數(shù)值模擬技術(shù)可以很直觀地預(yù)測金屬流動(dòng)過程的應(yīng)力、應(yīng)變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現(xiàn)的缺陷情況。這些重要信息的獲得對合理的模具結(jié)構(gòu)，模具選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著重要的指導(dǎo)意義。目前有代表性的數(shù)值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎(chǔ)建立起來的，主要有Deform、Forge、Qform、MSC/Superform等。ICFG數(shù)值模擬組在2001年對一些公司的調(diào)查問卷表明，Hatebur、Hilti、Krupp Presta、ORS、Kanca等公司均普遍使用各類數(shù)值模擬軟件用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性[4]。
目前，國外在冷鍛成形數(shù)值模擬領(lǐng)域的主要工作集中在：
(1) 數(shù)值模擬軟件的進(jìn)一步開發(fā)[3][4]
提高數(shù)值模擬結(jié)果的可視化效果，增加結(jié)果的真實(shí)感；增強(qiáng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能，方便幾何模型轉(zhuǎn)換且減少模型信息丟失；改善有限元程序，提高計(jì)算效率并設(shè)法降低硬件要求；實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM的系統(tǒng)高度集成，便于模具的精密制造；開發(fā)更為友好的用戶界面等；此外，鍛件微觀組織和機(jī)械特性的模擬預(yù)測是數(shù)值模擬的重要發(fā)展方向，屬于精確模擬的范疇，為冷鍛精確成形技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。
(2) 軟件應(yīng)用基礎(chǔ)準(zhǔn)備[3][4]
探索建模理論及方法，建立準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，現(xiàn)階段材料模型（Material Database）準(zhǔn)確建立是模擬技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸，原因主要一是這種工作適合由非盈利組織來完成，二是由于各國材料性能的波動(dòng)和差異，導(dǎo)致材料數(shù)據(jù)收集困難。此外，在精確模擬過程中如何應(yīng)對冷鍛原材料性能的波動(dòng)，也是用戶要面臨的難題。此外，開發(fā)基于知識(shí)的教學(xué)系統(tǒng)，用于培訓(xùn)分析工程師，使更多的公司熟悉模擬軟件，并提供互動(dòng)性好的軟件使用經(jīng)驗(yàn)交流平臺(tái)。
(3) 基于數(shù)值模擬的成形工藝優(yōu)化技術(shù)的開發(fā)
基于數(shù)值模擬的成形工藝優(yōu)化是目前國際冷鍛學(xué)術(shù)界較熱門的研究課題。通過數(shù)值模擬對成形工藝進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到降低成形載荷、減少材料損耗、提高模具壽命的目標(biāo)。傳統(tǒng)優(yōu)化算法求解時(shí)對優(yōu)化變量的任何修改均進(jìn)行模擬以獲取對應(yīng)的目標(biāo)值，模擬次數(shù)太多、優(yōu)化時(shí)間過長。基于數(shù)值模擬的成形工藝優(yōu)化技術(shù)將數(shù)值模擬、優(yōu)化算法、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析等現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算方法應(yīng)用到優(yōu)化過程中，減少了數(shù)值模擬次數(shù)，提高了優(yōu)化效率。
基于數(shù)值模擬的近似擬合優(yōu)化方法的大致流程如圖2所示。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選取多組優(yōu)化變量，分別進(jìn)行數(shù)值模擬獲得每組設(shè)計(jì)變量對應(yīng)的目標(biāo)值，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法構(gòu)建能近似表達(dá)優(yōu)化變量與優(yōu)化目標(biāo)之間對應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，從而將冷鍛成形工藝優(yōu)化的工程問題轉(zhuǎn)化為求解近似擬合模型最優(yōu)值的數(shù)學(xué)優(yōu)化問題。然后應(yīng)用優(yōu)化算法對近似擬合模型進(jìn)行最優(yōu)值搜索，在優(yōu)化迭代過程中不需要調(diào)用數(shù)值模擬程序，而是用近似模型預(yù)測目標(biāo)值，只有在得到近似模型的最優(yōu)解后，才對對應(yīng)的優(yōu)化變量進(jìn)行數(shù)值模擬，檢驗(yàn)近似模型的準(zhǔn)確性，并更新近似模型。
3. 冷鍛模具壽命的研究進(jìn)展
2.1模具的失效形式
冷鍛模具制造成本高，其壽命直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率，所以提高模具壽命成為一項(xiàng)基本的冷鍛技術(shù)要求。ICFG 2006年在歐洲和日本對冷鍛模具材料開展了調(diào)研，結(jié)果表明粉末冶金鋼在歐洲使用較為廣泛，而硬質(zhì)合金在日本較多使用[5]。 冷鍛模具常見的失效方式有疲勞斷裂、徑向斷裂、磨損、塑性變形、表面點(diǎn)蝕、咬粘等，在冷鍛生產(chǎn)中，模具壽命主要受斷裂、磨損和塑性變形的影響[6]。模具壽命的影響因素來源于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與制造，以及生產(chǎn)操作等多方面，用面向工藝的觀點(diǎn)來分析，可將模具壽命問題歸結(jié)為模具載荷（包括內(nèi)部載荷和外部載荷）和模具強(qiáng)度的各種不利影響因素及這些因素之間的相互作用。圖3給出了模具和產(chǎn)品由開發(fā)階段產(chǎn)生的系統(tǒng)失效方式和在生產(chǎn)階段出現(xiàn)的隨機(jī)失效方式。由于開發(fā)階段的客戶要求、工藝和模具設(shè)計(jì)等問題所引起的模具失效一般以系統(tǒng)失效方式出現(xiàn)；而在生產(chǎn)條件下由于模具制造或工藝參數(shù)問題而出現(xiàn)的模具失效屬于隨機(jī)失效方式。由圖可知，提高冷鍛模具壽命是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。
 圖3 模具壽命問題：載荷、強(qiáng)度影響因素及其復(fù)雜的相互作用[7]
2.2提高模具壽命的主要策略[7]
1. 減小作用在模具上的外載荷
從材料等級(jí)、前處理工藝、預(yù)成形設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、潤滑系統(tǒng)，以及模具形狀等方面來考慮。
2. 提高模具強(qiáng)度
① 提高模具材料的強(qiáng)度：提高材料等級(jí)、提高粉末冶金水平和應(yīng)用高質(zhì)量熱處理工藝；
② 減小凹模內(nèi)圈的應(yīng)力應(yīng)變：優(yōu)化設(shè)計(jì)組合凹模、提高預(yù)應(yīng)力水平和采用高剛度預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)；
③ 提高模具表面強(qiáng)度：應(yīng)用抗磨損涂層和激光表面融覆技術(shù)；
④ 提高模具制造精度：改善拋光工藝、用高速硬銑削加工替代EDM工藝。
3. 降低載荷的波動(dòng)
設(shè)法減小毛坯的材料特性、幾何尺寸和重量、潤滑劑的質(zhì)量與數(shù)量，以及壓力機(jī)行程等隨機(jī)因素的波動(dòng)性。
4. 降低強(qiáng)度的波動(dòng)
① 減小凹模內(nèi)圈應(yīng)力應(yīng)變的分散性：通過控制過盈量來控制預(yù)應(yīng)力值、避免預(yù)緊力過大導(dǎo)致應(yīng)力圈發(fā)生塑性變形，避免預(yù)應(yīng)力過小導(dǎo)致凹模預(yù)應(yīng)力不夠而破壞；
② 減小模具材料強(qiáng)度的分散性：減小模具材料供應(yīng)的波動(dòng)性、減少模具熱處理工藝及其供應(yīng)商的變動(dòng)和減小易導(dǎo)致材料疲勞特性波動(dòng)的高拉伸應(yīng)力；
③ 減小模具制造精度的發(fā)散性：開發(fā)并使用具有高度一致性的制造工藝。
5. 模具的高效管理
① 模具檢修和剩余壽命預(yù)估：在生產(chǎn)班次交接時(shí)檢查模具關(guān)鍵零部件，剩余壽命預(yù)估對模具的維護(hù)成本和策略具有重要影響，低估會(huì)使模具零件過早報(bào)廢導(dǎo)致模具成本提高，高估會(huì)導(dǎo)致設(shè)備意外停止并損壞，同時(shí)延誤工時(shí)。
② 模具分組更換策略，即根據(jù)一定的準(zhǔn)則，將模具零部件進(jìn)行分組，當(dāng)某組中一個(gè)零件破壞，則將其所在分組中零部件整體更換。
4. 高速鍛造技術(shù)的應(yīng)用
高速鍛造技術(shù)因其生產(chǎn)效率高，特別適合于零部件的大批量生產(chǎn)。高速冷鍛機(jī)在國外精密鍛造企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，如瑞士HATEBUR公司的Coldmatic系列冷鐓鍛機(jī)采用多工位臥式鍛造，具有工位間以機(jī)械手夾鉗自動(dòng)送料、高速剪切下料系統(tǒng)保證毛坯的表面質(zhì)量和精度、可單獨(dú)調(diào)節(jié)的機(jī)械手可以把任意形狀和長度的工件很好地夾持并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間傳送到下一工位等優(yōu)點(diǎn)。在Coldmatic AKP 4-6設(shè)備上可以實(shí)現(xiàn)精密下料并通過六個(gè)工位完成圖5所示小齒輪件的成形：① 精密下料；② 無須對料段整形的前提下對小直徑部分進(jìn)行正擠壓；③ 鍵槽部分的正擠壓；④ 端部鐓粗；⑤ 小齒部分的反向擠壓成形（無須翻轉(zhuǎn)零件）；⑥ 在凹模側(cè)將臺(tái)肩直徑減小；⑦ 對小齒部分進(jìn)行最后的精整。該零件生產(chǎn)效率可達(dá)160件/分鐘。
 圖5 小齒輪件成形工藝[8]
5. 結(jié)語
近40年來，汽車工業(yè)的發(fā)展極大地推動(dòng)了精密鍛造技術(shù)的創(chuàng)新，而未來新能源汽車的發(fā)展將給精密鍛造技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。材料科學(xué)、塑性成形、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展推動(dòng)了精密鍛造技術(shù)的創(chuàng)新。有理由相信，通過開展以科研院所為主體的精密鍛造基礎(chǔ)研究和企業(yè)為主體的精密鍛造應(yīng)用研究，更多的創(chuàng)新成果將在精密鍛造領(lǐng)域涌現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
[1] Kozo Osakada. Recent developments of precision forging in Japan. Proceedings of the 4th JSTP International Seminar on Precision Forging. Nara, Japan, March 21-24,2006:1-6.
[2] http://www.icfg.info.
[3] K. Kitamura, R. Matsumoto, A. Putz. Future challenges in precision forging technology —— A report of discussion hour at the 4th ISPF, 39th ICFG Plenary Meeting 2006, August 27 - 30, Korea.
[4] ICFG Doc. 15/02: Process Simulation (1st Workshop, Ankara / Turkey, May 3rd-4th, 2001).
[5] ICFG Doc. 17/06: Tool life & tool quality in cold forging, Part 3: Application of PM-steel and tungsten carbide material for cold forging tools – a comparison between Europe and Japan.
[6] M Hänsel. Systematic investigation of tool life problems. ICFG Plenary Meeting, Ljubljana, 13.09. 1999.
[7] ICFG Doc.14/02: Tool life & tool quality in cold forging, Part 1: General aspects of tool life.
[8] K. Helfer. HATEBUR-Coldmatic AKP4-6 S最新冷成形機(jī). 鍛造與沖壓，2006，9.
|
||||||||||||||||||||||||||||