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冷鍛工藝
發表時間:2009-05-06 08:44:05; 來源:
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冷鍛工藝是一種精密塑性成形技術，具有切削加工無可比擬的優點，如制品的機械性能好、生產率高和材料利用率高，特別適合于大批量生產，而且可以作為最終產品的制造方法（Net-shape Forming），在交通運輸工具航空航天和機床工業等行業具有廣泛的應用。當前汽車工業、摩托車工業和機床工業的飛速發展，為冷鍛這一傳統技術的發展提供了原動力。例如，我國1999年摩托車的全國總產量就有1126萬多輛，而根據2000年的初步估計，我國汽車的總需求量到2005年將達到330萬輛，其中轎車130~140萬輛，僅汽車行業的鍛件需求在50~60萬噸以上。冷鍛技術在我國的起步雖然不算太晚，但發展速度卻與發達國家有很大的差距，到目前為止，我國生產的轎車上的冷鍛件重量不足20kg，相當于發達國家的一半，開發潛力很大，加強冷鍛技術開發與推廣應用是我國目前的一項緊迫任務。 冷鍛零件的形狀越來越趨于復雜，由最初的階梯軸、螺釘、螺釘、螺母和導管等，發展到形狀復雜的零件。花鍵軸的典型工藝為：正擠壓桿部――鐓粗中間頭部分――擠壓花鍵；花鍵套的主要工藝為：反擠壓杯形件――沖底制成環形件――正擠壓軸套。目前圓柱齒輪的冷擠壓技術也成功用于生產。除黑色金屬外，目前銅合金、鎂合金和鋁合金材料的冷擠壓應用也越來越廣泛。 持續不斷的工藝革新 冷精鍛是一種（近）凈形成形工藝。采用該方法成形的零件強度和精度高，表面質量好。當前國外一臺普通轎車采用的冷鍛件總量40~45kg，其中齒形類零件總量達10kg以上。冷鍛成形的齒輪單件重量可達1kg以上，齒形精度可達7級。 持續不斷的工藝創新推動了冷擠壓技術的發展，20世紀80年代以來，國內外精密鍛造專家開始將分流鍛造理論應用于正齒輪和螺旋齒輪的冷鍛成形。分流鍛造的主要原理是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。分流鍛造技術的應用，使較高精度齒輪的少、無切削加工迅速達到了產業化規模。對于長徑比為5的擠壓件，如活塞銷，采用軸向余料塊的廣泛通過軸向分流可以實現冷擠壓一次成形，而且凸模的穩定性很好；對于扁平類的直齒輪成形，采用徑向余料塊也可以實現產品的冷擠壓成形。 閉塞鍛造是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。一些轎車精密零件如行星和半軸齒輪、星形套、十字軸承等如果采用切削加工方法，不僅材料利用率很低（平均不到40%），而且耗費工時多，生產成本極高。國外采用閉塞鍛造技術生產這些凈形鍛件，省去絕大部分切削加工，成本大幅度降低。 冷鍛技術的發展主要是開發高附加值的產品，降低生產成本，同時，它還在不斷地向切削、粉末冶金、鑄造、熱鍛、板料成形工藝等領域滲透或取而代之，也可以和這些工藝相結合構成復合工藝。熱鍛-冷鍛復合塑性成形技術是將熱鍛和冷鍛結合起來的一種新的精密金屬成形工藝，它充分利用了熱鍛和冷鍛各自的優點：熱態下金屬塑性好，流動應力低，因此主要的變形過程用熱鍛來完成；冷鍛件的精度高，因此零件的重要尺寸用冷鍛工藝來最終成形零件。熱鍛-冷鍛復合塑性成形技術出現于20世紀80年代，90年代以來取得了越來越廣泛的應用，用該技術制造的零件，已取得了精度提高、成本降低的良好效果。 數值模擬技術用于檢驗工藝和模具設計的合理性 隨著計算機技術的飛速發展和70年代塑性有限元理論的發展，許多塑性成形過程中很難求解的問題可以用有限元方法求解。在冷鍛成形工藝領域，通過建模和合適的邊界條件的確定，有限元數值模擬技術可以很直觀地得到金屬流動過程的應力、應變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現的缺陷情況。這些重要信息的獲得對合理的模具結構，模具的選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著重要的指導意義。 目前有效的數值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎建立起來的，這些軟件有：Deform、Qform、Forge、MSC/Superform等。運用有限元數值模擬技術可用于檢驗工藝和模具設計的合理性。預鍛分流區-分流終鍛，用三維有限元數值模擬軟件Deform 3DTM進行了數值模擬研究，得到了鍛造載荷-行程曲線以及整個成形過程的應力、應變、速度分布等，并與傳統的閉式鐓擠工藝模擬的結果進行了比較。分析表明，傳統的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪，成形載荷大，不利于齒形的充填。采用預鍛分流區-分流終鍛新工藝，可以大幅度降低成形載荷，親明顯改善材料的充填性，可以獲得齒形角部飽滿的齒輪。用三維大變形彈塑性有限元法對齒輪冷精鍛成形過程進行了數值模擬，對以閉式模鍛為預鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動情況進行了數值模擬分析。數值分析結果及工藝試驗表明在終鍛中采取分流，尤其是約束孔分流措施對于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。 智能設計技術及其在冷鍛成形工藝、模具設計中的應用 美國哥倫布貝特爾實驗室開發出基于知識的預鍛幾何尺寸設計系統，因設計預鍛件的形狀為空間幾何體，須對其幾何形狀進行操作，故不能單純地用一般語言來描述推理過程。對于零件的幾何信息，采用框架方法表示，在框架中用不同的槽，定義出組成零件的基本成分和它們之間的拓撲關系。設計規則是用產生式規則表示，用OPS工具進行揄。J.C.Choi和C.Kim7開發了基于知識的冷鍛件和熱鍛件集成工序設計系統，并分別建立了冷、熱鍛件工藝設計規則。 基于知識設計方法在冷鍛成形工藝及模具的設計中的應用，將徹底改變塑性成形傳統的依靠設計人員人人經驗，設計過程中反復修改、設計效率不高的狀態。它使用人工智能、模式識別、機器學習等技術，在設計過程中從系統知識庫中提取合適的知識指導冷鍛成形工藝及模具設計。目前，該項技術正在進一步發展之中。近年來，基于知識設計方法已成為鍛造成形工藝、模具設計智能化技術研究的一個特點課題。 結束語 冷鍛技術成形精度比溫鍛和熱鍛都要高，在精密成形領域有著其獨特的優勢。本文從冷鍛零件的形狀、材料、工藝革新、生產率、數值模擬技術和數字化/智能化設計技術應用以及優化技術幾個方面綜合論述了冷鍛技術的發展現狀，分析了冷鍛技術目前存在的問題并指出了今后發展的方向。冷精鍛是一種（近）凈形成形工藝，有著十分廣闊的應用前景。 |
