李建军;黄茂林;彭谦之;魏志文;张强;贾贝;雷雪峰
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【摘 要】多媒体集中控制器介绍了精锻技术、触变锻造技术、铸锻复合成型技术的原理和应用,讨论了有限元模拟技术在锻造生产中的应用,并对锻造技术的发展进行了展望. 【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2015(036)003
【总页数】6页(P57-62)
【关键词】精密锻造;触变锻造;铸锻复合成型;有限元模拟;发展现状
【作 者】李建军;黄茂林;彭谦之;魏志文;张强;贾贝;雷雪峰
【作者单位】中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南株洲412002;中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南株洲412002;中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南
株洲412002;中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南株洲412002;中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南株洲412002;中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南株洲412002;中国南方航空工业(集团)有限公司锻造中心,湖南株洲412002
【正文语种】中 文
【中图分类】TG315.79
锻造技术在中国有着悠久的历史。从青铜器时代，我国人民就已经开始利用锻造技术锻制兵器、农具等用品。但是从遥远的春秋战国时代直到近代，我国的锻造技术一直处于手工作坊生产的状态，锻造工艺也以手工自由锻为主。直到二战结束和新中国成立之后，才利用从日军手里缴获的锻造设备和苏联援建的一些锻造设备建立起我国的现代锻造工业。目前科技发展日新月异，锻造技术也取得了长足的进步。本文综述了锻造工艺的发展现状，分别讨论精锻技术、触变锻造技术、铸锻复合成形技术的特点及其应用，分析了有限元法在锻造生产中应用，并对今后锻造技术的发展方向进行了展望，希望能给读者以有益的启示。 1 锻造工艺的发展现状
1.1 精密锻造技术
1.1.1 传统精锻技术
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显示器玻璃精密锻造是指零件锻造成形后，只需少量加工或不再加工即符合零件尺寸精度要求的成形技术。实现精锻成形的途径主要有两种:精化毛坯，即直接锻造出满足精密机加要求的毛坯。精锻件，整个或零件一些部分直接采用精锻工艺加工而成，从而减少机加量［1］。目前应用于生产的精密锻造工艺很多。按成形温度不同可以分为热精锻、冷精锻、温精锻、复合精锻等。下面分别介绍几种精密锻造工艺。
1)热精锻工艺:热精锻是指在再结晶温度以上进行锻造的精锻工艺。因为变形温度高，在进行锻造时材料的变形抗力低，塑性好，所以易于成形几何形状复杂的零件［2］。闭式模锻为热精锻常用的工艺方法，由于模具设计、下料不准、制造精度不够等原因，闭式模锻在锻造末期变形抗力很大，对模具和设备造成有害的影响。利用分流降压原理可以解决该问题，即在封闭型腔最后充满的部位设置形状大小合适的分流降压腔孔，当型腔完全充满后坯料的多余金属从分流腔孔流出，这样既解决了坯料体积与型腔体积不能严格相等的问题，也降低了型腔的内部压力，提高了模具的使用寿命［3］。 2)冷精锻工艺:冷精锻工艺是在室温下进行锻造的一种精锻成形技术。由于室温成形，避免由于热胀冷缩带来的尺寸误差，所以冷精锻的工件形状和尺寸较易控制，同时锻件表面不产生氧化和烧损等，具有较高的表面质量，因此热精锻与温精锻的锻造精度均比冷精锻要低。另外，冷精锻产生的加工硬化效果可使冷锻件的强度显著提高。但在冷锻成形过程中，变形抗力大、工件塑性差、填充效果差，对设备和模具要求高，因此很难成形形状复杂的零件［2］。
3)温精锻工艺:温锻是把金属加热到再结晶温度以下适合的温度进行锻造的一种精锻技术。它同时具有热锻、冷锻的优点而避免了它们的缺陷，有效地降低了设备与模具的载荷，提高了金属的塑性和流动性，不需锻退火。但是温精锻工艺锻造温度低、锻造温度范围狭窄且对其锻造范围要求较为严格，需要高精度专门的设备，同时对模具结构和模具材料有较高的要求［1，3］。
4)复合精锻工艺:复合精锻工艺将冷、温、热锻工艺进行组合共同完成一个工件锻造的一种锻造技术，它能发挥冷、温、热锻的优点，避免了冷、温、热锻的缺点。同时采用复合精锻工艺生产的零件其机械性能、尺寸精度、表面质量较采用单一锻造技术生产的零件都有
所提高［4］。目前常用的复合精锻工艺主要有温锻-冷精整、热锻-冷锻、温挤压-冷摆辗、温热精锻-冷挤压、热精锻-冷摆辗等［5］。
1.1.2 等温锻造技术
等温锻造技术是一种先进的近净成型技术。它是指在整个模锻过程中，模具和坯料的温度保持相同或者相近的恒定值，并以较慢的变形速度完成变形的一种模锻技术［6］。由于对变形温度进行了控制，等温锻造技术具有许多优点:1)大大降低了锻造材料的变形抗力，显著地提高现有锻造设备的工作能力;2)提高锻造材料的塑性(甚至达到超塑性)，使一些低塑性合金的锻造成为可能;3)锻件内部及表面温度分布均匀、变形均匀，从而使得锻件的组织性能均匀;4)工艺条件易于准确控制，产品质量稳定;5)避免冷模效应，大大提高锻造材料的流动性及充模的能力，减少锻件残余应力，使少无余量精密成形成为可能，同时锻件流线分布非常合理;6)采用等温精锻件将节约大量贵重材料，减少机械加工量，加快航空航天器批量生产速度。生产达到一定批量时，可降低生产总成本［7-8］。与此同时，等温锻造还有以下一些缺点:模具由特殊材料制造(钛合金锻造中一般用镍基高温合金制造模具)，费用比普通模具高得多;需要温度均匀可控的模具加热系统;润滑剂要求高，能在高温下充分使用;
为防止工件和模具氧化，需要额外的真空或惰性气体保护装置;锻造小尺寸零件时，经济性差［9］。
目前等温锻造技术已经在工业生产的各个领域特别是航空工业领域得到了广泛的应用，涉及的材料有钛合金、高温合金、铝合金、镁合金、金属间化合物、金属复合材料等等，研制的等温锻件种类有盘类、轴类、叶片类以及复杂结构件等［7］。美国、俄国在等温锻造技术领域一直处于国际前沿。利用等温锻造技术，美国铝业公司、NASA、美国Wyman-Gordon公司等制造了飞机水平面连杆、TAZ-8A高温合金的涡轮叶片、Ti6Al4V2Sn钛合金起落架前轮、TC4钛合金框架加强板、舱隔及轴承支座等零件［10］。俄罗斯航空工艺研究院，航空材料研究院，航空发动机制造研究院以及雷平斯克航空发动机厂等科研生产单位很早就开始了等温锻造技术的研发，建立了一系列的专用压机:250 t，630 t，1600 t和 4000 t油压机，先后共制造了20台这种类型的专用油压机，其中最大吨位4000 t油压机总共建造了4台。生产的产品主要有钛合金压气机盘、钛合金叶片、飞机钛合金结构件、高温合金涡等零件。在专用模具材料方面，俄罗斯航空材料研究院研制出了能够在1150℃下工作的特种高温合金模具材料，在1150℃时其屈服强度高达400 MPa左右，其极限工作温度为1170℃，在此基础上研制成功了高温合金压气机盘、涡等温锻件［11］。
目前有国外研究者正在探索使用其它新型材料用作模具材料，如陶瓷材料、碳纤维复合材料等，这是目前等温锻造技术研究的一个热点［9-10］。我国等温锻造技术研究开始于上世纪70年代，研究的材料主要有铝合金、钛合金、高温合金等。经过近40年的发展，等温锻造技术的研发取得了丰硕的成果，我国新型航空发动机以及飞机等难变形零部件已经广泛地采用了等温锻造技术进行生产。目前我国在等温锻造技术方面具有实力科研生产单位主要有北京航材院、西北工大、宝钢特钢、宏远航空锻铸厂、安大航空锻造厂等［6，9，12］。
1.1.3 粉末锻造技术
粉末锻造是将传统的粉末冶金和精密锻造相结合的一种近净成形工艺［13］。粉末锻造以粉末为原料，利用粉末冶金方法先制取具有一定形状和尺寸的多孔预成形坯，简称预型件，在保护气氛下烧结和加热到热加工温度。为节省能耗，有时将烧结和锻前加热结合为一个工序，然后很快转移到闭式锻模中一次锻压成形，其工艺流程如图1所示。
磁盘阵列柜图1 粉末锻造工艺流程图Fig.1 Flowchart of powder forging process
粉末锻造技术保持了粉末冶金近净成型的优点，具有材料利用率高，尺寸精度高，机械加工量少等特点。烧结后的预形件一次锻压后的致密度可达98%以上，内部均匀致密，晶粒尺寸小，具有相当于传统锻件甚至超过传统锻件的力学性能［14］。由于粉末锻造温度低，无氧化皮，模具表面磨损小，且锻造单位压力远低于普通模锻。与普通模锻相比，其模具寿命可提高10～20以上［15］。此外，粉末锻造技术采用粉末作为原料，可以根据零件的实际工况和性能要求，在大范围内调整材料成分，以获得最佳性价比［16］。
目前粉末锻造工艺在汽车零件生产中得到了广泛的应用，其中采用粉末锻造工艺生产的零件主要有:自动变速器中转换离合器的内外环，超越离合器的外环，锁定转换器的毂载重车自动变速器中的内齿轮，发动机中的连杆，内环及单向内凸轮，单向离合器的内外环，卡车齿轮箱的同步环，轻型车四轮驱动分动箱的齿轮毛坯等［17-19］。
1.1.4 径向锻造技术
径向锻造技术，又称精密螺旋锻造，也称为精密锻轴工艺，是一种在同一平面上同时对轴类零件施加多个周向均匀分布的打击力的成形方法。径向锻机的基本原理如图2所示:沿零件周向均匀分布的多个锤头在驱动机构的带动下在径向方向往复运动，同时零件在夹持机
构的带动下沿轴向送给，在送进的过程中根据工艺的要求控制工件旋转的速度。个别径向锻机在锻打过程中锤头可在轴向进行微小摆动或低速转动。零件受到均匀分布的高频、高速、短冲程的锻压力，材料在高静水压力的应力状态下沿轴向流动［17］。
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