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锻造是机械制造的基础工艺之一，是机械产品不可缺少的重要环节。在电站、冶金、机械装备、铁道、造船、航空航天、兵器、汽车、化工等部门中都占有很重要地位。尤其在飞机上约有85%、汽车上约有58%、农机上约有70%的零部件均采用锻压工艺制造。因为采用锻压工艺制造的零件不仅强度高、韧性好，而且节材、节能、成本低、适用于大批量生产。正如世界著名锻压权威，英国伯明翰大学T.A.Dean教授在人类进入21世纪之际撰文指出：欧洲的锻造者将是把欧洲带入21世纪提供高科技零件的源泉。
目前，国内外锻造企业的发展趋势可以概括为“五化”：
1. 锻件精密化
整个锻造技术发展总体趋势是更精更省，达到不需机械加工或少许机械加工就可使用。
实现锻件精密化，要在精锻工艺上下功夫。因为精锻件可降低成本80～90％，降低劳动成本95％；与普通模锻相比，精锻件可降低成本60～70％。用精密模锻工艺制造出价廉物美产品，是各汽车制造商奋力拼搏的杀手锏。如丰田汽车厂属下有12家分厂，其中就有4家致力于精锻件的开发和生产。美国伊顿公司年产精锻齿轮件100多万件，公差±0.03~0.05mm。
近年来，国内在挤压成形、冷锻及温锻、粉末锻造等高效率、高质量、高精度、节能、节材工艺的应用发展很快。有代表性的锻造新技术是净形精密锻造，典型零件是齿形锻造和闭式锻造的汽车变速器零件。在锻造齿轮类零件方面众多厂家都在进行这方面的研究开发。图1分别给出用于汽车和电器的部分精锻产品。
1.1 实现精密化的主要途径
1.1.1 冷温热锻的复合工艺
冷锻是在室温下成形的，锻件精度可达IT8～11；温锻是高于室温低于金属再结晶温度以下成形，一般在700～850℃锻造，此时，氧化皮厚度仅在10μm左右，精度可达IT11～14；热锻一般在金属再结晶温度以上成形，即在850～1250℃锻造，精度可达IT13～16。冷温热锻的综合成形性能、成本、精度见表1［8］。
 a)
 b)
图1 部分精锻产品
a－用于汽车部分的精锻产品 ； b－用于电子部分精锻产品
表1 热锻、温锻、冷锻性能成本比较表［5］
从表1可见，就材料的变形能力来看，热锻是冷锻将近4倍。为了使一些复杂件也能净形锻造，就要采用冷热结合或温冷组合工艺（图2）。上海保捷汽车零部件锻压公司的Valeo的轮毂就是采用这一工艺。原来韩国全是冷锻，21道工序，成本之高不难想象。该司采用温锻＋冷整形，仅用7道工序就达到韩国的要求。太平洋精锻公司原来设计也是单一的冷锻，近年来，也转向热锻或温锻＋冷整形。
上海纳铁福传动轴有限公司，在2000年花近1亿元引进德国SCHULER公司16000KN Forgemaster压力机，专用于外星轮、三销套（图3）温锻后冷整形精密生产线。经多工位温锻后得到的外星轮温锻件，其杯部内腔的下半部为球形面和球沟槽，而上半部则是圆柱面和直沟槽。由图3可见，外星轮精锻件要求杯部内腔上下部分均为球面和球沟槽。为此，需要通过冷缩径精整，以达到外星轮精锻件的要求。
外星轮的冷精整工艺：将外星轮温锻件退火、磷化-皂化处理；再用半球形整体凸模冷精整锻件杯部内腔；接着用组合结构球形凸模（芯部为锥形芯棒，外层分割为6瓣）顶着锻件内腔杯底，将其强制通过带锥角的凹模。由于凹模对锻件上半部杯壁产生径向力作用，从而使杯壁金属产生径向塑性流动紧紧包住凸模上球面。当压力机到达下死点后，向上抽出锥形芯棒，6块分瓣球形凸模便向心收缩，于是，锻件的内腔脱离球形凸模的组合结构被取出。从图4可以看出，组合结构的球形凸模的设计、凹模锥角的优化以及温锻件杯部的几何参数，则是外星轮精密缩径的技术关键。
对外星轮冷精整后的锻件内球面和滚道仅需一道磨削加工，磨削余量<0.3mm。2002年初投产，25件/分，年产300万件。几年来，经济效益凸现，现正筹划建造第二条精锻线。
 图2 温锻＋冷整形的直伞齿轮
 图3 温锻＋冷整形的外星轮等锻件
 a) b)
a－外星轮锻件放入模具；b－完成冷缩径，组合冲头拔出
图4 外星轮精整模
图5所示结合齿采用4工位热锻制坯＋齿形精整＋倒锥成形的热冷锻复合工艺。
  a) b）
a－锻件；b－组合整形模
图5 结合齿及其整形模
1.1.2 等温模锻工艺
等温锻造是指把模具加热到与坯料变形的相同或相近的温度，在较低速度变形过程中，使热毛坯和模具温度基本保持不变的锻造方法。等温模锻是60年代末发展起来的锻造新工艺，运用这一新工艺可以生产出净尺寸的产品。美伊利诺斯州理工学院研究所的有关专家认为，等温锻造在锻造技术中堪称突破 。
在普通压力机或锤上精化锻件时，由于模具的温度较低，工件肋或
 图6 叶轮等温模锻件
角隙部位易于冷却，再加变形速率较高，变形抗力明显增加，这些都会阻碍金属对模具型腔的充填。
图6所示是上海交通大学研制的叶轮等温模锻件。所锻叶轮叶片高宽比达到12：1。与同样材质的2A50（LD5）普通模锻件相比，强度增加20％，延伸率增加76％，完全满足40300转/分的要求。该叶轮等温模锻的模具装置示于图7。
 图7 等温模锻件模具结构
1.1.3 半固态成形
半固态金属加工技术就是金属在凝固过程中，通过剧烈搅拌或凝固过程的控制，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮固相组分近球形的固液混合浆料（固相组分甚至可高达60％）。这种半固态金属浆料具有流变和触变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通方法成形形状比较复杂产品。
基础研究阶段是从20世纪70年代开始，90年代后期，半固态加工技术进入了商业化的应用阶段。规模较大的有法国Pechiney,美国Alumax、意大利的Stampal、瑞士的Buhler。国外这些技术得到广泛应用，尤其是汽车工业和3C产业。相对而言，国内在半固态加工技术上还处于从实验室向试生产过渡阶段［6］。
 图8 半固态加工成形的汽车零件
 图9 半固态加工的3C产品
 图10 我国生产的半固态零件
其它的精密成形方法还有超塑性成形、液态模锻、摆动碾压等等。
2. 锻造材料轻量化
可用于锻造的有色金属主要有铝合金、镁合金、钛合金及铜合金。近年来，由于能源价格的不断攀升，汽车制造业也提出轻量化的要求。到2010年前，轿车的平均重量由现在的1300KG降到1000KG。一辆轿车的重量若减轻10％，油耗可降低8～10％。近年来，镁合金在世界上的需求量年增长率20％，而我国镁储藏量占世界70％［1］。锻造镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能。但是，几十年来，镁合金的锻造产品仅用在很少的几个方面，主要原因是镁合金自身塑变特性决定其难于锻造成形，制造成本较高，产品价格昂贵，图11示出部分镁合金锻件。
 图11 部分镁合金锻件
钛合金与其它结构材料比较，其最重要的优点是比强度高；热强性好，在400～500℃温度范围内，钛合金的比强度超过了多数不锈钢和抗氧化钢。耐腐蚀，如江南造船厂将钛丝吊在海水中一年，腐蚀仅0.01mm。因此，钛合金首先在航空航天、造船工业和人造关节中得到应用。世界上所生产的钛合金的80％用于航空航天工业，如，美国F22战斗机钛合金的用量达到41％。由于价格等原因，民用客机波音-777中钛合金的用量还只有结构质量的7％［9］。尽管钛合金有很多优点，但因价格昂贵，限制了在汽车工业中的应用。到2006年，美国锻造企业总数为371家，其中专业锻造铝合金28家，占总数的7.5%;专业锻造钛合金21家,占总数的5.7%。锻造有色金属工厂比例远高于我国，目前，我国从事钛合金生产的专业工厂仅有2家：陕西宝钛实业公司和上海三钢桦厦钛业有限公司。图12 示出钛合金的人造关节锻件。
 图12 钛合金人造关节
日本对铝合金锻造的研发也投入了巨大人力和物力。本田汽车公司2004年10月发表战略报告说，每辆轿车将使用200KG铝合金零件，其中40KG为锻件。铝锻件成本构成：材料费59％，其中16％是剥皮损耗。铸坯经变形量达到80％后，疲劳强度增加20％；在铸坯中加钙，冲击韧性增加25％。丰田汽车公司说，新工艺使材料成本下降25％。相对铸造而言，以前杠杆为例，重量下降43％［2］。到2008年，我国每辆汽车上用铝合金将达到130KG［3］。摩托车上使用铝合金锻件也在迅猛增加。使用锻铝活塞，发动机功率增加10％。悬挂件用铝件代替铸铁件减重35～40％，相对铝铸件减重25％［3］。俄罗斯等国家已初步完成用铝合金做汽车发动机连杆代替40Cr材质的连杆的科学研究，2A50（LD5）铝合金连杆与40Cr的相比，总费用高出10～12％，但其他的间接好处更多。并分析用新的铝合金来制造零件的可能性：前梁、凸轮、悬挂杠杆、轴承壳体、转向节叉、后桥套筒、车架横梁等［4］。由此看来，铝合金的用量远远高于其他有色金属，图13示出用铝合金制出的部分锻件。
  图13 部分铝合金锻件
3．锻模制造技术数字化
模具作为工业生产的基础工艺装备，在汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活用品的生产中被广泛应用。75％的粗加工零件、50％精加工零件都由模具成形。家电行业的80％零件、机电行业50％以上零件也都要靠模具加工。因此，模具又被称为“百业之母”。模具生产的工艺水平及科技含量的高低，成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力。一般地说，模具费用占锻件成本的10％。因此，提高模具寿命，是降低锻件成本，提高其竞争力的有效途径之一。而模具寿命和模具材料、热加工规范、模具结构、机械加工及使用工况等诸多因素有关。
数字化制造技术已成为提升产品核心竞争力的重要手段，而塑性成形和模具技术的数字化将成为21世纪该项技术的核心。把计算机引入锻压工业各个领域作为金属成形领域第三个发展阶段。2000年前，在英国锻造业中就有17%使用了金属流动模拟技术，27%的企业计划使用。德国Walter Scheid公司有5条精锻生产线。该公司在开发外星轮和三销套新产品时，使用模拟技术，从以前修模3～5次降至现在1～2次。运用MSC软件模拟，每次可节省设计费1000～10000美元；透平叶片模拟后由3工步减少到2工步，成本节约1/3。可见该项新技术在工艺设计时的重要作用。在锻造生产中，随着计算机技术的发展，数字化技术已在工艺过程仿真控制等方面发挥重要作用，逐步形成这一传统产业的高新技术。表4列出国内外模具现状及创新要点。
表4 国内外模具现状及创新要点
4．锻压装备技术伺服化
从2005年中国国际机床展览会上可以看出金属成形设备发展的总趋势是向高自动化、成套化、成线化、高度柔性、复合化、高精度、高效、高速度、环保、节能、降噪音等方向发展。
热模锻压力机在发达国家是模锻的主要设备，占模锻设备总量的40～64％，我国仅占14.5％。
除锻锤外，成形设备大都采用机械或液压驱动，其动力源为交流异步电动机，速度不能调节与控制，故其工作机构的运动特性只能是单一的，工艺适应性差，这是最大缺点。采用伺服控制，作用力、速度和位置等工艺参数的控制可达到较高的精度。
目前，日本AIDA压力机制造商开发的伺服压力机称之为继蒸汽驱动、电力驱动后的第三代压力机［7］，具有划时代意义，如图13所示。它采用计算机控制，利用数字控制技术可以对压力机运动自由自在控制，可以对滑块位置重复控制精度达±0.01mm，输出力可控精度达±1.6%；滑块运动轨迹也可任意控制，噪声≤75db。从而为提高复杂零件的成形、环境保护、模具寿命的提高提供了良好的条件。
Enomoto Machine C0.,Ltd.制成了伺服螺旋压力机。除了其它优点以外，节能也是其突出优点之一。以使用30kW伺服电机的螺旋压力机为例，可以产生3000kN的打击力；而选用机械直接驱动方式，使用相同功率电机情况下，螺旋压力机最多也只能产生700～800kN 的打击力。可节约30～50％电能。
 a) b)
a－原理图；b－25000kN伺服压力机
图12 小松25000kN机械连杆伺服压力机
应该说，经过多年的不懈努力，我国的金属成形设备行业整体水平有了突飞猛进的提高，已具备了与国外产品竞争的实力。但在某些产品上的差距也是显而易见的，最突出的问题是高精尖的机床不多，说到底，还是技术上的核心竞争力不足。从锻造设备数量上我国是一个大国，但从生产能力上我们不是强国。
5. 锻造企业组合全球化
自2002年以来，世界各国锻造企业重组加快，在海外投资建厂的进程明显加快，这正是锻造业全球化的最明显的标志。主机厂生产基地的转移，厂对厂之间的重组、合并不断发生。然而，这些主机厂为了稳定生产和快速占领市场，往往要求其原有配套企业跟随投资，这样带来的结果是，重复建设不断加重，地域竞争不断强化，对本地锻造业造成严重冲击。主机厂成本的转移，严重威胁到中小锻造企业的生存。随着全球化贸易的出现，目前，主机厂迫于竞争压力，将成本逐渐转移到其配套厂，致使锻件价格不断下降，而配套厂是无法转移成本的，这就威胁到中小型锻造企业的生存。为了应对，企业联合形成大集团的趋向也就越来越明显。浙江万向集团并购江苏森威冷锻公司，建设计能力30万吨模锻件生产厂。德国最大的锻造公司亦在浙江平湖筹建新厂。日本丰田、本田都带来一批零部件生产厂商。2005年，印度巴勒特锻造（Bharat Forge）公司收购了德国第二大锻造公司肯.顿.佩定霍斯(Can Dan Peddinghaus)公司,近期又收购了美国的联邦锻造公司(Federal Forge Inc），去年又与我国最大的一汽锻造厂合资，已成全球第二大的锻造企业。桑达朗紧固件公司（Sundaranm Ltd）收购了英国达纳公司(Dana Corp)的锻造部分。阿梅泰克汽车公司（Ametek Auoto Ltd）收购了GWK集团的全部股份；EL锻造公司（EL Forge）收购了英国沙克斯比锻造公司（Shakespear Forgings）的控股权。
上海周边及国内民营锻造企业也如雨后春笋一样涌流出来。如浙江瑞安一个县级市就有锻造企业150多家。张家港宏宝锻造厂已经完成原始积累，通过上市募集资金2亿多元。除了8条摩擦压力机生产线外，现已建成8条热模锻压力机生产线，还正在筹建6300吨热模锻压力机生产线。由于该厂的欣欣向荣的场面，引得该厂所在大新镇建立了150多家民营锻造厂。
希望这些模锻厂点，仅仅把握模锻行业发展的“五化”，把企业做强做大，在市场竞争的大潮中，才能立于不败之地！
参考文献
〔1〕 刘晓鹏编译.日本锻造铝技术的发展［J］.锻造与冲压,2006(2):70.
〔2〕 罗晴岚. Mukai T,Watanabe H,Higushi K Materials Science Form 2000:(350-351):159.
〔3〕 锻压技术改造杂谈.锻造与冲压,2004(4):13
〔4〕 И.Л.Акаро О.М.Смирнов А.И.Батурин Штампо-вка поковок шатунов из алюминиевого сп-лава КШПОМД .2005(5):3-8
〔5〕 王以华等. 上海锻压行业的专业化、精密化和现代化［J］.锻造与冲压，2006（1）：46-52.
〔6〕 谢水生. 半固态金属加工 21世纪的新一代金属成形技术. ［J］.锻造与冲压，2006（1）：32-36.
〔7〕 Enomoto Machine Co.,Ltd 新型伺服电机驱动锻造螺旋压力机［J］. 锻造与冲压，2006（2）：40-42.
〔8〕 日本塑性加工学会 锻造分科会 编 ゎかりゃすぃ锻造加工 （M） 日本东京 日刊工业新闻社 2005.4.
〔9〕 王乐安编著.难变形合金锻件生产技术 （M）北京 国防工业出版社 2005.9.
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