精密塑性近净成形技术的发展现状及趋势

摘  要：本文综述了精密塑性近净成形技术的发展现状，探讨了温-冷复合近净成形技术、温锻-冷精整复合成形技术、长寿命模具技术、复杂精锻件精度控制技术以及绿色生产线改进技术。随后进一步指出了精密塑性近净成形技术发展过程中存在的问题与技术难点，并结合生产实际与产业政策提出了精密塑性近净成形技术未来的发展趋势。

关键词：精密塑性近净成形技术;温-冷复合近净成形;长寿命模具技术;复杂精锻件精度控制

引言

精密塑性近净成形技术是利用金属材料的塑性，借助于模具装备，通过压力加工的方式，生产接近最终形状的机械零件。该技术具有提高零件综合力学性能、少无切削、便于组织大批量生产等重要特点[1]。对一般零件，应用该技术可节约原材料30%，减少切削加工余量50%以上;对复杂型面零件，如齿形零件、带球形等异形曲面的万向节类零件等，优势更为明显，复杂型面成形后无需切削加工，与切削加工相比生产效率提高20～30倍。因此该技术属于节材、节能、高效、短流程（减少加工工序、缩短工艺路线）的绿色制造技术，在汽车工业、工程机械等行业具有广泛的应用前景。塑性近净成形技术的水平已成为衡量一个国家制造水平的重要标志[2]。

近年来，德、日等国在数值仿真技术应用研究、自动化生产、模具寿命、应用领域及提高锻件精度等方面都有长足的发展。我国50年代开始塑性净成形技术的理论与应用研究，但发展缓慢，其主要原因为：没有形成适合国情的关键技术，生产与模具装备相对落后。由于锻造模具工况环境比较恶劣，所承受工作载荷、热应力大，导致模具寿命较低，常用的模具材料H13、3Cr2W8V和H11，国内锻模平均寿命只有4000-5000件左右，使得锻件的生产成本偏高，竞争力减弱，严重制约着精密塑性近净成形技术的发展。

1 精密塑性近净成形技术的发展现状

（1）温-冷复合近净成形过程中数值模拟技术

温冷复合近净成形技术是20世纪70年代发展起来的一种精密锻造成形工艺，其既能够有效降低变形抗力，还结合了冷加工的成形精度[3]。目前，其研究的重点主要有以下几点：

① 建立中碳钢及中碳合金钢温塑性成形过程的本构模型。采用Gleeble3500热模拟实验机对中碳钢及中碳合金钢进行热压缩实验，依据实验流动应力曲线确定不同温度下的本构模型中的参数，并分析模型参数随变形条件的变化规律。

② 正确处理金属成形过程中的接触摩擦润滑问题，建立合理的摩擦模型和边界条件，是确保模拟仿真准确的关键技术之一。金属成形过程中，工件接触边界的变化不仅是接触面积和形状的变化，还包括接触面内摩擦条件的变化。摩擦条件的变化尤为复杂，与加工温度、速度、材料性质、润滑条件等因素有关。

（2）温锻-冷精整复合成形技术

在温冷复合近净成形的基础上，进一步发展出温锻-冷精整复合成形技术[4， 5]。通过温冷工序的设计与优化，进一步发挥温冷成形的优点，开发球笼、角速万向节、齿轮、轴类等形状复杂的结构件的高效短流程工艺。大变形主要由温成形完成，重要尺寸精度和表面质量由冷成形工艺保证。结合动态材料模型加工图理论制定温成形温度、速度、变形量工艺参数，是提升锻件质量的关键。同时，充分利用温锻余热，以控温冷却代替冷成形前材料软化处理，进一步缩短工艺流程。

（3）长寿命模具技术

锻压成形过程中，模具承受了极高的热负荷和机械负荷，其主要失效形式有磨损、断裂、塑性变形和机械疲劳等[6]。因此，深入研究模具的失效机理并着力于提升模具寿命，是提高生产效率和降低生产成本的重要手段。

① 研究温成形工步对模具寿命的影响。分析热（温度）-力（变形力、摩擦力）-化学介质（润滑剂）多物理场耦合作用下模具表面氧化、吸附、粘着、切削、开裂等物理、化学变化以及磨损和开裂的形成过程，探明精锻模具的微观磨损机理和开裂机制，建立模具寿命预测模型。提出减小模具应力和载荷的方法。

② 研究模具热处理工艺。研究高温扩散、真空淬火、深冷处理、表面激光强化、循环热处理等热处理工艺，改善模具材料的内在组织，提高模具的承载能力。

（4）复杂精锻件精度控制技术

对于复杂精锻件，其成形精度的控制是至关重要的。同时，由于精密锻造工艺过程的复杂性，锻件的精度控制是一个系统性的工程。

① 分析成形件精度的影响因素。综合考虑模具的弹性变形和磨损、工件的弹性回复、温升引起的工件尺寸变化，以及机床的刚性对成形精度的影响。

② 建立模具和工件耦合的弹塑性-弹性三维热力模型。分析模具的变形对工件尺寸精度的影响;建立温度场模拟模型，分析温升对制件尺寸的影响。建立压力机工作模型，分析压力机工作过程的弹性变形对工件尺寸精度的影响。

③ 研究考虑弹性变形行为和热变形行为的模具补偿与修正方法。探讨现在常用补偿与修模方法的不足之处，提出模腔补偿与修正的新方法。

（5）绿色生产线改进技术

通过选用合适的加热设备、优化坯料加热速度和温度等加热参数，降低能源的消耗;选用噪音低的模锻设备，并在设备安装过程中安置减震降噪设施，降低車间噪音分贝，改善车间工作环境;运用短流程技术，减少锻件的加热次数，从而降低锻件后续热处理的能耗，建立节能减排的绿色锻造生产线[7]。

2.精密塑性近净成形技术存在的问题

（1）材料利用率总体较低。

国内外材料利用率整体上随着工艺水平不断上升，尽管有了很明显的提高，但大部分仍处于毛坯生产阶段，近净成形技术推广的领域较窄。尽管闭式锻造工艺的材料利用率非常高，但是闭式锻造对下料精度（质量）要求较高，金属过多会使变形功急剧增加，模具寿命下降，下料小则难以充满模膛。而且必须设置顶料装置，否则无法起模。闭式锻造技术的自身弱点阻碍了其进一步发展，迫切需要新的成形工艺、技术来补充。C5034C9A-2782-470B-8851-8CF602C66F1E

（2）模具使用寿命有待提高。

由于锻造模具工况环境比较恶劣，所承受工作载荷、热应力大，导致模具寿命较低，常用的模具材料H13、3Cr2W8V和H11，国内锻模平均寿命只有4000-5000件左右，使得锻件的生产成本偏高，竞争力减弱，严重制约着精锻行业的发展。

（3）能源消耗较大。

开展节能减排绿色生产已经迫在眉睫。锻后通常再次加热进行常规淬火、退火、正火和等温正火获得较好的组织、性能，但显著增加了工艺流程和能耗。

3 精密塑性近净成形技术的发展趋势

随着企业内外部技术市场环境的不断变化，汽车零部件行业的竞争日趋白热化。开发近净成形新技术，前期研究结果表明温冷成形能够较好应用于等角速万向节、齿轮、轴类等汽车传动件的高效短流程工艺中，但工序设计、工艺参数的优化还有待进一步确定;通过有限元模拟与优化，改善模具在工作中的受力状况、减轻磨损、延长寿命。采用等磨损的模具设计思想、综合优化技术提高了模具寿命。采用分流减压、同步充填成形的型槽设计方法，大大降低变形抗力，以达到延长模具寿命目的;在现代锻造企业中运用短流程技术，减少加热次数和锻造工步，提高生产效率，节约成本。通过控制锻件的锻后冷却，防止形成粗大的铁素体和珠光体以及析出网状碳化物，使其直接获得相当于锻后再次加热进行的常规淬火、退火、正火和等温正火所得到的组织、性能。这樣常规的淬火、退火、正火和等温正火的加热工步均可以取消。缩短了工艺流程，降低了能耗。因此，在锻造车间设计时，锻造余热热处理应纳入工厂设计，把热处理炉安排在大批量生产的热模锻设备机组内，组成锻造生产线和自动化生产线，实现绿色锻造，并具有自主知识产权。

4 结语

精密塑性近净成形技术不仅具有较高的成形精度，还有利于锻造企业的节能减排，发展绿色锻造。精密塑性近净成形技术的进一步发展，一方面需要不断发展借鉴国内外的先进制造经验，开拓创新，结合我国生产实际持续突破现有技术难题;另一方面，瞄准精密塑性成形所面临的关键共性难题，开展基础性研究。

参考文献

[1]王瑶， 査光成， 谢斌，等. 螺旋伞齿轮近净成形试验研究[J]. 塑性工程学报， 2020， 27（4）：8.

[2]束学道. 零件轧制近净成形：一种兼具理论与实用价值的先进成形技术[J]. 宁波大学学报：理工版， 2018， 31（1）：1.

[3]杨晖慧. 汽车零件温冷复合成形加工工艺探讨[J]. 中国新技术新产品， 2017（3）：1.

[4]徐祥龙.冷、温锻造在中国的发展（上）[J].锻造与冲压，2020（09）：20+22+24+26+28+30.

[5]徐祥龙. 冷，温锻造在中国的发展（下）[J]. 锻造与冲压， 2020（11）：5.

[6]吴延昭， 王华君， 王华昌，等. 长寿命热锻模的磨损分析与寿命预测[J]. 锻压技术， 2011， 36（2）：5.

[7]王阳、滕纪云、汪兴. 锻造车间绿色制造技术应用[J]. 工程建设与设计， 2020（23）：3.

作者简介：沈华宾（1987-），男，江苏人，工程师，本科，主要研究方向：塑性成形及机械工程。C5034C9A-2782-470B-8851-8CF602C66F1E