[科普中国]-精密锻造

概述

能够成形大型复杂结构锻件是反映一个国家工业科技水平和综合国力的重要体现。航空、航天、能源等重要制造领域所使用的主要结构锻件材料大多以高温合金、钛合金和高强度合金钢等为主，这些材料在飞行器和燃气轮机中大量成功应用，对提高发动机的推重比，提升飞行器速度，提高燃气轮机工作效率起着至关重要的作用。随着我国经济和国防事业的飞跃发展，大型复杂锻件的需求量激增，如飞机的整体框、发动机的整体叶盘、燃气轮机和气轮机的大型叶片及大型盘等，很多锻件的投影面积达到 3m2以上。然而，钛合金和高温合金既是价格昂贵的金属材料，又是难加工、难变形的特殊材料。一方面，这类材料的机械加工性能特别差；另一方面，由于材料变形抗力大，变形温度高，变形的温度范围狭窄，一般只能先锻成粗锻件再进行机械加工，因此导致了过高制造成本，从而在一定程度上限制和影响了材料的使用。然而，以热模锻造和等温锻造为代表的热精密锻造技术的出现为解决钛合金、高温合金等难变形材料的近净成形锻造开创了一条重要的途径，为大型复杂锻件的生产提供了新的手段1。

精密锻造工艺方法目前已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、等温精锻等2。

热精锻工艺锻造温度在再结晶温度之上的精密锻造工艺称为热精锻。热精锻材料变形抗力低、塑性好，容易成形比较复杂的工件，但是因强烈氧化作用，工件表面质量和尺寸精度较低。热精锻常用的工艺方法为闭式模锻。

冷精锻工艺冷精锻是在室温下进行的精密锻造工艺。冷精锻工艺具有如下特点：工件形状和尺寸较易控制，避免高温带来的误差；工件强度和精度高，表面质量好。冷锻成形过程巾，工件塑性差、变形抗力大，对模具和设备要求商，而且很难成形结构复杂的零件。

温精锻工艺温精锻是在再结晶温度之下某个适合的温度下进行的精密锻造工艺。温锻精密成形技术既突破冷锻成形中变形抗力大、零件形状不能太复杂、需增加中间热处理和表面处理工步的局限性，又克服了热锻中因强烈氧化作用而降低表面质量和尺寸精度的问题。它同时具有冷锻和热锻的优点，克服了二者的缺点。

复合精锻工艺随着精锻工件的日趋复杂以及精度要求提高，单纯的冷、温、热锻工艺已不能满足要求。复合精锻工艺将冷、溢、热锻工艺进行缝合共同完成一个工件的锻造，能发挥冷、温、热锻的优点，摒弃冷、温、热锻的缺点。

等温精锻工艺等温精锻是指坯料在趋于恒定的温度下模锻成形。等温模锻常用于航空航天工业中的钛合金、铝合金、镁合金等难变形材料的精密成形，近年来也用于汽车和机械工业有色金属的精密成形。等温锻造主要应用于锻造温度较窄的金属材料，尤其是对变形温度非常敏感的钛合金。

精密锻造工艺的发展趋势随着制造业的发展，对精锻成形零件的要求越来越高，也对精密锻造工艺的研究和发展提出了更高的要求，目前精密锻造工艺研究的主要方向有以下几方面 。

（1）持续不断的工艺革新。为了满足成形零件的要求，降低生产成本，需要不断的开发成形精度高、模具寿命长 、生产效率高的精密锻造成形新工艺。

（2）复合工艺的开发。随着成形零件工艺要求的不断提高，单一的精密锻造很难满足要求，这就需要开发复合成形工艺，将不同温度或不同工艺方法的锻造工艺结合起来，取长补短共同完成一个零件的加工制造。也可以将精密锻造工艺与其它精密成形工艺如精密铸造、精密焊接等工艺进行组合，提高精密成形工艺的应用范围和加工能力。

（3）基于知识的工艺设计。随着精密锻造工艺的不断发展，工艺设计日趋复杂，为了提高工艺设计的可靠性和高效性，开发基于知识的专家系统是未来精密锻造工艺设计的重要研究方向2。

精密锻造设备为了满足精密锻造工艺的要求，精密锻造设备需要具备如下特点 。

1)具有较好的刚性，使变形过程中机器本身的变形较小，保证锻造工件的尺寸精度。

2)具有精密的导向机构，保证模具的合模精度 。

3)具有多缸的动作能力，实现精密锻造多个模具运动的要求。

4)具有生产工序的自动监控和检测功能等。

对于热精密锻造常用的设备包括高能螺旋压力机、电液锤、热模锻压力机等，冷精密锻造成形常用的设备包括冷锻压力机、冷挤压机、冷镦机、冷摆辗机等。我国早期采购精密锻造设备主要有 2 个途径：从国外知名的公司例如瑞士 Hatebur 公司、英国 Hewelco 公司、意大利 SACMA 公司 、日本小松公司、德国舒勒公司、美国 National 公司等进口精锻设备或生产线；对国内的通用锻造设备进行改造 。由于进口设备价格昂贵，而改造设备其精度和可靠性较差，因此迫切需要研究和开发国产的精密锻造设备，近年来国产精密锻造设备获得很大发展，其中北京机电研究所、济南第二机床厂、上海锻压机床厂、天津锻压机床厂、青岛锻压机床厂等研究单位和企业，成功研制和开发了系列精密锻造设备，并已投入工程应用 3。

精密锻造工艺优化无论是正向模拟还是反向模拟，都可归结为利用数值模拟技术进行设计结果验证的试错法 。其基本思路仍与传统的试错法一样，只不过所用的验证手段不同，对不合理设计的修改还需要由设计者根据经验提出，设计过程的自动化程度还很低。为了提高精密锻造工艺和模具设计的效率和可靠性，近年来国内外学者对精密锻造过程工艺与模具的优化设计进行了大量研究，并取得了较大进展。精密锻造过程工艺与模具的优化设计，一般以工艺参数或模具的形状为设计变量，以工件的形状或物理性能为目标函数，以有限元法方法为目标函数的计算器 。采用高效的优化算法，实现工艺参数与模具形状的自动优化。目前，常用到的优化方法包括：基于梯度的灵敏度分析优化算法，以及基于全局寻优的遗传算法。