精密鍛造

能夠成形大型複雜結構鍛件是反映一個國家工業科技水平和綜合國力的重要體現。航空、航天、能源等重要製造領域所使用的主要結構鍛件材料大多以高溫合金、鈦合金和高強度合金鋼等為主，這些材料在飛行器和燃氣輪機中大量成功應用，對提高發動機的推重比，提升飛行器速度，提高燃氣輪機工作效率起著至關重要的作用。隨著我國經濟和國防事業的飛躍發展，大型複雜鍛件的需求量激增，如飛機的整體框、發動機的整體葉盤、燃氣輪機和氣輪機的大型葉片及大型盤等，很多鍛件的投影面積達到 3m 以上。然而，鈦合金和高溫合金既是價格昂貴的金屬材料，又是難加工、難變形的特殊材料。一方面，這類材料的機械加工性能特別差；另一方面，由於材料變形抗力大，變形溫度高，變形的溫度範圍狹窄，一般只能先鍛成粗鍛件再進行機械加工，因此導致了過高製造成本，從而在一定程度上限制和影響了材料的使用。然而，以熱模鍛造和等溫鍛造為代表的熱精密鍛造技術的出現為解決鈦合金、高溫合金等難變形材料的近凈成形鍛造開創了一條重要的途徑，為大型複雜鍛件的生產提供了新的手段。

1. 大幅降低產品零件的成本。鍛件加工余量少、公差小、表面粗糙度值小。能部分或全部代替零件的機械加工，因此節約材料和機加工工時，提高勞動生產率。

2. 提高產品的力學性能和使用壽命。鍛件的金屬流線沒有被割斷，而且流線分佈更為合理。鍛造零件的強度比切削加工高約20%，抗應力、腐蝕能力強，使用壽命長。

3. 適合零件形狀較複雜，使用性能高，且材料較昂貴的零件。這些難於用機械加工方法製造的零件，消耗大，價格高，精鍛節約效果明顯，如齒輪、帶齒零件、葉片、航空零件和電器零件等。

4. 要有合適的批量。精鍛並不是在任何情況都是經濟的，要根據產品生產的批量、性能要求、綜合成本和經濟效益來考慮。批量越大，效益越好。

目前已應用於生產的精密鍛造工藝很多。按成形溫度不同可以分為熱精鍛、冷精鍛、溫精鍛、複合精鍛、等溫精鍛等。

鍛造溫度在再結晶溫度之上的精密鍛造工藝稱為熱精鍛。熱精鍛材料變形抗力低、塑性好，容易成形比較複雜的工件，但是因強烈氧化作用，工件表面質量和尺寸精度較低。熱精鍛常用的工藝方法為閉式模鍛。

冷精鍛是在室溫下進行的精密鍛造工藝。冷精鍛工藝具有如下特點：工件形狀和尺寸較易控制，避免高溫帶來的誤差；工件強度和精度高，表面質量好。冷鍛成形過程巾，工件塑性差、變形抗力大，對模具和設備要求商，而且很難成形結構複雜的零件。

溫精鍛是在再結晶溫度之下某個適合的溫度下進行的精密鍛造工藝。溫鍛精密成形技術既突破冷鍛成形中變形抗力大、零件形狀不能太複雜、需增加中間熱處理和表面處理工步的局限性，又克服了熱鍛中因強烈氧化作用而降低表面質量和尺寸精度的問題。它同時具有冷鍛和熱鍛的優點，克服了二者的缺點。

隨著精鍛工件的日趨複雜以及精度要求提高，單純的冷、溫、熱鍛工藝已不能滿足要求。複合精鍛工藝將冷、溢、熱鍛工藝進行縫合共同完成一個工件的鍛造，能發揮冷、溫、熱鍛的優點，摒棄冷、溫、熱鍛的缺點。

等溫精鍛是指坯料在趨於恆定的溫度下模鍛成形。等溫模鍛常用於航空航天工業中的鈦合金、鋁合金、鎂合金等難變形材料的精密成形，近年來也用於汽車和機械工業有色金屬的精密成形。等溫鍛造主要應用於鍛造溫度較窄的金屬材料，尤其是對變形溫度非常敏感的鈦合金。

隨著製造業的發展，對精鍛成形零件的要求越來越高，也對精密鍛造工藝的研究和發展提出了更高的要求，目前精密鍛造工藝研究的主要方向有以下幾方面。

（1）持續不斷的工藝革新。為了滿足成形零件的要求，降低生產成本，需要不斷的開發成形精度高、模具壽命長、生產效率高的精密鍛造成形新工藝。

（2）複合工藝的開發。隨著成形零件工藝要求的不斷提高，單一的精密鍛造很難滿足要求，這就需要開發複合成形工藝，將不同溫度或不同工藝方法的鍛造工藝結合起來，取長補短共同完成一個零件的加工製造。也可以將精密鍛造工藝與其它精密成形工藝如精密鑄造、精密焊接等工藝進行組合，提高精密成形工藝的應用範圍和加工能力。

（3）基於知識的工藝設計。隨著精密鍛造工藝的不斷發展，工藝設計日趨複雜，為了提高工藝設計的可靠性和高效性，開發基於知識的專家系統是未來精密鍛造工藝設計的重要研究方向。

為了滿足精密鍛造工藝的要求，精密鍛造設備需要具備如下特點。

1)具有較好的剛性，使變形過程中機器本身的變形較小，保證鍛造工件的尺寸精度。

2)具有精密的導向機構，保證模具的合模精度。

3)具有多缸的動作能力，實現精密鍛造多個模具運動的要求。

4)具有生產工序的自動監控和檢測功能等。

對於熱精密鍛造常用的設備包括高能螺旋壓力機、電液錘、熱模鍛壓力機等，冷精密鍛造成形常用的設備包括冷鍛壓力機、冷擠壓機、冷鐓機、冷擺輾機等。我國早期採購精密鍛造設備主要有 2 個途徑：從國外知名的公司例如瑞士 Hatebur 公司、英國 Hewelco 公司、義大利 SACMA 公司、日本小松公司、德國舒勒公司、美國 National 公司等進口精鍛設備或生產線；對國內的通用鍛造設備進行改造。由於進口設備價格昂貴，而改造設備其精度和可靠性較差，因此迫切需要研究和開發國產的精密鍛造設備，近年來國產精密鍛造設備獲得很大發展，其中北京機電研究所、濟南第二機床廠、上海鍛壓機床廠、天津鍛壓機床廠、青島鍛壓機床廠等研究單位和企業，成功研製和開發了系列精密鍛造設備，並已投入工程應用。

無論是正向模擬還是反向模擬，都可歸結為利用數值模擬技術進行設計結果驗證的試錯法。其基本思路仍與傳統的試錯法一樣，只不過所用的驗證手段不同，對不合理設計的修改還需要由設計者根據經驗提出，設計過程的自動化程度還很低。為了提高精密鍛造工藝和模具設計的效率和可靠性，近年來國內外學者對精密鍛造過程工藝與模具的優化設計進行了大量研究，並取得了較大進展。精密鍛造過程工藝與模具的優化設計，一般以工藝參數或模具的形狀為設計變數，以工件的形狀或物理性能為目標函數，以有限元法方法為目標函數的計算器。採用高效的優化演演算法，實現工藝參數與模具形狀的自動優化。目前，常用到的優化方法包括：基於梯度的靈敏度分析優化演演算法，以及基於全局尋優的遺傳演演算法。