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冷鍛是一種重要的精密塑性成形技術，可用于軸類、桿類、緊固件、齒輪和連接部件等的凈成形或近凈成形生產，具有切削加工無可比擬的優點，如制品的機械性能好、精度高、表面質量好、生產率高和材料利用率高等，特別適合于大批量生產。汽車工業的飛速發展，為冷鍛技術的發展提供了原動力，據不完全統計，每輛轎車中的冷、溫精密鍛件重量達45~50kg，后軸驅動汽車上的半軸、萬向節中的十字軸、直齒圓錐齒輪、花鍵、輪轂螺母、汽車交流發電機棘爪、前驅動轎車等速萬向節零件、同步器齒環等都是典型的汽車冷鍛件。圖1是工藤英明教授歸納的1960~1995年間日本轎車每隔五年新投產的精密鍛造零件[1]。1965年時每車精鍛件只有6kg左右，到1995年已增加至45kg。從20世紀60年代開始，主要生產小型軸對稱產品如輪轂螺栓等，較大的鍛件如汽泵轉子則在20世紀70年代開始生產。20世紀80年代，CVJ零件是重要產品。從1990年開始，精密齒輪成為主要的目標產品。
現代冷鍛技術是從18世紀末開始的，但直到20世紀30年代德國人發明了在工件表面形成磷酸鹽薄膜的表面潤滑方法后，冷鍛技術才逐步走向實用。1967年，國際冷鍛組織(International Cold Forging Group, ICFG)成立并于1968年在英國倫敦召開第一次全體會議。ICFG每年舉行一次全體會議，并出版了大量行業技術文件或標準，對冷鍛技術的國際學術交流和生產起到了重要的促進作用。目前，ICFG主要在以下領域開展工作[2]：
(1) 模具壽命與模具質量(Tool life and tool quality)：主要研究與模具壽命和模具質量相關的模具材料、表面處理、摩擦、疲勞等；
(2) 成形過程數值模擬(Process simulation)：主要研究數值模擬軟件的應用、輸入數據的可靠性、商用軟件的進展、現有模型的局限性等；
(3) 冷鍛件性能(Properties of cold forged products)：主要研究冷鍛件的殘余應力、應變強化、最少化工序、尺寸精度、變形、金相組織、機加工性能、輕量化設計等；
(4) 增量體積成形(Incremental bulk forming)：主要研究與增量體積成形相關的數值建模、材料測試、物理模擬、模具磨損、創新應用等。
 圖1 1960～1995年間日本轎車的冷鍛件重量變化[1]
本文對目前國外冷鍛技術的發展概況作簡略的綜述，以期對提升我國冷鍛技術水平、對蓬勃發展的中國冷鍛行業有一些促進作用。
1. 精密鍛造技術的發展趨勢
在2006年日本舉辦的“第四屆國際精密鍛造研討會”上，研討了未來的精密鍛造技術及其挑戰。表1給出了會議總結的對精密鍛造技術的發展趨勢。可以看出：模具、產品質量、成形方法、工藝、數值模擬、成形材料、摩擦與潤滑、成形設備、環境友好性等始終是精密鍛造領域永恒的話題，而時代的發展、技術的進步，賦予這些話題不同的內涵。
表1 精密鍛造技術未來的挑戰[3]
限于篇幅，下面僅對冷鍛成形領域中的數值模擬技術、模具壽命問題及高速鍛造技術予以介紹。
2. 數值模擬技術在冷鍛成形中的應用
隨著計算機技術和塑性有限元理論的快速發展，許多塑性成形過程中很難求解的問題可以用有限元法求解。在冷鍛成形領域，通過建模和合適的邊界條件的確定，有限元數值模擬技術可以很直觀地預測金屬流動過程的應力、應變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現的缺陷情況。這些重要信息的獲得對合理的模具結構，模具選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著重要的指導意義。目前有代表性的數值模擬軟件是以剛塑性有限元法為基礎建立起來的，主要有Deform、Forge、Qform、MSC/Superform等。ICFG數值模擬組在2001年對一些公司的調查問卷表明，Hatebur、Hilti、Krupp Presta、ORS、Kanca等公司均普遍使用各類數值模擬軟件用于檢驗工藝和模具設計的合理性[4]。
目前，國外在冷鍛成形數值模擬領域的主要工作集中在：
(1) 數值模擬軟件的進一步開發[3][4]
提高數值模擬結果的可視化效果，增加結果的真實感；增強數據導入導出功能，方便幾何模型轉換且減少模型信息丟失；改善有限元程序，提高計算效率并設法降低硬件要求；實現CAD/CAE/CAM的系統高度集成，便于模具的精密制造；開發更為友好的用戶界面等；此外，鍛件微觀組織和機械特性的模擬預測是數值模擬的重要發展方向，屬于精確模擬的范疇，為冷鍛精確成形技術奠定理論基礎。
(2) 軟件應用基礎準備[3][4]
探索建模理論及方法，建立準確的基礎數學模型，現階段材料模型（Material Database）準確建立是模擬技術推廣應用的瓶頸，原因主要一是這種工作適合由非盈利組織來完成，二是由于各國材料性能的波動和差異，導致材料數據收集困難。此外，在精確模擬過程中如何應對冷鍛原材料性能的波動，也是用戶要面臨的難題。此外，開發基于知識的教學系統，用于培訓分析工程師，使更多的公司熟悉模擬軟件，并提供互動性好的軟件使用經驗交流平臺。
(3) 基于數值模擬的成形工藝優化技術的開發
基于數值模擬的成形工藝優化是目前國際冷鍛學術界較熱門的研究課題。通過數值模擬對成形工藝進行分析，并根據數值模擬結果對工藝參數進行優化，以達到降低成形載荷、減少材料損耗、提高模具壽命的目標。傳統優化算法求解時對優化變量的任何修改均進行模擬以獲取對應的目標值，模擬次數太多、優化時間過長。基于數值模擬的成形工藝優化技術將數值模擬、優化算法、試驗設計和統計分析等現代科學計算方法應用到優化過程中，減少了數值模擬次數，提高了優化效率。
基于數值模擬的近似擬合優化方法的大致流程如圖2所示。通過試驗設計方法選取多組優化變量，分別進行數值模擬獲得每組設計變量對應的目標值，并根據這些數據，應用神經網絡等方法構建能近似表達優化變量與優化目標之間對應關系的數學模型，從而將冷鍛成形工藝優化的工程問題轉化為求解近似擬合模型最優值的數學優化問題。然后應用優化算法對近似擬合模型進行最優值搜索，在優化迭代過程中不需要調用數值模擬程序，而是用近似模型預測目標值，只有在得到近似模型的最優解后，才對對應的優化變量進行數值模擬，檢驗近似模型的準確性，并更新近似模型。
3. 冷鍛模具壽命的研究進展
2.1模具的失效形式
冷鍛模具制造成本高，其壽命直接影響企業的經濟效益和生產效率，所以提高模具壽命成為一項基本的冷鍛技術要求。ICFG 2006年在歐洲和日本對冷鍛模具材料開展了調研，結果表明粉末冶金鋼在歐洲使用較為廣泛，而硬質合金在日本較多使用[5]。 冷鍛模具常見的失效方式有疲勞斷裂、徑向斷裂、磨損、塑性變形、表面點蝕、咬粘等，在冷鍛生產中，模具壽命主要受斷裂、磨損和塑性變形的影響[6]。模具壽命的影響因素來源于產品設計、工藝設計、模具設計與制造，以及生產操作等多方面，用面向工藝的觀點來分析，可將模具壽命問題歸結為模具載荷（包括內部載荷和外部載荷）和模具強度的各種不利影響因素及這些因素之間的相互作用。圖3給出了模具和產品由開發階段產生的系統失效方式和在生產階段出現的隨機失效方式。由于開發階段的客戶要求、工藝和模具設計等問題所引起的模具失效一般以系統失效方式出現；而在生產條件下由于模具制造或工藝參數問題而出現的模具失效屬于隨機失效方式。由圖可知，提高冷鍛模具壽命是一項系統工程。
 圖3 模具壽命問題：載荷、強度影響因素及其復雜的相互作用[7]
2.2提高模具壽命的主要策略[7]
1. 減小作用在模具上的外載荷
從材料等級、前處理工藝、預成形設計、工藝優化、潤滑系統，以及模具形狀等方面來考慮。
2. 提高模具強度
① 提高模具材料的強度：提高材料等級、提高粉末冶金水平和應用高質量熱處理工藝；
② 減小凹模內圈的應力應變：優化設計組合凹模、提高預應力水平和采用高剛度預應力系統；
③ 提高模具表面強度：應用抗磨損涂層和激光表面融覆技術；
④ 提高模具制造精度：改善拋光工藝、用高速硬銑削加工替代EDM工藝。
3. 降低載荷的波動
設法減小毛坯的材料特性、幾何尺寸和重量、潤滑劑的質量與數量，以及壓力機行程等隨機因素的波動性。
4. 降低強度的波動
① 減小凹模內圈應力應變的分散性：通過控制過盈量來控制預應力值、避免預緊力過大導致應力圈發生塑性變形，避免預應力過小導致凹模預應力不夠而破壞；
② 減小模具材料強度的分散性：減小模具材料供應的波動性、減少模具熱處理工藝及其供應商的變動和減小易導致材料疲勞特性波動的高拉伸應力；
③ 減小模具制造精度的發散性：開發并使用具有高度一致性的制造工藝。
5. 模具的高效管理
① 模具檢修和剩余壽命預估：在生產班次交接時檢查模具關鍵零部件，剩余壽命預估對模具的維護成本和策略具有重要影響，低估會使模具零件過早報廢導致模具成本提高，高估會導致設備意外停止并損壞，同時延誤工時。
② 模具分組更換策略，即根據一定的準則，將模具零部件進行分組，當某組中一個零件破壞，則將其所在分組中零部件整體更換。
4. 高速鍛造技術的應用
高速鍛造技術因其生產效率高，特別適合于零部件的大批量生產。高速冷鍛機在國外精密鍛造企業得到了廣泛的應用，如瑞士HATEBUR公司的Coldmatic系列冷鐓鍛機采用多工位臥式鍛造，具有工位間以機械手夾鉗自動送料、高速剪切下料系統保證毛坯的表面質量和精度、可單獨調節的機械手可以把任意形狀和長度的工件很好地夾持并在恰當的時間傳送到下一工位等優點。在Coldmatic AKP 4-6設備上可以實現精密下料并通過六個工位完成圖5所示小齒輪件的成形：① 精密下料；② 無須對料段整形的前提下對小直徑部分進行正擠壓；③ 鍵槽部分的正擠壓；④ 端部鐓粗；⑤ 小齒部分的反向擠壓成形（無須翻轉零件）；⑥ 在凹模側將臺肩直徑減小；⑦ 對小齒部分進行最后的精整。該零件生產效率可達160件/分鐘。
 圖5 小齒輪件成形工藝[8]
5. 結語
近40年來，汽車工業的發展極大地推動了精密鍛造技術的創新，而未來新能源汽車的發展將給精密鍛造技術帶來新的挑戰。材料科學、塑性成形、計算機科學等學科的發展推動了精密鍛造技術的創新。有理由相信，通過開展以科研院所為主體的精密鍛造基礎研究和企業為主體的精密鍛造應用研究，更多的創新成果將在精密鍛造領域涌現。
參考文獻
[1] Kozo Osakada. Recent developments of precision forging in Japan. Proceedings of the 4th JSTP International Seminar on Precision Forging. Nara, Japan, March 21-24,2006:1-6.
[2] http://www.icfg.info.
[3] K. Kitamura, R. Matsumoto, A. Putz. Future challenges in precision forging technology —— A report of discussion hour at the 4th ISPF, 39th ICFG Plenary Meeting 2006, August 27 - 30, Korea.
[4] ICFG Doc. 15/02: Process Simulation (1st Workshop, Ankara / Turkey, May 3rd-4th, 2001).
[5] ICFG Doc. 17/06: Tool life & tool quality in cold forging, Part 3: Application of PM-steel and tungsten carbide material for cold forging tools – a comparison between Europe and Japan.
[6] M Hänsel. Systematic investigation of tool life problems. ICFG Plenary Meeting, Ljubljana, 13.09. 1999.
[7] ICFG Doc.14/02: Tool life & tool quality in cold forging, Part 1: General aspects of tool life.
[8] K. Helfer. HATEBUR-Coldmatic AKP4-6 S最新冷成形機. 鍛造與沖壓，2006，9.
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