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鍛造是機械制造的基礎工藝之一，是機械產品不可缺少的重要環節。在電站、冶金、機械裝備、鐵道、造船、航空航天、兵器、汽車、化工等部門中都占有很重要地位。尤其在飛機上約有85%、汽車上約有58%、農機上約有70%的零部件均采用鍛壓工藝制造。因為采用鍛壓工藝制造的零件不僅強度高、韌性好，而且節材、節能、成本低、適用于大批量生產。正如世界著名鍛壓權威，英國伯明翰大學T.A.Dean教授在人類進入21世紀之際撰文指出：歐洲的鍛造者將是把歐洲帶入21世紀提供高科技零件的源泉。
目前，國內外鍛造企業的發展趨勢可以概括為“五化”：
1. 鍛件精密化
整個鍛造技術發展總體趨勢是更精更省，達到不需機械加工或少許機械加工就可使用。
實現鍛件精密化，要在精鍛工藝上下功夫。因為精鍛件可降低成本80～90％，降低勞動成本95％；與普通模鍛相比，精鍛件可降低成本60～70％。用精密模鍛工藝制造出價廉物美產品，是各汽車制造商奮力拼搏的殺手锏。如豐田汽車廠屬下有12家分廠，其中就有4家致力于精鍛件的開發和生產。美國伊頓公司年產精鍛齒輪件100多萬件，公差±0.03~0.05mm。
近年來，國內在擠壓成形、冷鍛及溫鍛、粉末鍛造等高效率、高質量、高精度、節能、節材工藝的應用發展很快。有代表性的鍛造新技術是凈形精密鍛造，典型零件是齒形鍛造和閉式鍛造的汽車變速器零件。在鍛造齒輪類零件方面眾多廠家都在進行這方面的研究開發。圖1分別給出用于汽車和電器的部分精鍛產品。
1.1 實現精密化的主要途徑
1.1.1 冷溫熱鍛的復合工藝
冷鍛是在室溫下成形的，鍛件精度可達IT8～11；溫鍛是高于室溫低于金屬再結晶溫度以下成形，一般在700～850℃鍛造，此時，氧化皮厚度僅在10μm左右，精度可達IT11～14；熱鍛一般在金屬再結晶溫度以上成形，即在850～1250℃鍛造，精度可達IT13～16。冷溫熱鍛的綜合成形性能、成本、精度見表1［8］。
 a)
 b)
圖1 部分精鍛產品
a－用于汽車部分的精鍛產品 ； b－用于電子部分精鍛產品
表1 熱鍛、溫鍛、冷鍛性能成本比較表［5］
從表1可見，就材料的變形能力來看，熱鍛是冷鍛將近4倍。為了使一些復雜件也能凈形鍛造，就要采用冷熱結合或溫冷組合工藝（圖2）。上海保捷汽車零部件鍛壓公司的Valeo的輪轂就是采用這一工藝。原來韓國全是冷鍛，21道工序，成本之高不難想象。該司采用溫鍛＋冷整形，僅用7道工序就達到韓國的要求。太平洋精鍛公司原來設計也是單一的冷鍛，近年來，也轉向熱鍛或溫鍛＋冷整形。
上海納鐵福傳動軸有限公司，在2000年花近1億元引進德國SCHULER公司16000KN Forgemaster壓力機，專用于外星輪、三銷套（圖3）溫鍛后冷整形精密生產線。經多工位溫鍛后得到的外星輪溫鍛件，其杯部內腔的下半部為球形面和球溝槽，而上半部則是圓柱面和直溝槽。由圖3可見，外星輪精鍛件要求杯部內腔上下部分均為球面和球溝槽。為此，需要通過冷縮徑精整，以達到外星輪精鍛件的要求。
外星輪的冷精整工藝：將外星輪溫鍛件退火、磷化-皂化處理；再用半球形整體凸模冷精整鍛件杯部內腔；接著用組合結構球形凸模（芯部為錐形芯棒，外層分割為6瓣）頂著鍛件內腔杯底，將其強制通過帶錐角的凹模。由于凹模對鍛件上半部杯壁產生徑向力作用，從而使杯壁金屬產生徑向塑性流動緊緊包住凸模上球面。當壓力機到達下死點后，向上抽出錐形芯棒，6塊分瓣球形凸模便向心收縮，于是，鍛件的內腔脫離球形凸模的組合結構被取出。從圖4可以看出，組合結構的球形凸模的設計、凹模錐角的優化以及溫鍛件杯部的幾何參數，則是外星輪精密縮徑的技術關鍵。
對外星輪冷精整后的鍛件內球面和滾道僅需一道磨削加工，磨削余量<0.3mm。2002年初投產，25件/分，年產300萬件。幾年來，經濟效益凸現，現正籌劃建造第二條精鍛線。
 圖2 溫鍛＋冷整形的直傘齒輪
 圖3 溫鍛＋冷整形的外星輪等鍛件
 a) b)
a－外星輪鍛件放入模具；b－完成冷縮徑，組合沖頭拔出
圖4 外星輪精整模
圖5所示結合齒采用4工位熱鍛制坯＋齒形精整＋倒錐成形的熱冷鍛復合工藝。
  a) b）
a－鍛件；b－組合整形模
圖5 結合齒及其整形模
1.1.2 等溫模鍛工藝
等溫鍛造是指把模具加熱到與坯料變形的相同或相近的溫度，在較低速度變形過程中，使熱毛坯和模具溫度基本保持不變的鍛造方法。等溫模鍛是60年代末發展起來的鍛造新工藝，運用這一新工藝可以生產出凈尺寸的產品。美伊利諾斯州理工學院研究所的有關專家認為，等溫鍛造在鍛造技術中堪稱突破 。
在普通壓力機或錘上精化鍛件時，由于模具的溫度較低，工件肋或
 圖6 葉輪等溫模鍛件
角隙部位易于冷卻，再加變形速率較高，變形抗力明顯增加，這些都會阻礙金屬對模具型腔的充填。
圖6所示是上海交通大學研制的葉輪等溫模鍛件。所鍛葉輪葉片高寬比達到12：1。與同樣材質的2A50（LD5）普通模鍛件相比，強度增加20％，延伸率增加76％，完全滿足40300轉/分的要求。該葉輪等溫模鍛的模具裝置示于圖7。
 圖7 等溫模鍛件模具結構
1.1.3 半固態成形
半固態金屬加工技術就是金屬在凝固過程中，通過劇烈攪拌或凝固過程的控制，得到一種液態金屬母液中均勻地懸浮固相組分近球形的固液混合漿料（固相組分甚至可高達60％）。這種半固態金屬漿料具有流變和觸變特性，即半固態金屬漿料具有很好的流動性，易于通過普通方法成形形狀比較復雜產品。
基礎研究階段是從20世紀70年代開始，90年代后期，半固態加工技術進入了商業化的應用階段。規模較大的有法國Pechiney,美國Alumax、意大利的Stampal、瑞士的Buhler。國外這些技術得到廣泛應用，尤其是汽車工業和3C產業。相對而言，國內在半固態加工技術上還處于從實驗室向試生產過渡階段［6］。
 圖8 半固態加工成形的汽車零件
 圖9 半固態加工的3C產品
 圖10 我國生產的半固態零件
其它的精密成形方法還有超塑性成形、液態模鍛、擺動碾壓等等。
2. 鍛造材料輕量化
可用于鍛造的有色金屬主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金及銅合金。近年來，由于能源價格的不斷攀升，汽車制造業也提出輕量化的要求。到2010年前，轎車的平均重量由現在的1300KG降到1000KG。一輛轎車的重量若減輕10％，油耗可降低8～10％。近年來，鎂合金在世界上的需求量年增長率20％，而我國鎂儲藏量占世界70％［1］。鍛造鎂合金具有更高的強度、更好的延展性和更多樣化的力學性能。但是，幾十年來，鎂合金的鍛造產品僅用在很少的幾個方面，主要原因是鎂合金自身塑變特性決定其難于鍛造成形，制造成本較高，產品價格昂貴，圖11示出部分鎂合金鍛件。
 圖11 部分鎂合金鍛件
鈦合金與其它結構材料比較，其最重要的優點是比強度高；熱強性好，在400～500℃溫度范圍內，鈦合金的比強度超過了多數不銹鋼和抗氧化鋼。耐腐蝕，如江南造船廠將鈦絲吊在海水中一年，腐蝕僅0.01mm。因此，鈦合金首先在航空航天、造船工業和人造關節中得到應用。世界上所生產的鈦合金的80％用于航空航天工業，如，美國F22戰斗機鈦合金的用量達到41％。由于價格等原因，民用客機波音-777中鈦合金的用量還只有結構質量的7％［9］。盡管鈦合金有很多優點，但因價格昂貴，限制了在汽車工業中的應用。到2006年，美國鍛造企業總數為371家，其中專業鍛造鋁合金28家，占總數的7.5%;專業鍛造鈦合金21家,占總數的5.7%。鍛造有色金屬工廠比例遠高于我國，目前，我國從事鈦合金生產的專業工廠僅有2家：陜西寶鈦實業公司和上海三鋼樺廈鈦業有限公司。圖12 示出鈦合金的人造關節鍛件。
 圖12 鈦合金人造關節
日本對鋁合金鍛造的研發也投入了巨大人力和物力。本田汽車公司2004年10月發表戰略報告說，每輛轎車將使用200KG鋁合金零件，其中40KG為鍛件。鋁鍛件成本構成：材料費59％，其中16％是剝皮損耗。鑄坯經變形量達到80％后，疲勞強度增加20％；在鑄坯中加鈣，沖擊韌性增加25％。豐田汽車公司說，新工藝使材料成本下降25％。相對鑄造而言，以前杠桿為例，重量下降43％［2］。到2008年，我國每輛汽車上用鋁合金將達到130KG［3］。摩托車上使用鋁合金鍛件也在迅猛增加。使用鍛鋁活塞，發動機功率增加10％。懸掛件用鋁件代替鑄鐵件減重35～40％，相對鋁鑄件減重25％［3］。俄羅斯等國家已初步完成用鋁合金做汽車發動機連桿代替40Cr材質的連桿的科學研究，2A50（LD5）鋁合金連桿與40Cr的相比，總費用高出10～12％，但其他的間接好處更多。并分析用新的鋁合金來制造零件的可能性：前梁、凸輪、懸掛杠桿、軸承殼體、轉向節叉、后橋套筒、車架橫梁等［4］。由此看來，鋁合金的用量遠遠高于其他有色金屬，圖13示出用鋁合金制出的部分鍛件。
  圖13 部分鋁合金鍛件
3．鍛模制造技術數字化
模具作為工業生產的基礎工藝裝備，在汽車、能源、機械、信息、航空航天、國防工業和日常生活用品的生產中被廣泛應用。75％的粗加工零件、50％精加工零件都由模具成形。家電行業的80％零件、機電行業50％以上零件也都要靠模具加工。因此，模具又被稱為“百業之母”。模具生產的工藝水平及科技含量的高低，成為衡量一個國家科技與產品制造水平的重要標志，在很大程度上決定著產品的質量、效益、新產品的開發能力，決定著一個國家制造業的國際競爭力。一般地說，模具費用占鍛件成本的10％。因此，提高模具壽命，是降低鍛件成本，提高其競爭力的有效途徑之一。而模具壽命和模具材料、熱加工規范、模具結構、機械加工及使用工況等諸多因素有關。
數字化制造技術已成為提升產品核心競爭力的重要手段，而塑性成形和模具技術的數字化將成為21世紀該項技術的核心。把計算機引入鍛壓工業各個領域作為金屬成形領域第三個發展階段。2000年前，在英國鍛造業中就有17%使用了金屬流動模擬技術，27%的企業計劃使用。德國Walter Scheid公司有5條精鍛生產線。該公司在開發外星輪和三銷套新產品時，使用模擬技術，從以前修模3～5次降至現在1～2次。運用MSC軟件模擬，每次可節省設計費1000～10000美元；透平葉片模擬后由3工步減少到2工步，成本節約1/3。可見該項新技術在工藝設計時的重要作用。在鍛造生產中，隨著計算機技術的發展，數字化技術已在工藝過程仿真控制等方面發揮重要作用，逐步形成這一傳統產業的高新技術。表4列出國內外模具現狀及創新要點。
表4 國內外模具現狀及創新要點
4．鍛壓裝備技術伺服化
從2005年中國國際機床展覽會上可以看出金屬成形設備發展的總趨勢是向高自動化、成套化、成線化、高度柔性、復合化、高精度、高效、高速度、環保、節能、降噪音等方向發展。
熱模鍛壓力機在發達國家是模鍛的主要設備，占模鍛設備總量的40～64％，我國僅占14.5％。
除鍛錘外，成形設備大都采用機械或液壓驅動，其動力源為交流異步電動機，速度不能調節與控制，故其工作機構的運動特性只能是單一的，工藝適應性差，這是最大缺點。采用伺服控制，作用力、速度和位置等工藝參數的控制可達到較高的精度。
目前，日本AIDA壓力機制造商開發的伺服壓力機稱之為繼蒸汽驅動、電力驅動后的第三代壓力機［7］，具有劃時代意義，如圖13所示。它采用計算機控制，利用數字控制技術可以對壓力機運動自由自在控制，可以對滑塊位置重復控制精度達±0.01mm，輸出力可控精度達±1.6%；滑塊運動軌跡也可任意控制，噪聲≤75db。從而為提高復雜零件的成形、環境保護、模具壽命的提高提供了良好的條件。
Enomoto Machine C0.,Ltd.制成了伺服螺旋壓力機。除了其它優點以外，節能也是其突出優點之一。以使用30kW伺服電機的螺旋壓力機為例，可以產生3000kN的打擊力；而選用機械直接驅動方式，使用相同功率電機情況下，螺旋壓力機最多也只能產生700～800kN 的打擊力。可節約30～50％電能。
 a) b)
a－原理圖；b－25000kN伺服壓力機
圖12 小松25000kN機械連桿伺服壓力機
應該說，經過多年的不懈努力，我國的金屬成形設備行業整體水平有了突飛猛進的提高，已具備了與國外產品競爭的實力。但在某些產品上的差距也是顯而易見的，最突出的問題是高精尖的機床不多，說到底，還是技術上的核心競爭力不足。從鍛造設備數量上我國是一個大國，但從生產能力上我們不是強國。
5. 鍛造企業組合全球化
自2002年以來，世界各國鍛造企業重組加快，在海外投資建廠的進程明顯加快，這正是鍛造業全球化的最明顯的標志。主機廠生產基地的轉移，廠對廠之間的重組、合并不斷發生。然而，這些主機廠為了穩定生產和快速占領市場，往往要求其原有配套企業跟隨投資，這樣帶來的結果是，重復建設不斷加重，地域競爭不斷強化，對本地鍛造業造成嚴重沖擊。主機廠成本的轉移，嚴重威脅到中小鍛造企業的生存。隨著全球化貿易的出現，目前，主機廠迫于競爭壓力，將成本逐漸轉移到其配套廠，致使鍛件價格不斷下降，而配套廠是無法轉移成本的，這就威脅到中小型鍛造企業的生存。為了應對，企業聯合形成大集團的趨向也就越來越明顯。浙江萬向集團并購江蘇森威冷鍛公司，建設計能力30萬噸模鍛件生產廠。德國最大的鍛造公司亦在浙江平湖籌建新廠。日本豐田、本田都帶來一批零部件生產廠商。2005年，印度巴勒特鍛造（Bharat Forge）公司收購了德國第二大鍛造公司肯.頓.佩定霍斯(Can Dan Peddinghaus)公司,近期又收購了美國的聯邦鍛造公司(Federal Forge Inc），去年又與我國最大的一汽鍛造廠合資，已成全球第二大的鍛造企業。桑達朗緊固件公司（Sundaranm Ltd）收購了英國達納公司(Dana Corp)的鍛造部分。阿梅泰克汽車公司（Ametek Auoto Ltd）收購了GWK集團的全部股份；EL鍛造公司（EL Forge）收購了英國沙克斯比鍛造公司（Shakespear Forgings）的控股權。
上海周邊及國內民營鍛造企業也如雨后春筍一樣涌流出來。如浙江瑞安一個縣級市就有鍛造企業150多家。張家港宏寶鍛造廠已經完成原始積累，通過上市募集資金2億多元。除了8條摩擦壓力機生產線外，現已建成8條熱模鍛壓力機生產線，還正在籌建6300噸熱模鍛壓力機生產線。由于該廠的欣欣向榮的場面，引得該廠所在大新鎮建立了150多家民營鍛造廠。
希望這些模鍛廠點，僅僅把握模鍛行業發展的“五化”，把企業做強做大，在市場競爭的大潮中，才能立于不敗之地！
參考文獻
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