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摘要：溫鍛精密成形技術(shù)是新近發(fā)展起來的一種金屬塑性加工技術(shù)，由于該工藝在技術(shù)、經(jīng)濟效益上的優(yōu)越性，當(dāng)前在制造業(yè)特別是汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但其成形機理還有待進一步深入研究。本文總結(jié)了溫鍛精密成形技術(shù)的研究和應(yīng)用情況，分析了建立該成形過程的三維塑性有限元模型的必要性和可行性，探討了利用實驗研究和數(shù)值模擬方法研究這一成形過程的方向和途徑，并運用三維有限元分析了極爪零件的溫鍛成形工步，模擬結(jié)果可指導(dǎo)該零件的成形工藝和模具設(shè)計。
關(guān)鍵詞：溫鍛精密成形；三維有限元法；數(shù)值模擬

一、溫鍛精密成形及其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

1.溫鍛精密成形

溫鍛成形是近年來在冷塑性成形基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種塑性成形新工藝。它的變形溫度通常認(rèn)為是在室溫以上、完全再結(jié)晶溫度以下的溫度范圍內(nèi)［1］。該工藝成形的零件質(zhì)量好、精度高，且能成形形狀復(fù)雜的零件，近年來已獲得廣泛應(yīng)用。

和熱模鍛相比，溫鍛成形件表面不會發(fā)生強烈氧化作用，表面質(zhì)量好，尺寸公差小，甚至可直接成形零件的工作表面，完全省去后續(xù)機加工，且沒有飛邊，節(jié)省原材料。冷鍛成形雖然可以獲得更高的表面質(zhì)量和尺寸精度，但冷鍛成形對變形材料及零件形狀的要求比較苛刻。對于常用的合金結(jié)構(gòu)鋼，只有在其含碳量低于0.45%時才能采用冷鍛成形，且只限于成形形狀簡單的零件。在多工步冷鍛成形中，各工步之間通常要加入熱處理工步，以消除冷作硬化，此外合金結(jié)構(gòu)鋼在冷成形時變形抗力大，對壓力機噸位及模具材料要求高，這樣勢必降低生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。溫鍛成形的溫度范圍介于冷鍛和熱鍛之間，對于常用的合金結(jié)構(gòu)鋼，其溫鍛時的屈服應(yīng)力約為冷鍛時的1/3，材料的變形能力和室溫下相比可提高2～3倍［2］，這樣可以減少成形工步，節(jié)約設(shè)備投資；而所成形零件的尺寸精度和表面質(zhì)量與冷鍛成形相當(dāng)，若最后增加一個冷整形工步，則可獲得冷鍛成形相同的尺寸精度和表面質(zhì)量。因此溫鍛成形既突破了冷鍛成形中變形材料、零件形狀、需增加中間熱處理工步及變形抗力的局限性，又克服了熱鍛中因強烈氧化作用而引起的表面質(zhì)量及尺寸精度問題，具有顯著的優(yōu)越性。

2.溫鍛精密成形在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

目前世界各國汽車工業(yè)之間的競爭日趨激烈，生產(chǎn)廠家在激烈的市場競爭中，獲勝的前提條件是利用低生產(chǎn)成本生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，這樣對汽車工業(yè)中的塑性加工生產(chǎn)提出了更高的要求。廠家必須根據(jù)零件的批量及設(shè)計要求選擇合適的工藝，以降低生產(chǎn)成本。

如前所述，溫鍛精密成形技術(shù)具有顯著的優(yōu)越性，但該工藝需要高精度的專門設(shè)備，且對模具結(jié)構(gòu)、模具材料的要求較高，所以只適宜于大批量生產(chǎn)。汽車工業(yè)中存在大量形狀較復(fù)雜的軸對稱或旋轉(zhuǎn)對稱零件，包括軸徑、內(nèi)星輪、外套、齒輪、極爪、聯(lián)軸器等。這些鍛件受零件材料或零件形狀的限制，用單純的冷鍛工藝難以成形；若采用熱鍛工藝，則原材料及能源的消耗量大，后續(xù)機加工量大，由于型面形狀復(fù)雜，機加工難度高，勢必增加生產(chǎn)成本，且切削加工會破壞零件的金屬流線結(jié)構(gòu)，降低零件的機械性能。這些鍛件的生產(chǎn)批量大，如采用溫鍛工藝或“溫鍛+冷鍛”綜合工藝來生產(chǎn)，則可以充分發(fā)揮溫鍛精密成形的優(yōu)越性，降低成本，提高質(zhì)量。因此，溫鍛精密成形技術(shù)近年來在美國、日本、德國等發(fā)達國家得到愈來愈廣泛的應(yīng)用，并有逐步取代熱鍛工藝的趨勢。

中國汽車工業(yè)經(jīng)過40多年的創(chuàng)業(yè)到發(fā)展，已經(jīng)逐步成為中國國民經(jīng)濟帶動整個經(jīng)濟增長和結(jié)構(gòu)升級的支柱產(chǎn)業(yè)之一。和發(fā)達國家相比，我國汽車工業(yè)中的溫鍛精密成形技術(shù)還比較落后，對于發(fā)達國家一些比較成熟的溫鍛工藝，也還沒能完全消化吸收。為了提高我國汽車工業(yè)的溫鍛技術(shù)水平，縮小和發(fā)達國家之間的差距，我國金屬塑性加工領(lǐng)域的研究人員必須順應(yīng)該領(lǐng)域的發(fā)展潮流，溫鍛成形理論和工藝兩個方面都亟待展開深入研究。

二、溫鍛精密成形的關(guān)鍵技術(shù)

溫鍛成形的溫度范圍介于冷鍛和熱鍛溫度范圍之間，因而其成形特性方面有區(qū)別于冷鍛成形和熱鍛成形的特殊性。為了能更好地掌握這一先進的成形技術(shù)的變形機理，充分發(fā)揮其優(yōu)越性，需對這些特殊性進行研究。

1.變形溫度及變形量控制

溫鍛成形具有優(yōu)越性的根本原因在于它不同于冷鍛和熱鍛的成形溫度，因此，對于各種變形材料，要發(fā)揮溫鍛成形的優(yōu)勢，必須選擇最合適的溫鍛溫度，既能充分發(fā)揮材料的變形能力，省去中間熱處理工步，又能保證零件的尺寸精度，良好的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及機械性能。對于汽車工業(yè)中常用的碳鋼和合金鋼，溫鍛溫度大致范圍為650～900℃，其最優(yōu)變形溫度根據(jù)材料的含碳量及合金種類確定。

對于高強度低合金鋼或合金鋼溫鍛，可以控制材料的變形溫度和變形分布，使溫鍛件的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能達到預(yù)定要求，還可以省去熱處理工藝。因此，掌握溫鍛成形參數(shù)對溫鍛件的微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響關(guān)系具有重要意義。在此基礎(chǔ)上可建立各參數(shù)對微觀結(jié)構(gòu)和機械性能的影響模型，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。首先通過實驗建立變形體的溫度分布、冷卻速率、應(yīng)變、應(yīng)力、應(yīng)變速率等各參數(shù)對成形件的微觀結(jié)構(gòu)及機械性能的影響關(guān)系，然后建立各種成形條件下的有限元模型，用熱、力耦合有限元模擬成形件的變形及冷卻過程，利用有限元模擬結(jié)果和前述實驗得出的影響關(guān)系可以預(yù)測成形件的微觀結(jié)構(gòu)及機械性能，從而可以幫助工藝設(shè)計人員選擇合適的成形及冷卻參數(shù)，優(yōu)化溫鍛工藝。

2.潤滑技術(shù)和潤滑劑

潤滑是溫鍛成形中的一個關(guān)鍵技術(shù)，良好的潤滑系統(tǒng)對工藝的成敗起著決定性作用，目前常用的潤滑方法可以歸為4類：(1)坯料不加潤滑劑涂層，工作模具采用油—石墨乳化液潤滑或水、油—石墨的混合液潤滑；(2)坯料采用石墨涂層，模具工作表面采用油—石墨乳化液潤滑或水、油—石墨的混合液潤滑；(3)坯料采用石墨涂層，模具工作表面采用水—石墨懸浮液或不含石墨的潤滑劑潤滑；(4)坯料采用其它涂層(不含石墨)，模具工作表面采用不含油—石墨的潤滑劑潤滑。模具工作部分的材料通常采用耐熱工具鋼或高速鋼。選擇模具材料時，考慮的主要因素不是成形溫度，而是潤滑劑的種類。用水基潤滑劑時，不宜采用高速鋼，因為高速鋼對熱應(yīng)力較敏感且其熱傳導(dǎo)率太低。出于經(jīng)濟效益和環(huán)保兩方面考慮，采用無油白色潤滑劑是溫鍛技術(shù)的發(fā)展趨勢，因此耐熱工具鋼將逐步成為首選溫鍛模具材料。

3.模具的受力分析及模具壽命

溫鍛模具在材料的變形過程中，要經(jīng)受高的變形抗力及熱應(yīng)力的綜合作用，最大變形壓力可達200～250MPa，連續(xù)生產(chǎn)時模具溫度可達300～500℃或更高。因此在進行溫鍛工藝設(shè)計時，必須充分考慮模具的受力條件和溫度條件，保證模具的強度、硬度和韌性達到生產(chǎn)要求，避免因模具的早期失效而造成的經(jīng)濟損失。

為確定溫鍛模具工作時的受力情況，可利用有限元法耦合模具的彈性變形及變形體、模具之間的傳熱過程對溫鍛過程進行模擬，得出模具的溫度及應(yīng)力分布，從而為選擇合適的模具材料、設(shè)計合理的模具結(jié)構(gòu)(包括潤滑和冷卻系統(tǒng))及尺寸提供依據(jù)。

4.溫鍛成形缺陷及其消除

塑性裂紋(包括內(nèi)部開裂和表面開裂)及折疊是限制溫鍛成形過程的兩類主要成形缺陷。金屬塑性成形中的塑性斷裂是一個復(fù)雜的過程，塑性裂紋的出現(xiàn)是變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等場量以及變形材料抵抗塑性斷裂的能力共同作用的結(jié)果。要研究溫鍛成形的斷裂缺陷，需采用以下基本方法：

一是要選擇一個合適的塑性損傷斷裂準(zhǔn)則用以計量損傷值和判斷成形失效(出現(xiàn)裂紋)；二是需要求出塑性損傷斷裂準(zhǔn)則中所要用到的變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度等場量，根據(jù)所選用塑性損傷斷裂準(zhǔn)則中計量塑性損傷值的模型求出損傷值，并和相應(yīng)材料的塑性損傷門檻值(由實驗確定)進行對比，找出變形區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)

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