（材料加工工程专业论文）亚热控制成形过程模拟及模具磨损关键技术研究(1).pdf

i 海交通夫学博l 学位论文摘璎 亚热控制成形过程模拟及模具磨损关键技术研究 摘要 伴随着经济发展和制造全球化的热潮，市场竞争日益加剧。采用节约高效的先进制造技 术已成为制造业重要的发展趋势。精密塑性成形技术是一种以高效、低成本获取高质量的净 形或近净形零件的先进制造技术，而亚热控制精密成形则是在温成形和热成形温度范围之间 成形的一种新的精密成形工艺。该工艺具有变形抗力较低、简化工序、减少设备吨位等优点， 并可通过控制锻后冷却及利用余热进行热处理获得力学性能优良、尺寸精度高的优质锻件， 达到节约能耗的目的。因而这种方法具有广泛的应用前景，但目前尚未有系统的研究报导。 为深入认识弧热成形特性，本文以汽车精锻件常用合金结构钢4 0 c r 和d i n 优质碳素钢c f 5 3 为研究对象，以汽车外星轮为载体，采用物理模拟和数值模拟相结合的方法对弧热控制精密 成形特性及变形过程中的模具磨损进行了系统的理论和实验研究。 本文基于热模拟试验，对4 0 c r 钢和c f 5 3 钢的弧热流变行为进行了试验研究及分析，结 果表明随变形工艺参数的变化，流变麻力曲线表现为不同的型式。在变形温度较高( 1 0 0 0 和9 5 0 。c ) 、变形速率较低( 0 1 s 。1 和0 5 s d ) 的时候，流变虑力曲线出现明显的峰值，属于动 态再结晶型。峰值应力时的应变( 峰值应变) 随变形温度的降低和变形速率的增大而升高。 变形温度、变形速率及变形量对流变应力均有影响，其中变形速率和变形温度是最敏感的影 响因素，是工艺控制中的主控因素。通过4 0 c r 圆环亚热压缩试验，探讨了热变形工艺参数 对摩擦因子的影响，研究结果为实际成形及数值模拟分析中摩擦因子的选取提供依据。 基于热模拟试验的分析结果，在对现有流变应力模型进行评价的基础上，建立了4 0 c r 钢和c f 5 3 钢的亚热变形稳态应力模型，采用双曲正弦表达式计算4 0 c r 钢和c f 5 3 钢的亚热变 形稳态激活能。4 0 c r 钢亚热变形激活能为：2 7 0 3 2 1k j m o l 一，c f 5 3 钢亚热变形激活能为： 2 9 0 7 8 2k j m o l 。并计算得出不同变形条件下的l n z 值，对应相应的表格即可快速算出特 定变形条件下的峰值流变应力，进而可方便地为模具设计、设备选择等方面提供重要理论依 据。 基于z e n e r - h o l l o m o n 参数的研究，将变形激活能及其他参数与应变相关联，建立了一个 基于动态变形激活能的亚热流变应力模型，计算了4 0 c r 钢和c f 5 3 钢在连续变形过程中的变 形激活能及其变化情况，得到了变形激活能与变形量之间的关系。模型计算结果表明，所有 工艺下的预测值均与试验值相吻合，为将本文构造的流变应力模型应用于数值模拟分析中提 i 一卜海交通人学博十学位论文摘要 供了依据。 采用编写用户子程序的方法将本文建立的流变应力模型耦合到m s c m a r c m e n t a t 有限元 软件系统中，建立了亚热精密成形工艺模拟系统。利用该系统对4 0 c r 钢和c f 5 3 钢的热挤 压成形过程进行了数值模拟，分析了变形温度、凸模速度、变形程度和摩擦因子对证热挤压 成形过程中的虑力场、应变场分布和金属流动规律的影响，为确定合理的热成形丁艺参数 提供了科学依据。 在分析现有磨损模型基础上提山适片j 于有限元模拟的模具磨损模型，建立了模具磨损模 拟系统，首次采用数值模拟方法获得了各工艺参数对模具最大磨损深度及磨损分布的影响规 律。研究表明摩擦冈子和凸模速度对模具的磨损深度和磨损分布影响很人。将模具磨损模型 预测结果与实际生产实例所测模具磨损轮廓对比，发现二者趋势相吻合，证明了模型的正确 性。研究结果为预测模具寿命、预测产品尺寸及模具设计的补偿研究提供理论基础，具有重 要的实际意义。 通过物理模拟进行了不同变形条件下亚热正挤压和反挤压成形，比较研究了数值模拟结 果和实验结果。研究结果表明，模拟与实验所得变形载荷大小及趋势基本一致，证实了本文 的流变应力模型及数值模拟系统在4 0 c r 钢和c f 5 3 钢亚热变形过程的应用中具有较高的准确 性和可靠性。 应用基于本文建立的流变应力模型、模具磨损模型的亚热控制精锻模拟系统，以c f 5 3 钢的汽车外星轮为例，对其热成形过程进行工艺分析，确定了工艺方案，成功实现了c f 5 3 钢的亚热控制精锻成形，并投入了批量生产。结果表明采用本论文研究的亚热控制精锻工艺， 降低了材料变形抗力，取消了单独正火处理的工序，采用成形后的余热控制冷却，从而获得 优良的内部组织与较高的力学性能，具有简化工艺，节约能源，使产品兼具优良的内外质量 的特点。 关键词：亚热成形，热模拟，流变应力，磨损，数值模拟，物理模拟，挤压 h f ? 海交通人学博i 学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho n t h ef o r m i n gp r o c e s ss i m u l a t i o na n d d i ew e a ro fs e m i h o tt e m p e r a t u r er a n g e a b s t r a c t a c c o m p a n yw i t h t h e u p s u r g e o ft h e e c o n o m yd e v e l o p m e n ta n d t h em a n u f a c t u r i n g g l o b a l i z a t i o n ，a n dt o m a k et h ep r o d u c th a v em o r em a r k e tc o m p e t i t i o na b i l i t i e s ，t h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eh a v i n gl o wc o s ta n dh i g hq u a l i t yh a sb e c o m i n gt h em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yd e v e l o p m e n tt r e n d p r e c i s i o np l a s t i c i t yf o r m i n gi st h ep r o c e s sw h i c hc a ng e tn e ts h a p eo r n e a rn e ts h a p ep a r tw i t hal o wc o s t t h es e m i - h o tp r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s si so n eo ft h ep r e c i s i o n p l a s t i c i t yf o r m i n gw h o s ef o r m i n gt e m p e r a t u r er a n g ei sb e t w e e nw a r mf o r m i n ga n dh o tf o r m i n g t h es e m i h o tp r e c i s i o nf o r m i n gh a ss o m ea d v a n t a g e s ：s a v i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o w e rt h e f o r m i n gr e s i s t a n c e ，r e d u c i n gt h ee q u i p m e n t si n p u ta n da c q u i r i n gg o o dp r o p e r t yp r o d u c t s a l t h o u g h t h i sa d v a n c e dp r o c e s sh a sb e e ng o t t e nw i d e l yu s i n g ，i t sm e c h a n i s mh a sn o tb e e ns y s t e mr e s e a r c h e d i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ef o r m i n gp r o p e r t y ，t a k e s4 0 c ra n dc f 5 3s t e e la st h es u b j e c t s ，s y s t e m a t i c e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h ef o r m i n gb e h a v i o ra n dm i c r o s t r u c t u r ee v o l v e m e n to ft h e s e m i h o tp r e c i s i o nf o r m i n gw a sc a r r i e do u t ，t h e nc o n d u c t sn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no ft h ep r o c e s s ，a n dh a sa l s oa p p l i e df o rt h ei n v e n t i o np a t e n t u s i n gt h er i n gc o m p r e s s i n gt e s t ，p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ei m p a c to ff r i c t i o nf a c t o rh a sb e e n s t u d i e d r e s u l t ss h o wh i g ht e m p e r a t u r ea n dl o wv e l o c i t yd e c r e a s ef r i c t i o nf a c t o r p l a s t i cd e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hc a na f f e c tp r o c e s sd e v e l o p i n g ，d i e l i f ea n de q u i p m e n ts e l e c t i o ne t c b a s e do i lt h et h e r m a l - s i m u l a t i o nt e s t ，t h ef l o wb e h a v i o ro f4 0 c r a n dc f 5 3s t e e lw a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tf l o ws t r e s sc u r v er e p r e s e n td i f f e r e n tt y p e sw i t h t h ed e f o r m a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sc h a n g i n g s t r a i nr a t ea n dt e m p e r a t u r ei st h em o s ts e n s i t i v e f a c t o r s b a s e do nt h et h e r m a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee v a l u a t i o no ft h ee x i s t i n gf l o ws t r e s sm o d e l s ， t h ef o r m i n ga c t i v a t i o ne n e r g i e so f4 0 c ra n dc f 5 3h a sb e e nc a l c u l a t e du s i n gah y p e r b o l i cs i n e e x p r e s s i o n t h e ya r e2 7 0 3 2 1k j m o l a n d2 9 0 7 8 2k j t o o l 1r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ez e n e r - h o l l o m o np a r a m e t e r s ，s e m i h o ta c t i v a t i o ne n e r g yh a sb e e na s s o c i a t e d i i i l ：海交通大学博十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es t r a i n an e wc r e e pm o d e lh a sb e e nc o n s t i t u t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t su s i n gt h i sn e w m o d e ls h o w e dt h a ta l lt h ev a l u e sa r ei nl i n ew i t ht h ee x p e r i m e n t ，s ot h i sf l o ws t r e s sm o d e lc a nb e a p p l i e dt ot h ef o l l o w - u pn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s t h es i m u l a t i o no fs e m i h o te x t r u s i o no f4 0 c ra n dc f 5 3s t e e lw a sc o n d u c t e do u tb yt h e t h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l e df i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h en e wc r e e pm o d e lw a su s e di nt h e s i m u l a t i o nt oc a l c u l a t et h ef l o ws t r e s s t h es i m u l a t i o np r e d i c t st h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i n ，s t r e s sa n d t e m p e r a t u r ei ne x t r u s i o nt e s t t h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ef o r m i n gv e l o c i t y , d e f o r m a t i o n e x t e n ta n df r i c t i o nf a c t o ro nt h es e m i h o te x t r u s i o np r o c e s sh a sb e e na n a l y z e d 。t h er e s u l t sm a y p r o v i d et h es c i e n t i f i cg u i d a n c et od e t e r m i n er e a s o n a b l ef o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fe x i s t i n gw e a rm o d e l s ，an e ww e a rm o d e lh a sb e e na p p l i e dt o t h ef i n i t ec l e m e n ts i m u l a t i o no fd i e c o m p a r i n gt h e a c t u a lc o n t o u r sw i t ht h es i m u l a t e dw e a r c o n t o u r , w ef i n dt h a tt h et w oc o n t o u r sa r em a t c hw h i c hp r o v et h a tt h i sm o d e lc a nb eu s e dt ot h e r e s e a r c ho fm o u l d t h e nf o r m i n gp a r a m e t e r so nt h ew e a ro fd i eh a sb e e ns t u d i e du s i n gt h i sm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tf o r m i n gv e l o c i t ya n df r i c t i o nf a c t o ri st h em o s ts e n s i t i v ef a c t o r s ，w h i c h s h o u l db ec o n t r o l l e di nt h ep r o c e s sd e s i g n p h y s i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc o n d u c t e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ef l o ws t r e s sm o d e la n d t h ed i ew e a rm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o ws t r e s sm o d e la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m i nt h es e m i - h o tf o r m i n gp r o c e s so f4 0 c ra n dc f 5 3s t e e lh a v eah i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y s e m i - h o tc o n t r o l l i n gp r e c i s ef o r g i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw a sa d o p t e dt oa n a l y z et h es e m i - h o t f o r m i n gp r o p e r t yo fa na u t o m o b i l eo u t e rr a c e ，a n dt h ep r o c e s ss c h e m eh a sb e e nd e t e r m i n e d t h e s e m i - h o t c o n t r o l l i n gp r e c i s ef o r m i n go fc f 5 3s t e e lw a sr e a l i z e d f o rt h ef i r s t t i m e ，a n d m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i sf o rt h eo u t e rr a c ef o r g i n gw a sp r e c e d e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e m i - h o t c o n t r o l l i n gp r e c i s ef o r g i n gp r o c e s si nt h i ss t u d yc a nd e c r e a s et h em a t e r i a lf o r m i n gr e s i s t a n c e ，a n d t h es i n g l en o r m a l i z i n gt r e a t m e n tp r o c e d u r ec a nb eo m i t t e d t h ec o o l i n gc a nb ec o n t r o l l e db yt h e r e s i d u a lt h e r m a l t h e nt h ef i n e ri n t e r n a ls t r u c t u r ea n dt h eh i g h e ro v e r a l lm e c h a n i c a lp r o p e r t ya r e o b t a i n e d t h i sm e t h o dh a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l i f y i n gw o r k i n gp r o c e s s ，c o n s e r v i n ge n e r g y a n dm a k i n gf i n a lp r o d u c t sh a v eb e t t e ri n t e r n a la n ds u r f a c eq u a l i t y k e y w o r d s ：s e m i h o tf o r m i n g ，t h e r m a l - s i m u l a t i o n ，f l o ws t r e s s ，w e a r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，e x t r u s i o n i v 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 。 不保密 ( 请在以上方框内打“v ) 学位论文作者签名：鸯掺乡 日期：加歹年弓月f 日 指导刻嗽獭缸 日期：_ 年3 月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舀澎纱 日期瓣乡月i1 日 卜海交通大学博十学何论文 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 伴随着经济发展和制造全球化的热潮，市场竞争日益加剧。在现代制造业中，低成本和 高质量是决定产品竞争力的两个关键冈素。为了使产品更具有市场竞争力，采用节约高效的 先进制造技术已成为制造业的重要发展趋势。先进制造技术中的精密成形技术得到了蓬勃发 展，它能提高产品精度，直接生产合格产品，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取 得理想的技术经济效果【l - 2 1 。在机械制造业中占据重要位置的金属塑性加工领域，精密塑性成 形技术【3 j 是一种能以较低的成本获取净形或近净形零件的先进制造技术。美国竞争委员会在 1 9 9 1 年向美国总统提交的报告中，把精密成形与加工技术列为美国处于柔弱地位的技术，建 议政府予以重视与支持。而据国际机械加工技术协会预测，在2 1 世纪，精密塑性成形与磨削 加工相结合，将逐渐取代大部分中小零件的切削加工【2 】。因而，对精密塑性成形技术的研究 成为先进制造技术研究领域中的重要研究课题，其中精密锻造技术是近年发展较快的一种精 密塑性成形技术。 精密锻造( 冷锻、温锻和亚热锻) 技术是指零件锻造成形后，仅需少量加工就可以达到 设计要求的成形技术。多学科渗透的精密锻造技术是精密成形的重要分支，精锻产品的获得 是新材料、传感技术、信息技术、自动控制技术、液压技术、表面技术与锻造原理的融合【3 1 ， 汽车工业对精锻件的人量需求是推动精锻技术迅速发展的主要动力【4 羽。在德国、日本等工业 发达国家，轿车每车精锻件的重量达到5 0 k g 左右。精锻件的品种从弹簧座、活塞销、十字轴 等较简单的零件发展到成形前驱动轿车万向节的钟形壳、滑套、内星轮、变速箱中同步器齿 环、行星齿轮等零件【6 l 。 精锻成形工艺按金属成形的温度可以分为高温、中温、室温和等温超塑成形等精锻成形。 常规模锻件所达到的合理尺寸精度为0 5 m m 以上，表面粗糙度在见2 5 以下。而精锻件一般 为0 1 0 2 5 m m ，较高精度可达n + o 0 5 0 1 0 m m ，表面粗糙度可达到r 。o 4 1 6 【6 1 。冷精锻工 艺的生产率比切削加下高几倍剑几十倍不等，材料利用率达7 0 8 0 。 冷精锻件具有尺寸精度高、表面质最好和力学性能好等特点。国外已较普遍采用冷精锻 工艺生产低碳钢、中碳钢和合金钢零件，重量由几克到五千多克。冷精锻件的形状多种多样， 如齿轮、齿条、同步齿罔、花键轴等【7 1 。 温锻是上世纪6 0 年代至7 0 年代发展起来的新工艺，其工艺特点为把金属加热到再结晶 卜海交通大学博t 学位论文第一章绪论 温度以下进行锻压，它具有冷锻和热锻的优点而义克服了它们的缺点。温锻成形工艺减少了 模具和压力机的载荷，改善了金属的流动条件，提高了材料的塑性，而且坯料无需锻前退火。 温锻还可以将旋转体零件进行轴向无飞边模锻，表面质量好，精度高，无拔模斜度，可不再 进行后续加工，材料利用率几乎达1 0 0 【7 】。近几年来，温冷锻复合成形技术在国外得到了 飞速发展1 6 坷j 。 亚热精密锻造是一种新型的精锻技术，其成形温度范围介于温锻温度和热锻温度之间， 如图1 - 1 所示，具体的成形温度随钢种的变化而变化。由丁变形温度低对提高锻件精度和细 化组织品粒有利，变形温度比温锻高可以降低变形抗力，使用较小n 屯位的压力机就能进行成 形【1 叭，冈此成形温度处于温锻和热锻问的锻造技术热锻造在精密锻造中有其独特的 优势。通过控制坯料的加热、润滑条件、模具等设备的精度和成形过程中的变形参数完全可 以获得表面质量好，尺寸公差小的亚热精密成形件，大多数部位尺寸甚至所有部位尺寸可以 省去后续机加工，达到节省材料、节约能源的目的。由于变形温度的不同，与温锻和热锻相 比，亚热成形特性也与温锻和热锻的成形特性有所区别。为了能更好地掌握这一先进成形技 术的变形机理，充分发挥其优越性，需对亚热成形特性进行深入研究。 公 盆 、一 r 翅 届 螺 温度( ) 图1 - 1 钢各种塑性变形的温度范围 f i g 1 - 1t e m p e r a t u r er a n g eo fd i f f e r e n tp l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s 亚热控制成形最根本的目的在于获得质量好的精锻件。对于精度以微米计的精密成形工 艺而言，虽然模具的加工精度、模具的结构与材料及润滑条件等因素能影响成形件精度，但 这些因素都能在生产之前得到控制，关键的是模具在使用过程中尺寸精度的变化。而在模具 使用过程中，模具的弹性变形及模具磨损等参数的定量研究及其有限元建模、分析才应是数 值模拟研究的重点。因此，要想获得满足质量要求的合格的精锻件，需要对成形过程中对产 品精度有影响的因素进行分析，获得产品精度和这些影响因素的关系曲线，从而为分析、设 计零件的成形工艺和确定工艺参数提供理论依据，达剑优化工艺的目的。 2 i 海交通人学博十学何论文 第一章绪论 亚热控制精锻生产的目标除了完成产品形状的基本要求外，还要通过材料的塑性变形提 高产品的综合力学性能。如何才能充分发挥该成形技术的优越性，获得内外兼优的产品呢? 其中最关键的问题之一就是应该对不同钢种的热控制精密成形特性的进行深入研究，从而 为制定合理的丁艺方案提供理论支持。 目前，控制锻造人多集中于大锻件及热成形工艺的研究【1 2 d 5 1 ，对于亚热控制精密成形特 性的研究报道甚少。为了能更好地掌握这一先进成形技术的变形机理，充分发挥其控形控性 的优越性，本文以汽车常用的合金结构钢4 0 c r 和d i n 优质碳素钢c f 5 3 为研究对象，对其亚 热控制精密成形特性进行了模拟研究，并以汽车外星轮为载体，实现了亚热控制精锻工艺。 亚热控制精锻成形特性的研究不仅是生产中需要解决的问题，同时也是金属成形理论研究、 物理冶金理论研究和变形过程全面模拟研究的前沿课题，对于提高产品质量和降低生产成本 具有重大意义。 1 2 亚热控制精密成形技术研究进展 亚热精密成形技术近年来在美国、德国、日本等发达国家的制造业尤其是汽车工业中虽 然得到了一定的应用研究，但目前专门针对这一先进成形技术的研究文献很少见报道。为提 高我国的亚热成形技术水平，增强产品的竞争力，缩小和发达国家之间的差距，需要对亚热 精密成形的机理及工艺技术的应用进行深入研究。 1 2 1 亚热精密成形的基本特点 金属塑性加工按变形温度范同的不同可以划分为冷变形、温变形和热变形。从金属学观 点来看，通常认为变形温度在室温以上完全再结品温度以下的温度范闱内进行的变形称之为 温变形，而在完全再结晶温度以上进行塑性变形是热加工。这种区分方法将再结晶温度视为 衡量热锻、温锻的界限，只是考虑了变形能是否得到有效释放，仅具有学术意义。 在热加工中，又有锻造温度靠近锻造温度的上限和靠近下限的区别。由于加热温度低对 提高锻件精度、细化组织有利，因此在再结晶温度以上、热锻温度以下的锻造技术在精密锻 造中常被采用，本文称之为热锻。一般来讲，钢的开始再结品温度人约在6 0 0 c ，而在8 0 0 。c 以上进行锻造时，由于变形能可以得剑动态释放，成形阻力急剧减小；在1 0 0 0 。c 以上锻造时， 虽然成形力更小，但锻件氧化皮和表面脱碳现象严重，晶粒急剧长大，锻件尺寸变化较大。 因而在8 0 0 1 0 0 0 * c 的范围内锻造可获得质量和精度都比较好的锻件。因此，本文拟对 8 0 0 1 0 0 0 * c 亚热温度范围内合金结构钢4 0 c r 和d i n 优质碳素钢c f 5 3 材料的变形特性进行 研究。钢的各种塑性成形的温度范围，如图1 - 1 所示。 亚热精密成形不仅具有冷、温成形与热成形的优点，而且也避免了它们各自的缺点。 3 卜海交通大学博l 学位论文第一章绪论 1 2 1 1 亚热精密成形的优点及缺点 1 ) 热精密成形工艺的优点 ( 1 ) 亚热塑性变形时，毛坯的变形抗力比冷、温成形小，接近热变形时载荷，金属塑性 变形比冷成形容易，所需的压力机吨位也较小。 ( 2 ) 与热成形工艺相比，由于亚热成形毛坯的加热温度相对较低，氧化、脱碳、过热的 可能性减小，晶粒组织较细而且均匀。因此，亚热成形零件的尺寸精度、表面粗糙度和晶粒 大小皆比热成形零件有明显改善。 ( 3 ) 亚热变形前或变形工序之间不需要进行软化退火处理工序，可利用变形后的余热对 锻件进行热处理。这不仅可以减少工序数，而且还为连续自动化生产创造了有利条件。 ( 4 ) 亚热塑性变形可以采用加大变形量的变形工艺，可以顺利成形一些形状复杂、变形 量大的零件。 2 ) 亚热精密成形工艺的缺点 由于亚热成形工艺在实际应用中尚处于开发研究阶段，在设计变形工艺时，为实现确定 最佳变形参数及模具设计中合理的模具结构及尺寸等- t 作，需要预先进行相应材料的弧热变 形实验，方可精确的选择合适的工艺参数。因此使得工艺试制周期延长，影响生产进度计划。 钢在热成形时，与冷成形、温成形和热成形的技术经济比较如表1 - 1 所示： 表1 - 1 亚热精密成形与热锻、温锻和冷锻特点的比较1 2 6 1 t a b l e1 - 1t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i s o no ff o u rp r o c e s s e s 由表1 1 可以看出，亚热精密成形精度较高，内部组织晶粒较细，表面氧化较少，成形 件质量接近于温成形，能耗比冷成形少。而对需要多工位成形的温锻件( 如三销槽壳、钟形 壳) ，温成形始锻温度较低( 通常8 0 0 以下) ，多工位成形工件会产生较大的温降，如果工 序间传递时间过长，到终成形工序时工件温度偏低会导致成形力激增、模具寿命降低，采用 4 1 海交通人学博 j 学伊论文 第一章绪论 亚热精密成形则可较好地解决上述问题。 采用热成形可利用余热进行热处理，以达到后续工序需求的力学性能。传统锻件为确 保其综合力学性能，去除锻造应力或改善切削性能，机械加工前后通常必须进行预备热处理 以及最终热处理。亚热成形可利用锻造余热进行热处理和控制锻后冷却方式，使各种元素析 出硬化而获得所需的综合力学性能。由于不需进行常规调质热处理，减少和避免了常规热处 理所带来的缺陷，如淬火裂纹、畸变、脱碳，特别是对降低能源消耗、减少环境污染具有重 要意义。 采用亚热、冷锻复合成形技术可以在亚热温度内成形零件的复杂外形，随后进行热锻 后余热热处理和控制冷却，最终采用冷精锻工艺进行少量变形得到品粒细小、内部组织良好 及高尺寸精度和表面质量的锻件，无需进行后续机加工。 由上述分析可见，亚热精密成形具有极高的应用价值。 1 2 1 2 亚热精密成形的应用范围 从上述分析可以看出，亚热精密成形兼有冷、热成形的优点，克服了冷、热成形的不足 之处，因此可应用于如下几个方面： 1 ) 冷、温成形时硬化剧烈或变形抗力高的高碳合金钢、合金结构钢和上具钢等： 2 ) 形状复杂、变形程度人的零件； 3 ) 为了改善产品综合力学性能； 4 ) 现有设备能力不足，零件尺寸较人，以及为便丁组织多工位迮续生产。可取消冷成形 时的软化处理、磷酸盐处理等。 1 2 1 3 亚热变形温度的选择 由于具体的产品对象不同，变形件的变形程度不同，设备条件不同，对产品的性能、尺 寸精度要求、表面粗糙度要求不同，所选择的热变形温度也会有所不同。冈此，在选择亚 热变形温度时应考虑如下几方面。 1 ) 对材料变形抗力和塑性及晶粒尺寸的影响 由大量试验证实，对碳钢来说，温度越高，变形抗力越低。而且，含碳量高的碳钢，其 变形抗力随温度的提高而下降的程度比含碳量低的更要显著一些。但温度越高，晶粒长大越 明显。因此，在保证材料塑性变形及内部组织的同时应主要考虑温度对材料变形抗力的影响， 选择变形抗力较小的变形温度。 2 ) 对氧化的影响 剧烈的氧化不仅会给成形件带来很多不利的影响，还会使模具寿命降低。通过采用快速 感应加热法，毛坯加热前涂覆润滑剂有助于防止毛坯加热时的氧化。 3 ) 对变形件质量的影响 变形件加热到不同的温度，毛坯材料的氧化、热胀冷缩以及模具的弹性变形等情况不一 5 卜海交通大学博 ：学何论文第一章绪论 样，但这些冈素的变化都会影响产品的尺寸精度和表面粗糙度。温度越高，产品的尺寸精度 和表面粗糙度愈差。因此，从保证高的尺寸精度、低的表面粗糙度方面米看，热变形温度 应尽量选低一些。一般来说，选择低于再结晶温度的变形温度有助于通过加上硬化来提高成 形件的强度和硬度。然而，通过热大变形组合冷精整的工艺和有效地控制变形后的冷却速 度及热处理也可达到同样的效果。因此，选择亚热温度进行成形同样能保证产品具有较高的 力学性能和较好的尺寸精度和表面粗糙度。 4 ) 与其他条件的关系 在大吨位设备上变形时，变形温度可选低一些，以保证产品具有较高的力学性能。如果 在高速锤上变形，由于变形速率大，热效应明显，变形温度应尽量选低一些。变形温度越高， 模具的抗压能力越低。但是当加热温度较低时，单位变形力较大。因此，从保证模具具有较 长的寿命方面来看，选择合适的变形温度是十分重要的。 1 2 2 亚热精密成形技术的研究与应用概况 亚热成形技术由于成形温度处于温锻和热锻之间，其成形特性与温锻和热锻相比，有其 相似之处。热锻由于高温氧化造成表面氧化皮脱落，难以直接得到符合要求的精锻件。温锻 精密成形是新近发展起来的一种金属塑性加工技术，由于该t 艺在技术、经济效益上的优越 性，当前在制造业特别是汽车工业中得到了广泛的应用，国内外对温锻成形技术进行了较广 泛的研究与应用。 在实际应用方面，美国w y m a n g o r d o n 公司使用1 8 0 0 0 k n 、3 0 0 0 0 k n 、8 0 0 0 0 k n 等精密 锻造压力机温锻精密成形喷气发动机的钛合金及镍合金零件，最大直径达9 0 0 m m ，重 3 4 0 k g 。美国的温锻件约占精锻件总量的5 0 以上【剐。 1 9 9 3 年，小松公司接受来自用户的哑热交易是5 年前的2 倍之多，可大体看出这种需求 正在增长的事实。亚热锻造的应用，使得以往热锻的部件弧热锻造化，尺寸精度提高了，并 使总成本降低。另一方面，为与封闭锻造等技术的组合，从而省略一些t 序和提高成品率等 提供了方便。 文献 1 2 中指出，温热锻造作为一种加工技术被广泛采用之所以需要很长时间，是因为 它和冷锻相比，除了锻件精度不高、金属模具寿命短等问题，生产中还必须增加坯料的温度 管理、模具润滑方法与质量管理等麻烦的上作。但是，最近由于模具材质、模具润滑、模具 冷却等相关技术的发展，有的t 序可获得与冷锻用金属模相同的模具寿命。至于锻件的精度， 由于设计出已考虑到冈温锻而产生的热胀冷缩影响因素的金属模，这就有可能生产无切削加 工工序的部件，更进一步使之与其他方法组合，并以低成本加工高质量的部件。金属模具在 高温下经常与被加热了的坯料相接触，故磨耗和变形比冷锻要快，时间长了就难以维持高精 度，解决这个问题是亚热锻造的最大课题，在部件设计时，只靠亚热锻造来获得严格的尺寸 6 卜海交通大学博十学位论文第一章绪论 精度的最终成形是不可靠的。亚热锻造的应用，使以往采用热锻成形的零部件温热锻造化， 尺寸精度提高，总成本降低。 d o j 型外座圈的锻造方法从冷锻向亚热锻造变化的主要理由，是因为可以省去中间工序 的退火和磷化处理，使用廉价的毛坯材料，并可以采用生产效率高的高频感应淬火【1 2 】。 德国学者s s h e l j a s k o v 在文献【1 6 】中总结了温锻| t 艺的技术经济上的优越性，并就该t 艺 的成形温度范罔、成形材料范围、所能成形的零件形状及精度、模具材料和成形设备等进行 了论述；在文献【1 7 】中作者指出了温锻工艺的一些问题：设备投资大、模具造价高等，存在 一些问题尚待该领域的研究者进一步研究解决。文中还指出润滑是温锻成形中的一个关键技 术，良好的润滑系统对工艺的成败起着决定性作用。 近几年来，温冷锻、热冷锻复合成形技术在国外得到了飞速发展。复合成形技术是指将 不同种类的塑性加工方法组合起来，或将其他金属成形方法( 如铸造、粉末冶金等) 和塑性 加上方法结合起来使用，使变形金属在外力作用下产生塑性流动和变形，从而得到所需形状、 尺寸和性能的制品的) j o i n 方法【7 1 。 d r e k k e h a r dk o r n e r t l 8 l 等讨论了把温锻成形和冷锻成形结合起来生产形状复杂零件的可 行性，并以汽车工业中的三个零件为例对该成形方法在技术和经济上的优越性进行了论述。 该综合成形工艺的特点是采用温锻j 二艺预成形零件复杂的结构，然后采用冷整形米保证零件 的尺寸精度和表面质量。温锻温度范同内材料的变形能力大幅度提高，变形抗力人幅度降低， 而所能达到的尺寸精度希i 表面质量与纯冷锻相当。同时，d r e k k e h a r dk o r n e r 也提出了温锻成 形中尚待解决的一些问题，如复杂模具型腔的加工技术，为保证温锻模具寿命而必须采用的 冷却和润滑控制技术，还有温度、热处理与成形件形状、尺寸之间的影响关系，以及模具的 磨损及模具寿命等问题，这些问题的圆满解决必将进一步提高该综合成形工艺的技术经济效 益。 日本利用冷温挤联合成形生产1 0 0 。0 4 0 0 轴承套圈，模具寿命达1 0 万件【6 】。 国内也有一些厂家开始从事温冷锻复合成形技术的研究与应用。冷挤压等速万向节零件 如：三销槽壳、钏形壳是成形工艺难度最火的精密锻件之一。江苏森威集团股份有限公司和 上海纳铁福公司采用多工步温锻和冷挤压的组合工艺( 最后一道工序保证槽壳、球沟精度) 可获得非常满意的加工质量及良好的经济效果【6 j 。 摩托车结合齿轮国内普遍采用热精锻工艺生产。重庆华江机械厂采用温锻工艺( 7 5 0 左 右) ，较好地解决了温锻模具寿命、模具结构等工艺难题，形成了大批量生产，取得了较好的 效益。 热锻及温锻工艺与余热热处理工艺的复合使得产品的成形工艺有了更多选择。利用锻造 余热进行热处理和控制锻后冷却方式对降低能源消耗、减少环境污染具有重要意义。这方面 的研究引起越来越多研究者的兴趣，有关方面的研究文章陆续出现。 7 卜海交通大学博 学位论文第一章绪论 汪炜【1 9 j 等采用锻后余热控制冷却的热处理工艺，通过不同温度区域的控制冷却，研究了 非调质钢活塞热锻后不同热处理工艺对组织和力学性能的影响，最终确定了合适的热处理工 艺，使产品的组织和力学性能满足使用要求，并获得客户的p p a p 认证。 朱启惠f 2 0 1 等研究了合金渗碳钢锻件正火后应该具备的显微组织和硬度要求，提出了一种 适合大量生产的既可提高钢件正火质量