■徐海山
摘要：现代制造业中，锻压成形的零部件结构越来越复杂，精度要求越来越高。同时，制作成本要求越来越低，周期要求越来越短，锻压技术正面临着技术升级的挑战，同时更面临着跨界技术的竞争。为应对挑战，适应严峻的市场竞争，锻压技术的创新成为其继续生存和发展的关键。伴随锻压技术人员不断地技术攻关，温锻、半固态模锻、旋锻、液压成形、爆炸成形等许多新型锻压技术不断涌现，引领了锻压技术新的发展趋势。
关键词：锻压技术；温锻；半固态模锻；旋锻；液压成形；爆炸成形
跨界竞争已然来临并深刻影响着各行各业，锻压技术也不可避免地受到了跨界技术的冲击。面对复杂结构、高精密度、低成本等多项指标的苛刻要求，传统的自由锻、热锻、冷锻等锻压技术的简单升级已经很难满足市场的需求。在这样的背景下，锻压技术的创新已经悄然来到我们身边并呈现愈演愈烈之势。
对于钢质锻件，通常将再结晶温度以上的锻造称为热锻，再结晶温度以下的锻造称为温锻[1]（见图1），常温锻造称为冷锻。温锻是介于热锻和冷锻之间的锻压技术，通常预锻温度≤950℃，终锻温度≤750℃，成形阻力显著低于冷锻；和热锻比，氧化皮少，表面脱碳现象轻微，锻件尺寸变化小，可以获得精密锻件，因而得到了越来越广泛的应用。温锻成形工艺流程：下料→预锻→终锻（成形）→检验。当然，温锻工艺的应用与锻件材料、锻件大小、锻件复杂程度有密切的关系，对于结构复杂，精度要求高的零件，还需实践摸索最优的温锻工艺，有时甚至采用热锻粗成形、温锻成形、冷锻整形三种工艺相结合的成形方式。
图1 温锻原理图
图2 半固态模锻成形原理
20世纪80年代，美国麻省理工学院首先提出了金属零件的半固态成形概念。所谓半固态模锻，就是将固态—液态金属混合浆料模锻成形的方法，即通过将坯料加热到有50%左右体积液相的半固态的材料，然后在具有略高预热温度的模具模膛内进行半固态成形，获得所需的接近成品尺寸零件的最经济工艺方法（见图2）。其是介于压力铸造和普通模锻之间的一种近净成形技术[2]。半固态成形工艺流程：金属液→搅拌、凝固→半固态坯料→输送→成形→检测。
半固态模锻有诸多优势，首先，由于半固态金属坯料在充足压力下凝固结晶，组织致密，晶粒细小，可获得更高力学性能。其次，此工艺可实现高度自动化，成品率极高。第三，由于半固态合金材料粘度比熔融的金属高，在压力下金属可形成层流，能均匀填充模膛，特别是模锻终期的高压作用下，可使薄壁部分得到很好的填充，故可成形结构复杂的薄壁零件。第四，成形零件接近成品尺寸，大幅减少了加工余量，材料利用率得到极大提高。第五，与普通模锻比，成形压力小得多，可采用小吨位压力机，同时，模具寿命得以提高。
旋锻即旋转锻造，也叫径向锻造，常采用两个或两个以上的模具，在使其环绕坯料外径周围旋转的同时，也向坯料轴心施加高频率的脉冲径向力，使坯料受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向拉伸的过程[3]（见图3）。它是一种局部而连续、无屑而精密的金属成形加工工艺。
旋锻技术有其独有特点，首先，旋锻零件具有连续的纤维流线，强度优于切削加工件。其次，旋锻零件表面粗糙度质量随坯料横截面压缩量的增大而提高，一般胜过切削表面，可提高配合精度。第三，旋锻零件表面产生压缩应力，提高了锻件的抗弯强度。可采用抗拉强度低的廉价材料通过旋锻后代替一些高价材料。第四，利用旋锻技术可以简便地获得一些独特的工艺效果（见图4），如管壁向内外局部增厚，内外非圆形管端的成形，管件与实心轴的旋锻结合等。
液压成形是指利用液体作为传力介质或模具使工件成形的一种塑性加工技术[4]（见图5）。这种技术的成形原理与吹塑成形原理非常接近，不同的是介质不用气体改用液体，介质传递压力远高于吹塑。成形过程中，仅需要凹模或凸模，液体介质相应地作为凸模或凹模，省掉一半模具，且可成形很多刚性凸模无法成形的复杂零件，比如腔大口小的零件等。另外，液压成形工艺中，液体作为传力介质具有实时可控性，通过压力闭环伺服控制可以按给定的程序精确控制压力。
液压成形应用适合于复杂管材、板材、壳体类零件的成形，在机械制造行业具有广泛应用前景。对于形状更为复杂，室温难成形的管材、板材等，还可以通过把管材或板材与模具一起加热到一定温度后再实施液压成形，这又形成了一门新技术，即热态液压成形技术。
图3 模具闭合型旋锻机的工作原理
图4 旋锻成形的复杂短柱体及复杂管件
爆炸成形是指通过化学物质的爆炸瞬间产生高压冲击波，并以脉冲波的形式作用于坯料，使其产生塑性变形并以一定速度贴到模具上，完成成形过程[5]（见图6）。冲击波对坯料的作用时间为微秒级，仅占坯料变形时间的一小部分。这种高速变形机理与常规锻压有着本质的差别。爆炸成形原理与吹塑成形有类似之处，都是靠压力把材料贴附在凹模上。不同之处在于压力来源不同，一个是吹入气体的压力，一个是爆炸产生的冲击波的压力。
爆炸成形技术有着广阔的应用前景。首先，适合形状复杂的大型零件的生产，特别是零件尺寸达到所需压力超出现有压力机能力时。其次，对难以加工的高强度耐热金属及表面粗糙度要求高的大型零件也适合采用此方法成形。
图5 液压成形原理
图6 爆炸成形原理
随着市场需求的不断变化以及基础科学研究的不断进步，锻压技术也正在进行着不断地突破和创新。而创新的理念除了来源于锻压技术人员的刻苦钻研和精益求精，更多的来源于突破思维定势的跨界思维方式。在这种思维的指引下，温锻、半固态模锻、旋锻、液压成形、爆炸成形等新的锻压技术正在源源不断地产生并应用到金属零件的生产中，开拓、创新正在引领锻压技术迈向更广阔的发展天地。
参考文献
[1] 王德林，陆有根，吴兵. 温、冷精锻复合成形技术应用及其发展趋势 [J]. 热加工工艺， 2013，42(5)∶107-110.
[2] 洪慎章，曾振鹏. 铝合金零件半固态模锻的应用及发展 [J]锻压技术，2004，29(4)∶5-7.
[3] 张琦，母东，靳凯强，等. 旋转锻造成形技术研究现状[J].锻压技术，2015，40(1)∶1-6.
[4] 徐勇，张士宏，马彦，等. 新型液压成形技术的研究进展[J]. 精密成形工程， 2016，8(5)∶7-14.
[5] 佟铮，马万珍，成博，等.球形容器无模爆炸成形质量控制[J]. 压力容器，2004， 21(9)∶29-31.
作者简介：徐海山，唐山爱信齿轮有限责任公司。
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