精密模具设计与制造技术

精密锻造是一种既古老又在现代工业中发挥着重要作用的加工方法，该方法可追溯到公元前40世纪自然金属如金、银的成形。在现代工业的今天，展现在我们眼前的是全自动高速锻造生产线。最为典型的可举出曲轴、连杆热锻生产线，齿轮、十字头的冷锻生产线以及以紧固件为代表的高速冷锻机成形。
　　从“趁热打铁”可以自然的想到锻造是在高温下进行的。自1938年德国发明了磷化皂化技术以来，冷锻技术得到了广泛的应用。二战期间的德国，为了以钢材代替铜来生产弹壳等军工产品，发明了既具有附着性又兼备高延展性的磷化皂化皮膜。二战结束以后，此技术先传到美国，进而很快普及到全世界。60年代以后，汽车的大量生产又为冷锻技术的发展创造了广阔的天地。
　　模锻是使用与成形零件具有同样形状的模具，通过使金属变形而直接成形，所以适合于大批量生产。可以预言，随着我国对汽车的潜在要求，精密锻造的春天就要到来。本文主要对精密锻造技术特别是日本锻造技术的现状以及作者本人近年来所从事的一些有关锻造技术的工作做一介绍。
　　2精密锻造的现状就当今的精密锻造而言，无论在普及性还是在技术水平方面，日本可谓首屈一指。究其原因：日本的汽车工业后于美国及德国，要与其竞争，则必须要求低成本在大批量生产方面，冷锻具有强大的竞争力，加之在工业化初期，行业间的配合，尤其是在冷锻材料的开发方面成绩突出。在日本冷锻技术于1955年首先应用于自行车零件。60年代后随着汽车工业的蓬勃发展，冷锻作为支柱产业之一也得到了快速发展。一台日本的轿车中，除了紧固件之外，冷锻件的使用量已达50kg以上。
　　2.1冷锻材料正像世界上任何事物都具有两重性一样，冷锻零件可以做到少无切屑加工，降低了成本但它对原材料要求非常严格，要求尺寸精度高，延性好，硬度低，内部及表面不允许有任何微小裂纹。从而对炼钢及轧制都提出了很高的要求。为了提高材料的延性，除要控制钢中的硫、磷以及氧化物的含量外，有的甚至对轧材还要进行去皮加工，以便材料在室温状态下能经受强烈的变形而不产生开裂。一般来说，冷锻是在密闭模腔中成形的，为此，要求有很好的下料精度，一般要求在0.8%以上，所以冷锻用棒、线材通常要经过冷拔加工得到一致的外径尺寸。通常冷锻盘料的冷拔加工是在磷化皂化后进行的，而棒料则在磷化皂化和下料之前进行。
　　2.2精密设备冷锻设备主要有两种装备：一是高速冷锻机，二是压力机。高速冷锻机是一种多工位全自动锻造设备，一般使用盘料，装备有下料装置。冷锻机的最快行程速度已达到每分钟1000次，最多工位数已达7个，最大吨位达800t，生产的锻件重达8kg.由于冷锻机具有多个成形工位并采用卧式，所以适合于生产轴类、筒类等零件（）。机械压力机的成形工位一般不大于3个。由于生产中采用了模架结构，从而增加了导向精度，还可以实现复合动作。
　　因而适合于密闭式成形。精锻齿轮、十字头等都是在该类机器上生产出来的（）。机械压力机的速度一般在每分30次以下，吨位已到2000t以上。冷锻压力机的结构与一般的热锻或冲床压力机不同，主要采用肘杆式或多连杆式。其目的之一是尽量延猛材料的弹性恢复而带来的精度不良。压力机有人工操作和自动式两种，在发达国家以自动为主。自动式压力机装备了供料装置和夹料传送装置。压力机使用下好的坯料，下料方法主要有剪切、锯切，有时根据需要，对经剪切、锯切的坯料再进行端面磨削，以便达到更高的重量精度要求。
　　3冷锻工艺的设计由于冷锻件种类繁多，形状复杂，加之成形压力极高，因而具有相当高的成形难度。冷锻是把简单形状的坯料通过直接变形加工成形零件的，一般要经过几个变形工位，经过逐次成形来实现所要求的形状。最后成形的锻件质量将受到机器、材料、模具以及润滑等因素的影响，一次完全掌握和控制这些因素是非常困难的。在生产中主要是靠设计人员的经验和通过反复试模来进行工艺设计的。
　　锻造力的预测在冷锻工艺的制定以及设备的选择方面至关重要，它往往是影响锻造成效的关键因素。为了能够比较精确地预测锻造力，材料流动状态的FE模拟技术已得到普遍的应用，但是要想成功地应用该技术必须掌握一定的塑性力学知识。
　　最近，研究人员试图开发一个把经验法则和塑性理论及FE模拟融合在一起的锻造CAE系统，以解决不同层次的问题。
　　冷锻工艺的设计，首先从锻造图出发，想象几种可能的锻造变形工序。对各变形工序的材料流动以及所需吨位进行分析后，通过模具设计、制模、试模、修模等过程最后应用于生产，为该过程的流程。尽管锻件的形状千姿百态，但通过总结也不难发现最后的形状是由一些规则的变形样式组合得到的。这些变形样式可归类为端面矫正（对于剪床下料）正挤压、反挤压、镦粗、闭式锻造、穿孔、各种精整加工以及上述简单加工方法的组合。
　　给出了用在冷锻机上的一个工艺设计方案。为了得到最终的零件形状采用了5个成形工序。齿轮的冷锻工艺显示在中。它是在压力机上锻造出来的，只需3个工序。
　　坏料飧成形W密校讲冲孔压力机上的变形工序4工艺设计辅助系统在多年锻造工艺研究及设计的基础上，作者开发了一个锻造工艺设计软件系统。该软件的设计思想来源于工业生产，其宗旨着眼于应用性和简便性，基本构成如所示41.该系统由4个模块组成：构、工艺方案以及相关的技术规则。“基础参数”包括材料的屈服应力、摩擦系数和模具材料特性。在“近似解析”中，以塑性理论为基础，以大量的窗口中进行计算。
　　在这里，根据锻造中的成形特性，锻造样式被分成了6个大类，并在大类下分小类，各个小类中又含有不同几何形状。对于没有指定的几何形状可在“任意几何形状”项目中进行估算。该系统已在日本的30多家公司进行了试用，被证实具有相当高的预测精度，在帮助工程技术人员进行工艺设计方面具有很好的效果。
　　5精锻模具的制造依据锻造工序变形图以及锻造机的相关尺寸，设计模具图。模具的一般制造过程如所示。0展示了一些典型的最新精锻模具。锻造尤其是冷锻，由于成形面压很大，模具一般都采用预应力结构（即多套装式）即一个模具由模芯和一个或多个预应力套筒组成。模芯一般采用超硬合金材料（WC），套筒则选用韧性较好的模具钢（H13）。在多层结构中，中间套筒也有采用超硬合金的情况。超硬合金的模芯材料由于价格很高且不易加工，一般在粉末冶金阶段直接做成与模腔接近的形状而只和电火花加工。但随着刀具的进步，近年来切削加工也得到了应用。在电火花放电加工中，所用电极的加工方法及精度正在不断提高，已达到2Mm以下的精度。二维形状的电极由NC车床来加工，而三维形状则要在加工中心或一些专用NC机器上来完成。1是一种新型电极加工中心的照片。近几年，放电加工技术也得到了发展，主要体现在高速度、放电精度以及放电表面粗糙度上面。放电后的表面粗糙度已达到10%！以下，从而大大减小了模具表面研磨抛光时间。
　　在精密锻造中，模具的表面粗糙度将直接传递给锻件，所以一般要求粗糙度在0.4%m以下。除粗糙度要求以外，由于是模具制造的最后工序，还要求在研磨抛光过程中不能破坏尺寸精度，因此是模具制造的一个重要工序。研磨抛光加工主要靠手工操作，近年来自动研磨抛光机也得到了应用。热处理在模具制造中扮演着极其重要的角色，尤其是对高速工具钢（JIS，SKH系列），温度控制以及热处理工艺都要求很高。在日本几乎所有的工具钢热处理都在真空炉中进行。但对于高速工具钢，采用盐浴处理也相当普遍。提高加热温度的均匀性以及防止热处理变形也是模具热处理的关键因素，即使是其中许多技能性的因素（如模具在炉中的摆放状态，促进均热的技巧等）也都是应该严格要求的。
　　6结论锻造行业正在发生着全球性的变化，从降低生产成本的角度，锻造业正在由发达国家向发展中国家转移，另一动向就是增加锻件的附加价值，提高锻造的生产率等。如热、温、冷锻技术的结合以实现复杂零件的精密锻件化，锻造与冲压技术的结合，锻造与焊接、铆接技术的结合等。非铁合金的锻造技术如铁合金、铝合金以及镁合金的锻造技术也倍受关注。
　　在锻造工艺的设计方面，开发和使用CAE技术则是近几年来的研究焦点并取得了相当的进展，但今后的道路还很长。二维的FE模拟可以说已达到了工业应用阶段，尽管三维商用程序已很多，但由于受到网格再分割技术和计算机速度等限制，可以说离工业应用还有一段距离。FE模拟与近似解析以及经验数据相结合的集成CAE系统，近年来得到了开发和应用。但在基础数据的建立和实例的收集方面还有很多工作要做。在新的锻造工艺技术的开发方面，如闭塞式成形和背压技术得到了广泛应用，解决了伞齿轮、十字头万向节内环、螺旋泵等零件的精锻问题，但如螺旋齿轮的精密锻造技术等还有待研究开发。精密锻件的精度也在向微米级水平迈进，而影响锻造精度的温度、弹性变形、下料精度等因素的综合锻造技术的开发已被提上日程