文／徐祥龍?江蘇森威精鍛有限公司

我國冷、溫鍛造技術(shù)的發(fā)展

文／徐祥龍?江蘇森威精鍛有限公司

徐祥龍，高級(jí)工程師，總工程師，國務(wù)院政府特殊津貼獲得者，主持并完成了摩托車花鍵軸冷鍛成形以及汽車等速萬向節(jié)殼體冷溫鍛造等生產(chǎn)項(xiàng)目，開發(fā)了汽車等速萬向節(jié)星形套熱—冷聯(lián)合精密成形技術(shù)并建成生產(chǎn)線，《自行車飛輪毛坯冷鍛成形技術(shù)》和《復(fù)雜精鍛件冷擠壓成形技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》獲江蘇省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

冷鍛成形技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于汽車零部件的大批量生產(chǎn)中，20世紀(jì)80年代后，冷鍛生產(chǎn)又發(fā)展到溫鍛范圍。冷、溫鍛造技術(shù)的發(fā)展水平已成為衡量國家工業(yè)化水平的一個(gè)方面。

起步

我國對(duì)于冷鍛技術(shù)的研究和生產(chǎn)始于20世紀(jì)60年代初期，后期逐步形成了理論研究體系并進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用實(shí)踐，但在剛起步的相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)并沒有形成蓬勃發(fā)展的局面，原因主要有以下幾點(diǎn)：

⑴冷鍛工藝適合于大批量的生產(chǎn)方式，20世紀(jì)70年代以前，我國汽車工業(yè)主要從事中型卡車的生產(chǎn)，而且生產(chǎn)品種多、規(guī)模小、布點(diǎn)分散，無法形成規(guī)?；a(chǎn)，因此，冷鍛在當(dāng)時(shí)的汽車工業(yè)中難以得到重視和應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期形成批量生產(chǎn)的汽車典型冷鍛件是活塞銷和輪胎螺母。

⑵20世紀(jì)70年代以前，我國與國外的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)交流少，對(duì)國外先進(jìn)技術(shù)和裝備的引進(jìn)比較困難，這也在一定程度上影響了國內(nèi)冷、溫鍛造技術(shù)的發(fā)展。

⑶20世紀(jì)70年代開始，中國大陸的自行車生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)方式，但由于自行車零部件的附加值很低，因此，雖然冷鍛技術(shù)在自行車制造業(yè)得到了一定的應(yīng)用和發(fā)展，但其生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)的發(fā)展仍相對(duì)緩慢，而且也未能推廣到其他行業(yè)。

⑷企業(yè)對(duì)冷、溫鍛造的技術(shù)含量估計(jì)不足，多數(shù)企業(yè)為了解決某個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)中的瓶頸問題而采用冷鍛，把冷鍛視同普通的技術(shù)革新。局部小規(guī)模的冷鍛生產(chǎn)缺少足夠的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)資源支持，難以全面解決冷鍛生產(chǎn)中面臨的工藝、設(shè)備、材料、模具、表面處理、質(zhì)量控制等各種問題。因此，這一類冷鍛項(xiàng)目很難有穩(wěn)定和持續(xù)的發(fā)展。

從20世紀(jì)60年代到80年代，冷鍛在國外已發(fā)展到冷、溫鍛造，但在我國，因市場原因，冷鍛技術(shù)雖起步較早，但發(fā)展緩慢。在這段冷鍛技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢的時(shí)期，形成了一批中國冷鍛技術(shù)的先驅(qū)，他們克服困難、艱苦奮斗，活躍在大專院校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)里，在冷、溫鍛造的研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，解決了很多重大課題，在學(xué)術(shù)和技術(shù)方面達(dá)到了較高的研究水平，在國內(nèi)外享有盛名。

應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)

20世紀(jì)80年代以后，特別是90年代以來，汽車產(chǎn)業(yè)成為了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車和零部件生產(chǎn)行業(yè)快速發(fā)展，這給冷、溫鍛造技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2011年汽車產(chǎn)銷達(dá)1800萬輛以上，而汽車上的很多關(guān)鍵零件必須用冷鍛或溫鍛工藝制造，在這些關(guān)鍵零部件的本土化生產(chǎn)中，冷、溫鍛造技術(shù)獲得了新的發(fā)展機(jī)遇。

我國冷、溫鍛造技術(shù)的發(fā)展歷程如圖1所示，下面就從以下幾個(gè)方面來詳細(xì)闡述冷、溫鍛造技術(shù)在我國的應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)。

與汽車工業(yè)的關(guān)系

⑴20世紀(jì)80年代末，國內(nèi)冷、溫鍛造產(chǎn)品主要是自行車零部件和手表、縫紉機(jī)零件以及卡車零部件，年產(chǎn)量大概在5萬噸左右。

⑵20世紀(jì)90年代，國內(nèi)的摩托車生產(chǎn)開始進(jìn)入快速發(fā)展階段，同時(shí)乘用車的生產(chǎn)開始起步。部分企業(yè)由摩托車零部件的冷鍛生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)向汽車零部件的冷、溫鍛造。這一時(shí)期冷、溫鍛造產(chǎn)品的年產(chǎn)量逐步發(fā)展到7萬噸以上。

⑶進(jìn)入21世紀(jì)后，我國的汽車工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，這時(shí)期有較多的企業(yè)開始引進(jìn)國外先進(jìn)冷、溫鍛造設(shè)備和技術(shù)，及時(shí)為汽車關(guān)鍵零部件的本土化生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)的精密鍛件。同時(shí)，國外優(yōu)秀的冷、溫鍛造企業(yè)也開始逐步走進(jìn)中國市場，在中國建立獨(dú)資或合資企業(yè)。截至2010年，包括三資企業(yè)在內(nèi)，國內(nèi)的冷、溫鍛造產(chǎn)品的年產(chǎn)量已超過20萬噸。

⑷2010年以來，國內(nèi)汽車工業(yè)由高速發(fā)展階段轉(zhuǎn)向調(diào)整和有序發(fā)展階段，各重點(diǎn)冷、溫鍛造企業(yè)也都在醞釀著進(jìn)行技術(shù)改造，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以謀求更大的發(fā)展。預(yù)計(jì)近幾年，冷、溫鍛造產(chǎn)品的年產(chǎn)量就會(huì)超過25萬噸。

冷、溫鍛造企業(yè)的地域分布

我國大陸地區(qū)冷、溫鍛造企業(yè)的地域分布，既有集中分布的特點(diǎn)，也有向汽車工業(yè)集中地區(qū)聚攏的趨勢：

⑴江蘇和浙江是冷、溫鍛造企業(yè)集中的地區(qū)。在此地區(qū)有3家國內(nèi)冷、溫鍛造的骨干企業(yè)，它們分別為江蘇森威精鍛有限公司、江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司和江蘇飛船股份有限公司，它們都集中在蘇中、蘇北一帶，3家企業(yè)相距不過100km左右，都位于沿海高速公路或其支線附近。這3家企業(yè)的年銷售總額超過15億元。浙江省集中了國內(nèi)數(shù)十家等速萬向節(jié)冷、溫鍛造中小企業(yè)，每年可提供數(shù)千萬件等速萬向節(jié)殼體的冷、溫鍛件，為國內(nèi)外的汽車零部件企業(yè)和汽車售后市場提供配套。

⑵在東北、天津、山東、江蘇、浙江、廣東、重慶等汽車工業(yè)集中的地區(qū)，分別集聚了一批冷、溫鍛造中小企業(yè)。

⑶在廣東和香港地區(qū)，集中了全世界大部分手表殼體和表帶的冷、溫鍛造生產(chǎn)企業(yè)，以及大量電子產(chǎn)品的精密冷鍛生產(chǎn)企業(yè)。

⑷我國大陸地區(qū)的冷、溫鍛造企業(yè)主要集中在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和汽車產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，大部分企業(yè)位于交通干線附近，與鋼廠和客戶間的運(yùn)輸較為方便，地理位置分布合理。

冷、溫鍛造技術(shù)的投資與回報(bào)

新發(fā)展的冷、溫鍛造技術(shù)以汽車關(guān)鍵零部件本土化生產(chǎn)為背景，以引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備為依托，引進(jìn)項(xiàng)目投資額巨大，但項(xiàng)目投產(chǎn)后市場前景廣闊。

典型的企業(yè)如江蘇森威精鍛有限公司、江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司和江蘇飛船股份有限公司，分別引進(jìn)了冷、溫鍛造和閉塞鍛造技術(shù)，從事汽車等速萬向節(jié)、汽車差速器齒輪和汽車變速箱齒坯等零部件的生產(chǎn)?？偼顿Y額雖然巨大，但由于企業(yè)采取了與市場同步發(fā)展的策略，故亦可使每一期的投資都能及時(shí)得到效益回報(bào)。20世紀(jì)90年代初，這3家企業(yè)的年銷售額都不超過3000萬元，經(jīng)過20多年的分階段投資發(fā)展，現(xiàn)在每家企業(yè)的總投資額都已經(jīng)達(dá)到數(shù)億元以上。2011年，這3家企業(yè)的年銷售額都在3.8～7.8億元左右，增長了20～30倍。另外，因?yàn)殛P(guān)鍵技術(shù)與國外汽車零部件行業(yè)同步，所以，它們在引進(jìn)技術(shù)后也吸引到了更多跨國的汽車零部件客戶。

但是，由于冷、溫鍛造投資大和技術(shù)含量高的特點(diǎn)使一般的中、小企業(yè)難以進(jìn)入，因此，在國內(nèi)的鍛造行業(yè)中像上述3家企業(yè)一樣與國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)同步增長的企業(yè)并不太多。

冷、溫鍛造設(shè)備

20世紀(jì)80年代，國內(nèi)仿制過一批梅氏冷鍛壓力機(jī)，總量超過了100臺(tái)，目前尚有40～50臺(tái)左右仍在使用；小批量制造過400t、630t和1000t液壓冷鍛壓力機(jī)，約為20～30臺(tái)；90年代及以后，國內(nèi)壓力機(jī)制造廠商看到了冷鍛技術(shù)發(fā)展的前景，陸續(xù)開發(fā)過一些液壓和機(jī)械傳動(dòng)的冷鍛壓力機(jī)，但都沒有形成批量規(guī)模；臺(tái)灣地區(qū)向大陸提供了相當(dāng)數(shù)量的冷鍛壓力機(jī)，但主要是短行程的冷鍛壓力機(jī)，主要用于自行車和家電及電子產(chǎn)品的冷鍛生產(chǎn)，不適合于汽車零部件的冷、溫鍛造；作為汽車零部件冷、溫鍛造的關(guān)鍵設(shè)備，如多工位自動(dòng)溫鍛壓力機(jī)以及長行程多工位冷鍛壓力機(jī)等，主要從歐洲和日本引進(jìn)。

20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)主要引進(jìn)的冷、溫鍛造先進(jìn)裝備如下：

⑴多工位自動(dòng)溫鍛壓力機(jī)，如圖2所示。

⑵閉塞鍛造用多向液壓冷鍛壓力機(jī)，如圖3所示。

⑶多工位自動(dòng)冷鍛壓力機(jī)。

⑷相配套的壓力機(jī)外圍設(shè)備，如數(shù)控伺服步進(jìn)梁式自動(dòng)送料機(jī)、帶石墨涂層裝置的溫鍛感應(yīng)加熱爐、控制冷卻裝置、高速圓盤鋸、精密斷料機(jī)等。

圖2 2000t五工位自動(dòng)溫鍛壓力機(jī)

⑸特種鍛造技術(shù)和設(shè)備。因汽車零部件特種成形的需要，國內(nèi)少數(shù)企業(yè)引進(jìn)了當(dāng)代先進(jìn)的冷擺輾成形技術(shù)和設(shè)備、徑向成形技術(shù)和設(shè)備、振動(dòng)擠壓技術(shù)和設(shè)備等。引進(jìn)這些技術(shù)和設(shè)備的企業(yè)有國內(nèi)企業(yè)，但更多的是外資和中外合資企業(yè)。

在生產(chǎn)線方面，目前國內(nèi)的冷、溫鍛造企業(yè)所存在的是少量國際先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)線與大量單工位手動(dòng)生產(chǎn)線同時(shí)并存的局面，而造成這種局面的原因主要有以下兩點(diǎn)：

⑴為了解決汽車等速萬向節(jié)和差速器、汽車變速箱等產(chǎn)品的本土化生產(chǎn)，有關(guān)企業(yè)引進(jìn)了具有當(dāng)代國際先進(jìn)水平的多工位自動(dòng)溫鍛壓力機(jī)和模具技術(shù)，以及溫、冷聯(lián)合成形工藝，閉塞鍛造和分流鍛造等先進(jìn)成形技術(shù)，分別按照歐洲、美國和日本等先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)冷、溫鍛造產(chǎn)品。這一類生產(chǎn)線具有高精度、高強(qiáng)度、高生產(chǎn)率的特點(diǎn)，與國際先進(jìn)水平同步，因而也容易被跨國的汽車零部件公司所認(rèn)可，生產(chǎn)的精密鍛件能順利進(jìn)入OE配套。

⑵為了應(yīng)對(duì)汽車售后市場低投入、低成本生產(chǎn)的特點(diǎn)，大部分冷、溫鍛造中小企業(yè)使用單工位液壓機(jī)和通用壓力機(jī)組成溫鍛和冷鍛生產(chǎn)線(圖4)，設(shè)備雖然簡陋，但由于應(yīng)用了帶石墨涂層的溫鍛感應(yīng)加熱技術(shù)、毛坯加熱溫度分選技術(shù)、溫鍛模具的噴霧冷卻技術(shù)、溫鍛控制冷卻技術(shù)等當(dāng)代精密鍛造的先進(jìn)技術(shù)，因此可以在生產(chǎn)線投資不大的情況下仍能生產(chǎn)出質(zhì)量合格的冷、溫鍛件，而較低的生產(chǎn)成本也提高了這些企業(yè)在汽車售后市場的競爭力。

圖3 用于閉塞鍛造的多向液壓冷鍛壓力機(jī)

圖4 由感應(yīng)爐和3臺(tái)液壓機(jī)組成的溫鍛生產(chǎn)線

冷、溫鍛造模具

冷、溫鍛造技術(shù)引進(jìn)初期，大部分企業(yè)都遇到了模具國產(chǎn)化的問題。經(jīng)過20多年的發(fā)展，多數(shù)企業(yè)現(xiàn)已建成了各自企業(yè)獨(dú)立配套的模具體系。

⑴出現(xiàn)了冷、溫鍛造模具的專業(yè)供應(yīng)廠商，如太倉久信精密模具有限公司等，它們專門為冷、溫鍛造企業(yè)提供成形工藝和模具的設(shè)計(jì)與制作，以及相關(guān)的服務(wù)。

⑵數(shù)控加工和真空熱處理技術(shù)已深入冷、溫鍛造模具制造領(lǐng)域。

⑶冷、溫鍛造模具制造的傳統(tǒng)技術(shù)——數(shù)控電火花加工技術(shù)被普遍采用。

⑷當(dāng)代模具的先進(jìn)制造技術(shù)——數(shù)控高速硬銑加工技術(shù)在冷、溫鍛造模具制造領(lǐng)域嶄露頭角，以其制模加工的快速、高精度和高質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇，有被推廣普及的趨勢。數(shù)控高速硬銑成形的精整沖頭如圖5所示。

圖5 數(shù)控高速硬銑成形的精整沖頭

⑸淬硬鋼的硬車代磨技術(shù)在冷、溫鍛造模具制造領(lǐng)域得到了推廣與應(yīng)用，硬質(zhì)合金的車削成形技術(shù)已被少數(shù)企業(yè)掌握。

⑹模具表面滲層和涂層改性技術(shù)得到應(yīng)用，如熱鍛/溫鍛模具的表面氮化、硫氮共滲以及冷鍛模具的PVD/CVD處理已有較多的應(yīng)用案例。

冷、溫鍛造材料

國內(nèi)鋼廠尚不能像歐洲、日本那樣，能向客戶提供專供冷、溫鍛造的特殊棒材，但國內(nèi)已有若干鋼廠能按歐洲和日本標(biāo)準(zhǔn)大批量生產(chǎn)冷鍛線材(圖6)，這些鋼廠分布在天津、南京和上海附近。目前，冷鍛線材的供給基本能夠滿足國內(nèi)冷鐓和多工位冷成形企業(yè)的需求。用冷鍛線材在多工位成形機(jī)上生產(chǎn)的汽車?yán)溴懠鐖D7所示。

CAE技術(shù)的應(yīng)用

近年來，在我國大陸的高校中，CAE已成為塑性成形專業(yè)的重要課程，特別是在研究生的學(xué)業(yè)中，CAE已成為一門必修課。但企業(yè)中的應(yīng)用尚不夠廣泛，學(xué)校和企業(yè)在CAE技術(shù)應(yīng)用方面的合作也有待深入的發(fā)展。

圖6 冷鍛線材

圖7 用冷鍛線材在多工位成形機(jī)上生產(chǎn)的汽車?yán)溴懠?/p>

鋁合金的冷、溫鍛造技術(shù)

長期以來，我國的鋁合金鍛造主要集中在國防航空工業(yè)，在民用領(lǐng)域，鋁合金鍛造技術(shù)主要用來生產(chǎn)用于高壓輸電的懸掛金具等。在汽車工業(yè)，高檔汽車的底盤懸掛系統(tǒng)大都采用鋁合金鍛件，汽車安全氣袋和渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)也有鋁合金冷、溫鍛件配套需求，因此，國內(nèi)已有若干企業(yè)開始從事汽車鋁合金鍛件的生產(chǎn)。近年來，國內(nèi)豪華汽車的產(chǎn)銷增長率遠(yuǎn)超過普通汽車，而且還有進(jìn)一步增長的趨勢，因此，可以預(yù)見汽車鋁合金鍛件的需求將會(huì)越來越大。歐洲和日本的鋁合金鍛造企業(yè)看好我國的汽車鋁合金鍛件市場，已有若干家著名企業(yè)在國內(nèi)投資設(shè)廠，從事汽車懸掛系統(tǒng)鋁合金鍛件的生產(chǎn)。

圖8 氣動(dòng)閉塞鍛造模架

技術(shù)創(chuàng)新

⑴具有中國特色的氣動(dòng)閉塞鍛造模架(圖8)。通常，閉塞鍛造廣泛采用液壓閉塞裝置，但在20世紀(jì)90年代，國內(nèi)企業(yè)開始將高壓氣缸應(yīng)用于閉塞鍛造中。采用市售氮?dú)鈴椈勺鳛殚]塞壓力源，可使閉塞鍛造模架的制造成本大幅度降低，因此這種先進(jìn)的閉塞鍛造工藝得到了廣泛的應(yīng)用。

⑵等速萬向節(jié)星形套的熱—冷聯(lián)合成形工藝。以高速熱鐓鍛成形機(jī)完成星形套的預(yù)成形，利用鍛造余熱完成毛坯退火，最后用閉塞鍛造完成星形套的精密成形，它不同于傳統(tǒng)的閉塞冷鍛成形，具有低成本、高效率和切削性能好等優(yōu)點(diǎn)。

⑶發(fā)電機(jī)爪極的熱鍛—冷整形工藝，可使生產(chǎn)成本降到最低。

⑷大規(guī)格齒輪的冷擠壓成形，解決了重卡和拖拉機(jī)輪邊減速器齒輪抗疲勞制造要求和低成本生產(chǎn)之間的矛盾。精密成形的行星減速輪系齒輪零件如圖9所示。

展望

⑴我國的汽車工業(yè)將由高速發(fā)展階段轉(zhuǎn)入均衡發(fā)展階段：

1)低成本、大批量生產(chǎn)的小排量經(jīng)濟(jì)型轎車需要更多更好的冷、溫鍛造產(chǎn)品。

2)中高檔轎車和豪華車需求旺盛，汽車鋁合金鍛件的本地化生產(chǎn)擁有很好的市場前景。

3)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景比較樂觀，預(yù)計(jì)2020年國內(nèi)的汽車產(chǎn)量將達(dá)到4000萬輛。

圖9 精密成形的行星減速輪系齒輪零件

⑵隨著國內(nèi)勞動(dòng)力成本的上升，企業(yè)對(duì)冷、溫鍛造自動(dòng)化的需求日益迫切，步進(jìn)梁式送料機(jī)和工業(yè)機(jī)器人的使用將提上議事日程。

⑶設(shè)備廠商和鋼廠開始注意冷、溫鍛造市場。

⑷冷、溫鍛造企業(yè)將向更綠色、更環(huán)保的方向發(fā)展。冷鍛生產(chǎn)對(duì)磷化處理的依賴性，給周圍的環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，許多地區(qū)已不允許企業(yè)在生產(chǎn)中使用磷化劑。目前，很多企業(yè)已在冷鍛中使用高分子潤滑劑，以爭取徹底淘汰對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重污染的磷化皮膜工藝。隨著白色脫模劑的試用和推廣，冷、溫鍛造企業(yè)有望在不久的將來告別黑色潤滑劑。

結(jié)束語

綜上所述，我國冷、溫鍛技術(shù)的發(fā)展與汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān)。隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的穩(wěn)定增長和汽車節(jié)能、環(huán)保以及輕量化的要求，我國的冷、溫鍛技術(shù)必將在不久的將來上升到一個(gè)全新的高度。