南昌航空大学 1引言人类在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。商代中期用陨铁制造武器，采用了加热锻造工艺。春秋后期出现的块炼熟铁，就是经过反复加热锻造以挤出氧化物夹杂并成形的。最初，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻造。 1842年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。夹板锤最早应用于美国内战(18611865)期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤，模锻工艺逐渐推广。到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。 20世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。20世纪中期，热模锻压力机、平锻机和无砧锻锤逐渐取代了普通锻锤，提高了生产率，减小了振动和噪声。随着锻坯少无氧化加热技术、高精度和高寿命模具、热挤压，成形轧制等新锻造工艺和锻造操作机、机械手以及自动锻造生产线的发展，锻造生产的效率和经济效果不断提高。1.1国内外锻造技术发展概况美国、德国、日本的汽车工业如此发达，得益于其锻压技术及装备的领先地位。当前的世界锻压技术及装备向以下几个方面发展：1.1.1锻压设备自动化1.1.1.1冷冲压根据不同种类的加工环境和条件，国外逐步发展了两大类汽车车身自动化冲压生产线。1.1.1.1.1单机联线自动化配置为5-6台压力机，配备拆垛、上下料机械手，穿梭翻转装备和码垛装置，全线总长约60米，安全性高，冲压质量好。由于工件传送距离长，工件的上下料换向和双动拉伸必须用工件翻转装备。这种单机联线自动化冲压技术的生产节拍最高为6-9次/分，设备维修工件量大。1.1.1.1.2大型多工位压力机八十年代中期，国外冲压技术发展到大型三坐标多工位压力机自动化连续冲压，由拆垛机，大型压力机，三坐标工件传送系统和码垛工位组成，生产节拍可达16-25次/分。其主要特点是：生产效率高，是手工送料流水线的4-5倍，是单机联线自动生产线的2-3倍；全自动化、智能化，整个多工位压力机系统只需2-3人进行监控，当模具更换时，只需输入要换模具的编号，其余工作自动完成，整个换模时间只需5分钟，换模的同时对多工位压力机运行特征作智能化调整；特别是配有电子三坐标送料多工位的压力机，可以根据模具随意调节运动路径和时间，不仅能冲压大型覆盖件，而且能冲压小型零件。当冲压小型零件时，送料距减短，节拍提高，通过合理的模具布置，可一次冲压2-3零件，具有充分的自由度，柔性极强。电子多工位送料压力机的优点是生产率高，工件处理最优化，工件转换迅速，维修量低，诊断性能好，成本低，与现有压力机的适应性强，售后服务远程通讯好。美国的多工位压力机基本都采用了电子伺服三坐标送料。八十年代中期以后，美国通用汽车公司牵头，大规模地用多工位压力机改造原有的单机冲压线。据美国精密锻压协会统计，美国三大汽车公司680多条冲压线中，有70%为多工位压力机；日本在美国的35条冲压线中，有24台多工位压力机，占69%；日本国内的250条冲压线中，有80多台多工位压力机，占32%；而且，美国已经出现了一些只用多工位压力机的汽车冲压厂，一些新投资改造的汽车厂和新建汽车厂的这种发展趋势更为明显。大型多工位压力机集机械、电子、控制和检测技术为一体，全自动，智能化，操作安全，冲压件综合成本低，劳动生产率高，制件质量高，满足了汽车工业大批量生产的需要。并且，压力机自身的技术和性能，在近十多年的实践中得到不断完善和发展，如：拉伸工位采用变速多连杆机构，数控液压拉伸垫代替双动压机、现场总线控制技术等。以一台多工位压力机系统代替一条由5-6台压机组成的冲压线，按同规模冲压生产量比较，设备投资可减少20%-40%，能量消耗减少50%-70%，冲压件综合成本可节约40-50%，而且节省了大量生产面积和设备投资，降低了工人数量。可进行柔性冲压生产的大型多工位压力机，代表了当今国际锻压技术的最高水平，是目前世界上大型覆盖件冲压设备的最高级发展阶段，也是车身覆盖件冲压成型生产的发展方向。1.1.1.2锻造国外的锻造自动化也取得了长足发展。现代化的大型自由锻造车间的锻造液压机、操作机、锻造吊车实现了联动控制，全部机械化，并配有锻件尺寸自动测量装置，锻造压机与操作机数控联动，锻造加热炉自动控制。中小型自由锻实现了压机与操作联动微要控制、计算机自动编程的自动程序锻造。热模锻方面，大型汽车零件模锻件大部分采用以多工位热模锻压机为主休的综合自动线，美国、德国、日本基本采用热模锻压力机取代原有的模锻锤，中小型模锻件采用多工位高速自动热镦机，最高速度达到4000-12000件/小时。德国穆勒.万加顿公司开发研制了直接驱动的螺旋压力机，并组成全自动锻造线，最大吨位达到25000吨，主要用于中、重零件的模锻和精密锻造。1.1.2高速化复合化相结合，提高加工效率提高生产率是永恒的追求目标，各锻压厂家均致力于锻压机械的高速化研究，各锻压厂家均致力于锻压机械的高速化研究，在数控回转头压力机上，主要采用伺服控制的液压主驱动系统来提高压机的行程次数。在追求高速化加工的同时，还必须尽可能缩短生产辅助时间，以取得良好的技术经济效益。在数控压机上配备伺服电机驱动的三坐标上下料装置，可使冲压中心实现高效板材加工。 将几种工艺或几个工序复合在一台机床上完成，是当前各类机床大幅压缩生产辅助时间，提高生产率的重要技术途径，在锻压机械上也得到了成功应用，效果十分显著。如：德国、美国、日本已相继开发出激光一步冲复合机，将模具冲切与激光切割有机地结合起来，工件一次上料即可完成冲孔、冲切、翻边、浅拉伸、切割等多道工序，最大限度地节省了辅助时间，特别适合孔型多而复杂的面板类工件的加工及多品种小批量板料加工。1.1.3锻压设备控制系统的发展趋势锻压产品面临的重要挑战之一，是如何更具柔性，以适应“及时生产”的要求。压力机用户要求设备的所有控制功能集成化，从而实现全套模具的菜单化管理，主要包括滑块行程调整、平衡器气压的调整、气垫行程调整，以及自动化控制系统等各个环节的参数设定。压力机控制系统的集成化，可通过单一操作接口实现所有压机和模具的各项控制功能，包括故障诊断、模具菜单配置、可编程限位开关和模具监控的调整等，并使设备的维修保养更加方便，而且明显增加压力机的有效工作时间。具有现场通信网络、现场设备互联、互动操作性、分散功能模块、开放式互联网络的现场总线技术，是压力机控制技术的发展方向，对实现自动化具有明显也推动作用。1.1.4注重环境保护是当今世界性的潮流许多国外锻压设备愈来愈重视环保问题，如在数控转塔压力机上，工作台普遍采用柔性的尼龙刷支撑代替传统的滚珠支撑，以减少噪声污染；变速压机实现快速下降，慢速冲裁工件，快速回程，使振动和噪声大大降低。特别是欧洲市场，已基本贯彻ISO14000系列标准（环境管理、避免振动和噪音），锻压设备必须通过CE认证。1.1.5模具技术发展的几个特点模具与压力机是决定冲压质量、精度和生产效率的两个关键因素。先进的压力机只有配备先进的模具，才能充分发挥作用，取得良好效益。模具的发展方向为：1.1.5.1充分运用IT技术发展模具设计、制造用户对压力机速度、精度、换模效率等方面不断提高的要求，促进了模具的发展。外形车身和发动机是汽车两个关键部件，汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具，技术密集，体现当代模具技术水平，是车身制造技术的重要组成部分。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三分之二的时间，成为汽车换型的主要制约因素。目前世界上汽车的改型换代一般约需48个月，而美国仅需30个月，主要得益于在模具业中应用了CAD/CAE/CAM技术和三维实体汽车覆盖件模具结构设计软件。另外，网络技术的广泛应用提供了可靠的信息载体，实现异地设计和异地制造。虚拟制造等IT技术的应用，将推动模具工业的发展。1.1.5.2缩短金属成型模具的试模时间主要发展液压高速试验压力机和拉伸机械压力机，特别是在生产型机械压力机上的模具试验时间可减少80%，具有巨大的节省潜力。这种试模机械压力机的发展趋势是采用多连杆拉伸压力机，它配备数控液压拉伸垫，具有参数设置和状态记忆功能。1.1.5.3车身制造中的级进冲模发展迅速在自动冲床上用级进冲裁模或组合冲模加工转子、定子板，或者应用于插接件作业，都是众所周知的冲压技术。近些年来，级进组合冲裁模在车身制造中开始得到越来越广泛的应用，用级进模直接把卷材加工为成型零件和拉伸件，加工的零件也越来越大，省去了用多工位压力机和成套模具生产所必需串接的板材剪切、涂油、板坯运输等后续工序。级进组合冲模已在美国汽车工业中普遍应用，其优点是生产率高，模具成本低，不需要板料剪切，与多工位压力机上使用的阶梯模相比，节约30%。但是，级进组合冲模技术的应用受拉伸深度、导向和传输的带材边缘材料表面硬化的限制主要用于拉伸深度比较浅的简单零件，因此不能完全替代多工位压力机，绝大多数零件应优先考虑在多工位压力机上加工。1.2锻造业面临的任务自20世纪90年代以来,高新技术的发展正全面促进传统成形技术的改造及先进塑性成形技术的形成和发展。21世纪的塑性加工业将以新材料、新能源、新介质,以及计算机、信息、电子、控制技术等为依托,以更快的速度持续发展,发展的方向将更加突出“精、省、净”的需求。先进塑性成形技术的主要标志是科学化、数字化、可控化。科学化主要体现在成形过程、产品质量以及成本效益的预测和可控程度,需要以材料变形规律的研究为基础,以计算机模拟分析技术为工具。数值模拟技术是塑性加工技术从经验走向科学化的重大转折,已经开始进入实用阶段。预计未来510年,将在实用化方面取得很大发展,并与数字化塑性加工制造系统很好地集成。同时,人工智能和智能化控制技术也将协同发展,并从简单形状零件发展到覆盖件等复杂形状零件成形,从而真正进入实用阶段。注重塑性加工产品制造全过程,既重“形”又重“质”,最大程度地实现多目标综合优化,优化将从传统的单一成形环节向产品制造的“全过程”及“全生命”期的系统整体发展。对产品设计的可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展,以便能从产品初步设计时起,就能针对零件的可成形性、可生产性及所需性能的保证度作出快速分析,实现合理设计和选材,确定最佳工艺方案。塑性成形技术将具有更大的柔性或灵活性,以适应未来多样化及产品个性化的市场需求发展趋势,加强企业对市场变化的快速响应能力。柔性成形技术有许多优点,不仅表现于制造系统,而且表现在成形工艺方法、工艺装备和成形设备本身。重视复合化成形技术的发展,以复合工艺为基础的先进成形技术正在从制造毛坯向直接制成工件即净形成形方向发展,也正在从制造单个零件向制造整体结构的方向发展,多种工艺技术的复合常可导致新的制造原理或制造技术的突破。在经济技术全球化和“绿色制造”的发展大趋势下,塑性加工也需要更大程度和更大范围地推进“绿色化”,并在技术进步、产品质量、市场竞争、社会环境和持续发展能力等各方面取得直接或间接的回报。2锻模设计2.1绘制锻件图2.1.1确定分模位置模锻件是在可分的模腔中成形，组成模具型腔的各模块的分合面称为分模面。分模位置的合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。确定锻件分模面位置最基本的原则是：保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从锻模型槽中取出；此外应争取获得镦粗充填成型。故此，锻