1、中文 5100字 附录 1:翻译（汉） 冷锻技术的发展现状与趋势 摘要 ： 冷锻技术是一种精密塑性成形工艺，具有切削加工不可比拟的优点，广泛应用于各种机械产品关键零部件的制造。本文从冷锻零件的形状、材料、工艺革新、生产率、数值模拟技术和数字化 /智能化设计技术应用、以及优化技术几个方面综合论述了冷锻技术的发展现状与趋势。 关键词 ： 冷锻，工艺 /模具设计，数值模拟，基于知识的工艺设计，设计优化 。 冷锻工艺是一种精密塑性成形技术，具有切削加工无可比拟的优点，如制品的机械性能好，生产率高和材料利用率高，特别适合于大批 量生产，而且可以作为最终产品的制造方法（ net-shape forming
2、），在交通运输工具、航空航天和机床工业等行业具有广泛的应用。当前汽车工业、摩托车工业和机床工业的飞速发展，为冷锻这一传统的技术的发展提供了原动力，例如，我国 1999年摩托车的全国总产量就有 1126万多辆，而根据 2000年的初步估计，我国汽车的总需求量到2005年将达到 330万辆，其中轿车 130-140万辆，仅汽车行业的锻件需求在 50-60万吨以上。冷锻技术在我国的起步虽然不算太晚 ， 但发展速度与发达国家有很大的差距 。 到目前为止 ， 我国生产 的轿车上的冷锻件重量不足 20Kg， 相当于发达国家的一半 ， 开发潜力很大 。 加强冷锻技术开发与推广应用是我国目前的一项紧迫任务。
3、1、 冷锻件的形状越来越复杂 冷锻零件的形状越来越趋于复杂，由最初的阶梯轴、螺钉 /螺母和导管等，发展到形状复杂的零件，如图 1所示为不同尺寸的摩托车花键轴与花键套，花键轴的典型工艺为：正挤压杆部 -镦粗中间头部分 -挤压花键；花键套的主要工艺为：反挤压杯形件 -冲底制成环型件 -正挤压轴套。如图 2所示为汽车输出轴与输入轴，以及其他冷锻制品。如图 3所示为我国采用摆动碾压技术制成的各种汽车 /摩托车用 锥齿轮、螺旋锥齿轮和其他圆盘类零件，如图 4所示为日本某公司生产的冷锻零件，图 4所示的涡旋增压器，我国已经列入国家“十五”攻关项目。目前圆柱齿轮的冷挤压技术也成功用于生产。除黑色金属外，目前
4、铜合金、镁合金和铝合金材料的冷挤压应用也越来越广泛。 2、 持续不断的工艺革新 冷精锻是一种 (近 )净形成形工艺。采用该方法成形的零件强度和精度高 ,表面质量好。当前国外一台普通轿车采用的冷锻件总量 40 45Kg,其中齿形类零件总量达 10Kg以上。冷锻成形的齿轮单件重量可达 1Kg以上、齿形精度可达 7级。 持续不断的工艺创新推 动了冷挤压技术的发展， 80年代以来，国内外精密锻造专家开始将分流锻造理论应用于正齿轮和螺旋齿轮的冷锻成形。分流锻造的主要原理是在毛坯或模具的成形部分建立一个材料的分流腔或分流通道。锻造过程中，材料在充满型腔的同时，部分材料流向分流腔或分流通道。分流锻造技术的应
5、用 ,使较高精度齿轮的少、无切削加工迅速达到了产业化规模。提出，对于长径比为 5的挤压件，如活塞销，采用轴向余料块的方法通过轴向分流可以实现冷挤压一次成形，而且凸模的稳定性很好；对于扁平类的直齿轮成形，采用径向余料块也可以实现产品的冷挤压成形。 闭塞锻造是 在封闭凹模内通过一个或两个冲头单向或对向挤压金属一次成形 ,获得无飞边的近净形精锻件。一些轿车精密零件如行星和半轴齿轮、星形套、十字轴等如果采用切削加工方法 ,不仅材料利用率很低 (平均不到 40%),而且耗费工时多 ,生产成本极高。国外采用闭塞锻造技术生产这些净形锻件 ,省去绝大部分切削加工 ,成本大幅度降低。 冷锻技术的发展主要是开发高
6、附加值的产品 ,降低生产成本 ,同时 , 它还在不断地向切削、粉末冶金、铸造、热锻、板料成形工艺等领域渗透或取而代之 , 也可以和这些工艺相结合构成复合工艺。提出的热锻 -冷锻复合塑性成形技术。 热锻 -冷锻复合塑性成形技术是将热锻和冷锻结合起来的一种新的精密金属成形工艺，它充分利用了热锻和冷锻各自的优点：热态下金属塑性好，流动应力低，因此主要的变形过程用热锻来完成；冷锻件的精度高，因此零件的重要尺寸用冷锻工艺来最终成形零件。热锻 -冷锻复合塑性成形技术出现于 20世纪 80年代， 90年代以来取得了越来越广泛的应用，用该技术制造的零件，已取得了精度提高、成本降低的良好效果。 图 1 图 2
7、图 3 图 4 3、 数值模拟技术用于检验工艺和模具设计的合理性 用冷锻工艺成形零件时，由于金属在冷态下发生塑性变形，其变形抗力很大，因此，零件的变形比较困难，变形过程中容易出现金属充不满、锻件出现裂纹等缺陷。同时，过大的变形抗力会严重降低模具的使用寿命。长期以来 ,我国金属塑性成形的工艺设计和模具设计一直采用传统的凭经验、 实验方法。这种设计方法难以满足净形制造工艺的要求。 随着计算机技术的飞速发展和 70年代塑性有限元理论的发展，许多塑性成形过程中很难求解的问题可以用有限元方法求解。在冷锻成形工艺领域，通过建模和合适的边界条件的确定 , 有限元数值模拟技术可以很直观地得到金属流动过程的应力
8、、应变、模具受力、模具失效情况及锻件可能出现的 缺陷情况。这些重要信息的获得对合理的模具结构 ,模具的选材、热处理及成形工艺方案的最终确定有着重要的指导意义。 目前的有效的数值模拟软件是以刚塑性有限元法为基础建立起来的 ,这些软件有 :DEFORM,QFORM， FORGE， MSC/SUPERFORM等。运用有限元数值模拟技术可用于检验工艺和模具设计的合理性。如提出了一种由空心坯成形直齿圆柱齿轮的新工艺 : 预锻分流区 -分流终锻 , 用三维有限元数值模拟软件 DEFORM-3D 进行了数值模拟研究 , 得到了锻造载荷 -行程曲线以及整个成形过程的应力、应变、速度分布等 , 并与传统的闭式镦
9、挤工艺模拟的结果进行了比较。分析表明 , 传统的闭式镦挤成形直齿圆柱齿轮 , 成形载荷大 , 不利于齿形的充填。采用预锻分流区 -分流终锻新工艺 , 可以大幅度降低成形载荷 ,并明显改善材料的 充填性 , 可以获得齿形角部饱满的齿轮。 用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮冷精锻成形过程进行了数值模拟 ,对以闭式模锻为预锻和以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形模式的变形流动情况进行了数值模拟分析。数值分析结果及工艺实验表明在终锻中采取分流 ,尤其是约束孔分流措施对于降低工作载荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。 4、 数字化智能设计系统的应用 4.1 CAD/CAM技术在冷锻成形工艺 /模具
10、设计中的应用 为了适应现代生产对锻模开发的短周期、高质量、低成本要求，将先进的设计理论与方法以及计算机技术，尤其是 CAD技术的引入传统的锻模设计过程是锻模设计领域的必然趋势。模具 CAD技术以其高自动化、高精度和高效益等优势正持续推动着传统的模具设计与制造方法的变革。 自 20世纪 70年代以来，国外许多单位开始对锻模 CAD/CAM进行了广泛的研究，美国 Ohio州的贝特尔 哥伦布实验室的 T.Altan等人首先开发了轴对称锻模CAD系统。前苏联的捷捷林等专家系统研究了模锻设计自动化和最优化原理，从方法学、算法模型等方面提出了全套的理论，并开发了回转体类锻件的自动化设计系统。 国内在这方面
11、的起步较晚，上海交通大学、清华大学、华中理 工大学、哈尔滨工业大学和南昌大学等单位基于一定的平台，开发了适用于不同种类锻件的设计系统，但多数仅仅限于二维系统。到目前为止，虽然众多的研究人员先后开发了适用于不同零件的锻模设计系统，实现了工艺和模具设计若干环节的自动化和智能化，但是尚未有成熟的锻模 CAD/CAM系统推向市场，许多工程设计人员只能采用通用的机械 CAD/CAM软件进行结构的详细设计。 4.2 基于知识的设计技术及其在冷锻成形工艺 /模具设计中的应用 冷锻成形工艺和模具设计是知识和经验密集型的过程，模具设计人员在长期工作中积累的经验与知识 (Know-how)对模具设计有着十分重要的
12、影响。传统的CAD技术脱离了设计领域知识 ,缺乏对设计过程知识的支持 ,难以胜任模具开发 高质量、短周期、低成本 的要求。因此 ,需要将传统的锻模 CAD技术提升到基于知识的设计层次。而实现这一飞跃的途径是将人工智能（ Artificial Intelligence, AI）技术、基于知识的工程（ Knowledge-based Engineering, KBE）技术引入冷锻成形工艺 /模具设计领域，与传统的 CAX技术相结合，开发基于知识的设计支持系统。 基于知识的工程（ Knowledge Based Engineering, KBE）主要指应用知识来解决各种工程问题，是人工智能技术在工程中的应用。由于冷锻成形工艺 /模
