板材锻造技术及案例分析

文/司大强·江苏兴锻智能装备科技有限公司

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形的等体积变形的加工方法，按照锻造成形的温度可分为热锻、温锻和冷锻。随着汽车工业的发展和当今环保政策的深入，世界锻造行业最前沿也诞生了板材锻造技术、半等温锻技术和近似超塑性技术等新技术，它们的突出优点是更节能降耗、环保，性价比高。

板材锻造(也称FCF工艺)是用板材经锻造变形制成精密锻件的一种加工方法，它融合了冷锻与钣金冲压加工的特点，可以获得更高尺寸精度、台阶、齿形等高附加值形状的产品。和冷锻相比，板材锻造的坯料制作稍微复杂，但有些产品可以省略掉坯料的退火、磷皂化工序。另外和钣金制作、冲压成形相比，用更少的设备和更少的工步数就可以成形产品，可以极大降低成本。

板材锻造技术概要

板材锻造在钣金冲压成形过程中活用了材料的塑性流动，如图1所示，将一般的板材的冲裁、拉深、折弯、翻边等工序进行组合，再加上冷锻技术的镦粗、挤薄、挤压成形等，形成了一种将板材制作冲压成形和体积成形组合起来完成零件加工的方法。

图1 板材加工工艺

冲压和冷锻代表性的成形工艺的成形应力如图2所示，板材锻造的变形程度介于冲压和冷锻之间，成形应力约为冲压成形的2倍，约为冷锻成形的1/2，所以使用的冲压设备和模具也有差异。和冲压相比，板材锻造的材料变形程度高，成形时发热量大，模具会受集中应力，因此必须考虑模具的弹性变形、热膨胀引起的尺寸变化和可能发生的烧结问题。在加工成形应力大的零件时，需要使用冷锻的模具结构，例如2层或3层凹模的结构，模具材质也要有高的耐压缩性、耐磨损性，模具表面要有高的表面光洁度，并做好涂层处理。

图2 各种加工方法对应的标准成形应力

冲压成形的加工能力由材料的拉深强度(剪切强度)决定，是一种低应力、多工位的成形方法。锻造成形的加工能力由模具强度来决定，是一种高应力、少工位的成形方法。板材锻造通过将锻造技术融入到冲压技术内，提升了加工能力，可以得到更高精度和复杂的形状，这种复合成形技术发挥了冲压和冷锻的优点，成为一种新的成形技术。

板材锻造技术案例

拉深+变薄拉深+整形复合加工

汽车空调离合器带轮的成形加工是一种代表性的板材锻造方法。如图3所示，板材落料冲孔后经过磷皂化处理作为坯料，第一道工序完成拉深、变薄拉深、底部挤薄锻造的复合加工，第二道工序再对内壁进行整形。这种零件外壁的变薄率高，在使用板材锻造的工艺前，这种带轮先用热模锻加工出毛坯，然后再机加工。和热模锻工艺相比，板材锻造技术极大提高了材料利用率和产品生产效率。

图3 带轮板材锻造工艺

拉深+镦粗(冷挤压)复合加工

这种复合加工方法将板料落料后磷皂化处理，将板料落料后进行拉深，然后通过冷锻挤出产品需要的形状。图4所示典型零件是一种旋压带轮的坯料，这种零件中间轮毂部分料厚比较厚，其他部分料厚比较薄，中间轮毂需要进行增料加工。板材经过多次拉深和冲孔在中间部位成形出轮毂，然后用冷锻工艺把中间轮毂尺寸镦挤到位，这种方法常用步进式多工位模具完成。图5所示的空心齿轮，也是先将坯料进行拉深成杯状，然后用冷挤压工艺经过3次挤压成形可以做出齿轮的形状，这种方法生产的齿轮比单纯锻造+机加工生产的齿轮经济效益好得多。

图4 带轮中间增料锻造工艺

图5 带轮和轮毂板材锻造工艺

冲裁+冷挤压复合加工

这种复合加工方法中卷料经过冲孔、局部连续冷挤压挤薄，最后用冲裁落料的方式将产品从料带上分离出来，一般工位数比较多，多用于平板类零件的成形，坯料不需要磷皂化处理，生产效率高。图6所示的新能源动力电池方形盖板是用这种加工方法加工的典型零件，圆形部位均进行了挤压加工。

图6 方形电池壳盖板局部挤薄

结束语

因为板材锻造始自日本，日本的技术实力是世界第一。虽然德国通过产学合作，最近也开始加大力度开发板材锻造，但日本在实际应用上仍占有先机。我国的成形机理研究、数值模拟技术等都处于初始发展阶段。

随着CAE技术的发展，很多企业现在都具备了实施塑性流动分析和模具强度分析的能力。但换一个角度来看，CAE的分析能力决定了企业的技术开发能力。要想开发和使用板材锻造技术，技术人员本身需要具备创造新技术的能力。加强这方面的研究和应用，将会产生较好的经济效益，提高我们的竞争力。

——文章选自《锻造与冲压》2022年第11期