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冷锻是一种重要的精密塑性成形技术，可用于轴类、杆类、紧固件、齿轮和连接部件等的净成形或近净成形生产，具有切削加工无可比拟的优点，如制品的机械性能好、精度高、表面质量好、生产率高和材料利用率高等，特别适合于大批量生产。汽车工业的飞速发展，为冷锻技术的发展提供了原动力，据不完全统计，每辆轿车中的冷、温精密锻件重量达45~50kg，后轴驱动汽车上的半轴、万向节中的十字轴、直齿圆锥齿轮、花键、轮毂螺母、汽车交流发电机棘爪、前驱动轿车等速万向节零件、同步器齿环等都是典型的汽车冷锻件。图1是工藤英明教授归纳的1960~1995年间日本轿车每隔五年新投产的精密锻造零件[1]。1965年时每车精锻件只有6kg左右，到1995年已增加至45kg。从20世纪60年代开始，主要生产小型轴对称产品如轮毂螺栓等，较大的锻件如汽泵转子则在20世纪70年代开始生产。20世纪80年代，CVJ零件是重要产品。从1990年开始，精密齿轮成为主要的目标产品。
现代冷锻技术是从18世纪末开始的，但直到20世纪30年代德国人发明了在工件表面形成磷酸盐薄膜的表面润滑方法后，冷锻技术才逐步走向实用。1967年，国际冷锻组织(International Cold Forging Group, ICFG)成立并于1968年在英国伦敦召开第一次全体会议。ICFG每年举行一次全体会议，并出版了大量行业技术文件或标准，对冷锻技术的国际学术交流和生产起到了重要的促进作用。目前，ICFG主要在以下领域开展工作[2]：
(1) 模具寿命与模具质量(Tool life and tool quality)：主要研究与模具寿命和模具质量相关的模具材料、表面处理、摩擦、疲劳等；
(2) 成形过程数值模拟(Process simulation)：主要研究数值模拟软件的应用、输入数据的可靠性、商用软件的进展、现有模型的局限性等；
(3) 冷锻件性能(Properties of cold forged products)：主要研究冷锻件的残余应力、应变强化、最少化工序、尺寸精度、变形、金相组织、机加工性能、轻量化设计等；
(4) 增量体积成形(Incremental bulk forming)：主要研究与增量体积成形相关的数值建模、材料测试、物理模拟、模具磨损、创新应用等。
 图1 1960～1995年间日本轿车的冷锻件重量变化[1]
本文对目前国外冷锻技术的发展概况作简略的综述，以期对提升我国冷锻技术水平、对蓬勃发展的中国冷锻行业有一些促进作用。
1. 精密锻造技术的发展趋势
在2006年日本举办的“第四届国际精密锻造研讨会”上，研讨了未来的精密锻造技术及其挑战。表1给出了会议总结的对精密锻造技术的发展趋势。可以看出：模具、产品质量、成形方法、工艺、数值模拟、成形材料、摩擦与润滑、成形设备、环境友好性等始终是精密锻造领域永恒的话题，而时代的发展、技术的进步，赋予这些话题不同的内涵。
表1 精密锻造技术未来的挑战[3]
限于篇幅，下面仅对冷锻成形领域中的数值模拟技术、模具寿命问题及高速锻造技术予以介绍。
2. 数值模拟技术在冷锻成形中的应用
随着计算机技术和塑性有限元理论的快速发展，许多塑性成形过程中很难求解的问题可以用有限元法求解。在冷锻成形领域，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预测金属流动过程的应力、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。目前有代表性的数值模拟软件是以刚塑性有限元法为基础建立起来的，主要有Deform、Forge、Qform、MSC/Superform等。ICFG数值模拟组在2001年对一些公司的调查问卷表明，Hatebur、Hilti、Krupp Presta、ORS、Kanca等公司均普遍使用各类数值模拟软件用于检验工艺和模具设计的合理性[4]。
目前，国外在冷锻成形数值模拟领域的主要工作集中在：
(1) 数值模拟软件的进一步开发[3][4]
提高数值模拟结果的可视化效果，增加结果的真实感；增强数据导入导出功能，方便几何模型转换且减少模型信息丢失；改善有限元程序，提高计算效率并设法降低硬件要求；实现CAD/CAE/CAM的系统高度集成，便于模具的精密制造；开发更为友好的用户界面等；此外，锻件微观组织和机械特性的模拟预测是数值模拟的重要发展方向，属于精确模拟的范畴，为冷锻精确成形技术奠定理论基础。
(2) 软件应用基础准备[3][4]
探索建模理论及方法，建立准确的基础数学模型，现阶段材料模型（Material Database）准确建立是模拟技术推广应用的瓶颈，原因主要一是这种工作适合由非盈利组织来完成，二是由于各国材料性能的波动和差异，导致材料数据收集困难。此外，在精确模拟过程中如何应对冷锻原材料性能的波动，也是用户要面临的难题。此外，开发基于知识的教学系统，用于培训分析工程师，使更多的公司熟悉模拟软件，并提供互动性好的软件使用经验交流平台。
(3) 基于数值模拟的成形工艺优化技术的开发
基于数值模拟的成形工艺优化是目前国际冷锻学术界较热门的研究课题。通过数值模拟对成形工艺进行分析，并根据数值模拟结果对工艺参数进行优化，以达到降低成形载荷、减少材料损耗、提高模具寿命的目标。传统优化算法求解时对优化变量的任何修改均进行模拟以获取对应的目标值，模拟次数太多、优化时间过长。基于数值模拟的成形工艺优化技术将数值模拟、优化算法、试验设计和统计分析等现代科学计算方法应用到优化过程中，减少了数值模拟次数，提高了优化效率。
基于数值模拟的近似拟合优化方法的大致流程如图2所示。通过试验设计方法选取多组优化变量，分别进行数值模拟获得每组设计变量对应的目标值，并根据这些数据，应用神经网络等方法构建能近似表达优化变量与优化目标之间对应关系的数学模型，从而将冷锻成形工艺优化的工程问题转化为求解近似拟合模型最优值的数学优化问题。然后应用优化算法对近似拟合模型进行最优值搜索，在优化迭代过程中不需要调用数值模拟程序，而是用近似模型预测目标值，只有在得到近似模型的最优解后，才对对应的优化变量进行数值模拟，检验近似模型的准确性，并更新近似模型。
3. 冷锻模具寿命的研究进展
2.1模具的失效形式
冷锻模具制造成本高，其寿命直接影响企业的经济效益和生产效率，所以提高模具寿命成为一项基本的冷锻技术要求。ICFG 2006年在欧洲和日本对冷锻模具材料开展了调研，结果表明粉末冶金钢在欧洲使用较为广泛，而硬质合金在日本较多使用[5]。 冷锻模具常见的失效方式有疲劳断裂、径向断裂、磨损、塑性变形、表面点蚀、咬粘等，在冷锻生产中，模具寿命主要受断裂、磨损和塑性变形的影响[6]。模具寿命的影响因素来源于产品设计、工艺设计、模具设计与制造，以及生产操作等多方面，用面向工艺的观点来分析，可将模具寿命问题归结为模具载荷（包括内部载荷和外部载荷）和模具强度的各种不利影响因素及这些因素之间的相互作用。图3给出了模具和产品由开发阶段产生的系统失效方式和在生产阶段出现的随机失效方式。由于开发阶段的客户要求、工艺和模具设计等问题所引起的模具失效一般以系统失效方式出现；而在生产条件下由于模具制造或工艺参数问题而出现的模具失效属于随机失效方式。由图可知，提高冷锻模具寿命是一项系统工程。
 图3 模具寿命问题：载荷、强度影响因素及其复杂的相互作用[7]
2.2提高模具寿命的主要策略[7]
1. 减小作用在模具上的外载荷
从材料等级、前处理工艺、预成形设计、工艺优化、润滑系统，以及模具形状等方面来考虑。
2. 提高模具强度
① 提高模具材料的强度：提高材料等级、提高粉末冶金水平和应用高质量热处理工艺；
② 减小凹模内圈的应力应变：优化设计组合凹模、提高预应力水平和采用高刚度预应力系统；
③ 提高模具表面强度：应用抗磨损涂层和激光表面融覆技术；
④ 提高模具制造精度：改善抛光工艺、用高速硬铣削加工替代EDM工艺。
3. 降低载荷的波动
设法减小毛坯的材料特性、几何尺寸和重量、润滑剂的质量与数量，以及压力机行程等随机因素的波动性。
4. 降低强度的波动
① 减小凹模内圈应力应变的分散性：通过控制过盈量来控制预应力值、避免预紧力过大导致应力圈发生塑性变形，避免预应力过小导致凹模预应力不够而破坏；
② 减小模具材料强度的分散性：减小模具材料供应的波动性、减少模具热处理工艺及其供应商的变动和减小易导致材料疲劳特性波动的高拉伸应力；
③ 减小模具制造精度的发散性：开发并使用具有高度一致性的制造工艺。
5. 模具的高效管理
① 模具检修和剩余寿命预估：在生产班次交接时检查模具关键零部件，剩余寿命预估对模具的维护成本和策略具有重要影响，低估会使模具零件过早报废导致模具成本提高，高估会导致设备意外停止并损坏，同时延误工时。
② 模具分组更换策略，即根据一定的准则，将模具零部件进行分组，当某组中一个零件破坏，则将其所在分组中零部件整体更换。
4. 高速锻造技术的应用
高速锻造技术因其生产效率高，特别适合于零部件的大批量生产。高速冷锻机在国外精密锻造企业得到了广泛的应用，如瑞士HATEBUR公司的Coldmatic系列冷镦锻机采用多工位卧式锻造，具有工位间以机械手夹钳自动送料、高速剪切下料系统保证毛坯的表面质量和精度、可单独调节的机械手可以把任意形状和长度的工件很好地夹持并在恰当的时间传送到下一工位等优点。在Coldmatic AKP 4-6设备上可以实现精密下料并通过六个工位完成图5所示小齿轮件的成形：① 精密下料；② 无须对料段整形的前提下对小直径部分进行正挤压；③ 键槽部分的正挤压；④ 端部镦粗；⑤ 小齿部分的反向挤压成形（无须翻转零件）；⑥ 在凹模侧将台肩直径减小；⑦ 对小齿部分进行最后的精整。该零件生产效率可达160件/分钟。
 图5 小齿轮件成形工艺[8]
5. 结语
近40年来，汽车工业的发展极大地推动了精密锻造技术的创新，而未来新能源汽车的发展将给精密锻造技术带来新的挑战。材料科学、塑性成形、计算机科学等学科的发展推动了精密锻造技术的创新。有理由相信，通过开展以科研院所为主体的精密锻造基础研究和企业为主体的精密锻造应用研究，更多的创新成果将在精密锻造领域涌现。
参考文献
[1] Kozo Osakada. Recent developments of precision forging in Japan. Proceedings of the 4th JSTP International Seminar on Precision Forging. Nara, Japan, March 21-24,2006:1-6.
[2] http://www.icfg.info.
[3] K. Kitamura, R. Matsumoto, A. Putz. Future challenges in precision forging technology —— A report of discussion hour at the 4th ISPF, 39th ICFG Plenary Meeting 2006, August 27 - 30, Korea.
[4] ICFG Doc. 15/02: Process Simulation (1st Workshop, Ankara / Turkey, May 3rd-4th, 2001).
[5] ICFG Doc. 17/06: Tool life & tool quality in cold forging, Part 3: Application of PM-steel and tungsten carbide material for cold forging tools – a comparison between Europe and Japan.
[6] M Hänsel. Systematic investigation of tool life problems. ICFG Plenary Meeting, Ljubljana, 13.09. 1999.
[7] ICFG Doc.14/02: Tool life & tool quality in cold forging, Part 1: General aspects of tool life.
[8] K. Helfer. HATEBUR-Coldmatic AKP4-6 S最新冷成形机. 锻造与冲压，2006，9.
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