差温无模锻造技术是在无模锻造过程中，通过控制加热和冷却速度，使坯料与模具之间的温差控制在20℃以内，从而达到近净成形的一种先进工艺。主要特点是：模具设计简单，制造成本低；锻件形状复杂，具有较高的品质一致性；实现了热锻工艺过程中的近净成形。

差温无模锻造技术在轴盘类零件成形中具有广阔的应用前景。轴盘类零件主要包括轴颈、心部、外圆和外周圆周等部位。传统的轴盘类零件加工工艺包括车削、铣削和磨加工等，采用传统加工工艺生产轴盘类零件时，产品质量不稳定、生产效率低、成本高、环境污染大。

差温无模锻造近净成形

差温无模锻造近净成形是在模锻成形的基础上，根据零件结构特点和工艺要求，在自由锻前预先将坯料加热到适当温度，使之在成形过程中既有足够的变形量又不致产生过大的组织转变，使锻件尺寸精度和表面质量大大提高。

其原理是：在模锻过程中，坯料温度升高，体积收缩；随着变形程度的增加，金属内部应力减小；坯料表面温度升高，金属表面自由能降低；坯料与模具接触面温度升高，使金属流动性增加。

由于坯料和模具之间的摩擦系数减小，摩擦阻力减小；坯料体积收缩，产生径向的附加拉应力。由于坯料和模具接触面的摩擦阻力很小，因此对锻件而言，金属流动不产生剪切应力。

采用模锻成形的方法生产轴盘类零件时，一般都是先将毛坯加热到适当温度后进行模锻。由于该过程中毛坯温度升高和坯料与模具接触温度降低，坯料体积收缩和表面自由能降低。因此对轴盘类零件而言，锻造前进行加热是必要的。

采用模锻成形方法生产轴盘类零件时一般都需要预热毛坯以使其获得均匀的温场；此外还需要进行预锻以保证模锻的顺利进行。加热过程中的升温速度直接影响到模锻时金属的变形程度和体积变化。因此，加热过程中的升温速度应尽量缓慢。

在模锻过程中，由于温度的升高，金属的内部应力也随之发生变化，内应力的大小与温度有关。对于轴盘类零件而言，内应力一般都较小。

模锻过程中由于坯料和模具接触表面的摩擦阻力很小，因此金属的流动不会产生剪切应力，可以说是接近于无剪切应力。

由于模锻工艺中金属温度升高、体积收缩和自由能降低等因素，所以在模锻过程中产生的金属变形较小。

由于坯料与模具间的摩擦阻力很小，因此坯料和模具表面之间的温度差可以忽略不计。

在模锻过程中由于温度差很小，所以金属的变形程度很小，这是由于金属在模锻过程中因温度差较小而产生了较大的变形。

模锻成形时坯料温度与模锻工艺参数对锻件质量有很大影响：

（1）模锻工艺参数中模具温度和坯料温度对锻件质量影响很大。

（2）模具温度越高，锻件变形越充分；而坯料温度越低，变形越不充分。

（3）坯料温度在650℃左右时可获得较好的综合力学性能。坯料温度高于700℃时将导致坯料产生明显的软化现象，使锻件成形困难。

轴盘类零件差温无模锻造近净成形的基本原理和工艺流程

差温无模锻造近净成形是在金属成形过程中，将加热、锻压、冷却等工艺结合在一起，利用精密锻造技术，使变形的金属组织及性能达到最优的一种一次成形的工艺。

轴盘类零件差温无模锻造近净成形的基本原理是：以毛坯形状为基准，先在坯料表面涂上一层薄油，在高温下对坯料进行加热，使之产生塑性变形；然后在高温下对坯料进行锻压，使其产生一定的塑性变形。

最后采用冷却工艺，使坯料迅速冷却、硬化。该工艺过程与普通锻造过程相比，坯料表面不涂油，消除了由于加热或成形引起的粘模和裂纹等缺陷。

锻压时变形程度不大，模具磨损小；坯料不受模具磨损影响而变形；零件尺寸精度高、表面质量好、形状复杂的零件也可实现一次成形。

轴盘类零件差温无模锻造近净成形工艺过程为：下料→加热→开锻→终锻→冷却→检验。

（1）下料：按图纸要求加工出毛坯，经测量并作好标识。

（2）加热：将毛坯加热到规定的温度并保温一段时间，使之产生塑性变形。

（3）开锻：用开锻模具进行开锻，将坯料直接锻压成形。

（4）终锻：在锻造过程中坯料始终处于流动状态，锻件与模具接触时间长、接触压力大、摩擦阻力大、变形均匀、易于消除表面缺陷；锻件表面质量好，尺寸精度高；材料利用率高；无废料产生。

（5）冷却：用水冷却成形坯料的表面温度，防止出现淬火裂纹。

（6）检验：锻造后零件按图纸要求进行检验。

（7）锻件的清洗和表面处理：经检验合格后按图纸要求进行清洗和表面处理。

有限元模拟在差温无模锻造近净成形中的作用和优势

（1）利用有限元模拟技术能够全面分析材料的变形过程，包括金属流动情况、载荷变化情况、变形趋势等。

在差温无模锻造成形过程中，模具的作用主要是保证在变形过程中坯料不变形，模锻力大小保持不变，从而保证坯料能顺利地充满模具，并使材料流动速度保持在可控范围内。

然而，在实际的生产过程中，模具的作用主要是对坯料施加一个模锻载荷，并将其传递给坯料，使之按设计的要求完成锻压成形。这一过程中，材料在模锻过程中变形主要是以塑性变形为主。

（2）利用有限元模拟技术能够更全面地反映坯料在变形过程中的应力、应变、温度等物理量的变化情况。对于锻件成形过程的研究主要是通过模拟来进行，由于金属在模锻时的塑性变形较大。

通过有限元模拟可以更全面地分析金属在锻造过程中的应力、应变、温度等物理量的变化情况。此外，还可以通过模拟来分析金属流动速度变化情况及其对成形工艺参数（如模具型腔尺寸、锻压速度、摩擦系数等）的影响，进而优化锻件成形工艺参数。

（3）利用有限元模拟技术能够对锻件成形后的表面质量进行分析和预测。在锻造成形过程中，金属流动情况主要是靠坯料和模锻压力作用于模锻件上而产生的摩擦阻力来实现的。

当坯料受到模锻压力时，由于模具型腔形状和尺寸不同、模锻压力大小不变等原因，金属流动情况就会发生变化。

有限元模拟分析

1、在进行材料特性分析时，采用了热弹性分析模型，通过建立三维有限元模型，确定材料参数和摩擦参数，模拟锻造过程中的温度变化和变形情况。

2、采用DEFORM-3D软件进行模拟锻造过程的分析，主要包括：对金属材料进行了等温压缩实验，确定了材料的热物理性能参数，并通过软件完成了变形材料的 DEFORM模拟分析。

3、模拟结果显示：锻造过程中金属的温度分布规律与实验结果基本一致；变形速度场分布规律也与实验结果基本一致；在整个过程中，变形过程中出现了材料流动不均匀现象，温度最大值出现在下模芯和上模芯的连接部位。

变形过程中应力应变变化规律与实验结果基本一致；锻造结束后，锻件形状饱满、尺寸准确。

4、采用DEFORM-3D软件进行模拟分析，主要分析了成形过程中材料的流动规律、成形载荷、应力应变分布、温度场分布等，通过模拟分析发现：坯料在下模芯和上模芯之间的过渡部位存在最大流动应力。

在成形过程中材料呈现“漏斗形”流动规律；随着锻造温度的升高，材料流动速度增大，最大应力逐渐降低；随着变形程度的增大，变形温度梯度逐渐增大。

5、通过对比模拟结果和实验结果发现：数值模拟与实验结果基本一致；模拟计算与实际实验结果有一定差距，这是由于实验所用设备精度有限所导致的。

随着变形程度的增大，有限元模型中金属流动速度也相应增加；数值模拟与实际实验相比，最大误差不超过3%。6、对锻造过程中出现的锻件质量问题进行分析，主要是由于：在锻造过程中，由于变形不均匀导致锻件出现局部变形，产生了应力集中现象。

另外，锻造时金属流动速度不均匀也导致锻件出现局部折叠缺陷；对轴类零件进行数值模拟分析后发现：零件形状不够规整、表面质量差。

7、根据模拟结果对轴类零件锻造工艺进行改进，主要是：在毛坯设计时，采取了增加圆角的措施，提高了坯料的变形抗力。

增加了上模芯与下模芯之间的过渡部分，避免了坯料在过渡部位出现折叠缺陷；减少了下模芯与上模芯之间的过渡部分，避免了坯料在过渡部位出现折叠缺陷。

笔者观点

从上述模拟结果可以看出，锻造成形过程中，由于上、下模同向运动，挤压行程相同，而上使得上、下模之间的摩擦力与挤压行程成正比，从而使得摩擦阻力大大减小。

在下模同向运动的过程中，由于摩擦阻力小，所产生的挤压应力大，容易造成金属材料的流动不稳定；在锻件成形后表面粗糙度较大。

从以上模拟结果可以看出，由于采用了差温锻造技术，使得锻件的温度均匀、材料流动稳定、表面质量好。由以上分析可以看出，采用差温锻造技术，可以使金属材料在较小的变形量下实现近净成形，并且可以获得表面质量好、尺寸精度高的锻件。