盧險峰

(南昌大學機電工程學院，南昌 330031)

1 金屬塑性加工分類的現(xiàn)狀

1.1 學科理論中的分類

對于金屬塑性加工(成形)分類這個一直伴隨科學發(fā)展的問題，20世紀中期國外研究較多，如先后有日本工藤英明、德國 K.H.Hofner(哈佛納)、K.Lage(朗格)等，他們分別是依據(jù)概念的類種、應力負荷的性質與表面形成、變形力學穩(wěn)定性的標準而進行的。同一時期，還出現(xiàn)既涉及成形難易又考慮成形工件內部機能影響，且所用詞語簡便的標準而進行的分類。目前，在鍛壓加工原理中，按照金屬學再結晶及其溫度角度，對其有以下2種分類方法。

1)將金屬塑性變形分為熱變形和冷變形兩大類。以金屬再結晶溫度(Tr)為劃分界限。兩類變形的本構方程已有建立。

2)將金屬塑性變形分為熱變形、不完全熱變形、不完全冷變形和冷變形等4類。這種分法考慮了再結晶的過程，較細致，但對于不完全熱、冷變形的本構方程并不明晰。

1.2 工程技術界的分類

德國、日本等國家的專家學者從生產(chǎn)技術角度對塑性加工進行分類，這種分類方法甚至進入了這些國家的標準中，例如DIN，JIS等。在我國家的鍛壓標準中，沒有類似的分類。我國現(xiàn)今在工程技術界，從是否對坯料進行加熱的角度，對金屬塑性加工的分類有以下幾種情況。

1)主要與鍛造(體積成形)和沖壓(板料成形)相對應，分為熱成形和冷成形兩大類。僅以加熱與否為判別依據(jù)，形成鍛造就是熱成形，沖壓即是冷成形的定型觀念。于是，導致出現(xiàn)將冷鍛既有歸屬熱鍛又有歸屬特種鍛造的分類混亂。

2)劃分為熱成形(加工)、冷成形(加工)和溫成形(加工)等3類，或者叫熱鍛、冷鍛和溫鍛。其溫成形具體溫度目前尚未有統(tǒng)一的界定。

3)中國鍛壓協(xié)會以前是將鍛壓生產(chǎn)行業(yè)分為3個專業(yè)委員會:鍛造、沖壓和冷鍛委員會。2010年開始，改成了鍛造(加熱或不加熱)、沖壓、鈑金和制作3個委員會。其中，鍛造又分出熱精密成形、冷精密成形、大鍛件等委員會或理事會;沖壓(鈑金)又分出精沖、旋壓、封頭等委員會;制作被視為各種管、型材的裁切、彎曲等特種沖壓加工。此種動態(tài)反映鍛壓行業(yè)里冷壓成形的產(chǎn)品和企業(yè)越來越多。

4)中國塑性工程學會(原中國鍛壓學會)曾設立原理、鍛造、沖壓、冷鍛等學術委員會。顯然其鍛造為熱成形，沖壓、冷鍛為冷成形。后來改為了理論、精密鍛造、沖壓、旋壓等學術委員會。冷鍛未與熱鍛同位設立，從20世紀末以來，一直還成立一個環(huán)境保護學術委員會。現(xiàn)今，中國塑性工程學會仍然是(以總會而未以其分支會的名義)與國際深拉深研究會(IDDRG)、國際冷鍛組織(ICFG)等對口的聯(lián)絡單位。

1.3 國外較新動態(tài)反映

20世紀五六十年代，前蘇聯(lián)出版的關于沖壓技術或稱之為冷壓的書籍中，就有一些介紹了部分冷鍛工序技術知識，寓意是冷鍛包括在廣義的沖壓加工之中。

最晚是在20世紀70年代，英、美國家出版的關于金屬加工工程類部分書籍中，在論述其冷、熱壓加工的特點時，特別提及了冷壓加工有更適應于人類對環(huán)境影響要求的內涵。

前西德在1945年以后，冷鍛生產(chǎn)中逐漸出現(xiàn)將其基本工序復合的組合變形工序，其基本工序和組合工序均屬塊料冷體積成形，冷鍛并未等同冷壓。

日本于1970年代出版了《冷鍛手冊》一書，這可認為是首部論述和介紹冷鍛的專著，但它并不包含冷沖壓的內容。日本1987年開始編寫的《會田沖壓手冊》一書中，把冷鍛和沖壓加工主要工序并列編排，而熱鍛和溫鍛僅作為其它工序之內，意味著冷、熱壓有別，各有屬類。

俄羅斯學術期刊《鍛壓生產(chǎn)》的欄目設置在20世紀里主要為理論、鍛造、沖壓和設備等，但在21世紀初就改為了理論、熱成形、冷成形和設備等。顯然，這也是把鍛壓加工分為熱壓加工和冷壓加工的一種觀點，一種明確的分類及應用。

從金屬塑性成形到上位的機械工程技術領域的國際性學術組織及其活動中，常有這種傾向、動態(tài)。進入21世紀以來，國際深拉深研究會(IDDRG)、國際冷鍛組織(ICFG)等，開展冷壓科技學術活動尤為活躍。

2 冷壓成形技術本征的再認識

2.1 分類理論基本概念

分類是劃分的特殊形式，它是以對象的本質屬性或顯著特征為依據(jù)所作的劃分，即把屬概念分為種概念。被劃分的概念叫做“劃分的母項”，劃分后所得的概念叫做“劃分的子項”。劃分時，根據(jù)實踐的需要，所選擇事物的屬性叫做“劃分的標準”。劃分的規(guī)則有:應相稱;每次劃分只能根據(jù)一個標準。

據(jù)此，對金屬塑性成形根據(jù)其再結晶與否及加工硬化與否，分為熱壓成形與冷壓成形，要較之前敘述中的其它一些分類方法更為科學合理。

2.2 冷壓成形技術本源特點

金屬學和塑性成形理論指出，金屬再結晶是一個過程，有一個從開始(最低)再結晶溫度(Tbr)到完全再結晶溫度(Tar)的溫度范圍。

進一步分析理論上的那種不完全熱變形、不完全冷變形以及工程上的溫成形，在變形的實質上都有回復與再結晶發(fā)生，而其變形結果的表征、加工特點與環(huán)境條件等基本上與熱變形相同或相近。此外，可將最低再結晶溫度為0℃的鉛、錫，以及最低再結晶溫度為1200℃的鎢等幾種材料視為特例，從而將適用于絕大多數(shù)金屬的塑性成形劃分為冷壓成形與熱壓成形兩類，既符合分類理論，又結合了塑性工程實際。此兩類成形的時間-溫度范圍如圖1所示[32]。

金屬的冷、熱壓塑性成形，相對于其它成形加工有共同的優(yōu)缺點，但它們之間的優(yōu)越程度及存在問題的嚴重程度是有很大差別的。雖然它們各有缺點，不能相互替代，在塑性成形的下位中將會永遠同位存在，但是認識這種差別，強調并重視具有其本源特點的分類標準，既有科學的理論學術價值，又有積極的工程實踐意義，也正是強調應該研究冷壓成形技術特點的原因。冷壓成形的技術特點可從以下3個方面給予認識和重視。

圖1 塑性成形一種分類示意

1)變形本質方面。冷壓成形是在金屬最低再結晶溫度以下，對大多數(shù)金屬而言是在室溫中進行的變形。冷變形有加工硬化效應，其力學意義為dσ/dε＞0，多用σ=kεn冪函數(shù)曲線描述硬化規(guī)律(當然，還有其它幾種描述規(guī)律的方法)，沒有回復與再結晶現(xiàn)象發(fā)生，而熱變形則反之。冷壓成形過程中材料的流動性稍差于熱壓成形，相同變形程度下，冷壓成形過程中變形抗力較大，消耗力能比熱壓成形時更大。

2)工件質量方面。由于冷壓成形中沒有因加熱而產(chǎn)生熱脹冷縮及被氧化的現(xiàn)象，故冷壓成形工件的尺寸、形位精度及表面粗糙度優(yōu)于熱壓成形工件。熱壓成形件僅因為成形過程中保持了纖維的連續(xù)性而具有強化性能的優(yōu)點，冷壓成形件不僅因纖維連續(xù)性，更由于冷變形硬化效應使其被強化的能力大大提高。這一本質特征導致了兩類成形件功能上的本質差異。

3)環(huán)境質量方面。冷壓成形設備為各種壓力機，對生產(chǎn)場地及周圍環(huán)境有產(chǎn)生振動與噪聲的影響，但較熱壓成形中各種鍛錘的振動與噪聲要小得多。由于冷壓成形中不需要加熱，故因加工過程、各種操作、潤滑及清理等而產(chǎn)生的對空氣質量、人體健康與安全的影響要小得多，整個成形過程及其后續(xù)加工過程的綠色程度比較高。

兩類金屬塑性成形主要特點的比較見表1[32]。

表1 兩類金屬塑性成形主要特點比較

3 中國機械工程技術路線圖之領悟

3.1 冷壓成形技術之位屬關系

冷壓成形技術與平行類熱壓成形技術的上位類是塑性成形技術，而塑性成形技術、鑄造技術、焊接技術、熱處理技術和機械制造技術等的上位是機械工程技術。中國機械工程學會是我國機械工程技術領域重要的科技社團，其宗旨是引領科學發(fā)展，推動技術創(chuàng)新，促進產(chǎn)業(yè)進步。不言而喻，冷壓成形技術的創(chuàng)新發(fā)展、規(guī)劃預測之大方向、行動綱領，當然受該社團的引領指導。

新世紀伊始時，中國機械工程學會為加強引導我國由制造大國向制造強國發(fā)展，先后組織了眾多兩院院士和權威專家學者編寫出版了《中國機械設計大典》、《中國模具設計大典》、《中國模具工程大典》、《中國材料工程大典》等重要著作。根據(jù)人類歷史的發(fā)展規(guī)律、國外先進技術的動向以及中國機械工程技術的實際，2010年，中國機械工程學會又組織了19名院士在內的200多名專家，傾心調研、分析、總結、編寫，由中國科學技術出版社出版的《中國機械工程技術路線圖》于2011年8月30日在北京釣魚臺國賓館隆重首發(fā)，首發(fā)儀式如圖2所示。

圖2 《中國機械工程技術路線圖》首發(fā)儀式

這些“大典”和《中國機械工程技術路線圖》，旨在認真總結過去，科學預測以后，尤其是《中國機械工程技術路線圖》，“是對我國整個機械工程制造技術發(fā)展的引導，是未來創(chuàng)新進步的行動綱領”[33]。其前瞻性著眼于未來20年甚至更長時間，是一個較長期的規(guī)劃。毋庸置疑，對于冷壓成形技術而言，更是符合其路線方向。

3.2 總體構架

《中國機械工程技術路線圖》[34]涵蓋了產(chǎn)品設計、成形制造、智能制造、精密與微納制造、仿生制造、再制造、流體傳統(tǒng)與控制、齒輪、軸承、刀具、模具等11個領域，規(guī)劃了面向2030年后甚至更長遠時期。我國機械工程技術發(fā)展的五大趨勢:綠色、智能、超常、融合和服務;八大技術:復雜機電系統(tǒng)的創(chuàng)意、建模、優(yōu)化技術，零件精確成形技術，大型結構件成形技術，高速精密加工技術，微納器件與系統(tǒng)，智能設備制造，智能化集成化傳動技術，數(shù)字化工廠。

總體規(guī)劃十分清晰，11個領域及八大技術字面上就有1/3為塑性成形，特別是冷壓成形，五大趨勢之首為綠色，而冷壓成形件在其制造過程和使用過程中的綠色程度均較高(參見表1)，應盡力應用和深入發(fā)展。

3.3 我國汽車零部件制造業(yè)落后(冷壓技術角度)之反思

中國制造的第1輛“民生”牌汽車是在1931年出廠，解放后制造出的第1款(CA10)汽車是在1953年出廠，第1輛“解放”牌汽車是在1956年下線，無論從上述哪一個節(jié)點年份算起，我國汽車工業(yè)的發(fā)展僅用了幾十年的時間，已甩掉了汽車生產(chǎn)落后國的帽子，尤其是制定將汽車作為國家經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略之后，經(jīng)過最近20年的迅猛發(fā)展，我國成為了世界上汽車產(chǎn)銷量第一的國家。從圖3可知，我國汽車年產(chǎn)量從1992年的百萬輛，到2010，2011年均達千萬輛，20年間提高了一個數(shù)量級，其中轎車年產(chǎn)量從1992年的十萬輛，到2002年的百萬輛，再到2011年的千萬輛，20年間提高了2個數(shù)量級!

圖3 中國汽車年產(chǎn)數(shù)量升級示意

可以認為，我國汽車從年產(chǎn)百萬輛到年產(chǎn)千萬輛，實際上主要發(fā)生在圖3所列的后10年里，即中國加入世界貿易組織后的10年里。鳳凰網(wǎng)在2012年3月底開辦的“汽車”節(jié)目中，用“入世十年，中國汽車業(yè)實現(xiàn)了從百萬級到千萬級的跨越”予以評述報道。

國內上、下及汽車行業(yè)內、外都明確指出，我國是一個汽車生產(chǎn)大國，但還不是一個汽車生產(chǎn)強國。大，主要表現(xiàn)在汽車整車數(shù)量規(guī)模的高速發(fā)展;弱，主要表現(xiàn)在零部件制造技術質量的落后。這種零部件薄弱落后的根源是我國普遍存在一種忽視長遠利益，而過于著重眼前經(jīng)濟效益的浮躁心理，且尚欠從積極面考慮綠色環(huán)保的必然結果。主要體現(xiàn)在:缺乏自主核心技術和品牌，致使低端車型較多;自主品牌市場占有份額大致為1/3，獲取利潤只有1/10[35]。換句話說在制造業(yè)中自產(chǎn)零部件工藝技術少有品牌，少具研發(fā)，大多采購國外零部件、模具及設備，采取耗能、耗料、耗資源的工藝技術進行制造，湊合使用。

從有利于汽車產(chǎn)業(yè)科學發(fā)展出發(fā)，提出要改變“重整車輕零部件”的傾向，加大對零部件領域的研發(fā)力度、投入及鼓勵等，如此一些反思與對策。這當然是正確的，但尚不夠深入。如果找出更具針對性的方向、措施，比如，能從冷壓技術角度進行反思，則有可能真正找到處理好制約發(fā)展的重要因素。

1)汽車中60%～70%的金屬零部件為沖壓件，實際上還應該和必要有一定比例的冷鍛件。顯然，缺乏自主核心技術和品牌的零部件主要是沖壓件和冷鍛件比例的問題，因此應大力宣傳、推進、實施、創(chuàng)新汽車零部件中的沖壓產(chǎn)品。

2)通常所說的沖壓是指冷沖壓。我國在較長時期，甚至至今各汽車廠的車身、車架分廠一直不見有熱沖壓的，可謂綠色制造了。近年來，卻有一些企業(yè)從國外引進汽車零件熱沖壓生產(chǎn)技術及生產(chǎn)線的項目，不少人還積極搞鈑料汽車零件的熱沖壓研究，這讓我國汽車生產(chǎn)中的綠色程度反比以前更差了。

3)2012年2月德國總理在北京講演中談及德國的制造技術時說:連一顆螺絲釘?shù)闹圃旒夹g水平，德國也是世界上最先進的。對此從專業(yè)角度反思一下，中國產(chǎn)的螺釘類零件，尚有很多為熱鍛件，即便是冷鍛件，對其材質、工藝與質量方面也不太重視，而螺紋的加工方法，并非普及了的滾壓(俗稱有滾絲和搓絲)，采用切削(俗稱車絲)的方法仍不少。

4)汽車發(fā)動機中很多零件及其他一些結構件等，國外的制造技術多為冷鍛加工件。此不一定是ISO組織或某些國家的標準規(guī)定，而是一種共識和世界大趨勢所向。比如，轎車中冷鍛件的質量，1990年代，日本平均達到42 kg/臺，美國、德國等也接近40 kg/臺，而我國為4～5 kg/臺，小一個數(shù)量級;20年后的今天，外國達45～50 kg/臺，而我國雖也有提高，但還處在6～7 kg/臺的水平，仍小一個數(shù)量級。試想一下，如能縮小此種差距，定會使今天仍處于1980年代中期國際水平的我國轎車生產(chǎn)水平有超常發(fā)展，且更加是綠色制造。

4 結語

應視冷壓技術為我國汽車整車發(fā)展、零部件生產(chǎn)提升而成為汽車生產(chǎn)強國之戰(zhàn)略中的一個符合機械工程發(fā)展趨勢之首要——綠色的關鍵性戰(zhàn)術。無論如何，此戰(zhàn)術是確保此戰(zhàn)略實現(xiàn)的一種不可忽略的戰(zhàn)術。

[1]祝慈壽.中國工業(yè)技術史[M].重慶:重慶出版社，1995.

[2]工藤英明.冷鍛工業(yè)的發(fā)展及冷鍛工學的現(xiàn)狀[Z].1980.

[3]李學勤.李學勤談中國文明:說五千年文明史是有根據(jù)的[EB/OL].(2011-07-12).http://news.ifeng.com/history/zhuanjialunshi/lixueqin/detail_2011_07/12/7639581_0.shtml.

[4]李維先.我國古代鍛壓技術初探[J].鍛壓技術，1981，6(4):27-31.

[5]中國機械工程學會塑性工程學會編[M].鍛壓手冊 沖壓卷(第3版).北京:機械工業(yè)出版社，2008

[6]工藤英明，大和久重雄，竹內.冷間鍛造ハンドブック[M].東京:タヶホ株式會社，1973.

[7]陳黎，劉昱.專家解密法門寺地宮絲織品手工造金箔厚度到微米[N].西安晚報，2011-07-13.

[8]舒新城，陳望道，夏征農，等.辭海(中)[M].上海:上海辭書出版社，1999:2339，2526，2857，3490

[9]李恒德.中國歷史上的鋼鐵冶金技術[J].自然科學，1951(1/2/3/4/5/6/7):10-16.

[10]北京鋼鐵學院.中國冶金簡史[M].北京:科學出版社，1978

[11]春日保男.成形加工論[M].東京:コロナ社，1978.

[12]鐵畫[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/54998.htm.(余不祥)

[13]閻曉軍，阮鋒，夏琴香.鐵藝制作[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社，2003.

[14]L.Schubert.Fifty Years of Change[J].SMI，1977:27-28.

[15]周大雋.金屬冷體積成形技術與實例[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[16]俞漢清，陳金德編.金屬塑性成形原理[M].北京:機械工業(yè)出版社，1999.

[17]吳榮曾.中國古代錢幣小史[EB/OL].(2009-07-17).http://video.chaoxing.com/play_400000516_6698.shtml

[18]鳳凰網(wǎng)歷史頻道.舊中國真是“一窮二白”嗎[J/OL].教科書之外的真相，[2011-04-18].http://news.ifeng.com/history/zhongguoxiandaishi/special/jiaokeshuzhenxiang1/.

[19]周開華.簡明精沖手冊[M].第2版.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[20]羅曼諾夫斯基.冷壓手冊(修訂第二版)[M].梁炳文，遲家駿，譯.北京:機械工業(yè)出版社，1957.

[21]Е.И.Исаченков.Развитие Технологии Листовой Штамповки[J].КШП.，1977(11).(余不詳)

[22]AIDA工程技術株式會社.擴展高精度加工領域的実例 NCS系列産品137-A-9303-C[M].(余不詳)

[23]中國人民解放軍京字一八四部隊.冷壓沖模設計[M].北京:第四機械工業(yè)部標準化研究所出版發(fā)行，1965.

[24]李碩本，盧險峰，于連仲.沖壓加工技術最新進展[M].南昌:江西高校出版社，1998.

[25]李碩本，康達昌，楊玉英.各種沖壓變形的分析與成形方法的分類[J].機械工程學報，1980(1):29-39.

[26]中川威雄.拔きかす上がりの発生メカニズム[J].フレス技術，1984(31-14):19-22.

[27]阮雪榆，俞子驍，吳公明.黑色金屬冷擠壓許用變形程度的研究[J].鍛壓技術，1981，6(2):1-6.

[28]KUDO H.Some Analytical and Experimental Studies of Axissymetric Cold Forging and Extrusion(Ⅰ)，(Ⅱ)，(Ⅲ)[J].I J M S，1961(3):69-85.

[29]宮川松男.深絞りにおけるしわの発生について(第1報)，(第2報)，(第3報)[C].日本機械學會論文集，1957:67-83

[30]HSüT C.Prensent Scope and Future Trend of Sheet Metal Forming Research[J].INT J PROD RES，1974(12-1):99-115.

[31]KIYOTA Yoshida.Classification and Systematization of Sheet Metal PressúForming Process[J].Sci Pap IPCP，1959，53:1514-1520.

[32]盧險峰，李湖峰，戴源德，等.略論冷壓成形之本質特征及技術構成[J].南昌大學學報(工科版)，2010，32(1):82-88.

[33]路甬祥.創(chuàng)新機械工程技術，發(fā)展先進制造產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)由制造大國向創(chuàng)造強國的歷史跨越[J].機械工程導報，2011(9):3-9.

[34]中國機械工程學會.中國機械工程技術路線圖[M].北京:中國科學技術出版社，2011.

[35]機械工程導報編輯部.我國汽車整車制造裝備現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].機械工程導報，2011(10):23-27.