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整体成形工艺是一种适合于大批量生产的工艺，但恰恰在小批量生产中，它是切削加工工艺最好的替代方案。从全方位的角度考察，即使是在成本费用相同的情况下，整体成形加工也有着一系列的优势。
近年来，金属切削加工工艺有了很大的进步，与其相应的金切刀具也有了长足的发展。利用这样的机床设备和刀具就可以在高速下强力切削高硬度的零件了。 （图片）
与从圆钢加工出所需零件的切削加工工艺相比，整体成形工艺在小批量生产过程中也具有优势 整体成形技术提高材料利用率
就整体成形工艺的众多优点而言，最重要的是其很高的材料利用率。在成形加工前，材料毛坯的体积就是严格按照成品零件的轮廓来计算确定的，因此大多数锻件的表面已经无需再切削加工了。锻件的材料损失已经被限制在锻模加工中所有的毛刺和飞边中。在挤压加工或者冲压加工中，往往可以制作出没有毛刺和飞边的零件。这些整体成形零件的切削加工范围往往局限在如轴承的轴颈、孔或者配合面的加工中。因此，整体成形工艺的材料利用率一般都在80%以上，最高的可达100%（图1）。（图片）
图1 模锻时的材料利用率：在成形加工中材料充满了模具型腔，只有很薄的毛刺和飞边是多余的废料 而在切削加工中，整块圆钢内零件周围的金属材料都要被切除，变成铁屑；在细杆类零件的切削加工中，被切削掉的金属材料通常占50%以上；在特殊的零件加工中材料切除量甚至高达90%。从糟糕的材料利用情况来看，这样制造零件的成本是很高的。从不多的切削工艺成本费用情况介绍来看，可以很清楚的看到：铁屑占用了大量的生产资金（图2）。从未来对能源利用率和资源利用的角度来看，可以很容易得出这样的结论：现代化的切削加工中心是一个超级能耗大户，切削加工大幅增加了企业能源平衡和二氧化碳减排方面的负担。（图片）
图2 从图中可以看出：即使是最少的切削加工量，在成本费用中也占据了最高的比例 切削加工工艺制造的零件与整体成形工艺制造的零件，另一个重要的区别在于：后者能够有目的的提高整体成形零件的局部性能。整体成形加工的零件其各向异性特性非类似于合成塑料，整体成形能够通过多种不同的作用机理提高整体成形零件的这一性能，例如从材料机理、所采用的整体成形工艺以及它们两者相结合等。
整体成形加工能够提高零件性能的第一个作用机理当属成形加工时锻件材料的纤维结构。大多数情况下，在低碳钢锻件原材料中的纤维是分离的。在成形加工时，这些纤维首先被线性的拉伸延长，最后形成合理的纤维结构。这里的微妙之处就在于：成形加工的过程控制着锻件纤维与零件主应力方向保持一致，包括与零件轮廓变化的方向保持一致（图3）。这一改进的结果是：可将零件的动态强度最多提高30%。（图片）
图3 纤维流动：成形加工的过程控制着锻件纤维与零件主应力方向保持一致，包括与零件轮廓变化的方向保持一致 整体成形加工能够提高零件性能的另一个重要作用机理是钢材冷却后的硬化。这种硬化既可以是横截面的整个硬化，又可以是有目的的表面硬化。硬化能够明显得提高零件的抗拉强度、屈服极限和硬度。在冷成形加工之后往往要进行适合上述目的的热处理，有目的的实现零件硬化性能的改进和提高。
提高表面强度的另一个重要工序就是热处理之后的喷丸处理。当钢材的选择和喷丸参数的选择都合理时，喷丸不仅能够清理零件的表面，而且会通过冷成形提高其强度。喷丸时会在零件表面形成压应力。冷硬和压应力都能提高零件的耐磨性能和承受动载荷的能力。这些都提高了设计师在新产品设计时的零件使用范围。可为设计师们实现减轻零件重量、使用价格低廉的合金钢材料，以及省略或大幅减少后续切削加工工作量的目的。
完成某些铣削加工无法解决的任务
在成形加工和切削加工进行比较时要考虑到：切削加工的具体情况千差万别，有些成形加工所能完成的任务是铣削加工所不能完成的。Hirschvogel自动化技术集团的产品设计师们对此有着深刻的体会。例如，各种形式的内齿轮加工，尤其是盲孔中的内齿加工，包括曲轴传动中的端面啮合用曲轴圆锥齿圈（图4）。而曲轴圆锥齿圈的安装空间很短，能够在非常短的啮合运动中传递很大的扭矩，这一点是机械设计师们最感兴趣的事情。而铣削加工技术有限的、费时费力的生产能力限制了这种齿圈在机床中的生产。（图片）
图4 铣削加工对这种端面啮合的圆锥齿圈也无能为力 利用压力成形加工中的锻造工艺则能够经济、高效地生产出这种齿形啮合。更换加工工艺之后还可以选择：齿的侧面连接方式或者加深齿形。另一个充分显示出压力成形加工工艺优势的零件是经过减重优化、各个高压接口间直径尺寸减小的共轨管，它比切削加工或者焊接有着更高的经济性（图5）。锻造加工的盘形齿轮也具有同样的经济性：直径200mm的锻造盘形齿轮可以节约700g的金属材料（图6）。（图片）
图5 利用锻造技术可以经济、高效的生产出这种经过结构优化、重量减轻的共轨管 在常规齿轮中也有一些齿轮的齿形使用切削加工是非常不经济的，例如多级啮合、侧面连接的小锥轮齿，就像冷成形技术专业生产厂Wezel公司所生产的产品那样。利用整体齿形加工工艺可以高质量的生产出这样的齿形，同时也有着很高的经济性。首先是在热成形加工工艺和冷成形加工工艺的帮助下完成齿形的大部分成形制造，甚至全部的几何形状制造。加工出来的齿面精度无需其他任何机械加工就已经达到了8级。另一个优点是：通过转换思路和合作设计可以把多个单一零件组合成一个整体。这也可以带来一些附加的好处，例如通过侧面的连接提高了齿形的刚性。整个齿形不仅可以通过零件金属纤维的走向提高承载能力，而且可以在新产品设计中节约零件的材料使用。还有就是对零件细节的改进：制造出符合成形加工工艺要求的最佳啮合齿形，比切削加工所达到的技术标准更高。（图片）
图6 在这样的盘形齿轮中，齿形是锻造出来的，当盘形齿轮的直径达200mm时，锻造可以节省约700g的金属材料 利用高速加工完成高效锻模的生产
今天，利用高速加工工艺能够比以前更加经济、高效地生产模锻加工所需的锻模。在这方面，成形加工专业厂家Schwarz股份公司热成形加工生产厂积累了丰富的经验，因此他们能够在产品数量相对较小的情况下仍然获利。另外，非常重要的一点是：他们能够做到在紧迫的供货期内完成新产品的试制并按时供货。今天，他们能够在几周的时间内完成从CAD图纸设计到模拟实验、大范围的性能优化直至生产出合格的模锻模具的整个过程。由于锻模设计制造的时间很短，如果根据零件生产批量的大小判断，锻造加工并不会输给没有模具制造时间的切削加工。而且在样品试制的过程中，这种在短时间内就得到类似于批量零件加工的生产能力是非常具有吸引力的。
一个对整体成形工艺非常有利的发展趋势是：合金材料的价格在提高。因此，切削加工量越大，对整体成形工艺就越有利。今天的锻造技术已经能够完成许多表面质量要求的加工精度了，在许多情况下可以放弃后续的机械加工。就连零件中的加强筋类的结构也可以毫无问题的锻造出来。
不产生模具费用的自由锻
自由锻没有模具，因此也不会产生与模具制造有关的费用，在零件数量很少的情况下这种成形加工工艺得到了广泛的应用。一个阶梯型轴类零件的实例可以很好的说明问题：Rosswag有限责任公司可以锻造的最大零件重量可达5t。与切削加工相比较，首先是自由锻生产的零件可以节约材料。在车削这样轴类零件时，约60%的金属材料变成了铁屑，而在自由锻中只占5%～10%。随着重量的增加，即使是使用普通碳素钢材料来制造的如此巨大的零件时，其材料成本也是值得注意的。实际上，这种零件是由优质钢材料制造的，很高的合金成分使得这根轴的成本提高到了四位数，甚至五位数。另外，锻造的轴类零件内部纤维走向更加符合受力的要求，因此有着很长的使用寿命。这在壁厚过渡部位有着非常重要的意义，例如在轴端与法兰的过渡处。另外，在自由锻中，尤其是大型零件的自由锻中可以直接使用钢锭作为原材料，而不是使用铸造或者轧制的锻件毛坯，这有着很大的节约潜力。
从节约能源的角度来看，其还可以省略将毛坯预热到1200℃锻造温度时所需的能源。
5/14/2013
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