熱精密閉式模鍛技術(shù) （中）

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

熱精密閉式模鍛技術(shù) （中）

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會首席專家

《熱精密閉式模鍛技術(shù)（上） 》見2012年第7期

熱精密閉式模鍛技術(shù)

基本參數(shù)

圖1是MBC輕型面包車突緣鍛件圖，加工余量為0.5mm，高度公差為＋0.8mm和－0.2mm（屬精化毛坯）。材料20鋼，經(jīng)三維圖計算，其體積為2.866×105mm3，鍛件質(zhì)量為2.25kg。

工藝分析

該零件屬于非對稱帶法蘭的大孔壁薄短軸類鍛件，孔φ70mm，壁厚為10mm，為了提高材料利用率和鍛件精度，宜采用熱精密閉式模鍛。突緣法蘭四角和圓環(huán)下端部都不易充滿，且內(nèi)壁易產(chǎn)生折疊。經(jīng)數(shù)值模擬和現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)試，閉式模鍛成形時，金屬開始流動擴鐓鍛成形，當金屬坯料和凹模膛壁四周接觸并形成封閉腔時，坯料開始圓環(huán)正擠壓和法蘭四角徑向擠壓，最后鍛件充滿成形。經(jīng)分析，該零件需要四工步成形，即鐓粗→預鍛→終鍛（擠壓）→沖孔。

坯料直徑

MBC突緣鍛件沖孔連皮形狀和尺寸的設(shè)計，如圖2所示。連皮最小厚度為5mm，大圓弧面過渡R為100mm。經(jīng)計算終鍛熱鍛件體積為3.13426×105mm3。坯料體積還要加上1％的火耗即可，坯料體積為3.1656×105mm3，質(zhì)量為2485g。

眾所周知，按坯料鐓粗時的最佳鐓粗穩(wěn)定條件計算，鐓粗長度為（1.8～2.2）d，式中d為坯料直徑。取2.2d，這樣就可計算出坯料直徑：（π/4）×d2×2.2d＝3.16560×105mm3，d=56.6mm，取φ60mm。按體積不變原則，計算坯料長度為112mm，即坯料規(guī)格φ60mm×112mm。

圖1 MBC輕型面包車突緣鍛件圖

圖2 沖孔連皮形狀和尺寸

坯料精度和下料方式

采用高速帶鋸床下料。因為是閉式模鍛，采用質(zhì)量下料，下料質(zhì)量為2485g，坯料精度要求：質(zhì)量公差不大于±0.5％，?。?480±10）g，坯料端面斜度精度要求不大于2°。該鍛造生產(chǎn)線工人操作節(jié)拍生產(chǎn)率為5件/min。鍛造生產(chǎn)線選擇：

⑴坯料加熱。中頻感應加熱爐，450kW，20鋼，加熱溫度（1230±20）℃。

⑵鍛造設(shè)備。選擇MP型8MN熱模鍛壓力機，并核算設(shè)備工作臺尺寸。

計算突緣鍛件的模鍛力為：

P=βkσF=1×1.1×60×93.1≈6140kN。

式中 P——鍛件模鍛力，kN；

β——設(shè)備修正系數(shù)，該鍛件批量大，宜選擇熱模鍛壓力機，β=1；

k——鍛件形狀復雜系數(shù)，該鍛件壁薄擠壓成形復雜，k=1.1；

σ——金屬終鍛變形抗力（kN/cm2），閉式模鍛，20鋼，坯料溫度為（1230±20）℃時，σ＝60kN/cm2；

F——鍛件投影面積，F(xiàn)=93.1cm2。

⑶沖孔。1200kN閉式單點機械壓力機，沖去突緣孔連皮。

模具設(shè)計

⑴鐓粗模設(shè)計。將高度112mm的坯料鐓粗到約為100mm，起到除氧化皮和平整坯料端面的作用。鐓粗模是方模塊，下模有調(diào)整鐓粗模高度的墊片。

⑵預鍛模設(shè)計。根據(jù)以上工藝分析和要求，設(shè)計的預鍛形狀如圖3所示。預鍛坯在放入終鍛模膛時由法蘭定位，在終鍛成形時，開始鐓粗，然后金屬坯料迅速接觸模膛壁形成封閉模腔后開始向法蘭四角徑向擠壓和向圓環(huán)下端部位擠壓。

①模膛設(shè)計。即按預鍛坯的形狀設(shè)計。

圖3 預鍛坯

圖4 MBC突緣預鍛模

②模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。模具閉合高度按MP型8MN熱模鍛壓力機熱精密閉式模鍛專用模架的模具閉合高度360mm，如圖4所示。模具鑲塊（件3凹模和件4凸模）采用圓窩座定位，螺栓緊固在下、上模座上（件1和件2）。而上、下模座則采用圓窩座定位，壓板加T形螺栓緊固在模架上，這種定位和緊固方式定位準確，緊固可靠。另外，在下模座和上模座上還設(shè)計兩個對角線布置的導銷，這樣預制坯同軸度好，確保MBC突緣鍛件內(nèi)孔和外形同軸度和鍛件厚度差。

⑶終鍛（擠壓）模具設(shè)計。

①精密模鍛專用模架。為確保MBC突緣鍛件精度，模具的上模和下模在模架上應定位和導向準確，模具緊固牢靠。應設(shè)計和制造熱精密閉式模鍛專用模架，該模架不僅具有導柱導套，而且還配備X導軌。其閉合高度為360mm，模具由圓形窩座加鍵槽定位，用壓板加T形螺栓緊固在專用模架上。

②采用組合式模具。MBC突緣閉式熱精密鍛造模具見圖5，把凸模6和內(nèi)孔沖頭5設(shè)計成單獨零件，這樣可以將凸模設(shè)計成彈性，便于將終鍛成形后的鍛件由沖頭5卸下。另外，由于沖頭工作時被熾熱金屬坯料包圍，并流動激烈，沖頭工作溫度上升迅速，極易磨損和退火。故沖頭采用高耐熱模具鋼3Cr2W8V或3Cr3Mo3VNb，沖頭更換迅速，安裝方便。凹模（件3和件4）也采用組合式結(jié)構(gòu)，凹模采用預應力環(huán)（件4）壓緊，便于裝卸和更換，并提高凹模3的使用壽命。下頂料桿采用帶法蘭的頂料桿，這樣接觸面積大，單位壓力小，不易損壞。

圖5 MBC突緣閉式熱精密鍛造模具

閉塞模鍛

閉塞模鍛是可分凹模閉式模鍛，當可分凹模閉合后，一個沖頭或幾個沖頭同時對金屬坯料進行鐓擠成形或擠壓成形，使之產(chǎn)生多向流動，從而可在一道變形工序中獲得較大的變形量和復雜的型面，完成復雜零件塑性成形。閉塞模鍛可以在設(shè)備一個行程鍛出形狀復雜、無飛邊、無或小模鍛斜度的空心鍛件，使鍛件最大限度地接近零件的形狀和尺寸，從而顯著地提高材料利用率、減少切削加工工時，甚至不需要切削加工，是精密模鍛。由于熱閉塞模鍛的模具一般不設(shè)預鍛，影響模具壽命。所以熱閉塞模鍛時，應采用綜合性能優(yōu)良的熱鍛模具鋼和熱處理工藝，并在模具表面采用離子氮化處理，表面硬度達到1000HV以上。

對于要求精度高的鋼類鍛件宜采用熱精密閉塞模鍛加冷精整，而有色金屬（鋁合金、鎂合金等）比鋼更適合閉塞精密模鍛。由于變形抗力大，模具壽命低，耐熱合金和鈦合金材料精密模鍛生產(chǎn)較為困難。可分凹模分模面的選擇和開式模鍛完全相同，根據(jù)鍛件的形狀和特點，分模面有三種形式：水平分模、垂直分模和混合分模。

閉塞模鍛由于成形模膛達到穩(wěn)定的精確封閉，鍛件的形狀和尺寸精度主要取決于封閉模膛的加工精度。閉塞模鍛特別適合復雜零件，例如，齒輪的齒形、星形套、十字軸、閥體和航空發(fā)動機的葉盤等徑向帶支芽（凸起）的復雜精密鍛件的大批量生產(chǎn)。典型的閉塞模鍛件半軸齒輪和行星齒輪的齒形精度按冷鍛、溫鍛和熱鍛及其復合工藝，可以達到《錐齒輪和準雙曲面齒輪精度》（GB/T 11365-1989）的7～11級，粗糙度Ra達到0.8～3.2μm，完全可以提供轎車、輕型車和載重車直接裝車使用，半軸齒輪和爪極鍛件如圖6所示。

基本要求

⑴設(shè)備適用性。

①設(shè)備的壓力－行程曲線符合閉塞鍛造工藝。鍛件的鍛造力－變形量曲線必須小于設(shè)備的的壓力—行程曲線。

②安?？臻g足夠大。模具封閉高度大和工作臺面寬是閉塞模鍛的必備條件。因為閉塞模鍛模架需要布置3個底座，并要在底座內(nèi)安裝彈性裝置（彈簧或液壓缸或氮氣缸等）和多個附件，故需要較大裝?？臻g。特別是高度方向，即設(shè)備封閉高度要大。對于單動閉塞模架，在下底座需要布置活動底座傳力桿、活動底座導柱、模架導柱和限位桿，需要足夠大的平面尺寸。對于雙動閉塞模架，不僅在下底座布置活動底座傳力桿、活動底座導柱、模架導柱，而且還需要在上底座內(nèi)安裝彈性裝置和布置活動底座傳力桿、活動底座導柱、模架導套，故更需要有足夠大的設(shè)備封閉高度和工作臺長寬度。

圖6 部分熱閉塞模鍛

表1 5CrNiMo的力學性能和預熱溫度的關(guān)系

③設(shè)備精度?；瑝K（錘頭）的導向精度以及工作臺面和滑塊底面的平面度、平行度和垂直度都必須在較高的精度范圍內(nèi)。

④頂料裝置。頂料裝置的頂料功能應具備足夠的頂料力、頂料行程和頂料延時，確保鍛件迅速從模膛頂出，并搬運走。

⑤閉塞模鍛設(shè)備比較。在模鍛錘（含程控全液壓模鍛錘）、J58k系列電動螺旋壓力機和MP型熱模鍛壓力機三種通用熱鍛設(shè)備中，其中MP型熱模鍛壓力機更適合閉塞模鍛。

⑵精密下料。和閉式模鍛一樣，閉塞模鍛應特別重視下料精度。若坯料尺寸過大，凹模閉合力就會產(chǎn)生超差，引起凹模開啟，直接影響鍛件高度公差?？刂葡铝暇鹊闹笜耸桥髁系馁|(zhì)量公差和端面斜度，其數(shù)值大小和控制方法完全與閉式模鍛相同。

⑶無氧化加熱。由于閉式模鍛是在設(shè)備的一次行程內(nèi)完成的，為了提高精鍛件的表面質(zhì)量和生產(chǎn)率應采用無氧化加熱。采用中頻感應加熱爐時，應該嚴格控制坯料溫度（使用紅外線檢測），并分選。對于熱精密閉塞模鍛，碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼坯料溫度一般?。?230±20）℃ 或（1130±20）℃，這樣能夠獲得高度公差小的精密模鍛件。

⑷潤滑。眾所周知，良好的潤滑是提高鍛件質(zhì)量和模具使用壽命以及生產(chǎn)率的重要因素。特別是精密模鍛，在高面壓、高摩擦模膛和具有深而窄模膛的模具，潤滑顯得更加重要。

熱鍛用潤滑劑：常采用水和石墨混合液（石墨潤滑劑溶液），同時起到冷卻和潤滑模具的作用，效果好但污染環(huán)境。為了改善作業(yè)環(huán)境，開發(fā)了水溶性高分子系列、水溶性玻璃系列以及鏈烷酸鹽高分子系列等白色或無色潤滑劑。但是潤滑性均沒有達到石墨潤滑劑的效果?，F(xiàn)在有的企業(yè)首先采用噴水冷卻模具，然后向模具表面噴射霧狀微細石墨液，水分瞬間蒸發(fā)，冷卻的同時形成石墨潤滑薄膜，不但廢液減少70％～80％，而且延長模具壽命約40％。

⑸模具預熱。模具預熱不僅提高金屬流動性，而且提高鍛模沖擊韌性，減小模具熱交變應力，所以模具的預熱可以防止模具早期失效，例如，過早開裂和熱龜裂。鍛模必須預熱，模具鋼綜合力學性能在250～400℃最好，如表1所示。所以，閉塞模鍛選定主機是前提，無氧化加熱是基礎(chǔ)，下料精度是關(guān)鍵，潤滑和精化模具設(shè)計、制造，規(guī)范操作等都是重要保證。這些要素都需要相互配合，任何環(huán)節(jié)失誤，都將影響工藝的成敗和鍛件的質(zhì)量。因此采用閉塞模鍛的企業(yè)，必須嚴格管理，提高企業(yè)管理水平。

工藝

分模面選擇、合模力（閉塞力）大小和合模力的施壓方式、凹模閉合和凸模（沖頭）施壓配合是閉塞模鍛工藝設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

⑴閉塞模鍛的鍛造力和合模力。鍛造力和合模力的計算（預測）在精密鍛造工藝的制定以及設(shè)備的選擇方面至關(guān)重要，它往往是影響閉塞鍛造成敗的關(guān)鍵因素。

⑵合模力對閉塞模鍛成形質(zhì)量的影響。當合模力（閉塞力）達到實際合模力的1.5倍左右時，閉塞模鍛達到穩(wěn)定工作狀態(tài)。閉合力過小則鍛件高度方向和尺寸不穩(wěn)定，并且容易出現(xiàn)毛刺或飛邊。閉合力過大不但浪費能量，還將造成模具模膛過度變形，造成鍛件尺寸超差，并影響模具壽命。

合模力的穩(wěn)定對保持鍛件尺寸穩(wěn)定極為重要。當精密鍛件某些尺寸略有超差時，有經(jīng)驗的操作工能通過調(diào)節(jié)合模力的方法來微調(diào)精密鍛件的尺寸。對于某些產(chǎn)品而言，統(tǒng)計合模力與鍛件尺寸之間的變化規(guī)律，對鍛件精度質(zhì)量控制有很大的幫助。閉塞模鍛合模力還可以起到保護模具和設(shè)備的作用，若設(shè)置的終鍛合模力準確，當坯料尺寸超過時，上凹模和下凹模會自動開啟，相當于多余金屬溢流，起到保護作用。若產(chǎn)品高度方向尺寸精度公差較大，并且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許時，模具設(shè)置的合模力可以取實際終鍛合模力的85％～90％。例如，半軸齒輪和行星齒輪等。由于合模力對鍛件尺寸精度影響很大，所以閉塞模鍛生產(chǎn)時，必須對合模力有可靠的調(diào)節(jié)和控制手段，即應設(shè)置可靠的調(diào)節(jié)機構(gòu)和控制機構(gòu)。

（未完待續(xù)）