熱精密閉式模鍛技術(shù) （上）

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會(huì)首席專家

熱精密閉式模鍛技術(shù) （上）

文/趙一平·中國鍛壓協(xié)會(huì)首席專家

自20世紀(jì)末以來，機(jī)械制造業(yè)處于科技創(chuàng)新時(shí)代，特別是汽車、火車和工程機(jī)械等行業(yè)得以迅速發(fā)展，而機(jī)械行業(yè)的發(fā)展拉動(dòng)了鍛造行業(yè)的快速發(fā)展，其中汽車工業(yè)是帶動(dòng)模鍛工業(yè)發(fā)展的主動(dòng)力（全世界每年生產(chǎn)鍛件總量中約60％是汽車模鍛件）。由此模鍛工業(yè)在模具設(shè)計(jì)、模具制造、鍛造成形、潤滑、節(jié)材節(jié)能環(huán)保和檢測技術(shù)等方面取得了豐碩的成果。其中，精密模鍛技術(shù)是提高汽車生產(chǎn)能力、提高零部件質(zhì)量以及提高汽車競爭力的支撐技術(shù)之一。根據(jù)相關(guān)資料，日本每年生產(chǎn)精密鍛件約占其總產(chǎn)量的1/4，其中相當(dāng)數(shù)量精密鍛件是熱精密閉式模鍛件。

精密模鍛

精密模鍛簡稱精鍛，是指零件模鍛成形后，可獲得具有較高表面質(zhì)量和尺寸精度鍛件的工藝過程。鍛件僅需少量機(jī)械加工或不再需要機(jī)械加工，就可用作機(jī)械構(gòu)件的成形技術(shù)，即近凈成形技術(shù)或凈成形技術(shù)。

應(yīng)用范圍

⑴精化毛坯?？扇〈智邢骷庸すば?，鍛件加工余量?。?.5mm左右）。

⑵精鍛零件。直接獲得成品零件，目前完全精鍛零件僅限于一些結(jié)構(gòu)簡單的回轉(zhuǎn)體類零件，如軸銷等，而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，如齒輪等，則只能將齒輪的齒形和端面直接成形為最終形狀，其余部位仍需采用切削加工。

分類

精密模鍛按坯料溫度分為熱鍛、溫鍛、冷鍛及復(fù)合精密模鍛。⑴熱鍛。在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的鍛造工藝。熱態(tài)下金屬塑性好，流動(dòng)應(yīng)力低，適合大變形量成形，但尺寸精度和表面粗糙度都差。⑵溫鍛。在高于室溫但低于再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的鍛造工藝。兼有熱鍛和冷鍛優(yōu)點(diǎn)，但尺寸精度和表面質(zhì)量沒有冷鍛好。⑶冷鍛。在室溫下進(jìn)行的鍛造工藝。鍛件精度高，可實(shí)現(xiàn)無切削或少切削加工，但變形抗力大，成形難度大，鍛件尺寸和材料也均受到限制，中間工序多（退火、磷化和皂化等），污染環(huán)境。⑷復(fù)合精密模鍛。將熱鍛、溫鍛和冷鍛技術(shù)組合使用，可獲得尺寸大、形狀復(fù)雜、精度高和表面質(zhì)量好的鍛件。本文介紹的熱精密閉式模鍛在國內(nèi)尚沒有大量采用，熱精密閉式模鍛或閉塞模鍛使用得更少。

精度等級(jí)

熱鍛、溫鍛和冷鍛零件的技術(shù)參數(shù)（僅供參考）見表1，例如，如果采用合適的設(shè)備和工藝，其中尺寸精度（標(biāo)注★）在熱精密模鍛時(shí)可以達(dá)到原公差的30％～50％。

冷精密模鍛工藝生產(chǎn)的直齒錐齒輪精度可達(dá)7～8級(jí)（GB/T11365-1989），可直接應(yīng)用于轎車；熱精密模鍛工藝生產(chǎn)的直齒錐齒輪精度可達(dá)10～11級(jí)（GB/T11365-1989），可直接應(yīng)用于載重車；精密模鍛葉片輪廓尺寸精度可達(dá)±0.05mm，厚度尺寸精度可達(dá)±0.06mm，表面粗糙度R a0.8～3.2μm。

表1 熱鍛、溫鍛和冷鍛技術(shù)參數(shù)

精密成形方法

精密成形方法有縮徑、擠壓、閉式模鍛和冷精整，還有許多先進(jìn)新工藝，如：可分凹模閉式模鍛（也稱閉塞模鍛和復(fù)動(dòng)模鍛）、降低成形壓力的分流鍛造法、控制流動(dòng)速度的背壓鍛造法以及利用摩擦成形鍛造法等。鍛件質(zhì)量受到鍛件材料、設(shè)備、模具和潤滑等因素的影響，一次完全掌握和控制這些因素是非常困難的。在生產(chǎn)中主要是靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試模來進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。有限元模擬技術(shù)為鍛造工藝設(shè)計(jì)提供了可靠的幫助，基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和有限元模擬技術(shù)的專家輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)和完善，將使縮短生產(chǎn)周期、降低成本、最優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成為可能。

經(jīng)濟(jì)分析

精密模鍛是否經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)批量的大小、節(jié)約原材料多少、減少機(jī)械加工的效果以及模具成本高低等因素有關(guān)，需要進(jìn)行具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。一般零件生產(chǎn)批量達(dá)到2000件以上時(shí)，具有明顯優(yōu)勢。

發(fā)展?jié)摿?/p>

熱精鍛加冷精整具有很大發(fā)展?jié)摿?。如前所述，冷精鍛件雖然尺寸精度高，表面質(zhì)量好，但成形抗力極高，具有相當(dāng)高的成形難度，僅應(yīng)用于碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛件尺寸也受到很大限制。另外，冷鍛和溫鍛設(shè)備價(jià)格昂貴。而熱精密模鍛時(shí)金屬變形抗力小，塑性好，鍛件容易充滿成形，但鍛件尺寸精度差，表面粗糙。若將兩者結(jié)合（熱精密模鍛加冷精整）就可以生產(chǎn)出尺寸大、精度高、表面質(zhì)量好的精密模鍛件。例如熱精鍛直齒錐齒輪的齒形精度可達(dá)到國標(biāo)（GB/T11365-1989）的10級(jí)或11級(jí)，可直接應(yīng)用于載重車使用。而熱精鍛加冷精整，其齒形精度則可達(dá)到國標(biāo)（GB/T11365-1989）的7級(jí)或8級(jí)，可直接應(yīng)用于轎車使用。由于熱精鍛設(shè)備、冷精整設(shè)備價(jià)格也較便宜，所以制造成本較低。例如某鍛造企業(yè)，采用16MN熱模鍛壓力機(jī)熱精密模鍛φ160mm以下直齒錐齒輪，設(shè)備價(jià)格約四百萬元，采用25MN液壓機(jī)冷精整，設(shè)備價(jià)格約一百二十萬元，共計(jì)約五百二十萬元。又某鍛造企業(yè)，采用16MN摩擦壓力機(jī)熱精密模鍛φ200mm以上直齒錐齒輪，設(shè)備價(jià)格約一百三十萬元，采用40MN油壓機(jī)冷精整，設(shè)備價(jià)格約五百二十萬元，共計(jì)約六百五十萬元。而一臺(tái)16MN冷、溫鍛壓力機(jī)價(jià)格約一千五百萬元。

閉式模鍛

一般模鍛生產(chǎn)時(shí)，在鍛件周圍都產(chǎn)生飛邊，飛邊不僅增加材料消耗（約占整個(gè)鍛件質(zhì)量10％～35％），而且還增大鍛造力（約占整個(gè)鍛造力的10％～40％）。因此，在模鍛中，減少飛邊或消除飛邊都是廣大工程技術(shù)人員追求的目標(biāo)。生產(chǎn)時(shí)不產(chǎn)生橫向飛邊的模鍛工藝稱閉式模鍛，其特點(diǎn)是凸模和凹模之間的間隙方向與模具運(yùn)動(dòng)方向平行。其中部分閉式模鍛屬精密模鍛，模鍛時(shí)不僅沒有飛邊，而且鍛件加工余量和制造公差都小，其單邊加工余量0.5～0.8mm，甚至更小，省略粗加工，是精化毛坯，屬精密模鍛范疇。

工藝過程

閉式模鍛過程和開式模鍛相似：鐓粗→充滿模膛→少量金屬擠入凸模和凹模間隙（產(chǎn)生縱向毛刺）。

⑴鐓粗階段。凸模鐓粗坯料至與模膛模壁接觸為止。

⑵充滿模膛階段。從鐓粗至完全充滿模膛為止，此時(shí)鍛擊力增加2～3倍。

⑶少量金屬擠入間隙階段。該階段基本已成為不變形剛體，此時(shí)產(chǎn)生極大的鍛擊力。這個(gè)階段的變形對(duì)閉式模鍛有害無益，不僅影響模具壽命，而且產(chǎn)生的縱向毛刺，清除也比較困難。

優(yōu)點(diǎn)

⑴提高材料利用率。閉式精密模鍛是既無飛邊，又減少加工余量和公差，所以材料利用率比開式模鍛件高。根據(jù)鍛件形狀，材料利用率可以提高10％～25％，其中厚壁齒輪閉式模鍛件的材料利用率可達(dá)95％。

⑵提高鍛件精度。閉式熱精密模鍛件加工余量小和公差小，提高鍛件尺寸精度。例如轎車變速箱齒輪鍛件精度要求高，其余量0.6～1mm，省略粗機(jī)械加工工序。徑向公差±0.4mm，高度公差±0.5mm，同軸度0.6～0.8mm，國內(nèi)外多數(shù)企業(yè)均采用價(jià)格昂貴的高速熱鐓鍛機(jī)閉式模鍛生產(chǎn)。

⑶減少能源消耗。由于減少了金屬消耗，故加熱和熱處理用的能源消耗降低了10％～50％。

⑷提高力學(xué)性能。①由于閉式模鍛時(shí)，坯料在閉式模鍛過程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以大大提高金屬允許的變形程度，特別適于成形低塑性難變形合金的復(fù)雜形狀鍛件，也提高金屬塑性和鍛件力學(xué)性能。②由于鍛件無飛邊，金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布，避免流線外露，改善鍛件組織，提高鍛件力學(xué)性能。流線不外露提高抗應(yīng)力腐蝕性能，對(duì)于應(yīng)力腐蝕敏感的鋁合金鍛件十分有利。

基本要求

⑴設(shè)備適用性。

1）設(shè)備精度。滑塊（錘頭）的導(dǎo)向精度以及工作臺(tái)面和滑塊底面的平面度、平行度、垂直度都必須在設(shè)備的精度范圍內(nèi)。

2）頂料裝置。頂料裝置應(yīng)具有足夠的頂出力、頂出（料）行程和頂出（料）延時(shí)，確保鍛件迅速從模膛頂出，并搬運(yùn)走。這是閉式模鍛順利生產(chǎn)的關(guān)鍵條件。

3）各種通用模鍛設(shè)備比較。①熱模鍛壓力機(jī)。a.封閉高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)靈敏：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)靈敏、可靠和穩(wěn)定，以滿足鍛件的高度公差要求，又避免設(shè)備發(fā)生悶車。b.鍛件壓力一行程曲線應(yīng)符合設(shè)備壓力一行程曲線：根據(jù)鍛件的鍛造力和鍛造行程，即鍛件的力能特性曲線，選擇合適的熱模鍛壓力機(jī)。c.鍛造力為靜壓力，故宜進(jìn)行擠壓工藝，但是必須使鍛件的力能控制在設(shè)備允許的壓力一行程曲線之內(nèi)。d.滑塊行程固定，只要坯料精確，溫度恒定和生產(chǎn)節(jié)拍固定，可保證上下模閉合高度穩(wěn)定，使鍛件在高度方向獲得較精確的尺寸。由于滑塊導(dǎo)向精度高，同時(shí)又采用帶導(dǎo)向裝置的模架，故鍛件在水平方向的尺寸余量小，精度高。e.具有多個(gè)上、下頂料裝置，能從上、下模中自動(dòng)頂出鍛件，所以鍛件模鍛斜度小，一般小于或等于1°，甚至可以不帶模鍛斜度。②螺旋壓力機(jī)：螺旋壓力機(jī)和熱模鍛壓力機(jī)一樣適合進(jìn)行閉式模鍛，但是在模架上應(yīng)設(shè)計(jì)承擊面。③模鍛錘（含程控全液壓模鍛錘）：模鍛錘一般沒有頂料裝置，故閉式模鍛有局限性。④模鍛液壓機(jī)：由于滑塊行程速度慢，鍛擊速率低，因而模具壽命低，不適合大批量熱閉式模鍛生產(chǎn)。

⑵坯料下料精度。

下料精度直接影響鍛件高度公差和端部縱向毛刺大小。對(duì)于熱模鍛壓力機(jī)閉式模鍛，還影響安全生產(chǎn)，防止設(shè)備悶車事故。控制下料精度的指標(biāo)是坯料的質(zhì)量公差和端面斜度。一般要求坯料質(zhì)量公差控制在坯料質(zhì)量±0.5％之內(nèi)，但對(duì)于每一個(gè)模鍛件均需要核算坯料下料質(zhì)量公差引起鍛件高度值變化占鍛件高度公差的比例，其值應(yīng)小于鍛件高度公差20％～25％。這對(duì)鍛件尺寸的波動(dòng)不算太大，是比較合適的，否則要減小下料重量公差。對(duì)于高度公差小于0.8mm和1.5mm的鍛件，坯料的端面斜度α分別控制在0.5°～2°和2°～3°之間。高速帶鋸床的下料端面斜度α≤0.5°，精度剪床的下料端面斜度α≤2°。

⑶坯料加熱。

1）嚴(yán)格控溫。為了減小鍛造力，提高金屬坯料的塑性，坯料的加熱溫度應(yīng)盡可能高，而且要嚴(yán)格控溫。例如，低合金結(jié)構(gòu)鋼的加熱溫度應(yīng)控制在（1230±20）℃之內(nèi)，避免過熱和過燒。

2）采用專用感應(yīng)器。對(duì)于中頻感應(yīng)加熱，其感應(yīng)器出料端口應(yīng)有保溫段，防止坯料的端部溫度降低，而且對(duì)于每個(gè)鍛件都應(yīng)設(shè)計(jì)專用感應(yīng)器。這樣燒損率少，其氧化皮似一層薄紙，鐓粗后能迅速被壓縮空氣吹掃干凈，經(jīng)測定其燒損率約0.35％，確保鍛件的表面質(zhì)量。

3）宜采用無氧化加熱。如果生產(chǎn)批量大，又經(jīng)濟(jì)合理，可以采用無氧化加熱，確保鍛件表面質(zhì)量。

⑷規(guī)范操作。

閉式模鍛的操作必須牢記兩點(diǎn)：其一，閉式模鍛件不易返修；其二，操作中最忌諱粘模。以下為注意事項(xiàng)：

1）每次開始生產(chǎn)時(shí)節(jié)拍不要太快，以不產(chǎn)生誤動(dòng)作為原則，按操作熟練程度逐步提高節(jié)拍，并按節(jié)拍進(jìn)行生產(chǎn)。

2）每個(gè)工步都應(yīng)準(zhǔn)確定位，特別是第一工步（鐓粗）的坯料必須放正，使坯料成形金屬分布均勻。

3）必須及時(shí)、規(guī)范地進(jìn)行模具冷卻和潤滑，務(wù)必每鍛完一件，就要冷卻和潤滑一次。

4）嚴(yán)格模具預(yù)熱，對(duì)于4Cr5MoSiV1（H13）模具，預(yù)熱溫度150～200℃為宜，并且預(yù)熱溫度要均勻。

5）調(diào)整好風(fēng)管的位置，吹掃干凈坯料鐓粗后的氧化皮，并吹掃干凈預(yù)鍛模膛和終鍛模膛內(nèi)的氧化皮。

6）選用合手的夾鉗，輕拿輕放，不拋扔鍛件，防止磕碰。

為保證鍛件的質(zhì)量和精度，車間組織者應(yīng)盡量協(xié)調(diào)各工種，為機(jī)組操作者創(chuàng)造連續(xù)生產(chǎn)的條件和環(huán)境，以降低鍛件尺寸的波動(dòng)，應(yīng)實(shí)行專人、專機(jī)操作管理。如果產(chǎn)量大，可以安裝步進(jìn)梁機(jī)械傳送裝置或機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。（未完待續(xù)）

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