溫鍛與冷鍛之基本（連載十三）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司 小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本（連載十三）

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轉(zhuǎn)向接頭用Y形支架閉塞鍛造模具的閉塞機構(gòu)

在上一期連載中我們簡單地介紹了轉(zhuǎn)向接頭用Y形支架水平狀態(tài)成形的閉塞鍛造模具，它的主要特點是：

⑴無論Y形支架是否有螺栓孔等突起部位都可以從上下分割的模具中取出。

⑵Y形部分的成形沖頭和軸下部孔成形的沖頭都是通過滑塊的運動對錐板進(jìn)行加壓，在上期連載所講述的模具斷面圖中只有錐板加壓的動作，但實際上還需要有使各個沖頭返回的機構(gòu)。

⑶模具的閉塞是由油缸進(jìn)行的。

與上期連載所講述的模具斷面圖相比，下面圖1所示的模具斷面圖增加了閉塞用的油壓機構(gòu)，由此組成了Y形支架閉塞鍛造的專用模具。接下來我們便利用這個圖對Y形支架的閉塞鍛造過程作個比較詳細(xì)的說明。

圖1 Y形支架閉塞鍛造完成時的模具斷面圖

圖中的閉塞力F并不是壓機的加壓負(fù)荷，這個力要大于成形過程中成形品對模具閉塞的抵抗力(加工內(nèi)壓），目的是要使上下模具的接觸面之間不產(chǎn)生間隙。加工內(nèi)壓來自水平方向Y形部分成形和軸下部開孔時形狀變化對模具造成的壓力。隨著沖頭的行進(jìn)，Y字形的形狀逐漸成形，軸向的斷面積隨之變小，同樣軸下部的孔也逐漸形成。軸向的斷面減少率越大，加工內(nèi)壓越高，促使模具張開的力就越大。如果是在溫鍛的溫度范圍內(nèi)加工，當(dāng)斷面減少率達(dá)到50%左右時，材料的變形應(yīng)力正好是其拉伸強度的2～4倍，這也就是說，要按照這樣的變形應(yīng)力來計算確定其斷面減少率。Y形支架閉塞鍛造時所需要的最低限度的閉塞力F等于加工內(nèi)壓和Y形支架投影面積(圖2）的乘積。

圖2 Y形支架的投影面積

眾所周知，在溫鍛加工中溫度的變化特別是溫度的下降速度很快時，材料的變形應(yīng)力很容易變高。只靠最低限度的模具閉塞力模具很容易被打開，況且還存在有其他的因素，如圓棒直徑或切斷長度等微小的差異都會使坯料的體積發(fā)生變化，當(dāng)體積大于模具內(nèi)腔的容積時就會使成形負(fù)荷上升。當(dāng)圓棒坯料的直徑比閉塞模具的尺寸稍大時(即使是只大一點點），首先需要把圓棒擠壓后才能使模具關(guān)閉，如果把油缸的閉塞力設(shè)定在最低限度，那模具很容易就會被打開，因此一般都會把閉塞力設(shè)定為變形應(yīng)力的1.2～1.3倍，這樣成形品的精度可以有一個很好的保證。由于模具內(nèi)產(chǎn)生閉塞力的油缸的面積不能隨意增減，所以經(jīng)常把產(chǎn)生油壓的油泵的輸出力的70%設(shè)定為閉塞油缸的使用壓力上限，給油壓系統(tǒng)留出富余。一般油壓系統(tǒng)的最大壓力系列為7MPa、14MPa、21MPa、35MPa，其閉塞油缸都比較緊湊。

但是，在模具內(nèi)裝有閉塞油缸的情況下，上模的油管要與滑塊一起進(jìn)行上下運動，因此油管的材料不能使用鋼管，要使用可以承受高壓的橡膠管，橡膠管的彎曲直徑要大，不僅如此，在橡膠管的外面還要加裝一些鋼絲網(wǎng)類的東西，以防止油管被擦傷等。而且為了作業(yè)人員的安全，還應(yīng)該在鋼絲網(wǎng)的外面覆蓋2mm厚的透明塑膠管，理由有以下幾個：當(dāng)油管發(fā)生損傷時，可以通過透明的塑膠管及時發(fā)現(xiàn)情況；萬一油管產(chǎn)生小洞或破裂而導(dǎo)致高壓油噴出時，塑膠管可以阻斷高壓油對操作人員的傷害，也可以防止噴出的油與高溫坯料接觸后而發(fā)生火災(zāi)；另外還可以防止油管被污濁。

閉塞鍛造壓機閉塞裝置的設(shè)置

設(shè)置在模具內(nèi)

此種設(shè)置方式的特點如下：

⑴將油缸設(shè)置在模具內(nèi)的方法可以針對每一件成形品進(jìn)行設(shè)計制作，可以說是專用的模具，對每一件成形品來說都是最合適也是最容易的方法。

⑵由于油缸被組裝到了模具上，所以在模具調(diào)整完畢時閉塞裝置的調(diào)整也就完成了。

⑶每一次換模后不需要進(jìn)行微調(diào)即可使用，只要進(jìn)行油管的解脫和連接即可。

⑷由于油缸是裝在模具里面的，所以模具的整體費用增加了。

⑸由于油缸是裝在模具里面的，所以模具的整體高度也增加了，加大了對壓機閉模高度的要求。一般閉模高度大的壓機能力也大，這就增加了壓機的成本。

設(shè)置在壓機上

這種方法是將油缸設(shè)置在滑塊上或者設(shè)置在底座里或工作臺里，通過緩沖銷或壓力銷間接地對模具起到閉塞的作用。

此種設(shè)置方式的特點如下：

⑴由于油缸沒有裝在模具內(nèi)，故使得模具重量減輕了，高度降低了，費用也減少了。

⑵不需要壓機有較高的閉模高度。

⑶如果壓機緩沖銷的位置已經(jīng)固定，那么對某一件成形品來說就不一定每一個銷子的位置都是非常合適的，因此壓機緩沖裝置的緩沖銷必須是能夠自由拔出、插入的形式，閉塞裝置使用的緩沖銷的位置一定要能夠根據(jù)成形件的形狀和大小進(jìn)行變換。在進(jìn)行模具設(shè)計時，要對緩沖銷的位置進(jìn)行調(diào)查和調(diào)整來滿足生產(chǎn)的需要。在保證模具剛性的基礎(chǔ)上要充分考慮到前后左右閉塞力的平衡，最大限度地設(shè)定緩沖銷的位置和數(shù)量。與拉深加工時使用的緩沖銷不同，模具閉塞裝置使用的緩沖銷的長度必須用同樣的辦法來管理其基本長度。另外，閉塞力非常大，對承受閉塞用緩沖銷力的油壓活塞的受壓面的損傷非常劇烈，這會使成形件的平坦度受到不同程度的負(fù)面影響，因此，即使不用交換油壓活塞，為了維持成形件的平坦度，最好還是使用能拆卸并經(jīng)過熱處理的上壓板。即便緩沖銷的尺寸只有0.01mm的誤差，也會加大閉塞力而使緩沖銷發(fā)生彈性變形導(dǎo)致長度縮短，所以要定期地交換合乎模具尺寸的銷，或者定期地對銷進(jìn)行機加工和長度的微調(diào)，精確地管理好銷的長度，維持好銷的尺寸精度。

旋轉(zhuǎn)斜齒輪的閉塞鍛造

在汽車零部件中，無論是驅(qū)動部分還是其他部分都有很多適合閉塞鍛造和溫鍛的部品，如圖3所示的汽車變速器上的旋轉(zhuǎn)斜齒輪便是其中的一種。

圖3 汽車變速器上的旋轉(zhuǎn)斜齒輪

圖3 中齒輪的齒長方向不是與旋轉(zhuǎn)軸平行的，大約有20°的傾斜角，這種齒輪叫作旋轉(zhuǎn)斜齒輪。旋轉(zhuǎn)斜齒輪尺寸小、回轉(zhuǎn)力大、噪聲小。旋轉(zhuǎn)斜齒輪既有圖3所示這樣分度圓直徑不到30mm的，也有分度圓直徑在100mm以上的，當(dāng)然齒形的尺寸也會相應(yīng)增大。

旋轉(zhuǎn)斜齒輪要求有很好的耐久性，有時候要對其實施淬火處理或使用特殊鋼的坯料，因此對這樣的鋼材實施冷鍛時的成形負(fù)荷是一般的冷鍛壓機難以承受的?，F(xiàn)在一般采取的方法是對小齒輪的成形使用冷鍛，對大齒輪的成形使用溫鍛。

對齒輪類零件實施鍛造成形時要注意，材料在模具中流動時，越接近狹窄處(齒形的最前端），對材料流動的抵抗力越大，控制不好的話便會發(fā)生齒形上缺肉的現(xiàn)象。

下面對旋轉(zhuǎn)斜齒輪的閉塞鍛造過程做一個簡要的說明，坯料是管狀的，如圖4所示，模具如圖5所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)斜齒輪的坯料

⑴放入坯料，模具閉塞，插入芯棒。

當(dāng)坯料被送入模具后通過主要加壓機構(gòu)油缸使模具閉塞，再使用另外的加壓機構(gòu)把一個有直徑差(大直徑和小直徑兩段）的芯棒的大直徑部分壓入到坯料里。

⑵壓機滑塊加壓，模具下降，芯棒保持在原有位置。

模具在油缸的作用下下降，芯棒的位置保持不變，坯料受到下部沖頭的支撐保持在原有位置也不下降。隨著上模的下降，向坯料施加的壓力使坯料被壓進(jìn)齒形部分的空間里。這時臺階式芯棒的大直徑形成旋轉(zhuǎn)齒輪的內(nèi)徑孔，內(nèi)徑孔和芯棒的小直徑之間會產(chǎn)生空隙，這個空隙對因內(nèi)壓引起的坯料的流動起到了很好的作用。向模具齒部流動的材料不僅向齒牙前端流動，還要向齒筋部流動，必須要保證模具的齒形部不能缺肉，成形出正確的齒形。這種工藝的最大特征就是利用有直徑差的芯棒，在加壓中使坯料與芯棒之間形成空隙，這個空隙可以使成形內(nèi)壓降低，內(nèi)壓的降低就可以使模具的彈性變形減少，為齒形的高精度做出貢獻(xiàn)。

⑶模具繼續(xù)下降，芯棒上升。

模具繼續(xù)下降，坯料繼續(xù)被壓縮，這時開始提起芯棒，材料向坯料的齒部開始流入，滑塊到達(dá)下死點時齒輪的齒牙成形完成。

在實際生產(chǎn)中，模具的加壓機構(gòu)、芯棒的動作機構(gòu)是采用伺服方法來進(jìn)行控制的。

以上是對溫鍛閉塞成形的說明，下面講一下溫鍛成形使用的壓機。

圖5 旋轉(zhuǎn)斜齒輪的閉塞鍛造模具和動作

溫鍛用壓機

溫鍛的特點

溫鍛與20℃常溫下的鍛造(也叫冷鍛）有很多的不同之處，它是在800℃(至少600℃）～1000℃之間進(jìn)行的，沒有熱鍛那樣的高溫，也不需要像熱鍛那樣的專門的熱鍛壓機，用熱鍛壓機來進(jìn)行溫鍛在成本上是很浪費的。溫鍛的溫度比熱鍛低，變形抗力要比熱鍛時高，這就要求模具要同時承受較高的熱應(yīng)力和變形抗力。相比超過1000℃的熱鍛來說雖然負(fù)擔(dān)會小一點，但是也要盡量減少高溫材料在模具里的時間，因此使用的壓機一般都可以在較高的行程速度下運轉(zhuǎn)。雖然較高的行程速度會帶來一定的沖擊載荷，但為了減少熱量帶來的負(fù)擔(dān)，只能在成形的精度上做出一點犧牲了。

熱鍛后還需要有一道整形工序，但是對于像連桿一類的有一定厚度、在形狀上和軸徑的精度上要求不高的部品，一般就不再進(jìn)行整形加工了。

現(xiàn)在，溫鍛成形的部品大多數(shù)是坯料重量在1kg以下的汽車驅(qū)動部品和動力傳動部品，雖然可以像熱鍛加工一樣在鍛造成形后設(shè)定一個整形的工序，但是由于部品的精度要求不是很高，所以一般在溫鍛成形時就要使其達(dá)到精度要求，因此在使用溫鍛成形方法時要在氧化皮發(fā)生量的控制、后續(xù)加工時的溫度保持等問題上始終要有保持精度的意識。

溫鍛壓機的特點

由于溫鍛壓機是用來加工等速接頭等驅(qū)動系統(tǒng)部件的，所以它不同于以板材為坯料的鍛造加工，這是溫鍛壓機最大的特征。

⑴公稱能力一般在2500～40000kN之間。

⑵由于成形過程中溫鍛壓機要在變形抗力很大的狀態(tài)下工作，所以盡管這個抵抗力沒有冷鍛成形時高，但是也需要有較高且不亞于冷鍛壓機的公稱能力發(fā)生位置。冷鍛壓機的公稱能力發(fā)生點根據(jù)公稱能力的大小有所不同，一般在下死點以上10～25mm，肘桿式冷鍛壓機的公稱能力發(fā)生點在下死點以上5～8mm。

⑶一般溫鍛壓機的行程長度在200～300mm，當(dāng)加工較長的部品(軸類件）時則需要較長行程的溫鍛壓機。

⑷溫鍛壓機可能達(dá)到的作業(yè)能量為壓機的公稱能力和公稱能力發(fā)生點的乘積，它是溫鍛壓機最基本的規(guī)格特征。該項指標(biāo)會因溫鍛壓機用途不同、機種不同、生產(chǎn)廠家不同等而有不同程度的差異，這是我們在選擇溫鍛壓機時必須要首先確定的重要指標(biāo)。