超硬鋁合金機(jī)匣體流動(dòng)控制成形工藝及裝備

文/ 鄧?yán)冢跣略?，夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳學(xué)著，胡治，范青松·重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司黃時(shí)明，張勇·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

超硬鋁合金機(jī)匣體流動(dòng)控制成形工藝及裝備

文/ 鄧?yán)冢跣略?，夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳學(xué)著，胡治，范青松·重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司黃時(shí)明，張勇·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

機(jī)匣體是槍械上的關(guān)鍵零件之一.其質(zhì)里對(duì)槍械的整體性能有很大影響。近年來(lái).采用密度小、強(qiáng)度高和剛度高的7A04超硬鋁合金代替優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼制造機(jī)匣體.符合常規(guī)兵器輕里化的發(fā)展方向。

此前.這類鍛件主要采用普通模鍛和等溫模鍛生產(chǎn)。普通模鍛僅能鍛出機(jī)匣體兩個(gè)側(cè)面的形狀.U形型槽無(wú)法鍛出.飛邊金屬損耗大.機(jī)加工余里大.材料利用率低；等溫模鍛時(shí).材料利用率較高.但生產(chǎn)效率低.且模具使用壽命低。7A04鋁合金常規(guī)精鍛成形存在兩個(gè)方面的技術(shù)難題：⑴7A04超硬鋁合金塑性差、流動(dòng)阻力大、應(yīng)變速率敏感性強(qiáng).鍛造溫度范圍僅在380～450℃之間.導(dǎo)致模鍛時(shí)鍛件容易開裂；⑵機(jī)匣體（圖1）沿長(zhǎng)度方向具有U形型槽.兩側(cè)及底面分布有細(xì)而長(zhǎng)的筋條、異形凸臺(tái)、多重臺(tái)階.結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

流動(dòng)控制成形新工藝所生產(chǎn)的鍛件形狀及尺寸精度十分接近成品零件.具有節(jié)材、節(jié)能、提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率等突出優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)這種新工藝以及實(shí)現(xiàn)這種新工藝的模具與壓力機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。

圖1 機(jī)匣體三維實(shí)體造型

二工位流動(dòng)控制成形新工藝

工藝路線及成形過(guò)程

機(jī)匣體流動(dòng)控制成形工藝路線為：下料→加熱→制坯→二工位流動(dòng)控制成形（預(yù)鍛+終鍛）。其中.二工位流動(dòng)控制成形工藝示意圖如圖2所示。其成形過(guò)程是.上凹模在上限位置時(shí).將加熱好的制坯工件放入下凹模左邊預(yù)鍛模膛中.上凹模下行將工件壓扁至與下凹模閉合.預(yù)鍛凸模由左向右移動(dòng).迫使工件變形直至與閉合的凹模接觸完成預(yù)鍛成形為止.預(yù)鍛凸模后退復(fù)位；上凹模向上移動(dòng)至初始位置.將預(yù)鍛件取出翻轉(zhuǎn)180。放入下凹模右邊的終鍛模膛中到上凹模下行與下凹模接觸為止.終鍛凸模由右向左移動(dòng).對(duì)預(yù)鍛件施加作用力.迫使終鍛模膛完全充滿.終鍛凸模后退復(fù)位.上凹模向上移動(dòng)到初始位置后取出鍛件。

圖2 機(jī)匣體二工位流動(dòng)控制成形工藝示意圖

二工位流動(dòng)控制成形工藝優(yōu)化

由于機(jī)匣體形狀復(fù)雜.細(xì)節(jié)特征多.成形過(guò)程中容易出現(xiàn)折疊和充不滿的缺陷.加上毛坯變形程度大.一步難以成形。因此.必須在終鍛成形前進(jìn)行一次預(yù)鍛。預(yù)鍛件的設(shè)計(jì).基于機(jī)匣體屬于長(zhǎng)板條結(jié)構(gòu).其模鍛成形遵循平面變形規(guī)則.即前期的制坯工件在預(yù)鍛成形時(shí)其長(zhǎng)度尺寸基本保持不變.僅各橫截面產(chǎn)生變形；以終鍛件為基礎(chǔ)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化.基于這種方法所設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件如圖3所示。

圖3 機(jī)匣體預(yù)鍛件

終鍛時(shí).成形出兩個(gè)側(cè)面上的凸臺(tái)、凹坑、細(xì)長(zhǎng)筋條、多重臺(tái)階和底面上的肋板等.其形狀和尺寸精度達(dá)到零件要求.同時(shí)成形出較深的U形型槽.達(dá)到圖1所示的近凈成形的目的.即機(jī)匣終鍛件兩側(cè)及底部完全達(dá)到成品零件的尺寸精度與表面粗糙度的要求.僅頂面及U形型槽內(nèi)部留有較小的機(jī)加工余里。

流動(dòng)控制成形機(jī)理

預(yù)鍛減壓式流動(dòng)控制成形機(jī)理

預(yù)鍛流動(dòng)控制成形的機(jī)理是.通過(guò)在封閉模膛中窄而深的型腔部位或雖然不是窄而深但過(guò)渡圓角小難以成形出清晰輪廓的部位設(shè)置流動(dòng)控制腔.在預(yù)鍛成形的過(guò)程中.自控制腔至金屬流入的起始位置造成由小到大的壓應(yīng)力梯度場(chǎng).以確保模膛中難于充滿的部位順利充填成形。

如圖2左半部分所示.在預(yù)鍛模膛中對(duì)應(yīng)于圖1所示機(jī)匣體肋板底面的下邊將其型腔向右延長(zhǎng)4～5mm.肋板型腔的延長(zhǎng)部分稱為減壓式流動(dòng)控制腔。預(yù)鍛時(shí).制坯工件在凸模作用下.肋板部分產(chǎn)生正向擠壓成形.其他部分為閉式鐓粗與反擠成形。當(dāng)成形結(jié)束時(shí).肋板底面為自由表面.于是肋板部分自底面至肋板型腔入口處就會(huì)形成壓應(yīng)力由“0”至最大值的梯度場(chǎng).這不僅有利于窄而高的肋板成形.而且也有利于降低其成形力。

終鍛阻尼式流動(dòng)控制成形機(jī)理

如圖2右半部分所示.將終鍛凸模的單邊寬度比凹模寬度減小1.5～2mm.形成阻尼式流動(dòng)控制腔。當(dāng)預(yù)鍛件在終鍛模膛中終鍛凸模對(duì)其施加作用力產(chǎn)生反向擠壓.成形出U形型槽前.其多余金屬被擠入模膛上、下兩邊的分流控制腔中形成薄的縱向飛邊。隨著縱向薄飛邊的增長(zhǎng).因冷卻快其阻力快速增大.在工件內(nèi)部形成強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài).迫使金屬橫向流動(dòng)而使凹模壁上的凸臺(tái)、淺坑、多重臺(tái)階和細(xì)長(zhǎng)筋條等完全充滿成形.而肋板部分以鐓粗的方式成形.從而獲得所有細(xì)節(jié)特征輪廓清晰的精密鍛件。

二工位流動(dòng)控制成形模具

機(jī)匣體二工位流動(dòng)控制成形模具是根據(jù)二工位流動(dòng)控制成形工藝示意圖進(jìn)行的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。其設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：⑴為了讓機(jī)匣體兩側(cè)及底部均能達(dá)到零件的要求.將預(yù)鍛和終鍛凹模均設(shè)計(jì)成上、下兩半可分凹模；⑵在圖2左邊所示的預(yù)鍛凹模底面對(duì)應(yīng)于的肋板型腔右邊設(shè)計(jì)出減壓分流控制腔.在圖2右邊所示的終鍛凸凹模兩側(cè)設(shè)計(jì)出阻尼式分流控制腔；⑶上、下凹模制造時(shí)應(yīng)確保其閉合后所有尺寸精度較零件相應(yīng)的尺寸精度提高1～2級(jí).凸、凹模表面粗糙度較零件表面粗糙度降低1～2級(jí).最好拋光至Ra0.1～0.2μm.以減少預(yù)鍛和終鍛成形時(shí)的流動(dòng)阻力和確保光潔的表面質(zhì)里。由此設(shè)計(jì)制造的機(jī)匣體二工位流動(dòng)控制成形即二工位多向精鍛模具.如圖4所示。

圖4 機(jī)匣體二工位多向精鍛模具

二工位多向精鍛液壓機(jī)

根據(jù)高強(qiáng)度鋁合金的特性.華中科技大學(xué)與湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司及黃石華力鍛壓機(jī)床有限公司合作研制出將肘桿式機(jī)械壓力機(jī)高剛性框架機(jī)身、加長(zhǎng)滑塊及精密導(dǎo)向機(jī)構(gòu).與快速空程、慢速壓制的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合.且可實(shí)現(xiàn)快慢準(zhǔn)確控制的新型精鍛壓力機(jī)。其特點(diǎn)是既能滿足高強(qiáng)度鋁合金零件熱精鍛成形.也能滿足黑色金屬零件冷、溫精鍛成形.同時(shí)又具有較高的生產(chǎn)效率。所研制的YK34J-1600/C1250型二工位多向精鍛液壓機(jī)如圖5所示.主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)經(jīng)專家鑒定認(rèn)為達(dá)到或接近國(guó)外同類設(shè)備先進(jìn)水平.其價(jià)格僅為進(jìn)口的1/3.具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

圖5 YK34J-1600/C1250二工位多向精鍛液壓機(jī)

產(chǎn)業(yè)化開發(fā)及應(yīng)用

2009年底.重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司運(yùn)用上述成果.建立了由精密下料、連續(xù)式電阻加熱爐、制坯設(shè)備和YK34J-1600/C1250型二工位多向精鍛液壓機(jī)、二工位多向精鍛模具及后續(xù)工序所組成的7A04高強(qiáng)度鋁合金機(jī)匣體精鍛生產(chǎn)線.實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)開發(fā)。

精鍛液壓機(jī)除了滑塊導(dǎo)向精度要高.機(jī)身剛性要好外.其空程速度應(yīng)為400～500mm/s.成形速度應(yīng)為30～40mm/s?；瑝K上、下空程速度快是為了提高生產(chǎn)效率.而成形速度的選擇至關(guān)重要.當(dāng)成形速度過(guò)低時(shí).毛坯溫度下降快.不僅使鋁合金流動(dòng)性能下降.變形抗力增大.而且很容易導(dǎo)致速度敏感性增強(qiáng)；當(dāng)成形速度過(guò)高時(shí).因塑性變形能轉(zhuǎn)換為熱能.很容易導(dǎo)致毛坯溫度快速上升超過(guò)始鍛溫度.使晶粒長(zhǎng)大.金相組織及力學(xué)性能大幅降低；當(dāng)成形速度為30～40mm/s時(shí).為最佳范圍.鋁合金在這種速度下變形.其塑性變形能轉(zhuǎn)換成的熱里剛好可以補(bǔ)充毛坯在變形過(guò)程中散發(fā)的熱里.不僅使毛坯溫度降低慢.甚至還有局部升溫.加上鍛前模具預(yù)熱到200～250℃時(shí).不僅可起到等溫模鍛的效果.而且生產(chǎn)效率和鍛件質(zhì)里顯著提高。

鋁合金機(jī)匣體精鍛生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)了多種機(jī)匣體精密模鍛的批里生產(chǎn).其中.生產(chǎn)最多的兩種機(jī)匣體精密模鍛件.如圖6所示。經(jīng)檢測(cè).鍛件兩側(cè)及底部其形狀及尺寸精度、表面粗糙度、內(nèi)在質(zhì)里均達(dá)到或超過(guò)成品零件的要求.外觀視覺效果和手感好.僅U形型槽經(jīng)少里機(jī)加工后.通過(guò)化學(xué)處理即可裝配使用。

結(jié)束語(yǔ)

采用該項(xiàng)技術(shù)成果生產(chǎn)同傳統(tǒng)的錘上模鍛工藝進(jìn)行比較.機(jī)匣體二工位流動(dòng)控制成形工藝具有以下3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

⑴材料利用率由48%以下提高到85%以上。

⑵加熱火次由3次減為1次.加上節(jié)材帶來(lái)的加熱節(jié)能效果.可節(jié)約加熱能耗70%以上。

⑶減少機(jī)加工工作里50%。

同采用等溫鍛造工藝進(jìn)行比較.機(jī)匣體二工位流動(dòng)控制成形工藝具有以下3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

⑴材料利用率由74%提高到85%以上。

⑵生產(chǎn)效率提高5倍以上。

⑶模具使用壽命大幅提高。

鄧?yán)?講師.主要從事精密塑性成形技術(shù)和形狀—性能一體化控制理論的研究.獲得授權(quán)專利3項(xiàng)。