分模鍛造與多向模鍛技術(shù)的概況與應(yīng)用

文/莊武豪·武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

胡亞民，華林·武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

分模鍛造與多向模鍛技術(shù)的概況與應(yīng)用

文/莊武豪·武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

胡亞民，華林·武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

模鍛工藝可以分為開(kāi)式模鍛和閉式模鍛。開(kāi)式模鍛的鍛件沿著分模面周?chē)纬蓹M向飛邊（圖1a），閉式模鍛亦稱無(wú)飛邊模鍛，其特征為模鍛時(shí)坯料在封閉的模膛中成形，因此閉式模鍛可以使鍛件的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量最大限度地接近于成品零件。閉式模鍛分為整體凹模閉式模鍛和可分凹模閉式模鍛，后者又稱分模鍛造。

圖1 模鍛分類簡(jiǎn)圖

分模鍛造又稱為復(fù)動(dòng)成形或閉塞鍛造，其特點(diǎn)為凹模可分，能夠保證復(fù)雜的鍛件從形腔中順利取出。分模鍛造的成形過(guò)程為可分凹模在一定壓力下合并成模腔，毛坯在模腔中定位，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)沖頭對(duì)其施加壓力，使金屬充滿封閉型腔，然后沖頭回程，可分凹模打開(kāi)，取出鍛件。

多向模鍛是一種能夠?qū)崿F(xiàn)自不同方向同時(shí)或先后對(duì)毛坯進(jìn)行擠壓，從而在一次加熱和壓力機(jī)一次行程中獲得形狀復(fù)雜鍛件的特殊分模鍛造。對(duì)于多向模鍛，可根據(jù)所用設(shè)備的不同分為兩類：一類是在通用鍛壓設(shè)備（如熱模鍛壓力機(jī)或普通曲柄壓力機(jī)、液壓機(jī)和螺旋壓力機(jī)）上使用多向模鍛專用模架和可更換的凸、凹模鑲塊實(shí)現(xiàn)的多向模鍛，該類多向模鍛的設(shè)備通用性高，但模具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有效成形力受設(shè)備和模架的限制，只能用于生產(chǎn)一些中小型鍛件。另一類多向模鍛是采用專用的機(jī)械式、液壓式或“機(jī)械—液壓”聯(lián)合式多向模鍛壓力機(jī)，該類多向模鍛的設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不同方向的成形壓力分別由獨(dú)立的壓力系統(tǒng)提供，能夠保證各方向均有足夠大的成形力，適用于成形大型的、形狀復(fù)雜的鍛件。

分模鍛造的優(yōu)點(diǎn)

分模鍛造作為閉式模鍛的一種，與開(kāi)式模鍛相比較，具有以下特點(diǎn)：

⑴能夠成形的鍛件范圍廣。由于分模鍛造的凹?？煞?，因此可以解決其他模鍛存在的無(wú)法脫模的問(wèn)題，能夠成形帶有孔型或表面形狀相當(dāng)復(fù)雜的鍛件。而且分模鍛造的毛坯處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬的塑性，能夠鍛造塑性差、鍛造溫度范圍窄的高合金鋼，如鈦合金、鎳基合金等。

⑵提高鍛件質(zhì)量。分模鍛造能使鍛件與成品零件的形狀非常接近，使金屬纖維沿零件輪廓連續(xù)分布，變形金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高金屬材料的塑性，防止零件內(nèi)部出現(xiàn)疏松，避免某些合金材料在變形較大時(shí)產(chǎn)生表面裂紋，因此產(chǎn)品力學(xué)性能較一般開(kāi)式模鍛件可提高25%以上。此外，由于鍛件無(wú)飛邊，不會(huì)因切邊而形成纖維外露，這對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感的材料和零件抗腐蝕氣氛是有利的。

⑶提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。分模鍛造可以實(shí)現(xiàn)大變形，能夠在一次加熱內(nèi)一次成形復(fù)雜的鍛件，減少甚至取消模鍛制坯工藝，大大減少了模鍛制坯工步。分模鍛造還可以實(shí)現(xiàn)少無(wú)飛邊鍛造，可省去切邊工步和一些輔助工步，生產(chǎn)效率平均可提高25%～50%。由于減少了制坯工步，省去了切邊工步和輔助工步，因而比較容易實(shí)現(xiàn)模鍛的自動(dòng)化生產(chǎn)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

⑷節(jié)約材料和能源的能耗。分模鍛造屬于以擠壓為主的閉式模鍛，飛邊很少或根本不產(chǎn)生，拔模斜度也可以很小（1°～3°）甚至為零，可以使鍛件的形狀最大限度地接近成品零件的形狀，因而能大大節(jié)約材料，同時(shí)也節(jié)約加熱毛坯所用的能源。其次，分模鍛造能夠?qū)崿F(xiàn)一火成形，減少了坯料多次加熱所消耗的能源。

分模鍛造的設(shè)備及模具結(jié)構(gòu)

普通鍛壓設(shè)備上常用的分模鍛造模具結(jié)構(gòu)

在分模鍛造模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需根據(jù)鍛件形狀，可分凹模的分模方式和夾緊機(jī)構(gòu)及所選設(shè)備等進(jìn)行設(shè)計(jì)。按照可分凹模的分模方向，可以分為水平分模，垂直分模和混合分模，其中前兩者容易在普通壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)，而混合分模一般在多向模鍛壓力機(jī)上使用。針對(duì)不同的分模形式對(duì)應(yīng)不同的夾緊裝置，夾緊裝置的設(shè)計(jì)是分模鍛造模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。目前采用分模鍛造的模具結(jié)構(gòu)主要有以下4種。

⑴彈性?shī)A緊式分模鍛造的模具結(jié)構(gòu)。彈性?shī)A緊式模具結(jié)構(gòu)由彈性元件壓縮時(shí)產(chǎn)生的彈力進(jìn)行合模和夾緊，可以分為螺旋圓柱形彈簧、碟形彈簧、橡膠、氮?dú)鈴椈梢约安ＡЮw維酚醛塑料（玻璃鋼）彈性元件等形式。

圓柱形彈簧的彈力較小，要獲得較大合模力所需的圓柱形彈簧數(shù)量多，蝶形彈簧較圓柱形彈簧能夠提供更大的合模力，但蝶形彈簧的壓縮行程不大，需要多層碟簧才能獲得較大的壓縮行程。使用玻璃纖維酚醛塑料作為彈性元件可以使模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、剛性好，且玻璃鋼化學(xué)穩(wěn)定性好，耐疲勞。但玻璃鋼的壓縮變形程度較小，在2t/cm2的壓力作用下，僅壓縮7%，因此僅適用于十字頭等成形行程較小的鍛件。

圖2為一種螺旋圓柱形彈簧與碟形彈簧的分模鍛造模具結(jié)構(gòu)，合模力來(lái)自圓柱形彈簧和碟形彈簧的壓縮作用，但由于受壓力機(jī)結(jié)構(gòu)空間的限制，所能安置彈簧的數(shù)量及大小有限，一般只限500～600kN的合模力。故只適宜于模鍛小型十字軸和三銷(xiāo)軸。

圖2 彈簧夾緊式模具結(jié)構(gòu)

⑵液壓夾緊式分模鍛造的模具結(jié)構(gòu)。液壓夾緊式模具結(jié)構(gòu)是通過(guò)液壓油的壓力來(lái)提供合模力，較彈性式夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊力大且穩(wěn)定可靠，同時(shí)模具的壓縮行程也比彈性式夾緊機(jī)構(gòu)長(zhǎng)，因此適用于液壓夾緊式模具結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品種類也比彈性?shī)A緊式模具廣。

圖3為一種液壓夾緊式的分模鍛造模具結(jié)構(gòu)。在壓力機(jī)工作臺(tái)上方，由大活塞、小活塞和缸體共同組成一個(gè)密閉的油腔。壓力機(jī)上滑塊下壓時(shí)，上、下半模合并，形成封閉模腔，此后大活塞上行，迫使小活塞下行，對(duì)已經(jīng)放入模腔的坯料進(jìn)行施壓，從而使金屬充滿模腔，成形產(chǎn)品。壓力機(jī)回程時(shí)，大活塞因自重而回程，小活塞也同時(shí)回到初始位置，鍛件留在下模上，由下頂料裝置頂出。

圖3 水平分模的液壓夾緊式模具結(jié)構(gòu)

⑶剛性?shī)A緊式分模鍛造的模具結(jié)構(gòu)。括弧楔夾緊式模具結(jié)構(gòu)是典型的剛性?shī)A緊式分模鍛造的模具結(jié)構(gòu)，該種裝置是通過(guò)幾組括弧楔從垂直方向?qū)⑺娇煞职寄A緊和松開(kāi)，其特點(diǎn)為剛度高、合模穩(wěn)固，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且必須進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)分析，保證夾緊機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)與可分凹模的垂直合模運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，因此設(shè)計(jì)與制造的精度要求高。

圖4所示為江蘇海達(dá)管件有限公司所采用的生產(chǎn)彎頭和三通管接頭的滑塊自鎖式分模鍛造模具結(jié)構(gòu)。圖4a右側(cè)為開(kāi)模狀態(tài)，當(dāng)頂桿與定位托盤(pán)下移時(shí)，滑塊在重力作用下沿T形槽滑入凹模套中，鑲嵌在兩滑塊上的凹模隨滑塊合模，其上的芯模合并組成模腔，與此同時(shí)，側(cè)沖頭底座也沿著T形導(dǎo)軌下滑，與芯模一并構(gòu)成模腔（圖4b）。此后，再將坯料放入模腔，上沖頭隨壓力機(jī)滑塊下行，對(duì)坯料進(jìn)行施壓，成形鍛件。由于滑塊與凹模套的接觸面與垂直方向的夾角很小，滑塊在凹模套中發(fā)生自鎖現(xiàn)象，傳遞到滑塊上的變形抗力不會(huì)使滑塊上行而張開(kāi)，此時(shí)凹模座對(duì)滑塊的反作用力提供該可分凹模的合模力。開(kāi)模時(shí)，兩滑塊在頂桿與定位托盤(pán)的作用下被上推，沿T形導(dǎo)軌分開(kāi)，從而打開(kāi)凹模，取出鍛件。該模具常用于成形彎頭、三通等枝芽類零件。

圖4 滑塊自鎖式分模鍛造模具結(jié)構(gòu)

⑷多向模鍛的模具結(jié)構(gòu)。在普通壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)多向模鍛，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)將普通鍛壓設(shè)備所提供的單一方向上的壓力轉(zhuǎn)為多方向的成形力。

楔塊式多向模鍛模具結(jié)構(gòu)是鍛壓設(shè)備通用的模具結(jié)構(gòu)，該模具結(jié)構(gòu)的原理為幾組楔塊間的力和速度的傳遞，壓力機(jī)滑塊的下行速度和上模塊的速度、楔形塊的下行速度均相等，當(dāng)上下凹模合并后，楔形塊將受塔形塊的作用力而沿著導(dǎo)軌向外移動(dòng)，動(dòng)圈將在楔形塊的推動(dòng)下往下運(yùn)動(dòng)，動(dòng)圈的速度又將傳遞到側(cè)滑塊，因此側(cè)滑塊將獲得一個(gè)水平速度，從而使安裝在側(cè)滑塊上的沖頭在水平方向上運(yùn)動(dòng)，擠壓模腔中的坯料，使其充滿形腔，得到理想鍛件。該模具的側(cè)滑塊可以為多塊，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)沖頭的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用該模具結(jié)構(gòu)可以生產(chǎn)各類多通管接頭或者小型十字軸鍛件。

江蘇海達(dá)管件有限公司還申報(bào)了一項(xiàng)杠桿式多向模鍛模具結(jié)構(gòu)專利，該模具結(jié)構(gòu)的下模座安裝在支撐底板內(nèi)，兩者之間設(shè)有彈性體，該彈性體可以為彈力橡膠或彈簧。杠桿分別通過(guò)銷(xiāo)釘與橫向凸模座和支承底板相連，并形成回轉(zhuǎn)副。橫向凸模座與下模座之間以鍵與鍵槽的形式組成水平方向上的移動(dòng)副。工作時(shí)，將該模具安裝在普通鍛壓設(shè)備上，將加熱的毛坯放入下凹模，啟動(dòng)壓力機(jī)，上凹模與下凹模合并，上凹模對(duì)下凹模施加一個(gè)壓力，使下凹模壓縮彈性體，從而合并凹模整體往下運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，部分壓力通過(guò)杠桿和凸模座傳遞給安裝在凸模座上的水平?jīng)_頭，使得沖頭對(duì)坯料施加壓力，最終成形所需鍛件。壓力機(jī)回程時(shí)，在彈性體的作用下，合并凹模上移，沖頭后撤，之后上凹模隨壓力機(jī)滑塊上行，打開(kāi)凹模，取出鍛件。該模具可以由幾組杠桿機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)杠桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多向模鍛，適用于生產(chǎn)三通、四通等管接頭。

莊武豪，武漢理工大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)辇X輪、前軸、管接頭等汽車(chē)零部件塑性成形工藝與產(chǎn)品性能控制。