阻力臺(tái)在有色金屬鍛造中的應(yīng)用

文/張旸·海軍駐沈陽地區(qū)航空軍事代表室

余會(huì)平，張?jiān)獤|·江西景航航空鍛鑄有限公司

本文從鍛造的基礎(chǔ)理論出發(fā)，研究了模具設(shè)計(jì)中根據(jù)金屬流動(dòng)原理使用阻力臺(tái)助力有色金屬成形的內(nèi)容，通過對(duì)鈦合金和鋁合金鍛件的模具改進(jìn)，增加阻力臺(tái)可以有效地減少鍛件在成形過程中出現(xiàn)的穿筋和充填困難的問題。

隨著材料的發(fā)展以及成形技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)雜形狀、復(fù)雜截面的鍛件逐年增多，鍛件從原來“肥頭大耳”的粗鍛件毛坯逐漸向少切削的精鍛件發(fā)展，對(duì)鍛造成形的要求愈發(fā)嚴(yán)格，如何在兼顧成本的前提下，使鍛造過程中的復(fù)雜零件更加容易成形也是目前鍛造工藝中的主要發(fā)展方向之一。本文作者通過使用阻力臺(tái)的方式，達(dá)到了提升有色金屬鍛件的填充效率，減少鍛造過程中的缺陷的目的。

阻力臺(tái)的原理

在鍛造領(lǐng)域，最小阻力定律是指導(dǎo)鍛造成形的三大原理之一。如何利用好最小阻力定律來提升模鍛件的成形效率一直是鍛造的核心關(guān)注點(diǎn)，因此，在模鍛件成形的不斷發(fā)展中，研究毛邊橋部與倉部成為鍛造技術(shù)人員提升模鍛成形效率的主要手段。

阻力臺(tái)的原理是在鍛模的倉部設(shè)置一道“山”，阻擋鍛造成形過程中局部位置的毛邊流動(dòng)，起到增加阻力，促進(jìn)金屬成形，減少鍛件變形劇烈、金屬流動(dòng)過快而出現(xiàn)的鍛造缺陷，是最小阻力定律的工程化應(yīng)用。

阻力臺(tái)在鈦合金生產(chǎn)中的應(yīng)用

鈦合金是近幾十年來發(fā)展最迅速的金屬材料，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在逐漸向兵器、汽車等領(lǐng)域發(fā)展，應(yīng)用前景非常廣泛，但是，鈦合金具有變形抗力大、金屬流動(dòng)性差等缺點(diǎn)，對(duì)于形狀復(fù)雜的鍛件，只能通過復(fù)雜的荒形與低的材料利用率來保證成形效果，鍛造成本較高，且成形的合格率較低。

在實(shí)際生產(chǎn)材料為TC6的軸鍛件時(shí)，鍛件在端頭存在兩個(gè)高點(diǎn)，由于鈦合金流動(dòng)性差的缺點(diǎn)，時(shí)常出現(xiàn)高點(diǎn)位置充不滿的現(xiàn)象（圖1），即便增加模鍛前坯料高度，在模鍛后多數(shù)材料均流向毛邊處，導(dǎo)致鍛件報(bào)廢率較高，常規(guī)方法采用加大原材料、增加儲(chǔ)氣孔和增加鍛造火次的方式來保證鍛件的最終成形。

根據(jù)阻力臺(tái)的使用原理，在難充填的位置增加阻力臺(tái)（圖2），可有效地解決上述的問題，鍛件的充填情況良好（圖3），同時(shí)還可將材料利用率由68%提升至82%，實(shí)現(xiàn)了鍛件的批量、穩(wěn)定生產(chǎn)。

上述情況屬于阻力臺(tái)的典型應(yīng)用，通過增加金屬向毛邊處流動(dòng)的阻力，促使金屬向模具型腔的深處流動(dòng)，在型腔填充滿以后，阻力增大，多余金屬流向毛邊處，最終實(shí)現(xiàn)鍛件的成形。

圖1 鈦合金軸高點(diǎn)未充滿示意圖

圖2 模具實(shí)物

圖3 增加阻力臺(tái)后鍛造完成的鍛件

阻力臺(tái)在鋁合金生產(chǎn)中的應(yīng)用

在鋁合金鍛造過程中，流線的分布情況對(duì)性能有很大的影響，穿筋、穿流情況的發(fā)生導(dǎo)致鍛件流線在分模面的位置一分為二，嚴(yán)重影響鍛件的整體性能，易造成鍛件的提前失效，尤其是高筋條類的鍛件，當(dāng)筋條的高寬比超過2倍時(shí)，在鍛造過程中出現(xiàn)穿筋的概率非常高，常見穿流情況如圖4所示。

一般通過增加預(yù)鍛或控制鍛造時(shí)的變形量控制穿筋情況的發(fā)生，這樣做一方面增加模具成本，另一方面對(duì)鍛造操作工人的技能水平要求較高，所以不適用于批量生產(chǎn)。

在實(shí)際生產(chǎn)某橫梁鍛件時(shí)（圖5），鍛件存在寬6mm，高度為29mm的高筋條，生產(chǎn)過程中通過增加阻力臺(tái)設(shè)計(jì)，有效地避免了穿筋情況的發(fā)生，如圖6所示。

上述情況屬于阻力臺(tái)在鋁合金鍛造中的典型應(yīng)用，通過增大金屬向毛邊處的流動(dòng)阻力，在鋁合金鍛件成形時(shí)，減慢金屬向毛邊處流動(dòng)的速度，在筋條充滿前避免金屬通過中間分模面過快流出，避免穿筋情況的發(fā)生。

阻力臺(tái)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

阻力臺(tái)是最小阻力定律的靈活應(yīng)用，從阻力溝的方法演變而來，但是阻力臺(tái)的應(yīng)用需要一定的前提條件，具體如下：

⑴阻力臺(tái)適用于“大設(shè)備干小活”的模式，只有在設(shè)備能量足夠成形的前提下，阻力臺(tái)才能夠發(fā)揮作用，在設(shè)備能量較小時(shí)，成形過程中難以形成毛邊，阻力臺(tái)無法起到有效的作用。

⑵阻力臺(tái)對(duì)坯料的利用率要求較高，材料利用率在78%～82%范圍內(nèi)，阻力臺(tái)可以發(fā)揮較大的作用，但是當(dāng)材料利用率過低時(shí)，容易出現(xiàn)欠壓，在阻力臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)優(yōu)化工藝用料。

⑶阻力臺(tái)是在毛邊倉部的應(yīng)用，是一種簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)理念，將復(fù)雜的橋部設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成為倉部的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)的失誤率，但是阻力臺(tái)對(duì)于變形量要求過于苛刻的材料效果不明顯，對(duì)一次成形的鍛件效果最佳。

圖4 典型穿筋情況示意圖

圖5 橫梁鍛件造型

圖6 模具增加阻力臺(tái)以及鍛后的低倍圖片

結(jié)束語

阻力臺(tái)是解決鋁合金穿流、難變形金屬充填困難等問題的有效途徑之一，可以有效地降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。