簡敘鋁合金模鍛工藝和模具設(shè)計(jì)（連載一）

文／趙一平·東風(fēng)(十堰)汽車鍛鋼件有限公司

概述

鋁合金鍛件特性

鋁合金密度小，其密度只有鋼的三分之一(鋁合金密度2.7g／cm3，鋼密度7.85g／cm3)，是輕量化的理想材料；鋁合金比強(qiáng)度大、比剛度大、疲勞強(qiáng)度高，宜用于輕量化要求高的關(guān)鍵受力部件；鋁合金塑性較好，可加工各種形狀復(fù)雜的高精度鍛件；鋁合金鍛件具有良好耐腐蝕性、導(dǎo)熱性和非磁性，這是鋼鍛件無法比擬的。

鋁合金鍛件發(fā)展迅速

⑴鋁合金鍛件發(fā)展迅速。

近年來，汽車用鋁合金鍛件獲得快速發(fā)展，根據(jù)資料介紹，美國每輛轎車鋁合金使用量(鍛件、沖壓件)達(dá)到36.3%，歐洲和日本每輛轎車鋁合金鍛沖件也達(dá)到18%以上。國產(chǎn)轎車鋁合金鍛件使用量較少，尚不到5%。汽車專家預(yù)測，今后我國將有越來越多鋁合金鍛件替代鋼質(zhì)鍛件。

汽車和摩托車鋁合金鍛件發(fā)展迅速，例如汽車前杠桿，若用鋁合金代替鋼鑄件，重量下降43%。使用鍛鋁活塞，發(fā)動機(jī)功率增加10%。懸掛零件大多數(shù)為鑄鐵件，采用鋁合金鍛件代替鑄鐵件可減重35%～40%，相對鋁鑄件減重25%，所以減輕汽車重量，鋁合金鍛件具有很大優(yōu)勢。另外，高速列車輕量化也促使其采用鋁合金鍛件。

⑵采用鋁合金鍛件在國際上是一種發(fā)展趨勢。

1)歐美日汽車廣泛采用鋁合金鍛件：因?yàn)槠囕p量化具有重要意義(一輛轎車重量減輕10%，油耗可降低8%～10%。燃料消耗減少，排放氣體中含有CO2等有害氣體也就減少了)，歐美日汽車巨頭都紛紛投入大量人力、財(cái)力研究降低汽車重量，采用鋁合金代替鋼材制作部分零件。

2)鋁合金鍛件在國際上是一種發(fā)展趨勢：大多數(shù)鋁合金鍛件用于汽車車橋、底盤構(gòu)件。例如德、日、美采用鍛造或擺輾生產(chǎn)輪轂(圖1)、傳動軸、懸掛件等鋁合金鍛件，例如圖2 鋁合金控制臂已廣泛應(yīng)用于轎車。另外還有發(fā)動機(jī)零件，如連桿、活塞等鋁合金鍛件。隨著汽車工業(yè)安全環(huán)保和節(jié)能要求的提升，汽車輕量化要求不斷加強(qiáng)，促使鋁合金鍛件快速發(fā)展。

圖1 鋁合金輪轂

圖2 鋁合金控制臂

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁鍛件在世界鍛件總量中由1985 年的0.5%上升到2002 年15%，17 年鋁鍛件在鍛件總量中增長30 倍。又經(jīng)過近20 年發(fā)展，至今更獲得大發(fā)展。隨著節(jié)能環(huán)保的發(fā)展，今后鋁合金鍛件必將有很大發(fā)展。

鋁合金模鍛件分類

與鋼鍛件分類方法相同，鋁合金模鍛件按其結(jié)構(gòu)可分為短軸類鍛件和長軸類鍛件兩大類，長軸類鍛件又可分為直長軸類和彎長軸類鍛件，工藝過程特征也基本相同，當(dāng)然，也有鋁合金模鍛件自身特點(diǎn)，如下將詳述。

鍛件圖制定

鋁合金鍛件圖設(shè)計(jì)與鋼鍛件圖設(shè)計(jì)內(nèi)容基本相同，確定分模面位置和流線方向、機(jī)械加工余量和公差、模鍛斜度、圓角半徑、沖孔連皮形狀和尺寸、腹板厚度和腹板的寬厚比、筋板的高寬比等。

但是，由于鋁合金與鋼可鍛性不同，鋁合金鍛件圖設(shè)計(jì)也有其自身特點(diǎn)和不同之處。例如鋁合金鍛件對流線方向和應(yīng)力腐蝕特別敏感，還影響鍛件力學(xué)性能，故在鍛件圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意流線方向和力學(xué)性能。另外，其圓角半徑、模鍛斜度等比鋼稍大，而加工余量和公差比鋼稍小。

流線分布

⑴流線影響鋁合金鍛件力學(xué)性能。

流線分布是鋁合金鍛件結(jié)構(gòu)要素設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)，流線分布對鋁合金性能有很大影響，流線不順、渦流和混流都使鋁合金的塑性指標(biāo)、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能明顯降低，尤其是對應(yīng)力腐蝕最敏感的短橫向流線方向設(shè)計(jì)。

鋁合金模鍛件金屬流線方向是決定鍛件力學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，多數(shù)鋁合金模鍛件均要求檢驗(yàn)金屬流線方向，應(yīng)盡可能使金屬流線沿著模鍛件截面外形分布，避免流線(纖維組織)被切斷(圖3)。同時(shí)還應(yīng)考慮鍛件工作時(shí)的受力情況，應(yīng)使流線與剪應(yīng)力方向相垂直。因此選擇分模線位置時(shí)還要特別考慮變形均勻，盡可能選用筋頂分模，即以反擠壓成形，流線沿著鍛件外形分布是理想的。

圖3 各種汽車控制臂理想的流線分布

⑵影響流線方向的因素。

影響流線方向的因素很多，如坯料形狀和尺寸、模鍛時(shí)坯料放置方向、分模面(線)位置、模具結(jié)構(gòu)、鍛造工藝方法、潤滑和加熱均勻性、打擊輕重等。流線方向和分布是影響抗應(yīng)力腐蝕的重要因素之一，鋁合金模鍛件流線設(shè)計(jì)比鋼鍛件更重要，對應(yīng)力腐蝕特別敏感的高強(qiáng)度鋁合金尤為突出。因此，在設(shè)計(jì)鋁合金鍛件圖、模鍛工藝及模具時(shí)應(yīng)充分了解各種因素對流線分布及流線方向的影響，特別要注意對應(yīng)力腐蝕最敏感的短橫向流線方向。此外還要注意要避免飛邊剪切面流線末端外露，這將加速應(yīng)力腐蝕，而且鋁合金鍛件損壞易產(chǎn)生在切邊處，故應(yīng)盡量采用閉式模鍛。

流線存在使鋁合金鍛件性能產(chǎn)生各向異性，鍛件力學(xué)性能沿鍛件流線方向?yàn)樽詈?，故在?shí)際工程中，應(yīng)使流線(纖維組織方向)順鍛件承載方向，這樣承載能力強(qiáng)。故選擇坯料和工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使坯料流線方向盡量符合鍛件使用要求。例如，圖4 鋁門鉸鏈要求流線順凸臺長度方向分布，故模鍛時(shí)，原材料軸向應(yīng)順凸臺方向放置。

圖4 鋁門鉸鏈

分模面選擇和流線特征

⑴概述。

眾所周知，分模線(面)是模鍛件最重要、也是最基本的結(jié)構(gòu)要素。在設(shè)計(jì)鍛件圖時(shí)，首先對零件進(jìn)行工藝分析，并確定分模線(面)。因?yàn)榉帜＞€位置直接關(guān)系到鍛件品質(zhì)和工藝穩(wěn)定性、材料利用率和鍛造操作，還關(guān)系到模具制造周期和成本費(fèi)用等一系列問題。

⑵分模線(面)與流線特征。

鍛件分模線(面)直接影響金屬流動，例如圖5a 所示的分模面，以反擠壓成形，流線沿著鍛件外形分布是理想的。而圖5b 所示分模面，以鐓擠成形，在內(nèi)圓角處容易形成折疊、穿晶以及不均勻晶粒結(jié)構(gòu)，故應(yīng)盡量不采用。若鍛件結(jié)構(gòu)需要采用，應(yīng)采取措施防止穿晶折疊產(chǎn)生，所以對鋁合金鍛件分模線(面)選擇應(yīng)引起高度重視。

圖5 分模面位置對流線影響

⑶分模面選擇原則。

鋁合金鍛件分模面選擇原則與鋼鍛件基本相同，但也具有鋁鍛件自身特殊要求。

1)保證鍛件容易從型槽(模膛)順利取出。

2)有利金屬充滿型槽，盡可能獲得鐓粗成形，并使模膛盡可能最淺，寬度最大。

3)盡量采用平面分?；虮M可能地接近一個(gè)平面，這樣模具結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，模鍛過程較空間分模易于成形，廢品率也低。

4)對于折線和空間曲線分模，應(yīng)使各部分與水平面之間的夾角小于60°(圖6a)。這種分模線(面)可改善模鍛和切邊的條件。若夾角大于75°，切邊時(shí)易拉出毛刺和擠裂。

圖6 各種鍛件分模面

5)分模面應(yīng)使切邊時(shí)定位準(zhǔn)確和方便，切邊刃口光潔。

不正確 正確

6)金屬流動方向合理(變形均勻和流線優(yōu)異)。分模面位置應(yīng)使鍛件纖維流線方向與鍛件外形相符，即符合鍛件受力方向。這是因?yàn)轫樦w維流線方向強(qiáng)度和韌性最大，其他方向強(qiáng)度和韌性較小。例如某鋁合金鍛件測量數(shù)據(jù)充分說明，順著纖維流線方向的延伸率超過15%，而垂直纖維流線方向的延伸率只有5%～8%。如前所述，鋁合金鍛件應(yīng)特別注意流線方向和變形均勻。若分模面選取不合理，容易使鍛件流線紊亂，切除飛邊后流線末端外露，而且鋁合金鍛件更容易在分模面處產(chǎn)生穿流、穿晶和折疊等缺陷，從而降低其疲勞強(qiáng)度。

加工余量和公差

鋁合金模鍛件加工余量和尺寸公差可按產(chǎn)品和用戶提出的尺寸加工余量和公差要求確定，或可按GB／T 8545－2012《鋁及鋁合金模鍛件的尺寸偏差和加工余量》確定，并獲得用戶同意。鋁合金在鍛造過程中的表面氧化、污染以及金相組織變化不明顯，也不會產(chǎn)生脫碳缺陷，所以加工余量比鋼稍小。

模鍛斜度

模鍛斜度是為了便于鍛件從模膛中取出。鋁合金摩擦系數(shù)比鋼大，粘附力強(qiáng)，容易粘模，因而模鍛斜度比鋼鍛件稍大。在實(shí)際生產(chǎn)中為了便于鍛件起模，通常外模鍛斜度取3°～5°，內(nèi)模鍛斜度取7°～10°。若模具有頂出裝置，且潤滑良好和模膛光潔，也可采用較小模鍛斜度0.5°～1°。但是，對于模鍛方向較高的鍛件，模鍛斜度宜取3°及以上。

圓角半徑

鋁合金流動性比鋼差，摩擦系數(shù)比鋼大，因而鋁合金鍛件的圓角半徑應(yīng)比鋼鍛件稍大。對鋁合金鍛件來說，設(shè)計(jì)圓角半徑尤為重要，所以如果產(chǎn)品結(jié)構(gòu)允許，圓角半徑應(yīng)盡可能增大。但是也不可能過大，否則增加鍛件重量。

⑴鍛件凹圓角半徑R(模膛凸圓角)，影響金屬流動和鍛件重量。

鍛件凹圓角半徑R 增大，有利于金屬流動順暢，流線均勻。減少鍛造缺陷，降低金屬流線紊亂起著很重要作用。過小的凹圓角半徑R 不僅使金屬流動困難、纖維組織易折斷，而且會使鍛件產(chǎn)生折疊。如果鍛件允許，應(yīng)加大鍛件凹圓角半徑，特別是筋和腹板過渡凹圓角半徑R 更應(yīng)加大(圖7)。

圖7 筋與腹板

⑵鍛件凸圓角半徑r(模具凹圓角)影響鍛件變形抗力和模具使用壽命。

鍛件凸圓角半徑r 增大(圖7)，不僅可降低變形抗力，而且減少模具根部應(yīng)力集中，防止模具產(chǎn)生裂紋和開裂，提高模具使用壽命。為防止鋁合金鍛件切邊后在分模面產(chǎn)生裂紋，在飛邊橋部出口圓角半徑要比鋼鍛件大30%。

筋和腹板

筋和凸臺都是鍛件上自腹板向外凸出的、起一定作用的組成部分(圖7)。筋的長度、寬度b 和高度h都直接影響鍛件充滿性以及是否產(chǎn)生折疊等缺陷。鋁合金流動性差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。

一般鍛件腹板上的筋長度均較長，筋的高度和寬度之比最大約為6。和鋼鍛件一樣，當(dāng)鋁合金鍛件筋的高度h 和寬度b 的比值大于2.5 時(shí)，充滿困難，且變形抗力增大。

當(dāng)工字形腹板寬度(筋間距)B 較大時(shí)，即腹板寬度與厚度T 比值大于3 時(shí)，極易產(chǎn)生穿晶折疊，如果產(chǎn)品允許，應(yīng)加大筋和腹板之間的圓角半徑R(圖7)，并應(yīng)設(shè)置預(yù)鍛成形，嚴(yán)格控制筋和腹板部位的坯料面積和體積，一般預(yù)鍛截面積和體積僅比終鍛對應(yīng)截面積和體積稍大1%。

鋁合金模鍛件允許的最小腹板厚度見表1(供參考)，薄腹板鍛件一般均為復(fù)雜件，金屬流動性差，而且變形抗力大，又極易產(chǎn)生各種缺陷，一般需要設(shè)計(jì)預(yù)鐓工步。

表1 分模面投影面積與允許的最小腹板厚度