簡敘鋁合金模鍛工藝和模具設(shè)計(jì)(連載二）

文/趙一平·東風(fēng)（十堰）汽車鍛鋼件有限公司

《簡敘鋁合金模鍛工藝和模具設(shè)計(jì)》(連載一)見《鍛造與沖壓》2021年第15期

鍛件鍛造力和鍛造功(能量)

在制定鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)時(shí)，確定鍛件所需要的鍛造力(載荷)或所需要能量是非常重要的。鍛件的鍛造力或能量與材料變形抗力、鍛件形狀、鍛造溫度、應(yīng)變速率和摩擦等因素有密切關(guān)系。

根據(jù)“日本鍛造技術(shù)資料匯編”，可以采用計(jì)算公式P=β×k0×σ×F(公式1，供參考)計(jì)算鍛造力。

式中，P－鍛造力(kN)；β－設(shè)備修正系數(shù)，壓力機(jī)β=1，模鍛錘β=1.15～1.2；k1－鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)，k1的值在3～12之間；σ－鋁合金變形抗力(MPa)，σ的值在55～100MPa之間；F－鍛件在分模面上投影面積(含飛邊)(mm2)。

鍛造能量計(jì)算公式為E=k2×σ×V×ε (公式2)

式中，E－鍛造能量(kJ)；k2－鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)，k2＝2～4；σ－材料的變形抗力(MPa)；V－坯料體積(mm3)；ε－平均應(yīng)變。

另外，鍛造能量也可以采用力－行程曲線下的投影面積來計(jì)算。⑴模具潤滑條件好，形狀復(fù)雜系數(shù)k1和k2可以取小值；⑵高筋是指筋高與筋寬比h／b不小于4.5，薄腹板是指“腹板厚度與腹板部位面積的當(dāng)量直徑的比值不大于0.2”。

模膛設(shè)計(jì)

終鍛模膛

鋁合金終鍛模膛設(shè)計(jì)和鋼鍛件終鍛模膛設(shè)計(jì)一樣，按照熱鍛件圖的形狀尺寸設(shè)計(jì)。

⑴熱鍛件圖。熱鍛件圖由鋁合金冷鍛件圖加放冷收縮率，若鍛件有孔，還要設(shè)計(jì)沖孔連皮形狀和尺寸。

⑵選取冷收縮率。根據(jù)鋁合金種類，坯料溫度和模具預(yù)熱溫度確定冷收縮率，鋁合金鍛件冷收縮率可在0.6%～1.0%范圍選取。其中模具溫度低時(shí)，冷收縮率取大值。1)設(shè)計(jì)孔連皮。鋁鍛件孔連皮形狀和尺寸設(shè)計(jì)方法與鋼鍛件相同，連皮形式有平底連皮、斜底連皮和帶倉連皮，但連皮厚度比鋼鍛件連皮要厚15%～30%，甚至更大。2)對于有規(guī)律的變形部位還需要反向補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

⑶飛邊槽。鋁合金鍛件飛邊槽形式和鋼鍛件基本相同(圖8)，但由于鋁合金流動(dòng)性差，飛邊槽的主要尺寸參數(shù)和鋼鍛件不同。飛邊槽設(shè)計(jì)即確定飛邊槽形式、設(shè)計(jì)橋部和倉部尺寸。

1)飛邊槽形式和設(shè)置。常用飛邊槽形式一般有三種：倉部在上模、倉部在下?；騻}部均勻分布在上模和下模。當(dāng)鍛件上下兩側(cè)模鍛斜度相等時(shí)，通常倉部采用平分于上模和下模飛邊槽，即橋部和倉部按分模線對稱。對于小鍛件可將倉部設(shè)置在上?；蛳履?。但當(dāng)鍛件分模線兩側(cè)是不同模鍛斜度時(shí)，則整個(gè)飛邊安排以鍛件帶有小斜度的一側(cè)為宜，這樣便于切除飛邊。飛邊切除后，鍛件流線在分模面處被切斷而外露，對于有抗應(yīng)力腐蝕要求的鋁合金鍛件很不理想，應(yīng)合理選擇飛邊位置和飛邊槽結(jié)構(gòu)，或采用閉式模鍛。

2)橋部尺寸。一般飛邊槽橋部高度h和橋部出口圓角半徑R應(yīng)比鋼鍛件大30%。這是因?yàn)殇X合金流動(dòng)阻力大，另外鋁合金鍛件切邊后在分模面處容易產(chǎn)生裂紋。應(yīng)根據(jù)鋁合金流動(dòng)性、鍛件重量和分模面面積等因素綜合考慮，確定飛邊槽橋部高度h。橋部寬度b和橋部高度h的比值一般取3～5。

下列情況應(yīng)適當(dāng)調(diào)整橋部尺寸：①尺寸相同的鋁合金鍛件應(yīng)根據(jù)鋁合金塑性不同，飛邊槽尺寸也應(yīng)有所不同。合金化程度高和塑性低的鋁合金鍛件，飛邊槽橋部厚度應(yīng)適當(dāng)加大。②形狀對稱的鋁合金鍛件宜采用均勻飛邊，對于壁厚相差較大鍛件，圍繞鍛件的飛邊槽可以采用不同的厚度。③鍛件重量大和分模面面積大的飛邊橋厚度應(yīng)適當(dāng)加大。④采用預(yù)鍛和終鍛成形時(shí)，終鍛飛邊橋厚度應(yīng)該減小，以增加飛邊阻力確保鍛件充滿良好。

3)倉部尺寸。由于鋁合金鍛造溫度窄，制坯比鋼困難，且鋁合金流動(dòng)性差，因此,當(dāng)鋁合金制坯料比較大時(shí)，為保證鍛件能打靠，需將飛邊槽倉部加深、加寬。為保證橋部強(qiáng)度，橋部和倉部應(yīng)傾斜過渡，過渡斜角可取20°～30°(圖8)。所以設(shè)計(jì)鋁合金鍛件飛邊槽比鋼鍛件復(fù)雜得多，應(yīng)引起設(shè)計(jì)者注意，特別是飛邊橋部尺寸確定。

圖8 鋁合金鍛模飛邊槽

預(yù)鍛模膛

⑴設(shè)置預(yù)鍛模膛。預(yù)鍛成形是為了改善金屬坯料在終鍛的流動(dòng)條件，并分配好鍛件各部位體積，以利于終鍛成形，保證終鍛時(shí)金屬流動(dòng)順暢，充滿良好和工藝穩(wěn)定，避免產(chǎn)生鍛造缺陷，又提高終鍛模膛使用壽命。所以對于較復(fù)雜鍛件一般均設(shè)計(jì)預(yù)鍛模膛。為了提高鋁合金塑性和增大一次行程允許變形程度，預(yù)鍛宜采用閉式模鍛(形成三向壓應(yīng)力)。對于復(fù)雜鍛件，還可設(shè)計(jì)兩次預(yù)鍛成形。采用多套模具，多次模鍛。使簡單形狀毛坯逐步過渡到復(fù)雜形狀鍛件，這樣易使鋁合金坯料流動(dòng)均勻，充填容易，纖維連續(xù)。

⑵預(yù)鍛熱鍛件圖。1)預(yù)鍛熱鍛件圖和鋼鍛件預(yù)鍛熱鍛件圖設(shè)計(jì)原則基本相同，應(yīng)使預(yù)鍛坯在終鍛模膛易于鐓粗成形，而難成形又易產(chǎn)生折疊部位，采用鐓擠成形。2)以熱鍛件圖為依據(jù)，設(shè)計(jì)預(yù)鍛熱鍛件圖。預(yù)鍛件水平尺寸比終鍛件對應(yīng)部位單邊尺寸小0.2～0.5mm(外部尺寸減小，內(nèi)部尺寸增大)，而高度尺寸比終鍛對應(yīng)部位大。但預(yù)鍛坯體積僅稍大終鍛件對應(yīng)部位體積，不宜超過1%。

眾所周知，預(yù)鍛熱鍛件圖凹圓角半徑R(模膛凸圓角半徑)應(yīng)大于終鍛熱鍛件圖對應(yīng)凹圓角半徑，這樣減少金屬流動(dòng)阻力便于坯料金屬流動(dòng)。但是當(dāng)鍛件定位處凹圓角半徑R增大影響其在終鍛模膛定位時(shí)，應(yīng)采用其他部位定位。

⑶飛邊槽。預(yù)鍛成形宜采用帶飛邊閉式模鍛(形成三向壓應(yīng)力，提高鋁合金塑性和提高鋁合金一次行程允許變形程度),例如某鍛造企業(yè)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)(圖9)即采用帶飛邊的閉式模鍛，工藝穩(wěn)定，已大批量生產(chǎn)。對于高強(qiáng)度鋁合金(如7075)模鍛件，更應(yīng)采用帶飛邊的閉式模鍛。飛邊槽形式和尺寸與鋼鍛件半閉式模鍛設(shè)計(jì)相同(即封閉飛邊橋)。

圖9 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)

制坯模膛

和鋼鍛件相同，當(dāng)鍛件形狀復(fù)雜時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)制坯模膛，按鍛件種類(短軸類鍛件和長軸類鍛件)確定制坯形狀。長軸類鍛件首先作截面圖，并確定制坯圖，然后確定是壓扁、壓擠還是輥鍛制坯。短軸類鍛件設(shè)計(jì)“成形鐓粗坯”。

模具結(jié)構(gòu)

模具結(jié)構(gòu)與鋼鍛件模具基本相同。布置模膛、飛邊槽、頂出桿、鎖扣(平衡鎖扣和導(dǎo)向鎖扣)和定位壓緊斜面或定位凹槽等。但是，由于鋁合金鍛造工藝性差，一般應(yīng)采用單獨(dú)模塊，便于調(diào)整和修正。也可以設(shè)計(jì)鉗口，以方便取件操作。

頂出裝置

頂出桿位置一般不宜布置在鍛件本體，應(yīng)盡量布置在飛邊處。因?yàn)殇X合金較軟，頂出桿極易在鍛件上壓出壓痕。另外，由于鋁合金鍛件剛性差，鍛件出模時(shí)易變形，頂出桿布置位置應(yīng)均勻，達(dá)到頂出均衡。為防止鍛件從上模掉下變形，應(yīng)使上頂出桿比下頂出桿頂出鍛件時(shí)間稍提前，使鍛件留在下模。另外，一般宜將鍛件形狀復(fù)雜的一面放在下模。頂出桿直徑和行程按鍛件大小和形狀選擇，應(yīng)不小于φ10mm。若模具結(jié)構(gòu)合適，應(yīng)盡量取大值。合理布置頂出桿位置，確定頂出桿直徑、行程和延時(shí)是生產(chǎn)鋁合金鍛件能否被順利頂出的關(guān)鍵之一。

鎖扣

若模架的模具定位基準(zhǔn)精度差，應(yīng)設(shè)計(jì)形狀鎖扣，防止鍛件錯(cuò)移。對于空間分模面還應(yīng)設(shè)計(jì)平衡鎖扣。

模具制造

模膛制造精度

和鋼鍛件模膛制造精度確定原則相同，制造精度根據(jù)鍛件精度要求設(shè)計(jì)，即模膛制造精度應(yīng)比鍛件精度提高2級以上。

模膛粗糙度

由于鋁合金摩擦系數(shù)大(是鋼的3倍)，粘附力大，流動(dòng)性差，要求對模具工作表面進(jìn)行拋光，但是磨痕方向應(yīng)順著金屬流動(dòng)方向。模膛表面粗糙度達(dá)到Ra0.4μm(拋光)，有利于金屬流動(dòng)。因?yàn)槟Ｌ挪还鉂崳粌H易產(chǎn)生表面粗晶，而且對于復(fù)雜鍛件還易產(chǎn)生折疊。

例如，模鍛7075鋁合金進(jìn)氣搖臂時(shí)(圖10)，由于模膛表面粗糙(Ra12.5μm)，預(yù)鍛時(shí)在帶孔圓柱外圍和工字形過渡區(qū)左和右兩端都產(chǎn)生折疊。然后將模膛表面拋光到粗糙度為Ra0.4μm，再模鍛時(shí)，帶孔圓柱外圍和工字形過渡區(qū)左端折疊消失。說明模膛表面粗糙度對鋁合金模鍛的重要性。

圖10 鋁進(jìn)氣搖臂

《簡敘鋁合金模鍛工藝和模具設(shè)計(jì)》(連載三)見《鍛造與沖壓》2021年第19期