國(guó)外分模模鍛和多向模鍛技術(shù)的發(fā)展概況

文/李之海，李建?江蘇海達(dá)管件集團(tuán)有限公司

國(guó)外分模模鍛和多向模鍛技術(shù)的發(fā)展概況

文/李之海，李建?江蘇海達(dá)管件集團(tuán)有限公司

李之海，高級(jí)工程師，董事長(zhǎng)，主要從事復(fù)雜形狀鍛件的精密成形方面的研究工作，其主持研制的滑塊式自動(dòng)分合精鍛成形模具、楔式滑塊傳動(dòng)多方向鍛壓機(jī)構(gòu)等11項(xiàng)科研成果先后獲得國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)。

分模模鍛

一般地，普通的模鍛設(shè)備如模鍛錘、螺旋壓力機(jī)、熱模鍛壓力機(jī)等只能沿垂直方向?qū)ε髁霞虞d，使其產(chǎn)生塑性流動(dòng)而充填模膛。當(dāng)鍛造一些外形復(fù)雜并帶凸臺(tái)、枝丫、齒形及孔腔的鍛件時(shí)，不僅金屬不易流動(dòng)，難以充滿(mǎn)模膛，鍛后鍛件也難以出模。因此，普通模鍛在鍛造形狀比較復(fù)雜的鍛件時(shí)，必須將鍛件形狀適當(dāng)簡(jiǎn)化，同時(shí)增加余塊和余量。這樣就浪費(fèi)了金屬材料，增加了機(jī)加工工時(shí)。鍛件的金屬流線在加工時(shí)還可能被切斷，零件的力學(xué)性能也因此會(huì)受到削弱。

后來(lái)，人們將形狀復(fù)雜的整體凹模制成兩個(gè)可以分離的半凹模。鍛件成形時(shí)，兩個(gè)半凹模合為整體，鍛后再?gòu)堥_(kāi)，取出鍛件。這樣便可使用傳統(tǒng)的模鍛設(shè)備鍛出外形比較復(fù)雜的鍛件，此即通常所稱(chēng)的“分模模鍛”，它與傳統(tǒng)模鍛時(shí)模具只是簡(jiǎn)單的在一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)不同，它是一種典型的復(fù)動(dòng)成形，因此也被稱(chēng)為“復(fù)動(dòng)模鍛”或“復(fù)動(dòng)鍛造”，少數(shù)人也稱(chēng)為“閉塞鍛造”。在工作時(shí)，首先上滑塊（主滑塊）向下運(yùn)動(dòng)，使上模和工作臺(tái)上的下模閉合，閉合后穿孔沖頭自下而上（或自上而下）運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入毛坯，使毛坯金屬產(chǎn)生徑向流動(dòng)，充滿(mǎn)模膛，形成齒形。

目前，汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)的十字軸、三銷(xiāo)軸和星形套，汽車(chē)差速器的錐齒輪以及鑿巖機(jī)中含有中心孔腔的鉆頭套等零件，都是用這種工藝方法生產(chǎn)的。但分模模鍛的局限性在于它只能鍛造重量較輕的鍛件，而且模具形狀比較復(fù)雜，使用與調(diào)節(jié)不便，生產(chǎn)效率也較低。如圖1所示為本公司生產(chǎn)的分模模鍛件（圖中有可不采用分模模鍛工藝生產(chǎn)的鍛件）。

分模模鍛不一定是多向模鍛。分模模鍛的工作原理是在壓力機(jī)完成一次行程時(shí)，左、右兩半凹模閉合，只有一個(gè)沖頭自一個(gè)方向?qū)ε髁蠑D壓，金屬可以向各個(gè)枝丫內(nèi)作多向流動(dòng)，從而在熱態(tài)或冷態(tài)下獲得形狀不太復(fù)雜的多枝丫鍛件。在鍛造時(shí)，這些枝丫可以相互垂直，也可以成其他一定的角度。

圖1 本公司生產(chǎn)的分模模鍛件

分模模鍛的歷史相當(dāng)長(zhǎng)，例如在平鍛機(jī)上鐓頭就屬于分模模鍛?，F(xiàn)在分模模鍛不是簡(jiǎn)單地用于長(zhǎng)桿件的局部鐓鍛，而是可以用于模鍛形狀復(fù)雜、尺寸精確、無(wú)飛邊的鍛件。

在分模模鍛時(shí)，兩半凹模閉合時(shí)，坯料除了受垂直力的作用變形外，還要受到其他力的作用變形，也可以不受其他力的作用變形。

分模模鍛動(dòng)作較為簡(jiǎn)單，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的鍛壓設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)分模模鍛。在平鍛機(jī)上可以采用多模膛分模模鍛，在通用機(jī)械壓力機(jī)上也可采用分模裝置進(jìn)行單模膛分模模鍛。

分模模鍛雖然不能像多向模鍛一樣在機(jī)器的一次行程中鍛成形狀極為復(fù)雜的鍛件，但是其應(yīng)用范圍比多向模鍛要廣泛，而且設(shè)備和模具都較簡(jiǎn)單，因而較之多向模鍛其應(yīng)用也更為普遍。

多向模鍛

多向模鍛（又稱(chēng)多柱塞模鍛）在第二次世界大戰(zhàn)后即已出現(xiàn)，但真正得到發(fā)展和推廣是在20世紀(jì)60年代。多向模鍛的工作原理是在壓力機(jī)完成一次行程時(shí)，左、右兩半凹模閉合，幾個(gè)沖頭（這些沖頭可相互垂直，也可成其他一定的角度）自不同方向同時(shí)或先后對(duì)坯料擠壓，金屬可以向各個(gè)枝丫內(nèi)（這些枝丫可以相互垂直，也可以成其他一定的角度）多向流動(dòng)，從而在熱態(tài)或冷態(tài)下獲得形狀復(fù)雜的多枝丫鍛件。

多向模鍛工藝實(shí)質(zhì)上是擠壓和模鍛的綜合過(guò)程。多向模鍛也可以說(shuō)是多向擠壓，是一種特殊的模鍛工藝過(guò)程，在兩半凹模閉合時(shí)坯料可以受力（發(fā)生變形），也可以不受力（不發(fā)生變形）。在坯料變形過(guò)程中，金屬的流動(dòng)方向可以與沖頭運(yùn)動(dòng)方向呈一定角度，既可以與沖頭運(yùn)動(dòng)方向一致，也可以與沖頭運(yùn)動(dòng)方向垂直。采用多向模鍛工藝生產(chǎn)的鍛件沒(méi)有飛邊，材料利用率高，減少了模鍛工序，可提高鍛件的成形精度和力學(xué)性能。

多向模鍛可以獲得無(wú)飛邊、無(wú)拔模斜度（或有局部小斜度）以及帶有多個(gè)枝丫、凸臺(tái)和孔腔的形狀復(fù)雜的鍛件。因?yàn)榕髁显诔尚螘r(shí)處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)中，可提高金屬坯料的塑性，所以此工藝適于塑性較低的金屬的模鍛生產(chǎn)。

多向模鍛起初只用于鍛造生產(chǎn)溫度范圍狹窄、需要多次加熱、火耗大的高合金鋼、鈦合金和鎳合金鍛件，如火箭噴嘴、石油工業(yè)用閥體、高合金鋼和高強(qiáng)度合金的大型多枝丫鍛件，后來(lái)才用于鍛造一般鋼材和有色金屬，逐步推廣到批量大的汽車(chē)、拖拉機(jī)零件和管子接頭這類(lèi)小型零件。

起初人們采用專(zhuān)門(mén)化的多柱塞液壓機(jī)對(duì)高合金鋼和高強(qiáng)度合金的大型多枝丫鍛件進(jìn)行多向模鍛，后來(lái)才在通用機(jī)械壓力機(jī)上采用多沖頭模具。這主要是由于液壓機(jī)能夠產(chǎn)生巨大的壓力，完成復(fù)雜的動(dòng)作，而且其各個(gè)沖頭在完成一定的擠壓行程后可停留于其原位作為固定的模芯，而在通用機(jī)械壓力機(jī)上，這些方面比較難以實(shí)現(xiàn)。

至于普通鋼和有色金屬的小型多枝丫鍛件，則可使用專(zhuān)門(mén)化的多向模鍛曲軸壓力機(jī)或在通用的曲軸壓力機(jī)上采用多向模鍛裝置來(lái)生產(chǎn)。這主要是因?yàn)橐簤簷C(jī)的生產(chǎn)效率較低，不便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，占地面積較大，成本也較高。

20世紀(jì)50年代以后，美、英、法、德和前蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家紛紛推廣應(yīng)用和發(fā)展多向模鍛技術(shù)，我國(guó)也從20世紀(jì)60年代中期起開(kāi)始研發(fā)多向模鍛設(shè)備和工藝。

多向模鍛一般都采用兩個(gè)可分的半凹模，也可以說(shuō)是分模模鍛；但分模模鍛不一定是多向模鍛。

分模模鍛和多向模鍛的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)

能成形結(jié)構(gòu)形狀相當(dāng)復(fù)雜的鍛件

分模模鍛和多向模鍛都屬于以擠壓為主的閉式模鍛過(guò)程，鍛件的形狀準(zhǔn)確，精度高，飛邊很少或根本沒(méi)有，沒(méi)有拔模斜度或者拔模斜度很小，因而能大大節(jié)約材料。實(shí)踐表明，通過(guò)水平分模和縱向分模，多向模鍛可獲得形狀相當(dāng)復(fù)雜、尺寸精確、無(wú)飛邊、無(wú)模鍛斜度并帶有孔腔、形狀和尺寸最大限度接近成品零件的鍛件，可顯著提高零件的材料利用率，減少機(jī)加工工時(shí)，大幅降低成本。

鍛件的流線分布合理

多向模鍛件由于是擠壓成形，因而金屬流線完好，沿鍛件輪廓分布（可用低倍檢驗(yàn)觀察），有利于提高鍛件的力學(xué)性能。又因多向模鍛不產(chǎn)生飛邊，不會(huì)因?yàn)榍羞叾a(chǎn)生流線末端外露等質(zhì)量問(wèn)題，因而零件的抗應(yīng)力腐蝕性能也得到了大大的提高。

生產(chǎn)效率高

多向模鍛可實(shí)現(xiàn)大變形，對(duì)形狀復(fù)雜的小型鍛件，一般多向模鍛不需預(yù)鍛，只需一火一次成形。而大中型鍛件，有可能需要預(yù)鍛，需要兩次行程，一般也是一火成形。至于在平鍛機(jī)上進(jìn)行模鍛，有時(shí)多到四次行程，仍然是一火，但鍛件形狀則復(fù)雜得多。因而多向模鍛時(shí)，生產(chǎn)效率高，可減少加熱設(shè)備，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低能源消耗，降低火耗，減少鍛件表面脫碳和合金元素貧化，模鍛過(guò)程的自動(dòng)化和機(jī)械化也較易實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用范圍廣

航空、航天器械中的一些重要的關(guān)鍵零件常常采用鍛造溫度范圍很窄和塑性很低的難變形合金鋼或合金，如不銹鋼、高溫合金、鈦合金、鎳合金等。這類(lèi)金屬材料在普通模鍛時(shí)，因處于拉應(yīng)力狀態(tài)，故而可能使鍛件產(chǎn)生裂紋甚至導(dǎo)致報(bào)廢；然而在多向模鍛時(shí)，由于坯料處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，金屬的塑性可以得到提高，因此即使是難變形的金屬材料亦有可能承受鍛造變形。

模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

多向模鍛的模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，使用維護(hù)方便，模具冷卻與潤(rùn)滑效果好，因而多向模鍛的模具壽命相對(duì)較高，這有利于提高生產(chǎn)效率，也使得鍛件的生產(chǎn)成本降低。

采用多向模鍛和普通模鍛生產(chǎn)的下套筒、噴管、大外筒、小外筒、球形接頭、缸體6種航空零件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比見(jiàn)表1，由表1可見(jiàn)，由于多向模鍛簡(jiǎn)化了工序，因而經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。如下套筒的普通模鍛件，需要19道工序完成，而多向模鍛只需8道；噴管的普通模鍛件，需要13道工序完成，而多向模鍛只需7道；球形接頭的普通模鍛件，需要22道工序完成，而多向模鍛只需9道。

■ 表1 6種航空零件普通模鍛和多向模鍛的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益

多向模鍛及分模模鍛的生產(chǎn)規(guī)模與經(jīng)濟(jì)效益有很大關(guān)系，隨著鍛件批量的增加和品種的擴(kuò)大，要重視以下問(wèn)題。

⑴投資大。

多向模鍛和分模模鍛要采用專(zhuān)用的多向模鍛液壓機(jī)或?qū)ｉT(mén)的多向模鍛裝置，投資較大。由于多向模鍛和分模模鍛的經(jīng)濟(jì)效益很好，故設(shè)備投資回收期一般不超過(guò)兩年。

⑵設(shè)備剛性好。

為了提高多向模鍛件的品質(zhì)，多向模鍛設(shè)備就需要具有較高的剛度和導(dǎo)向精度。傳統(tǒng)的三梁四柱液壓機(jī)和通用的熱模鍛曲軸壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差，導(dǎo)向精度較低，難以與專(zhuān)門(mén)化的多向模鍛和分模模鍛設(shè)備抗衡。

⑶對(duì)坯料精度要求高。

由于多向模鍛屬于閉式模鍛，因此對(duì)坯料的下料精度要求高，重量允差嚴(yán)格。一旦坯料的幾何形狀或重量超出下料公差，輕則使鍛件成品率下降，重則影響模具壽命。對(duì)此，要求采用帶鋸或圓盤(pán)鋸下料，以確保下料公差。要保證送入模具中的毛坯不帶或少帶氧化皮，要求對(duì)毛坯無(wú)氧化加熱，或采用專(zhuān)門(mén)的去除毛坯氧化皮的設(shè)備。

⑷對(duì)模具質(zhì)量要求高。

由于模具是分體式組合模具，因此對(duì)模具本身的質(zhì)量要求也高，不僅要求制造精度高，而且從減少模鍛時(shí)模具本身的變形出發(fā)，要求模具本身不僅要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，還要具有較高的剛度。

國(guó)外分模模鍛和多向模鍛生產(chǎn)的模鍛件

美國(guó)喀麥?。–ameron）公司的300MN（3萬(wàn)噸）多柱塞液壓機(jī)能進(jìn)行垂直分模、水平分模以及兼有垂直分模和水平分模的復(fù)合分模的多向模鍛。采用多向模鍛和分模模鍛生產(chǎn)的模鍛件我們都簡(jiǎn)稱(chēng)為多向模鍛件。

如圖2所示為采用垂直分模進(jìn)行多向模鍛，其工作原理為：在不工作的時(shí)候，兩個(gè)半凹模分開(kāi)，如圖2a所示；壓機(jī)滑塊下行時(shí)，兩個(gè)半凹模閉合，在穿孔沖頭穿孔的同時(shí)，左、右沖頭對(duì)坯料施加作用，使金屬充滿(mǎn)模膛，完成模鍛工序，如圖2b所示。由于凹模完全閉合，所以在模鍛件上不產(chǎn)生飛邊，僅在兩個(gè)半凹模閉合分界面上產(chǎn)生少量毛刺。模鍛結(jié)束后，穿孔沖頭回程，兩個(gè)半凹模分開(kāi)，完成一個(gè)循環(huán)，如圖2c所示。

采用垂直分?？稍谝淮涡谐讨绣懗龈?13mm、直徑φ610mm、重達(dá)680kg的石油工業(yè)用鉻鉬鋼閥體，如圖2d所示。

圖2 垂直分模的多向模鍛

圖3 水平分模的多向模鍛

如圖3所示為采用水平分模進(jìn)行多向模鍛，其工作原理為：在不工作的時(shí)候，兩個(gè)半凹模分開(kāi)，如圖3a所示；壓機(jī)滑塊下行時(shí)，兩個(gè)半凹模閉合，進(jìn)行預(yù)鍛，然后左、右兩個(gè)沖頭同時(shí)穿孔，如圖3b所示。由于凹模完全閉合，所以不產(chǎn)生飛邊，而且金屬內(nèi)部組織均勻。模鍛完成后，上、下兩個(gè)半凹模分開(kāi)，如圖3c所示。

采用水平分模能在液壓機(jī)的一次行程中鍛出高1000mm、直徑φ610mm、重約320kg的鉻鉬鋼火箭噴嘴，如圖3d所示。

采用水平分模時(shí)既可以是分模模鍛，也可以是多向模鍛。如圖3所示的水平分模，在鍛造時(shí)，如果左、右兩個(gè)沖頭不主動(dòng)穿孔成形，就是分模模鍛。

本公司在進(jìn)行三通管接頭多向模鍛試驗(yàn)時(shí)，采用同一副水平分模模具。當(dāng)將小直徑坯料橫放在模腔里成形時(shí)，由于坯料長(zhǎng)，放在模腔里時(shí)其左、右端就可能分別與左、右沖頭接觸。在模鍛開(kāi)始時(shí)，左、右兩個(gè)沖頭就主動(dòng)對(duì)坯料作用，使其穿孔成形。而將短而粗的坯料立放在模腔里時(shí)，在模鍛開(kāi)始時(shí)，左、右兩個(gè)沖頭對(duì)坯料不發(fā)生作用，不使其穿孔成形，而只是在模鍛后期，左、右兩個(gè)沖頭才對(duì)坯料發(fā)生作用，參與沖孔成形。我們可以將其看成是分模模鍛。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，采用細(xì)坯料橫向布置于模腔之中多向模鍛成形的三通管接頭，左、右兩端成形良好，如圖4所示。

圖4 三通管接頭的多向模鍛件

如圖5所示為采用復(fù)合分模進(jìn)行多向模鍛，其工作原理為：在不工作的時(shí)候，兩個(gè)半凹模分開(kāi)，如圖5a所示；多向模鍛開(kāi)始時(shí)，上、下兩個(gè)半凹模先行閉合，如圖5b所示；然后，左、右兩個(gè)水平?jīng)_頭進(jìn)行擠壓，如圖5c所示；擠壓過(guò)程結(jié)束后，兩個(gè)水平?jīng)_頭不動(dòng)，上滑塊里的內(nèi)沖頭向下沖孔，使鍛件內(nèi)、外表面都獲得最終形狀，如圖5d所示。成形結(jié)束后，上、下兩個(gè)半凹模和左、右兩個(gè)水平?jīng)_頭都分開(kāi)，回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖5e所示。

圖5 復(fù)合分模的多向模鍛

采用復(fù)合分?？稍谝淮涡谐讨绣懗龈?200mm、長(zhǎng)1170mm、直徑大于φ1000mm、重約7t的鉻鉬閥體。

國(guó)外的多向模鍛技術(shù)已擴(kuò)大應(yīng)用到石油、化工、電力、航空、軍工等領(lǐng)域，采用多向模鍛和分模模鍛生產(chǎn)的典型多向模鍛件見(jiàn)表2、3。表2所列多向模鍛件所采用的材料為一般優(yōu)質(zhì)碳素鋼和一般合金鋼，表3所列多向模鍛件所采用的材料為不銹鋼、馬氏體時(shí)效鋼和鈦基合金、鎳基合金。

一般多向模鍛和分模模鍛是一次加熱和一次成形，這對(duì)高合金鋼、鈦合金和鎳合金等材料來(lái)說(shuō)極為重要。這些材料價(jià)格昂貴，鍛造溫度范圍窄小，在鍛造過(guò)程中易于產(chǎn)生裂紋，一次加熱也可減少氧化損失。

■ 表2 國(guó)外生產(chǎn)的鋼質(zhì)多向模鍛件

多向模鍛件的質(zhì)量越來(lái)越大，從數(shù)百千克到幾噸、十幾噸，如直徑φ1025mm的Astroloy鎳基合金超音速運(yùn)輸機(jī)大型渦輪盤(pán)和質(zhì)量為13.5t的50萬(wàn)千瓦或更大的汽輪發(fā)電機(jī)組的渦輪盤(pán)，其示意圖如圖6所示。

■ 表3 國(guó)外生產(chǎn)的不銹鋼和特殊合金多向模鍛件

在300MN多柱塞液壓機(jī)上一火多向模鍛生產(chǎn)的Ti6Al6V2Sn飛機(jī)起落架空心鍛件的示意圖如圖7所示，其質(zhì)量?jī)H為實(shí)心鍛件的1/2，金屬流線分布好，力學(xué)性能也大大提高。

圖6 渦輪盤(pán)示意圖

圖7 飛機(jī)起落架空心鍛件示意圖

多向模鍛生產(chǎn)的壓氣機(jī)盤(pán)，強(qiáng)度達(dá)1250～1650MPa，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（1200MPa）38%；伸長(zhǎng)率達(dá)20%，超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一倍以上。

多向模鍛生產(chǎn)的Incoloy718鎳基合金半球殼體如圖8所示。

圖8 Incoloy718鎳基合金半球殼體

結(jié)束語(yǔ)

多向模鍛不僅用于加工高合金鋼和高級(jí)合金，而且也用于加工有色金屬和一般鋼材；不僅用于加工復(fù)雜的大型空心鍛件，而且用于加工汽車(chē)、拖拉機(jī)鍛件以及齒輪和各種管接頭。需求量很大的齒輪、萬(wàn)向節(jié)十字頭、萬(wàn)向軸法蘭、后橋差速器十字軸、三向接頭、萬(wàn)向節(jié)叉以及方向盤(pán)蝸桿等，都可以用多向模鍛工藝來(lái)生產(chǎn)，其應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。