使用氣電組合加熱模具裝置的閉式等溫模鍛

文／景屹峰，何剛，陶力，吳康偉·無錫東海鍛造有限公司

使用氣電組合加熱模具裝置的閉式等溫模鍛

文／景屹峰，何剛，陶力，吳康偉·無錫東海鍛造有限公司

設(shè)計(jì)了鍛件新的閉式模鍛工藝，使用電氣組合加熱等溫變形裝置，所需變形力減小到傳統(tǒng)模鍛變形力的1/6～1/5；鍛件耗材是傳統(tǒng)工藝的1/3～1/2；機(jī)械加工量減少了50%～70%，并降低了能耗、提高了鍛件質(zhì)量。

熱閉式等溫模鍛的工藝過程，其特征是材料的變形溫度和模具的溫度是相同的，是最有助于技術(shù)和生產(chǎn)進(jìn)步的具有重要意義的高精度模鍛件經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)工藝。該工藝廣泛應(yīng)用于航空航天、造船和其他工業(yè)領(lǐng)域。

在等溫條件下閉式熱模鍛的過程具有一系列優(yōu)點(diǎn)。包括由于改善變形材料組織從而提高了鍛件力學(xué)性能；獲得小余量或無余量無飛邊和外形具有最小模鍛斜度（0°～1°）的鍛件；獲得帶有不大斜度（1°～3°）或無斜度深腔；提高了材料的利用率和勞動生產(chǎn)率；由于低的變形阻力，使變形力減少到普通模鍛的1/4～1/3（有時(shí)到1/6～1/5，參見表1），能耗減少到普通模鍛的20%～80%；后續(xù)機(jī)械加工量減少了30%～60%；改善了勞動條件等等。

閉式等溫模鍛通常在專用液壓機(jī)上進(jìn)行，本公司液壓機(jī)型號為THP10-2000B，25MN，壓機(jī)的變形速度可在大的范圍內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)制造各種復(fù)雜形狀精密鍛件。

廣泛用于生產(chǎn)中的等溫模鍛工藝過程，其中包括使用不可靠的感應(yīng)電加熱模具裝置，該裝置用于加熱模具并使模具溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。然而，現(xiàn)行的電感應(yīng)加熱裝置存在很多缺陷：如制造材料昂貴且需制造工時(shí)很長；加熱模具和毛坯時(shí)因“集膚效應(yīng)”而不均勻；小的加料口、高電耗；感應(yīng)加熱裝置要消耗大量冷卻水；沒有快速取件裝置和換模裝置；占據(jù)較大生產(chǎn)場地、使用壽命低等等。

表1 Ti-6Al-4V壓氣機(jī)葉片在不同鍛造工藝下的變形抗力

氣電組合加熱裝置

由于前文所述現(xiàn)有加熱裝置在技術(shù)和工藝上的缺點(diǎn)，考慮設(shè)計(jì)燃?xì)饧訜岷碗娂訜釓?fù)合加熱等溫變形裝置，如圖1所示。該裝置依靠氣體介質(zhì)燃燒能夠保證快速加熱大外廓尺寸模具裝備和大尺寸坯料達(dá)到規(guī)定溫度。在滿足工藝要求的前提下，設(shè)計(jì)的裝置考慮能耗和加熱時(shí)間最小化。

圖1 氣電組合式加熱裝置

當(dāng)裝置接入模具加熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)就會自動點(diǎn)火并維持規(guī)定溫度，天然氣和空氣按比例供給，儀表自動監(jiān)控變化。

模具加熱步驟如下：煤氣-空氣混合物經(jīng)過燃燒嘴進(jìn)入環(huán)形加熱室，在加熱室點(diǎn)火后形成載熱介質(zhì)——燃燒品。切向分布的氣體燃燒嘴保證在加熱室內(nèi)燃燒過程的穩(wěn)定性，在周圍介質(zhì)溫度相對低的條件下，也能均勻地加熱模具并消除電加熱模塊所固有的集膚效應(yīng)。載熱體均勻有節(jié)奏地通過切向出口從加熱室排出系統(tǒng)排出并加熱模具，使模具快速達(dá)到溫度要求。

高難度等溫模鍛件制造上的應(yīng)用

設(shè)計(jì)了新的鍛件等溫模鍛節(jié)材工藝過程，這些鍛件材質(zhì)為鋁合金和鎂合金，沿高度具有局部變截面，其加熱裝置均為上述裝置。

隔框的鍛造

從工藝角度來說，隔框?yàn)樵囍频淖畲箦懠彩亲顝?fù)雜鍛件。圖2所示為傳統(tǒng)工藝下的隔框鍛件，它是由防銹鋁合金5456制成的。傳統(tǒng)工藝采用100MN液壓機(jī)鍛造成形，在零件全部表面都留有加工余量和大的模鍛斜度，材料的消耗為21kg。

圖2 傳統(tǒng)工藝下的隔框鍛件簡圖

圖3所示為新工藝下的隔框鍛件簡圖，它是在等溫條件下采用前文所述加熱裝置加熱模具和坯料到475℃，使用水基石墨潤滑，在型號為THP10-2000B 25MN（壓力為16MN）液壓機(jī)上成形的。鍛件沒有模鍛斜度，僅在端部和最下端外徑表面留有余量，耗材僅僅7.5kg。

使用新工藝每制造一個(gè)鍛件就節(jié)約防銹鋁合金13.5kg，也就是幾乎減少到原金屬消耗的1/3，不僅提高了勞動生產(chǎn)率，而且減少了機(jī)械加工勞動量。由于在機(jī)械加工中沒有切斷金屬流線，最終產(chǎn)品的力學(xué)性能和質(zhì)量均有一定程度的提高。

圖3 新工藝下的隔框鍛件簡圖

發(fā)射架的鍛造

發(fā)射架鍛件材質(zhì)為鎂合金MA2-1，其密度僅為鋼的1/4左右，因而其具有比強(qiáng)度和比剛度高、抗振減噪、電磁屏蔽性好、優(yōu)良的阻尼性以及易于再生等一系列優(yōu)點(diǎn)；鎂合金對有機(jī)物和堿性物質(zhì)的抗蝕性很好，是目前作為結(jié)構(gòu)材料使用的最輕金屬。隨著汽車、航空、航天、電子及運(yùn)輸?shù)裙I(yè)輕量化的發(fā)展要求，鎂合金的應(yīng)用范圍越來越廣。由于鎂合金是密排六方晶格結(jié)構(gòu)，在常溫下的塑性變性能力差。但是，變形鎂合金有著鑄造鎂合金無法替代的優(yōu)良性能，鍛造鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)性能，使鎂合金鍛件作為結(jié)構(gòu)件在交通、電子、航空、手動工具等領(lǐng)域內(nèi)具有更廣闊的應(yīng)用前景。綜上因素，發(fā)射架采用等溫成形方法制造。

圖4為新工藝下的鎂合金MA2-1發(fā)射架鍛件簡圖，傳統(tǒng)工藝下該鍛件由厚25mm板材切割出來；新工藝下該鍛件通過在16MN液壓機(jī)上采用等溫鍛造成形，使用氣電組合加熱裝置將模具加熱至360℃后鍛造成形，金屬消耗量減少到傳統(tǒng)工藝的一半，隨后的機(jī)械加工量減少了70%。

圖4 新工藝下的鎂合金MA2-1發(fā)射架鍛件簡圖

鍛件質(zhì)量檢驗(yàn)

通過分析等溫條件下熱模鍛所獲得鍛件金相組織，證明此工藝獲得的鍛件是高質(zhì)量的。鍛件變形區(qū)域中心的顯微組織是等軸的、細(xì)小的、均勻的，沒有變形的死區(qū)、氣孔和折疊以及金屬過熱痕跡。鍛件纖維流線沿著模具型腔輪廓，完整沒有斷線。

結(jié)論

⑴等溫模鍛條件下所需變形力減小到傳統(tǒng)模鍛的1/6～1/5；鍛件耗材是傳統(tǒng)工藝的1/3～1/2；機(jī)械加工量減少了50%～70%。

⑵運(yùn)用氣電組合加熱模具的等溫模鍛工藝，在制造大尺寸和復(fù)雜幾何形狀鍛件時(shí)是有效的。

⑶在制造鍛件時(shí)，為了節(jié)材和降耗，條件允許的情況下推薦采用閉式等溫模鍛工藝。