鍛造最新前沿技術(shù)研究綜述（上）

文／王以華·上海交通大學(xué)

袁秦峰，梁必成·浙江申吉鈦業(yè)有限股份公司

目前，世界鍛造行業(yè)最前沿的技術(shù)主要有板鍛技術(shù)、半等溫鍛技術(shù)和近似超塑性技術(shù)，這些新技術(shù)是順應(yīng)當(dāng)今行業(yè)發(fā)展需要而研發(fā)的，它們的突出優(yōu)點是更節(jié)能降耗、環(huán)保，性價比高，因而發(fā)展速度不容小噓。下面我們將這些新技術(shù)的發(fā)展情況分享給大家，以期達(dá)到拋磚引玉的效果。

用板材鍛造帶球形法蘭芯軸型零件

宇航工業(yè)對高質(zhì)量零件及其使用要求逐年增長，運用最新板鍛技術(shù)可以設(shè)計帶球形法蘭芯軸型零件(圖3）新工藝。在其他工業(yè)部門如汽車、機(jī)器人、工具儀器、儀表工業(yè)等都可以看到帶球形法蘭芯軸型零件作為主要球鉸鏈軸使用，甚至轎車上外星輪都可以用板鍛工藝制造。

板鍛技術(shù)

技術(shù)優(yōu)勢

所謂板鍛技術(shù)，顧名思義，就是板材經(jīng)鍛造變形制成精密鍛件，如圖1 所示。較早研究該技術(shù)的是日本岐阜大學(xué)王志剛教授，他指出，板材鍛造主要優(yōu)點：

⑴節(jié)能降耗優(yōu)選技術(shù)，平均降低成本45%，節(jié)省材料15%，提高生產(chǎn)效率30%。

⑵板鍛技術(shù)能成形出與機(jī)加工同等精度的零件。

⑶可以成形齒輪、外星輪、輪轂等復(fù)雜零件。在輕量化方面，利用板鍛技術(shù)容易做成空心齒輪，如圖2 所示。

圖1 由板材鍛造的部分精鍛件

圖2 板材鍛造空心齒輪

圖3 帶球形法蘭芯軸型零件

帶球狀法蘭型零件的板鍛工藝過程擬定如圖4 所示，板坯清理后落料(圖4a）→拉深成帶有圓柱段半球形(圖4b）→鐓擠壁部。模具結(jié)構(gòu)略圖如圖5 所示。

圖4 毛坯變形過程

圖5 鐓-擠復(fù)合工藝模具略圖

使用該工藝技術(shù)，試鍛厚度為2.5mm 的45#鋼板，鍛造成形后，經(jīng)檢測可知，模具工作表面粗糙度7 ～9 級，鍛件表面粗糙度達(dá)到8 ～9 級，直徑精度達(dá)到3 ～5 級，實物參見圖6。

半等溫鍛技術(shù)

圖6 板鍛外星輪

等溫模鍛是指坯料與模具幾乎在恒定的溫度下模鍛成形，為了保證恒溫成形的條件，模具也必須加熱到與坯料相同的溫度并保溫，故稱為等溫模鍛；等溫模鍛變形速率一般在(10-3～10-2）/s。

等溫模鍛常用于航空、航天工業(yè)中鈦合金、鋁合金、鎂合金等難變形材料的精密成形，近年來，也用于汽車工業(yè)和機(jī)械工業(yè)有色金屬的精密成形。這是因為在等溫條件下閉式熱模鍛的過程具有一系列優(yōu)點：可以改善變形材料組織，從而提高其力學(xué)性能；獲得小余量或無余量無飛邊且外形具有最小模鍛斜度(0 ～1°）鍛件；獲得帶有不大斜度(1°～3°）或無斜度深腔；材料利用率從50%～70%提高到80%～95%；提高不能加工表面率到60%～90%；由于低的變形阻力，使變形力減少到1/4 ～1/3(有時到1/6 ～1/5）；減少了隨后機(jī)械加工量30%～60%以上；改善了勞動條件。鈦合金等溫模鍛的變形力大約只有普通模鍛的1/8 ～1/5，見表1。

表1 Ti-6Al-4V 壓氣機(jī)葉片在不同鍛造工藝下的變形抗力

等溫模鍛發(fā)展趨勢

由于等溫模鍛工藝過程在液壓機(jī)上完成，它相對變形速度不大，生產(chǎn)率不高。用于航空航天鍛件批量不大、要求高、不計成本是可以的。但對于用量大的汽車零件，也要如此慢的變形速度就難以接受了。最佳等溫變形速度要考慮最大速度，在該速度下增加的模具負(fù)荷不超過許用負(fù)荷，以保證其正常鍛造生產(chǎn)，毛坯加熱變形程度不超過允許值，在毛坯材料組織和性能上沒有引起不適變化，采用半等溫模鍛工藝。

在簡化方案中確定了一些最大變形速度，在個別階段能夠增加變形速度而對模具工作性能和模鍛件質(zhì)量沒有損害，亦能增加工藝過程的生產(chǎn)率。例如，在模具還未接觸毛坯時，完全可以加快速度。在大批量零件生產(chǎn)中，模糊一些次要條件要求，追求產(chǎn)品質(zhì)量、性能、成本、生產(chǎn)率處于新的相對平衡狀態(tài)。

鋁合金軸承蓋半等溫模鍛技術(shù)

軸承蓋零件如圖7 所示，它安裝在汽車燃油高壓泵上，承受來自軸承的靜載荷，還要保證連接的密封性能。該零件因使用鑄件釀成滲漏造成事故。分析零件的結(jié)構(gòu)得出，它具有比較復(fù)雜的形狀，應(yīng)在機(jī)械壓力機(jī)上用半等溫模鍛多工步方法制造，毛坯采用φ60mm 棒材在帶鋸床上下料。

圖7 軸承蓋零件圖

毛坯的變形過程采用兩道工序，零件模鍛工藝過程分成預(yù)鍛、終鍛、切邊和沖孔3 個工步，如圖8 所示。在一個模架上安放兩個模鍛工位(圖9），這樣使兩個工位間操作時間壓縮到最短，從而避免重復(fù)加熱。在模具中設(shè)置了機(jī)械式頂桿和自動移動鍛件步進(jìn)梁，保證鍛件從第一和第二工位模膛中頂出并有序移動。在每一個模鍛工位設(shè)置了導(dǎo)柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保模鍛件的精度。用于零件變形后的切邊沖孔復(fù)合模具如圖10 所示。

圖8 軸承蓋零件模鍛的工藝過程

圖9 熱模鍛軸承蓋零件模具略圖

圖10 切邊沖孔復(fù)合模具

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模鍛工藝過程中要強調(diào)的是模具加熱保溫。模具的工作零件用煤氣一直加熱并保持在250℃～ 300℃。模鍛設(shè)備沒有使用液壓機(jī)，而是使用企業(yè)現(xiàn)有的1000 噸熱模鍛壓力機(jī)，組成一條半自動半等溫鍛生產(chǎn)線，模鍛毛坯及各工步半成品見圖11。

圖11 軸承蓋模鍛件毛坯及各工步半成品

葉輪半等溫鍛技術(shù)——局部加熱

圖12 所示為葉輪芯軸型預(yù)鍛件(a）和鍛件(b），圖13 所示為用于帶葉輪芯軸型零件的半等溫擠壓模具。鍛件材質(zhì)為7075 超硬鋁合金，加熱到t=450℃。由于芯軸一端帶有由葉片組成的法蘭，在這種情況下，為使難充填的葉片充滿模具角隅處，在凹模正擠壓帶法蘭部分設(shè)置中頻感應(yīng)加熱器，使該處成形葉片毛坯的條件接近等溫(t=350℃～450℃），加熱器僅加熱了毛坯的葉片法蘭部位，省去了對整個模具的加熱，所以鍛件法蘭部位葉片取得良好的充填效果。

圖12 葉輪芯軸型鍛件

圖13 帶葉輪芯軸型半等溫擠壓模具略圖

在模具中，鍛件桿部及中心位于活塞中心孔中，活塞中心孔d ＞dзаг，即使毛坯直徑達(dá)到正公差仍保證與孔壁有間隙。壓力機(jī)滑塊完成工作行程，凸模帶動芯軸擠入半成品毛坯深處。凸模端部與半成品法蘭端面接觸瞬間，在凹模模口和芯桿之間形成環(huán)狀間隙，金屬擠入環(huán)形槽中形成芯軸。為了保證上述芯軸在擠壓過程中的穩(wěn)定性，應(yīng)該為模鍛毛坯設(shè)計相應(yīng)深的預(yù)成形孔Hg(毛坯預(yù)鍛孔深）＜Lk(毛坯終鍛孔深）。直徑DКОНТ(凸模外徑）與Dпаз(凹模外徑）落差保證凹模溝槽良好充填，正是毛坯金屬與凹模溝槽側(cè)表面接觸形成正擠壓所需長度。

壓力機(jī)滑塊行程和凸模運動終止瞬間獲得厚度容許公差Hh，不大于凹模內(nèi)徑0.1d。當(dāng)凸模回程到原始位置(上面）時，潤滑系統(tǒng)噴涂潤滑冷卻型腔液體。液壓油進(jìn)入型腔頂出鍛件，其肋的表面要小心從凹模取出，防止頂出變形。從凹模中沖掉的潤滑劑-冷卻液從溝槽9 排出，在模具型腔表面僅留下一薄層潤滑劑。獲得鍛件后做進(jìn)一步機(jī)械加工和動平衡。