簡敘鋁合金模鍛工藝和模具設計（連載一）

文／趙一平·東風(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；鋁合金比強度大、比剛度大、疲勞強度高，宜用于輕量化要求高的關鍵受力部件；鋁合金塑性較好，可加工各種形狀復雜的高精度鍛件；鋁合金鍛件具有良好耐腐蝕性、導熱性和非磁性，這是鋼鍛件無法比擬的。

鋁合金鍛件發展迅速

⑴鋁合金鍛件發展迅速。

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

汽車和摩托車鋁合金鍛件發展迅速，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，發動機功率增加10%。懸掛零件大多數為鑄鐵件，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展趨勢。

1)歐美日汽車廣泛采用鋁合金鍛件：因為汽車輕量化具有重要意義(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展趨勢：大多數鋁合金鍛件用于汽車車橋、底盤構件。例如德、日、美采用鍛造或擺輾生產輪轂(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用于轎車。另外還有發動機零件，如連桿、活塞等鋁合金鍛件。隨著汽車工業安全環保和節能要求的提升，汽車輕量化要求不斷加強，促使鋁合金鍛件快速發展。

圖1 鋁合金輪轂

圖2 鋁合金控制臂

據統計，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。又經過近20 年發展，至今更獲得大發展。隨著節能環保的發展，今后鋁合金鍛件必將有很大發展。

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構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，當然，也有鋁合金模鍛件自身特點，如下將詳述。

鍛件圖制定

鋁合金鍛件圖設計與鋼鍛件圖設計內容基本相同，確定分模面位置和流線方向、機械加工余量和公差、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，鋁合金鍛件圖設計也有其自身特點和不同之處。例如鋁合金鍛件對流線方向和應力腐蝕特別敏感，還影響鍛件力學性能，故在鍛件圖設計時應特別注意流線方向和力學性能。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性能。

流線分布是鋁合金鍛件結構要素設計的重要特點，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、疲勞強度和抗腐蝕性能明顯降低，尤其是對應力腐蝕最敏感的短橫向流線方向設計。

鋁合金模鍛件金屬流線方向是決定鍛件力學性能的關鍵因素之一，多數鋁合金模鍛件均要求檢驗金屬流線方向，應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)。同時還應考慮鍛件工作時的受力情況，應使流線與剪應力方向相垂直。因此選擇分模線位置時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、模鍛時坯料放置方向、分模面(線)位置、模具結構、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力腐蝕的重要因素之一，鋁合金模鍛件流線設計比鋼鍛件更重要，對應力腐蝕特別敏感的高強度鋁合金尤為突出。因此，在設計鋁合金鍛件圖、模鍛工藝及模具時應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，這將加速應力腐蝕，而且鋁合金鍛件損壞易產生在切邊處，故應盡量采用閉式模鍛。

流線存在使鋁合金鍛件性能產生各向異性，鍛件力學性能沿鍛件流線方向為最好，故在實際工程中，應使流線(纖維組織方向)順鍛件承載方向，這樣承載能力強。故選擇坯料和工藝設計時，應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，原材料軸向應順凸臺方向放置。

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、也是最基本的結構要素。在設計鍛件圖時，首先對零件進行工藝分析，并確定分模線(面)。因為分模線位置直接關系到鍛件品質和工藝穩定性、材料利用率和鍛造操作，還關系到模具制造周期和成本費用等一系列問題。

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，在內圓角處容易形成折疊、穿晶以及不均勻晶粒結構，故應盡量不采用。若鍛件結構需要采用，應采取措施防止穿晶折疊產生，所以對鋁合金鍛件分模線(面)選擇應引起高度重視。

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)盡量采用平面分模或盡可能地接近一個平面，這樣模具結構簡單，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°，切邊時易拉出毛刺和擠裂。

圖6 各種鍛件分模面

5)分模面應使切邊時定位準確和方便，切邊刃口光潔。

不正確 正確

6)金屬流動方向合理(變形均勻和流線優異)。分模面位置應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。這是因為順著纖維流線方向強度和韌性最大，其他方向強度和韌性較小。例如某鋁合金鍛件測量數據充分說明，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生穿流、穿晶和折疊等缺陷，從而降低其疲勞強度。

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。鋁合金摩擦系數比鋼大，粘附力強，容易粘模，因而模鍛斜度比鋼鍛件稍大。在實際生產中為了便于鍛件起模，通常外模鍛斜度取3°～5°，內模鍛斜度取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，摩擦系數比鋼大，因而鋁合金鍛件的圓角半徑應比鋼鍛件稍大。對鋁合金鍛件來說，設計圓角半徑尤為重要，所以如果產品結構允許，圓角半徑應盡可能增大。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，而且會使鍛件產生折疊。如果鍛件允許，應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力集中，防止模具產生裂紋和開裂，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生折疊等缺陷。鋁合金流動性差，設計時應引起重視。

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，當鋁合金鍛件筋的高度h 和寬度b 的比值大于2.5 時，充滿困難，且變形抗力增大。

當工字形腹板寬度(筋間距)B 較大時，即腹板寬度與厚度T 比值大于3 時，極易產生穿晶折疊，如果產品允許，應加大筋和腹板之間的圓角半徑R(圖7)，并應設置預鍛成形，嚴格控制筋和腹板部位的坯料面積和體積，一般預鍛截面積和體積僅比終鍛對應截面積和體積稍大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雜件，金屬流動性差，而且變形抗力大，又極易產生各種缺陷，一般需要設計預鐓工步。

表1 分模面投影面積與允許的最小腹板厚度