簡敘鋁合金模鍛工藝和模具設(shè)計(jì)(連載三)

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)》(連載二)見《鍛造與沖壓》2021 年第17 期

模具壽命

鋁合金鍛模的失效形式主要是表面磨損和疲勞裂紋以及疲勞斷裂損壞。但是，與鋼模鍛比較，鋁合金鍛造溫度比鋼低很多，又沒有氧化皮，所以鋁合金鍛造模具磨損和疲勞裂紋也沒有鋼鍛模嚴(yán)重。另外，鋁合金鍛模粗糙度低(拋光，模膛表面粗糙度Ra0.4μm，光潔)，模鍛潤滑又好，較大地改善了表面磨損和疲勞裂紋產(chǎn)生，故低強(qiáng)度高塑性和中強(qiáng)度中塑性鋁合金鍛造模具使用壽命較高。

鋁合金鍛造用模具材料選擇和鋼鍛造用模具材料選擇原則相同，應(yīng)根據(jù)采用的設(shè)備種類、鋁合金材料品種、鍛件形狀以及失效形式等選擇。小型鍛?？刹捎镁C合性能較好的模具鋼4Cr5MoSiV1(H13)，大型鍛模常采用5CrNiMo 或5Cr2NiMoVSi。

如果模膛較深，鍛造時(shí)側(cè)向壓力很大，模塊流線走向應(yīng)和側(cè)向壓力方向垂直，否則模塊極易疲勞斷裂損壞。例如汽車鋁合金鍛件常采用6061鋁合金，其在熱加工溫度范圍內(nèi)變形抗力較小，變形抗力60 ～70MPa。所以許多企業(yè)常采用5CrMnMo 或5CrNiMo模具鋼，模具硬度38～42HRC。模具成本低、壽命較高，一般可達(dá)2 萬～3 萬件，而且許多是疲勞斷裂損壞。例如圖11 操作臂鍛模是疲勞斷裂損壞，而模具磨損和塑性變形幾乎很小，模具表面仍較光潔。

圖11 斷裂模具

鋁合金精鍛技術(shù)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬分析技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用和發(fā)展，人們相應(yīng)提出了數(shù)字化精鍛成形概念，數(shù)字化精鍛的內(nèi)涵主要包括精密塑性加工工藝、數(shù)值模擬仿真(CAE)技術(shù)、精密塑性加工模具CAD/CAM 技術(shù)和精密測量技術(shù)。獲得精密鍛件優(yōu)化設(shè)計(jì)主要目標(biāo)有三點(diǎn)：鍛件余量和公差達(dá)到相應(yīng)的國標(biāo)中精密級(jí)技術(shù)指標(biāo)(主要靠模具精度保證)、鍛件微觀組織和力學(xué)性能達(dá)到零件的性能指標(biāo)(主要靠工藝參數(shù)優(yōu)化)和模鍛成形力最小(主要靠模膛內(nèi)金屬流動(dòng)距離短和流動(dòng)順序合理，而閉式精鍛時(shí)則依靠采用分流鍛造技術(shù)保證)。

實(shí)例：門鉸鏈模鍛工藝和模具設(shè)計(jì)

鍛件圖和主要技術(shù)參數(shù)

⑴鍛件形狀特點(diǎn)。

圖12 為鍛件圖，圖13 為鍛件實(shí)物，此門鉸鏈屬帶枝丫的直長軸類鍛件，腹板厚度7.5mm(偏差－0.3mm ～＋0.7mm)，又屬薄板類鍛件。鍛件由腹板和桿臺(tái)兩部分組成，桿臺(tái)又由上下兩個(gè)桿臺(tái)組成，桿臺(tái)與腹板垂直，并與腹板長度方向呈10.7°。

⑵主要工藝參數(shù)。

原材料為6 08 2(T4)鋁合金，坯料加熱溫度480℃，始鍛溫度470℃，終鍛溫度400℃，模具粗糙度Ra0.4μm，模具預(yù)熱溫度200 ～250℃，采用德國福斯水基石墨潤滑劑(1:20)。鍛件重92 克，采用固溶時(shí)效處理，鍛件力學(xué)性能：σb=380MPa、σp0.2=360MPa、δ ≥9%、ψ ≥9%。流線沿桿臺(tái)方向，見圖12。

圖13 鋁合金300 門鉸鏈

工藝分析

⑴工藝分析

1)工藝分析：帶枝丫的薄板直長軸類鍛件可以采用開式模鍛，也可采用閉式模鍛。對(duì)于復(fù)雜鋁合金鍛件，預(yù)鍛宜采用帶飛邊的閉式模鍛，這樣模膛形成是三向壓應(yīng)力，提高鋁合金坯料塑性。

一般應(yīng)預(yù)先將原坯料壓扁，分配鍛件各部位體積，并將桿臺(tái)鍛出小部分，以有利壓扁坯在預(yù)鍛模膛定位。預(yù)鍛宜采用帶飛邊的閉式模鍛將桿臺(tái)鐓擠出，閉式模鍛不僅形成三向壓應(yīng)力，提高坯料塑性，還可以提高鍛件材料利用率和改善鍛件流線(纖維)；終鍛采用鐓粗整形。

2)分模面走向：桿臺(tái)由上下兩部分桿臺(tái)組成，其中下桿臺(tái)與腹板寬度方向呈77°，為了鍛件下桿臺(tái)起模和腹板飛邊切除干凈，將鍛件腹板寬度方向旋轉(zhuǎn)15.5°(取下桿臺(tái)模鍛斜度2.5°，模鍛斜度小，坯料流動(dòng)阻力小，有利下桿臺(tái)頂端充滿)，故腹板在空間呈傾斜狀。分模面位置和走向見圖12，其內(nèi)有詳細(xì)說明。

⑵工藝過程：可以采用兩種成形工藝。

1)一模一件：預(yù)鍛成形，終鍛整形。鍛件坯料取φ28mm×75mm，重量125 克，坯料利用率74%。其工藝過程是原坯料壓扁→預(yù)鍛閉式模鍛(基本完全成形)→終鍛僅整形(鐓粗量約0.2mm)，優(yōu)點(diǎn)是提高了模具使用壽命。

2)一模兩件：僅終鍛一次模鍛成形即可。飛邊采用曲面橋，增加飛邊阻力，坯料利用率70%。

一模一件模具設(shè)計(jì)

⑴工步設(shè)計(jì)。

1)壓扁坯。壓扁坯為預(yù)鍛坯各部位配置合理坯料體積，控制坯料流動(dòng)，并使壓扁坯在預(yù)鍛模膛準(zhǔn)確定位，壓扁坯鐓擠出預(yù)鍛坯部分桿臺(tái)(壓扁坯桿臺(tái)徑向尺寸比預(yù)鍛坯桿臺(tái)徑向尺寸單邊小0.15mm)；壓扁厚度取20mm，壓扁坯厚度影響預(yù)鍛坯桿臺(tái)鐓擠量，直接影響預(yù)鍛坯桿臺(tái)下頂端充滿程度。壓扁模具應(yīng)設(shè)計(jì)原坯料前后和左右定位面。

2)預(yù)鍛坯。以熱鍛件圖為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)預(yù)鍛坯圖(即預(yù)鍛熱鍛件圖)，設(shè)計(jì)原則和鋼鍛件預(yù)鍛熱鍛件圖基本相同。

①桿臺(tái)設(shè)計(jì)。

預(yù)鍛坯上桿臺(tái)和下桿臺(tái)過渡圓角應(yīng)比終鍛坯上桿臺(tái)和下桿臺(tái)過渡圓角R3mm 大，取R6mm，確保桿臺(tái)頂端充滿；預(yù)鍛坯桿臺(tái)徑向尺寸比終鍛坯桿臺(tái)徑向尺寸單邊小0.15mm；預(yù)鍛坯桿臺(tái)體積(含飛邊)比終鍛坯桿臺(tái)體積(含飛邊)稍大(不大于1%)。預(yù)鍛坯桿臺(tái)在終鍛模膛是鐓粗成形，確保終鍛坯桿臺(tái)充滿良好，流線順暢。

但是，預(yù)鍛坯桿臺(tái)按以上設(shè)計(jì)(圓角R6mm)，預(yù)鍛坯在終鍛模膛不能以桿臺(tái)定位。預(yù)鍛坯在終鍛模膛必須以終鍛腹板模膛4mm 高的左側(cè)壁定位(見圖12 確定飛邊走向)，否則預(yù)鍛坯在放入終鍛模膛時(shí)將傾斜至飛邊部位而無法模鍛。

經(jīng)作圖，預(yù)鍛坯桿臺(tái)在終鍛模膛僅抬高1.9mm(圓角R6mm 影響)，但對(duì)下桿臺(tái)充滿卻大大改善，能做到100%充滿。

②腹板設(shè)計(jì)。

預(yù)鍛坯腹板徑向尺寸比終鍛坯腹板徑向尺寸單邊小0.15mm；預(yù)鍛坯腹板厚度取8mm，終鍛坯腹板厚度取7.8mm，鍛件腹板厚度7.5mm(＋0.7mm、－0.3mm)，終鍛坯腹板厚度取鍛件正公差之半，預(yù)鍛坯腹板僅為終鍛坯腹板預(yù)留0.2mm 鐓整量。將預(yù)鍛坯各尺寸換算為熱尺寸(取冷收縮率1.5%)，即為預(yù)鍛熱鍛件圖。

3)終鍛坯。將鍛件圖上各尺寸換算為熱尺寸，設(shè)計(jì)熱鍛件圖。終鍛坯采用開式模鍛，腹板0.2mm鐓粗整形，并同時(shí)將預(yù)鍛坯上桿臺(tái)和下桿臺(tái)過渡圓角R6mm 鐓擠到R3mm。

⑵一模一件模具設(shè)計(jì)。

1)壓扁模。

設(shè)計(jì)原坯料在壓扁模內(nèi)定位，寬度方向定位采用在軸向設(shè)計(jì)原坯料定位槽R28mm 圓弧,圓弧深度3mm，圓弧與模面圓滑過渡。軸向定位采用在壓扁模軸向設(shè)計(jì)定位塊。設(shè)計(jì)桿臺(tái)模膛，坯料壓扁時(shí)，將部分金屬坯料鐓擠入桿臺(tái)模膛，用于壓扁坯在預(yù)鍛模膛定位，壓扁模具圖省略。

2)預(yù)鍛模。

①預(yù)鍛模膛：按預(yù)鍛熱鍛件圖設(shè)計(jì)和制造，預(yù)鐓模具圖省略。

②飛邊槽：設(shè)計(jì)閉式飛邊橋，取橋高1.8mm，橋?qū)?0mm，封閉墻斜度1°和7°，間隙0.3mm，墻高35mm(壓扁坯厚度20mm，上凸模碰到壓扁坯時(shí)必須進(jìn)入閉式模膛內(nèi))。

③頂出桿：頂出桿直徑取10mm，導(dǎo)向長度取30mm，頂出桿其余直徑取9mm 即可。并使頂出桿和孔單邊間隙取0.1mm 之內(nèi)，還應(yīng)使頂出桿離模膛有效距離5mm 以上，這種布置也有利鍛件頂出。

④平衡鎖扣：因此鍛件分模面是曲面，模鍛時(shí)要產(chǎn)生水平分力，故應(yīng)設(shè)計(jì)平衡鎖扣用以平衡水平分力。

3)終鍛模。

①終鍛模膛：按熱鍛件圖設(shè)計(jì)和制造，終鍛模具省略。

②飛邊槽：設(shè)計(jì)開式模鍛飛邊橋，取橋高1.8mm，橋?qū)?0mm。

③頂出桿：和預(yù)鍛模布置相同。

④平衡鎖扣：和預(yù)鍛模相同。

模具圖省略。

一模兩件模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)較簡單，兩件平行擺放，桿臺(tái)在下方(下模)。僅考慮飛邊位置(便于切邊且切邊質(zhì)量優(yōu))。飛邊采用曲面橋，增加阻力以利于鍛件充滿。模具圖省略。

結(jié)束語

本文以鋁合金鍛件特性、發(fā)展、模鍛件為出發(fā)點(diǎn)，簡述了鋁合金在汽車輕量化中的重要作用；隨后，介紹了鋁合金鍛件的生產(chǎn)，包括鍛件圖設(shè)計(jì)、鍛造力計(jì)算、模具結(jié)構(gòu)和壽命；最后，通過鋁合金門鉸鏈鍛件實(shí)例，介紹了鋁合金鍛件生產(chǎn)的實(shí)際過程。隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)向現(xiàn)代化、高速化方向發(fā)展，交通運(yùn)輸工具的輕量化要求日趨強(qiáng)烈，以鋁代鋼的呼聲越來越大，近幾年來大量使用鋁及鋁合金鍛件和模鍛件替代原來的鋼結(jié)構(gòu)件，這些趨勢正在大幅度增長。未來，鋁合金鍛件的應(yīng)用范圍和比例將會(huì)進(jìn)一步增長。