文/蔣鵬，韋韡·北京機(jī)電研究所

鋁合金三角臂鍛造工藝設(shè)計(jì)與鍛件缺陷分析

文/蔣鵬，韋韡·北京機(jī)電研究所

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，以及節(jié)能減排的要求，汽車輕量化的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。據(jù)報(bào)道，轎車質(zhì)量每減少10％，燃油消耗可降低6％～8％。因此，以鋁合金為代表的輕質(zhì)材料在汽車零部件的應(yīng)用日趨廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)平均每輛轎車鋁合金零件已達(dá)到130kg，歐洲每輛轎車使用鋁合金零件也已接近100kg，占轎車總自重的8％～9％。

鋁合金三角臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其形狀復(fù)雜，成形難度大。此類鍛件周邊往往帶有加強(qiáng)筋，內(nèi)部設(shè)置減重孔。該種結(jié)構(gòu)的筋部較易出現(xiàn)穿流和折疊缺陷。目前，國(guó)內(nèi)普遍的鋁合金鍛造工藝為液壓機(jī)上等溫鍛造，或者自由鍛制坯，摩擦壓力機(jī)或者錘上鍛造。前者設(shè)備投資大，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)效率低；后者制坯工藝落后，流程長(zhǎng)，需多次加熱，零件精度和質(zhì)量無(wú)法保證。本文介紹了一種采用自動(dòng)輥鍛機(jī)制坯，在高能螺旋壓力機(jī)上鍛造鋁合金三角臂的工藝，并分析了鍛件穿流和折疊缺陷形成原因。

圖1三角臂鍛件外形圖

工藝分析

三角臂鍛件如圖1所示。該鍛件形狀復(fù)雜，且無(wú)對(duì)稱性，周圍為不連續(xù)的加強(qiáng)筋，外形由曲面構(gòu)成，分模面非平面，且落差較大。可以看成長(zhǎng)軸類零件，但是局部又具有盤形件的特征。零件最厚處為中部球頭，厚度為44.5mm，最薄的腹板處僅為7mm。分模線不在同一平面，且最大落差達(dá)27.8mm。根據(jù)截面圖可知，沿著彎曲軸線方向，各截面面積變化并不劇烈，可看成彎曲類長(zhǎng)軸件。但是，截面高寬比相差懸殊，小頭端為0.88，中間腹板處達(dá)0.05，相差高達(dá)18倍。

由于鋁合金流動(dòng)性差，每道次允許的變形程度較小。由相關(guān)資料可知，鋁合金每次行程允許變形程度80％～85％，因此，該鍛件必須將從坯料到鍛件的變形程度進(jìn)行合理分配。中間球頭處截面變形最為劇烈，最大變形程度達(dá)91.7％。若從坯料直接進(jìn)行模鍛，零件中部腹板變形量大大超過(guò)了允許變形程度，難免產(chǎn)生折疊、充不滿等缺陷。

因此，必須將變形分配在多道工序中進(jìn)行。根據(jù)該鍛件特點(diǎn)，在模鍛之前設(shè)計(jì)了壓扁工序。這樣，從坯料到壓扁變形量為45.2％，壓扁到預(yù)鍛變形量為82.5％。各工序的鍛件截面如圖2所示。

圖2各工序截面對(duì)比

對(duì)于此種類型的鍛件，模鍛之前的制坯十分重要。由于鋁合金流動(dòng)性差，必須保證制坯形狀與鍛件形狀盡量相近，避免過(guò)大的變形，否則容易導(dǎo)致各種缺陷。

鍛造工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了一種輥鍛-模鍛復(fù)合成形新工藝，不僅能提高鍛件精度和質(zhì)量，而且流程短，投資少。其工藝流程如下：

首先，由中頻加熱爐將原始棒料加熱到450℃然后在φ560mm自動(dòng)輥鍛機(jī)上通過(guò)輥鍛對(duì)材料沿軸向進(jìn)行分配，使坯料軸線上各截面面積與鍛件面積相當(dāng)。隨后，在一臺(tái)機(jī)械壓力機(jī)上進(jìn)行彎曲和壓扁，彎曲是為了使輥鍛后坯料和鍛件形狀一致，壓扁則使得坯料厚度減少，將總變形量進(jìn)行分散，使得每道工序變形量都在允許變形量范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)以上工序后，坯料溫度下降較多，因此需進(jìn)入中間加熱爐進(jìn)行加熱。待加熱到480℃時(shí)，將坯料放入預(yù)鍛模膛進(jìn)行預(yù)鍛，接著進(jìn)行終鍛。其中，預(yù)鍛與終鍛布置于一副模具中，該模具安裝在25000kN離合器式高能螺旋壓力機(jī)上。這樣可以節(jié)省模具和設(shè)備占用，同時(shí)縮短工藝流程，避免坯料溫降過(guò)大而需重新加熱造成的時(shí)間和能源浪費(fèi)。最后，在機(jī)械壓力機(jī)上進(jìn)行切邊和沖孔。該模具在一個(gè)沖程內(nèi)完成切邊和沖孔兩道工序，并且兼具校正功能。該過(guò)程的工藝流程及鍛件變形過(guò)程分別如圖3和圖4所示。

圖3三角臂鍛造工藝流程圖

圖4三角臂鍛件變形過(guò)程示意圖

鍛件穿流缺陷形成機(jī)理分析

對(duì)于角形、槽型和工字形截面鍛件，容易產(chǎn)生穿流，嚴(yán)重時(shí)形成穿筋。產(chǎn)生穿流、穿筋的原因很多，但是一般認(rèn)為主要是帶筋截面材料余量過(guò)大所致。其形成過(guò)程大致可認(rèn)為是金屬沿最小阻力方向流動(dòng)的結(jié)果。以工字形截面為例，當(dāng)材料過(guò)多，在鍛件還沒打靠時(shí)，金屬已經(jīng)充滿筋部模膛。此時(shí)上模仍然繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，腹板上的多余金屬就會(huì)流向飛邊槽。而流向飛邊槽有如圖5所示兩種路徑。該部分金屬距離飛邊槽近，經(jīng)筋部模膛再流出的距離遠(yuǎn)。由于經(jīng)過(guò)筋部再進(jìn)入飛邊槽的阻力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接射入飛邊槽，因此，金屬往往直接射入飛邊槽，導(dǎo)致腹板表層的金屬流線發(fā)生了顯著變化，形成穿流甚至穿筋，圖6所示為在減重孔內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的穿流現(xiàn)象。

圖5穿筋流線

圖6減重孔內(nèi)側(cè)穿流

除了材料分配過(guò)多，導(dǎo)致穿流缺陷的原因還有以下幾種：

從模具結(jié)構(gòu)上看，腹板與筋相交的圓角半徑過(guò)小，筋較窄較高，腹板太薄，這些都可能導(dǎo)致穿流產(chǎn)生。換而言之，增大金屬向筋部流動(dòng)阻力，或者減少腹板流動(dòng)阻力的因素都是導(dǎo)致穿筋的根源。

從操作方法上看，毛坯擺放位置不當(dāng)，潤(rùn)滑不合理往往會(huì)使穿筋惡化。不規(guī)范的潤(rùn)滑操作使得模鍛件各部分的金屬流速不均、流向紊亂，流線紊亂。特別要注意潤(rùn)滑須均勻，尤其是腹板部位潤(rùn)滑劑不宜過(guò)多，以免該處表層金屬流動(dòng)阻力過(guò)小而直接流入飛邊槽。

從變形速度上看，過(guò)快的變形程度會(huì)加劇穿筋的產(chǎn)生。假如材料過(guò)剩太多，當(dāng)金屬已經(jīng)充滿模膛時(shí)，模具并未打靠。若此時(shí)上下?？焖俸夏?，會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，使得腹板處多余的金屬沿著筋的根部直接擠入飛邊槽，形成穿流甚至穿筋，圖7為減重孔處產(chǎn)生紊流和穿流。

圖7流線紊亂

筋部折疊缺陷的形成與分析

為了和穿流進(jìn)行比較，圖8給出了筋部折疊產(chǎn)生過(guò)程示意圖。

圖8筋部折疊的產(chǎn)生過(guò)程

從本質(zhì)上來(lái)講，穿流和穿筋都是由于流線不良導(dǎo)致鍛件內(nèi)部出現(xiàn)新的表面，可以認(rèn)為是一種折疊。只不過(guò)一般所認(rèn)為的折疊是多股金屬匯流，或者回流產(chǎn)生。而穿筋是金屬流動(dòng)路徑不協(xié)調(diào)造成的。穿筋的結(jié)果往往導(dǎo)致折疊。穿筋是從流線的角度考量，而折疊則是其宏觀表現(xiàn)。所謂穿筋其實(shí)是金屬的匯流；而圖8所示折疊則是由于材料回流所形成。

圖9正常流線

無(wú)論穿流或是折疊，在很大程度上都受筋底和腹板過(guò)渡圓角R的影響。當(dāng)圓角半徑R增大，材料向筋部流動(dòng)的阻力減小，材料的流動(dòng)狀態(tài)改善，得到合理的流線，即可避免穿流和折疊的產(chǎn)生。圖9所示為筋部正常流線。由此可見，當(dāng)圓角半徑增大時(shí)，流線良好，沒有出現(xiàn)流線露頭、紊流和穿流等缺陷。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)對(duì)上述工藝以及鍛件缺陷形成機(jī)理分析研究，可以得出如下結(jié)論：

⑴由于鋁合金塑性差，變形程度不能過(guò)大，單道次允許變形程度為80％～85％，否則容易產(chǎn)生折疊等缺陷。

⑵坯料和模鍛件材料需嚴(yán)格匹配，坯料截面面積比該處終鍛截面面積大5％～10％，太小容易導(dǎo)致充不滿，太大又會(huì)出現(xiàn)穿流穿筋等缺陷。

⑶模具模膛的凸圓角，尤其是筋部和腹板連接處的圓角半徑大小較為敏感，過(guò)小的圓角半徑往往導(dǎo)致折疊、穿筋等缺陷產(chǎn)生。