文/姚鎮(zhèn)波·榮成金辰機(jī)械制造有限公司

熱閉塞模鍛工藝與設(shè)備

文/姚鎮(zhèn)波·榮成金辰機(jī)械制造有限公司

雖然，冷精鍛件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，但是成形抗力極高，具有相當(dāng)高的成形難度。并且僅能應(yīng)用于碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛件尺寸也受到很大限制。熱閉塞模鍛時，金屬變形抗力小，塑性好，鍛件容易充滿成形。而且，可以做到少無切削加工，節(jié)約原材料，進(jìn)而縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。但是，采用熱閉塞鍛造是否經(jīng)濟(jì)與生產(chǎn)批量的大小、節(jié)約原材料多少、減少機(jī)械加工的效果以及模具成本高低等因素有關(guān)，需要進(jìn)行具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。一般零件生產(chǎn)批量達(dá)到2000件以上時，熱閉塞鍛造即可顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)點。本文將就榮成金辰機(jī)械制造有限公司研發(fā)的熱閉塞鍛造工藝和設(shè)備進(jìn)行介紹。

基本概念和工藝

閉塞模鍛

⑴閉塞模鍛的含義。閉塞模鍛又稱復(fù)動成形，是可分凹模閉式模鍛，是當(dāng)代先進(jìn)的精密模鍛工藝技術(shù)。當(dāng)可分凹模閉合后，一個沖頭或幾個沖頭同時對金屬坯料進(jìn)行鐓擠成形或擠壓成形，使之產(chǎn)生多向流動，從而可在一道變形工序中獲得較大的變形量和復(fù)雜的型面，完成復(fù)雜零件塑性成形。

⑵閉塞模鍛的優(yōu)點。閉塞模鍛一般只需要一次加熱和設(shè)備一次行程，就能完成鍛件成形?？梢宰龅綔p少鍛造工序，提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、減少金屬燒損和鍛件表面脫碳。閉塞模鍛是一種精度高、生產(chǎn)率高和少無切削的成形技術(shù)。閉塞模鍛技術(shù)可以降低噪聲、減少振動和提高鍛造壓力機(jī)的自動化程度。

閉塞模鍛可分別用于熱鍛、溫鍛和冷鍛。鋼在低溫下的變形抗力較大，對模具的強(qiáng)度和耐磨性要求較高。低合金結(jié)構(gòu)鋼采用熱鍛，坯料溫度高，變形抗力較小，適合采用閉塞模鍛。因為有色金屬（如鋁合金和鎂合金等）鍛造溫度低、不易產(chǎn)生氧化、模具磨損少和鍛件表面粗糙度值低等特點，所以有色金屬比鋼更適合進(jìn)行閉塞精密模鍛。

閉塞模鍛工藝過程

閉塞模鍛操作過程如圖1所示，具體流程描述如下：

圖1 閉塞模鍛過程

⑴上凹模和下凹模閉合。當(dāng)凹模開啟時，坯料放入模膛，設(shè)備滑塊下行，上凹模2和下凹模3閉合形成封閉式模膛，同時對其施加足夠的閉合力，如圖1b所示。

⑵凸模對坯料進(jìn)行模鍛。上凸模4或下凸模5，或兩個凸模同時對封閉模膛內(nèi)的坯料1進(jìn)行模鍛。其工藝過程分為閉式鐓擠和徑向擠壓，例如，半軸齒輪屬于閉式鐓擠，十字軸屬于徑向擠壓。特殊情況也可以多個方向進(jìn)行閉式鐓擠或徑向擠壓成形，從而可在一個行程內(nèi)獲得較大變形量和形狀復(fù)雜的鍛件，如圖1c所示。

⑶上凹模和下凹模分開。設(shè)備滑塊回程，開啟上凹模2和下凹模3，取出鍛件。

閉塞模鍛工藝特點

由以上閉塞模鍛工藝過程可知，閉塞模鍛的特點是坯料在封閉模膛內(nèi)多向約束成形，符合三向壓應(yīng)力下變形的條件，可以在一次變形中獲得較大的變形量，并容易形成較復(fù)雜的形狀；鍛件的形狀和尺寸精度主要取決于封閉模膛的加工精度，成形模膛必須達(dá)到穩(wěn)定的精確封閉。因此，閉塞模鍛特別適合復(fù)雜零件的大批量精密模鍛生產(chǎn)。

閉塞模鍛應(yīng)用范圍

典型的閉塞模鍛件有汽車差速器齒輪、等速萬向節(jié)內(nèi)的星形套、齒輪的齒形、星形套、十字軸、管件和航空發(fā)動機(jī)的葉盤等徑向帶支芽（凸起）和傳動十字軸等如圖2所示。其中半軸齒輪和行星齒輪的齒形精度按冷、溫和熱閉塞模鍛及其復(fù)合工藝，可以達(dá)到《錐齒輪和準(zhǔn)雙曲面齒輪精度》（GB/T11365-2003）的7～11級，粗糙度Ra達(dá)到0.8～3.2μm，完全可以提供轎車、輕型車和載重車直接裝車使用。

圖2 熱閉塞模鍛件

設(shè)備適用性

⑴設(shè)備壓力－行程曲線，符合鍛件鍛造力－變形曲線。鍛件閉塞鍛造時，鍛件鍛造力－變形曲線必須小于設(shè)備的壓力－行程曲線，即在設(shè)備的壓力－行程曲線下面，這是閉塞鍛造的基本條件。

⑵安模空間足夠大。安?？臻g足夠大是閉塞模鍛的必備條件。因為閉塞模鍛模架需要布置三個底座，并要在底座內(nèi)安裝彈性裝置和多個附件，故需要較大裝模空間（模具封閉高度大和工作臺面寬）。特別是高度方向，即設(shè)備封閉高度要大。

對于單動閉塞模架，在下底座需要布置活動底座傳力桿、活動底座導(dǎo)柱、模架導(dǎo)柱和限位桿，需要足夠大的平面尺寸。對于雙動閉塞模架，不僅在下底座布置活動底座傳力桿、活動底座導(dǎo)柱、模架導(dǎo)柱，而且還需在上底座內(nèi)安裝彈性裝置和布置活動底座傳力桿、活動底座導(dǎo)柱、模架導(dǎo)套，故更需要有足夠大的設(shè)備封閉高度和工作臺長寬度。

⑶設(shè)備精度。滑塊的導(dǎo)向精度以及工作臺面和滑塊底面的平面度、平行度、垂直度都必須在較高的精度范圍內(nèi)。

⑷頂料裝置。頂料裝置的頂料功能應(yīng)具備足夠的頂料力、頂料行程和頂料延時，確保鍛件迅速從模膛頂出，并搬運走。

閉塞鍛造壓力機(jī)

閉塞鍛造壓力機(jī)是根據(jù)閉塞鍛造工藝的要求，在榮成金辰機(jī)械制造有限公司研發(fā)的JC-JC型鍛造壓力機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的、適合閉塞模鍛的專用設(shè)備。其性能可以滿足以下要求：

⑴閉塞鍛造壓力機(jī)壓力－行程曲線，符合鍛件閉塞模鍛的壓力－變形曲線。

⑵閉塞鍛造壓力機(jī)模具閉合高度高和工作臺面尺寸大。例如，12.5MN閉塞鍛造壓力機(jī)模具閉合高度為800mm，工作臺面尺寸（左右×前后）為1050mm×1400mm。

⑶具有力量大、行程長和可延時的頂出裝置。該壓力機(jī)采用熱模鍛壓力機(jī)的偏心軸、銷軸式連桿結(jié)構(gòu)形式，具有較強(qiáng)的抗偏載能力，可以滿足多工位鍛造工藝，適用各類有色金屬、黑色金屬的溫?zé)徨懺斐尚?，主要用于拖拉機(jī)、摩托車、汽車零件和閥門等制造行業(yè)。該壓力機(jī)主要由機(jī)身、主軸部分、離合－制動器、滑塊、平衡器、潤滑、空氣管路、電氣控制等部分組成。

圖3所示的閉塞鍛造壓力機(jī)主要有以下特點：

⑴采用MP熱模鍛壓力機(jī)的偏心軸和銷軸式聯(lián)接結(jié)構(gòu)形式，具有較強(qiáng)的抗偏載能力，適用于多工位鍛造工藝。

⑵滑塊采用X形導(dǎo)軌，具有受熱變形小、精度高等特點。

⑶制動器采用水冷，能夠滿足高速鍛造的要求。

⑷較大的公稱力行程，適合溫鍛和擠壓類零件的鍛造。

⑸打擊能量大，能夠滿足一般企業(yè)選型的要求。

⑹帶有上下頂料裝置。

⑺打擊速度快，模具使用壽命長。

⑻帶有悶車解除裝置，操作方便。

⑼具有較大的裝模高度調(diào)節(jié)量，拓寬模具使用范圍，延長模具的使用壽命。

圖3 閉塞鍛造壓力機(jī)

⑽導(dǎo)軌采用稀油潤滑，使機(jī)床的工作環(huán)境更環(huán)保。

⑾400mm以上的較大的滑塊行程能夠平穩(wěn)運行。

⑿較大的裝模高度可以滿足復(fù)雜的閉塞溫鍛模架要求。

⒀可以控制的和為用戶量身定制的上下頂料裝置，能夠滿足各種工藝要求。

閉塞模鍛實例

基本參數(shù)

如圖4所示的FG半軸齒輪零件的基本參數(shù)為：端面模數(shù)為6.35mm，齒數(shù)為22個，壓力角為22°30'，分度圓直徑為139.70mm，齒頂高為4.45mm，齒全高為12.61mm，節(jié)錐距為78.09mm，面錐角為69°20'，節(jié)錐角為63°26'，根錐角為55°6'，齒圈徑向跳動為0.08mm，徑向綜合公差為0.11mm，相配合的零件號為SK04-151-02，相配合齒數(shù)為11個。

圖4 FG半軸齒輪零件圖

FG半軸齒輪零件圖的設(shè)計需滿足以下條件：

⑴零件基本參數(shù)。零件材料20CrMnTiH，鍛件質(zhì)量為2.89kg。

⑵坯料尺寸。由于是閉塞模鍛，故取半軸齒輪鍛件圓柱部位φ79mm尺寸為坯料直徑。實際是采用直徑φ80mm坯料，然后用車床將φ80mm切削至φ79mm。體積不變原則計算得到坯料長度為75mm。坯料尺寸為φ80mm×75mm。

圖5 壓力－行程曲線

圖6 閉塞鍛造壓力機(jī)

圖7 FG半軸齒輪閉塞鍛造成形過程

圖8 FG半軸齒輪閉塞鍛造成形鍛件圖

對于精密模鍛坯料應(yīng)按質(zhì)量下料，經(jīng)過計算坯料質(zhì)量為2960g，質(zhì)量公差取±0.5％，即±15g，所以坯料下料質(zhì)量規(guī)格為2960±15g。

工藝流程

下料→車外徑φ80mm至φ79mm（除表面缺陷）→中頻感應(yīng)加熱（1180±20℃）→閉塞模鍛成形（坯料鍛造溫度不小于1150℃，模具預(yù)熱溫度150～200℃）→沖孔（除孔連皮）→粗加工→冷切邊→正火→熱處理（滲碳淬火）→清理（噴丸）→精磨加工→檢驗→包裝入庫。

圖5是12.5MN鍛造壓力機(jī)壓力－行程曲線。半軸齒輪采用單動閉塞模鍛，經(jīng)計算和計算機(jī)數(shù)值模擬，其鍛造力為11.25MN。因此，選擇12.5MN鍛造壓力機(jī)。核對設(shè)備壓力－行程曲線可知：該半軸齒輪生產(chǎn)時，滑塊開始鐓粗坯料至終鍛鐓擠成形完成為止，其滑塊鍛造力－變形曲線見圖5的鐓擠曲線，在設(shè)備壓力－行程曲線下面。圖7、8為FG半軸齒輪閉塞鍛造成形的現(xiàn)場照片。

結(jié)束語

隨著機(jī)械工業(yè)的持續(xù)發(fā)展及外向型經(jīng)濟(jì)的日益擴(kuò)大，市場對模鍛行業(yè)的裝備及工藝技術(shù)提出了更高的要求。采用新型模鍛工藝——熱閉塞模鍛工藝，使得金屬坯料封閉在模膛中成形，可以鍛造出幾何形狀更復(fù)雜、尺寸精度高、表面質(zhì)量好的鍛件。

姚鎮(zhèn)波，榮成金辰機(jī)械制造有限公司董事長兼總經(jīng)理，從事鍛造壓力機(jī)的制造二十多年。