文/ 鄧?yán)?，王新云，夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳學(xué)著，胡治，范青松·重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司黃時(shí)明，張勇·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

超硬鋁合金機(jī)匣體流動控制成形工藝及裝備

文/ 鄧?yán)?，王新云，夏巨諶·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳學(xué)著，胡治，范青松·重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司黃時(shí)明，張勇·湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司

機(jī)匣體是槍械上的關(guān)鍵零件之一.其質(zhì)里對槍械的整體性能有很大影響。近年來.采用密度小、強(qiáng)度高和剛度高的7A04超硬鋁合金代替優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼制造機(jī)匣體.符合常規(guī)兵器輕里化的發(fā)展方向。

此前.這類鍛件主要采用普通模鍛和等溫模鍛生產(chǎn)。普通模鍛僅能鍛出機(jī)匣體兩個(gè)側(cè)面的形狀.U形型槽無法鍛出.飛邊金屬損耗大.機(jī)加工余里大.材料利用率低；等溫模鍛時(shí).材料利用率較高.但生產(chǎn)效率低.且模具使用壽命低。7A04鋁合金常規(guī)精鍛成形存在兩個(gè)方面的技術(shù)難題：⑴7A04超硬鋁合金塑性差、流動阻力大、應(yīng)變速率敏感性強(qiáng).鍛造溫度范圍僅在380～450℃之間.導(dǎo)致模鍛時(shí)鍛件容易開裂；⑵機(jī)匣體（圖1）沿長度方向具有U形型槽.兩側(cè)及底面分布有細(xì)而長的筋條、異形凸臺、多重臺階.結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

流動控制成形新工藝所生產(chǎn)的鍛件形狀及尺寸精度十分接近成品零件.具有節(jié)材、節(jié)能、提高產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率等突出優(yōu)點(diǎn)。本文對這種新工藝以及實(shí)現(xiàn)這種新工藝的模具與壓力機(jī)進(jìn)行了簡單介紹。

圖1 機(jī)匣體三維實(shí)體造型

二工位流動控制成形新工藝

工藝路線及成形過程

機(jī)匣體流動控制成形工藝路線為：下料→加熱→制坯→二工位流動控制成形（預(yù)鍛+終鍛）。其中.二工位流動控制成形工藝示意圖如圖2所示。其成形過程是.上凹模在上限位置時(shí).將加熱好的制坯工件放入下凹模左邊預(yù)鍛模膛中.上凹模下行將工件壓扁至與下凹模閉合.預(yù)鍛凸模由左向右移動.迫使工件變形直至與閉合的凹模接觸完成預(yù)鍛成形為止.預(yù)鍛凸模后退復(fù)位；上凹模向上移動至初始位置.將預(yù)鍛件取出翻轉(zhuǎn)180。放入下凹模右邊的終鍛模膛中到上凹模下行與下凹模接觸為止.終鍛凸模由右向左移動.對預(yù)鍛件施加作用力.迫使終鍛模膛完全充滿.終鍛凸模后退復(fù)位.上凹模向上移動到初始位置后取出鍛件。

圖2 機(jī)匣體二工位流動控制成形工藝示意圖

二工位流動控制成形工藝優(yōu)化

由于機(jī)匣體形狀復(fù)雜.細(xì)節(jié)特征多.成形過程中容易出現(xiàn)折疊和充不滿的缺陷.加上毛坯變形程度大.一步難以成形。因此.必須在終鍛成形前進(jìn)行一次預(yù)鍛。預(yù)鍛件的設(shè)計(jì).基于機(jī)匣體屬于長板條結(jié)構(gòu).其模鍛成形遵循平面變形規(guī)則.即前期的制坯工件在預(yù)鍛成形時(shí)其長度尺寸基本保持不變.僅各橫截面產(chǎn)生變形；以終鍛件為基礎(chǔ)進(jìn)行合理簡化.基于這種方法所設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件如圖3所示。

圖3 機(jī)匣體預(yù)鍛件

終鍛時(shí).成形出兩個(gè)側(cè)面上的凸臺、凹坑、細(xì)長筋條、多重臺階和底面上的肋板等.其形狀和尺寸精度達(dá)到零件要求.同時(shí)成形出較深的U形型槽.達(dá)到圖1所示的近凈成形的目的.即機(jī)匣終鍛件兩側(cè)及底部完全達(dá)到成品零件的尺寸精度與表面粗糙度的要求.僅頂面及U形型槽內(nèi)部留有較小的機(jī)加工余里。

流動控制成形機(jī)理

預(yù)鍛減壓式流動控制成形機(jī)理

預(yù)鍛流動控制成形的機(jī)理是.通過在封閉模膛中窄而深的型腔部位或雖然不是窄而深但過渡圓角小難以成形出清晰輪廓的部位設(shè)置流動控制腔.在預(yù)鍛成形的過程中.自控制腔至金屬流入的起始位置造成由小到大的壓應(yīng)力梯度場.以確保模膛中難于充滿的部位順利充填成形。

如圖2左半部分所示.在預(yù)鍛模膛中對應(yīng)于圖1所示機(jī)匣體肋板底面的下邊將其型腔向右延長4～5mm.肋板型腔的延長部分稱為減壓式流動控制腔。預(yù)鍛時(shí).制坯工件在凸模作用下.肋板部分產(chǎn)生正向擠壓成形.其他部分為閉式鐓粗與反擠成形。當(dāng)成形結(jié)束時(shí).肋板底面為自由表面.于是肋板部分自底面至肋板型腔入口處就會形成壓應(yīng)力由“0”至最大值的梯度場.這不僅有利于窄而高的肋板成形.而且也有利于降低其成形力。

終鍛阻尼式流動控制成形機(jī)理

如圖2右半部分所示.將終鍛凸模的單邊寬度比凹模寬度減小1.5～2mm.形成阻尼式流動控制腔。當(dāng)預(yù)鍛件在終鍛模膛中終鍛凸模對其施加作用力產(chǎn)生反向擠壓.成形出U形型槽前.其多余金屬被擠入模膛上、下兩邊的分流控制腔中形成薄的縱向飛邊。隨著縱向薄飛邊的增長.因冷卻快其阻力快速增大.在工件內(nèi)部形成強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài).迫使金屬橫向流動而使凹模壁上的凸臺、淺坑、多重臺階和細(xì)長筋條等完全充滿成形.而肋板部分以鐓粗的方式成形.從而獲得所有細(xì)節(jié)特征輪廓清晰的精密鍛件。

二工位流動控制成形模具

機(jī)匣體二工位流動控制成形模具是根據(jù)二工位流動控制成形工藝示意圖進(jìn)行的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。其設(shè)計(jì)與制造要點(diǎn)主要有以下三點(diǎn)：⑴為了讓機(jī)匣體兩側(cè)及底部均能達(dá)到零件的要求.將預(yù)鍛和終鍛凹模均設(shè)計(jì)成上、下兩半可分凹模；⑵在圖2左邊所示的預(yù)鍛凹模底面對應(yīng)于的肋板型腔右邊設(shè)計(jì)出減壓分流控制腔.在圖2右邊所示的終鍛凸凹模兩側(cè)設(shè)計(jì)出阻尼式分流控制腔；⑶上、下凹模制造時(shí)應(yīng)確保其閉合后所有尺寸精度較零件相應(yīng)的尺寸精度提高1～2級.凸、凹模表面粗糙度較零件表面粗糙度降低1～2級.最好拋光至Ra0.1～0.2μm.以減少預(yù)鍛和終鍛成形時(shí)的流動阻力和確保光潔的表面質(zhì)里。由此設(shè)計(jì)制造的機(jī)匣體二工位流動控制成形即二工位多向精鍛模具.如圖4所示。

圖4 機(jī)匣體二工位多向精鍛模具

二工位多向精鍛液壓機(jī)

根據(jù)高強(qiáng)度鋁合金的特性.華中科技大學(xué)與湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司及黃石華力鍛壓機(jī)床有限公司合作研制出將肘桿式機(jī)械壓力機(jī)高剛性框架機(jī)身、加長滑塊及精密導(dǎo)向機(jī)構(gòu).與快速空程、慢速壓制的液壓傳動系統(tǒng)相結(jié)合.且可實(shí)現(xiàn)快慢準(zhǔn)確控制的新型精鍛壓力機(jī)。其特點(diǎn)是既能滿足高強(qiáng)度鋁合金零件熱精鍛成形.也能滿足黑色金屬零件冷、溫精鍛成形.同時(shí)又具有較高的生產(chǎn)效率。所研制的YK34J-1600/C1250型二工位多向精鍛液壓機(jī)如圖5所示.主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)經(jīng)專家鑒定認(rèn)為達(dá)到或接近國外同類設(shè)備先進(jìn)水平.其價(jià)格僅為進(jìn)口的1/3.具有較強(qiáng)的競爭力。

圖5 YK34J-1600/C1250二工位多向精鍛液壓機(jī)

產(chǎn)業(yè)化開發(fā)及應(yīng)用

2009年底.重慶建設(shè)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司運(yùn)用上述成果.建立了由精密下料、連續(xù)式電阻加熱爐、制坯設(shè)備和YK34J-1600/C1250型二工位多向精鍛液壓機(jī)、二工位多向精鍛模具及后續(xù)工序所組成的7A04高強(qiáng)度鋁合金機(jī)匣體精鍛生產(chǎn)線.實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)開發(fā)。

精鍛液壓機(jī)除了滑塊導(dǎo)向精度要高.機(jī)身剛性要好外.其空程速度應(yīng)為400～500mm/s.成形速度應(yīng)為30～40mm/s。滑塊上、下空程速度快是為了提高生產(chǎn)效率.而成形速度的選擇至關(guān)重要.當(dāng)成形速度過低時(shí).毛坯溫度下降快.不僅使鋁合金流動性能下降.變形抗力增大.而且很容易導(dǎo)致速度敏感性增強(qiáng)；當(dāng)成形速度過高時(shí).因塑性變形能轉(zhuǎn)換為熱能.很容易導(dǎo)致毛坯溫度快速上升超過始鍛溫度.使晶粒長大.金相組織及力學(xué)性能大幅降低；當(dāng)成形速度為30～40mm/s時(shí).為最佳范圍.鋁合金在這種速度下變形.其塑性變形能轉(zhuǎn)換成的熱里剛好可以補(bǔ)充毛坯在變形過程中散發(fā)的熱里.不僅使毛坯溫度降低慢.甚至還有局部升溫.加上鍛前模具預(yù)熱到200～250℃時(shí).不僅可起到等溫模鍛的效果.而且生產(chǎn)效率和鍛件質(zhì)里顯著提高。

鋁合金機(jī)匣體精鍛生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)了多種機(jī)匣體精密模鍛的批里生產(chǎn).其中.生產(chǎn)最多的兩種機(jī)匣體精密模鍛件.如圖6所示。經(jīng)檢測.鍛件兩側(cè)及底部其形狀及尺寸精度、表面粗糙度、內(nèi)在質(zhì)里均達(dá)到或超過成品零件的要求.外觀視覺效果和手感好.僅U形型槽經(jīng)少里機(jī)加工后.通過化學(xué)處理即可裝配使用。

結(jié)束語

采用該項(xiàng)技術(shù)成果生產(chǎn)同傳統(tǒng)的錘上模鍛工藝進(jìn)行比較.機(jī)匣體二工位流動控制成形工藝具有以下3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

⑴材料利用率由48%以下提高到85%以上。

⑵加熱火次由3次減為1次.加上節(jié)材帶來的加熱節(jié)能效果.可節(jié)約加熱能耗70%以上。

⑶減少機(jī)加工工作里50%。

同采用等溫鍛造工藝進(jìn)行比較.機(jī)匣體二工位流動控制成形工藝具有以下3點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

⑴材料利用率由74%提高到85%以上。

⑵生產(chǎn)效率提高5倍以上。

⑶模具使用壽命大幅提高。

鄧?yán)?講師.主要從事精密塑性成形技術(shù)和形狀—性能一體化控制理論的研究.獲得授權(quán)專利3項(xiàng)。