文/鄭光文，張軍軍，葉星輝·安徽工業(yè)大學(xué)精密成形與模具研究所

閉塞精密鍛造技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

文/鄭光文，張軍軍，葉星輝·安徽工業(yè)大學(xué)精密成形與模具研究所

鄭光文，教授，主要從事精密塑性成形工藝與模具技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，主持完成多項(xiàng)縱、橫向課題，實(shí)現(xiàn)汽車輪轂、差速器十字軸等產(chǎn)品項(xiàng)目的精密塑性成形產(chǎn)業(yè)化。

近年來(lái)隨著我國(guó)汽車、摩托車、航空及機(jī)械等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)鍛造企業(yè)及其生產(chǎn)規(guī)模得到迅速發(fā)展。市場(chǎng)需求逐漸飽和，行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)加劇，越來(lái)越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到鍛造精益化是未來(lái)發(fā)展之路。采用精密鍛造成形技術(shù)正是提高產(chǎn)品質(zhì)量、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，閉塞鍛造技術(shù)正是這樣一種精密塑性加工方法，本文就這一技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用實(shí)踐談一點(diǎn)體會(huì)。圖1所示為閉塞鍛造原理。

圖1 閉塞鍛造原理示意圖

該方法的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：①可以一次成形外形復(fù)雜的零件，縮短工藝流程； ②節(jié)約材料、節(jié)約能耗，降低制造成本；③可以獲得更好的金屬材料組織結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品成形精度和質(zhì)量；④模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

國(guó)內(nèi)在閉塞鍛造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用方面所進(jìn)行的研究，主要集中在兩個(gè)方面：

⑴閉塞精密成形工藝。

對(duì)各種零件（如錐齒輪、行星套、十字軸、盤轂等）的閉塞成形規(guī)律和鍛造工藝進(jìn)行了研究。從理論上揭示零件成形過(guò)程的變化規(guī)律以及應(yīng)力、應(yīng)變分布狀態(tài)。為選擇鍛造設(shè)備、設(shè)計(jì)模具、制定閉塞鍛造工藝流程提供了理論指導(dǎo)。

⑵開發(fā)相應(yīng)的閉塞鍛造技術(shù)、裝備。

閉塞精密成形技術(shù)、裝備的開發(fā)分兩個(gè)方向。一個(gè)方向就是開發(fā)專用模具裝置以實(shí)現(xiàn)閉塞鍛造。結(jié)構(gòu)形式主要有彈簧（或氮?dú)鈴椈桑┲魏夏５腻懩Ｑb置、液壓（氣動(dòng)）壓緊式合模裝置和楔塊式水平分模的合模裝置等；另外一個(gè)方向就是開發(fā)專用的模鍛壓力機(jī)，如雙動(dòng)壓力機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)閉塞合模與擠壓成形。圖2所示為閉塞鍛造合模裝置示意圖。

圖2 閉塞鍛造合模裝置

采用彈簧和液壓形式的專用模具裝置可以實(shí)現(xiàn)閉塞合模，但存在的模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、使用壽命較短、合模力較小只能擠壓分模力較小的鍛件等問(wèn)題；采用雙動(dòng)壓力機(jī)等專用鍛壓設(shè)備，模具結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，使用壽命長(zhǎng)，合模能力能得到提高，但設(shè)備投入費(fèi)用大。

在現(xiàn)有閉塞鍛造技術(shù)裝備中，兩種途徑都存在不足之處。專用模具（彈簧、氣動(dòng)等）存在合模能力小、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，專用壓機(jī)又存在設(shè)備投資成本高，通用性不強(qiáng)的問(wèn)題，為此開發(fā)通用性強(qiáng)的閉塞模具裝備是當(dāng)前閉塞精密塑性加工技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的需要。所開發(fā)的技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)精密閉塞擠壓成形，提高產(chǎn)品質(zhì)量和材料利用率，而且能簡(jiǎn)化設(shè)備功能，降低鍛造設(shè)備的工作負(fù)荷，降低投資和制造成本。

閉塞鍛造模具的開發(fā)

根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求和工藝裝備條件，結(jié)合閉塞成形特點(diǎn)，分析了差速器十字軸、凸緣等產(chǎn)品現(xiàn)有鍛造工藝存在的問(wèn)題，提出新型閉塞鍛造工藝方案。從坯料尺寸的選擇、精密下料到加熱、鐓粗、閉塞擠壓和整形、沖切等工序進(jìn)行調(diào)整，以確定閉塞鍛造工序及工藝流程。

運(yùn)用CAE計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)進(jìn)行精密成形變化規(guī)律的研究，從根本上揭示零件的變形過(guò)程以及可能存在的缺陷。在理論方面做到工藝可行、方案可靠，為科學(xué)制定模具裝備的適用范圍，確定主要工藝設(shè)備參數(shù)提供依據(jù)。

運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)與有限元分析技術(shù)對(duì)模具的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)擠壓負(fù)荷和合模負(fù)荷對(duì)模具的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析。合理選擇模具材料，制定模具制造工藝和熱處理工藝。通過(guò)設(shè)計(jì)與制造，使研制的剛性鎖緊式閉塞鍛造模具裝置完全滿足閉塞鍛造工業(yè)化生產(chǎn)的要求。圖3所示為常規(guī)閉塞鍛造與鎖緊式閉塞鍛造的原理及負(fù)荷曲線對(duì)比。

由圖3可知，鎖緊式閉塞鍛造與常規(guī)閉塞鍛造相比，顯然鎖緊式閉塞鍛造的能耗要明顯低于常規(guī)閉塞鍛造。

閉塞熱擠壓成形與普通開式模鍛相比，不論材料的流動(dòng)規(guī)律還是模具的工作狀態(tài)都有很大的區(qū)別。在熱擠壓過(guò)程中，材料處于壓縮狀態(tài)，凸、凹模的材料選擇與熱處理工藝在較大程度上決定著模具的使用穩(wěn)定性和壽命。為了確保模具的使用壽命，節(jié)約模具的消耗，采用組合式模具結(jié)構(gòu)。用組合模芯作為閉塞擠壓可分凹模的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)替換模芯和凸模，使模具的材料消耗最小化，模具壽命最大化。

在鍛造設(shè)備的選擇上，鎖緊式閉塞鍛造的一個(gè)主要特點(diǎn)就是采用通用型鍛造設(shè)備實(shí)現(xiàn)精密鍛造。由于不需采用專用壓力機(jī)，使設(shè)備的選用非常便利化，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)、液壓機(jī)均可適用。

圖3 兩種閉塞鍛造方式原理及負(fù)荷曲線

閉塞鍛造的應(yīng)用與實(shí)踐

根據(jù)產(chǎn)品的幾何特征和性能要求，制定了以閉塞擠壓成形為核心的鍛造工藝流程和相應(yīng)的鍛造工藝參數(shù)，并確定了鍛造設(shè)備型號(hào)以及輔助裝置。典型產(chǎn)品的工藝流程如下：

⑴差速器十字軸。閉塞擠壓成形工藝流程為下料→鐓粗→一次閉塞擠壓成形→精整→冷沖切，主機(jī)采用400t/630t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

⑵汽車離合器盤轂。閉塞擠壓成形工藝流程為下料→鐓粗→一次閉塞擠壓成形→精整—熱沖切，主機(jī)采用315t液壓壓力機(jī)。

⑶汽車制動(dòng)器凸緣。閉塞擠壓成形工藝流程為下料→鐓粗→一次閉塞擠壓成形→熱沖切，主機(jī)采用630t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

⑷發(fā)電機(jī)爪極。閉塞擠壓成形工藝流程為下料→鐓粗→閉塞擠壓成形→沖切→精整，主機(jī)采用630t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。

與原生產(chǎn)工藝相比，精密成形的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)勢(shì)明顯：①節(jié)約鍛造設(shè)備成形負(fù)荷30%～50%；②提高熱鍛件產(chǎn)品材料利用率10%～20%，同時(shí)降低加熱能耗10%～20%；③縮短工藝流程，提高產(chǎn)品尺寸精度，降低產(chǎn)品后序制造成本；

檢驗(yàn)證明，采用閉塞擠壓成形的產(chǎn)品質(zhì)量完全滿足要求，并且由于產(chǎn)品性價(jià)比高，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有良好的表現(xiàn)。圖4所示為采用閉塞擠壓成形工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品。

圖4 閉塞擠壓成形工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)近幾年的技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐，證明通用鍛造設(shè)備和新型專用閉塞鍛造模具技術(shù)組合完全可以實(shí)現(xiàn)一些零件的熱精密鍛造，且適應(yīng)范圍廣、通用性強(qiáng)。采用閉塞精密擠壓成形真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。因此該技術(shù)的應(yīng)用與推廣對(duì)促進(jìn)鍛造技術(shù)的發(fā)展，增進(jìn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。