熱精密閉式模鍛技術 （上）

文/趙一平·中國鍛壓協會首席專家

熱精密閉式模鍛技術 （上）

文/趙一平·中國鍛壓協會首席專家

自20世紀末以來，機械制造業處于科技創新時代，特別是汽車、火車和工程機械等行業得以迅速發展，而機械行業的發展拉動了鍛造行業的快速發展，其中汽車工業是帶動模鍛工業發展的主動力（全世界每年生產鍛件總量中約60％是汽車模鍛件）。由此模鍛工業在模具設計、模具制造、鍛造成形、潤滑、節材節能環保和檢測技術等方面取得了豐碩的成果。其中，精密模鍛技術是提高汽車生產能力、提高零部件質量以及提高汽車競爭力的支撐技術之一。根據相關資料，日本每年生產精密鍛件約占其總產量的1/4，其中相當數量精密鍛件是熱精密閉式模鍛件。

精密模鍛

精密模鍛簡稱精鍛，是指零件模鍛成形后，可獲得具有較高表面質量和尺寸精度鍛件的工藝過程。鍛件僅需少量機械加工或不再需要機械加工，就可用作機械構件的成形技術，即近凈成形技術或凈成形技術。

應用范圍

⑴精化毛坯?？扇〈智邢骷庸すば?，鍛件加工余量?。?.5mm左右）。

⑵精鍛零件。直接獲得成品零件，目前完全精鍛零件僅限于一些結構簡單的回轉體類零件，如軸銷等，而對于結構復雜的零件，如齒輪等，則只能將齒輪的齒形和端面直接成形為最終形狀，其余部位仍需采用切削加工。

分類

精密模鍛按坯料溫度分為熱鍛、溫鍛、冷鍛及復合精密模鍛。⑴熱鍛。在金屬再結晶溫度以上進行的鍛造工藝。熱態下金屬塑性好，流動應力低，適合大變形量成形，但尺寸精度和表面粗糙度都差。⑵溫鍛。在高于室溫但低于再結晶溫度范圍內進行的鍛造工藝。兼有熱鍛和冷鍛優點，但尺寸精度和表面質量沒有冷鍛好。⑶冷鍛。在室溫下進行的鍛造工藝。鍛件精度高，可實現無切削或少切削加工，但變形抗力大，成形難度大，鍛件尺寸和材料也均受到限制，中間工序多（退火、磷化和皂化等），污染環境。⑷復合精密模鍛。將熱鍛、溫鍛和冷鍛技術組合使用，可獲得尺寸大、形狀復雜、精度高和表面質量好的鍛件。本文介紹的熱精密閉式模鍛在國內尚沒有大量采用，熱精密閉式模鍛或閉塞模鍛使用得更少。

精度等級

熱鍛、溫鍛和冷鍛零件的技術參數（僅供參考）見表1，例如，如果采用合適的設備和工藝，其中尺寸精度（標注★）在熱精密模鍛時可以達到原公差的30％～50％。

冷精密模鍛工藝生產的直齒錐齒輪精度可達7～8級（GB/T11365-1989），可直接應用于轎車；熱精密模鍛工藝生產的直齒錐齒輪精度可達10～11級（GB/T11365-1989），可直接應用于載重車；精密模鍛葉片輪廓尺寸精度可達±0.05mm，厚度尺寸精度可達±0.06mm，表面粗糙度R a0.8～3.2μm。

表1 熱鍛、溫鍛和冷鍛技術參數

精密成形方法

精密成形方法有縮徑、擠壓、閉式模鍛和冷精整，還有許多先進新工藝，如：可分凹模閉式模鍛（也稱閉塞模鍛和復動模鍛）、降低成形壓力的分流鍛造法、控制流動速度的背壓鍛造法以及利用摩擦成形鍛造法等。鍛件質量受到鍛件材料、設備、模具和潤滑等因素的影響，一次完全掌握和控制這些因素是非常困難的。在生產中主要是靠設計人員的經驗和反復試模來進行工藝設計。有限元模擬技術為鍛造工藝設計提供了可靠的幫助，基于基礎數據庫、設計經驗和有限元模擬技術的專家輔助設計平臺的開發和完善，將使縮短生產周期、降低成本、最優化的工藝設計實現成為可能。

經濟分析

精密模鍛是否經濟與生產批量的大小、節約原材料多少、減少機械加工的效果以及模具成本高低等因素有關，需要進行具體的技術經濟分析。一般零件生產批量達到2000件以上時，具有明顯優勢。

發展潛力

熱精鍛加冷精整具有很大發展潛力。如前所述，冷精鍛件雖然尺寸精度高，表面質量好，但成形抗力極高，具有相當高的成形難度，僅應用于碳素鋼和低合金結構鋼，鍛件尺寸也受到很大限制。另外，冷鍛和溫鍛設備價格昂貴。而熱精密模鍛時金屬變形抗力小，塑性好，鍛件容易充滿成形，但鍛件尺寸精度差，表面粗糙。若將兩者結合（熱精密模鍛加冷精整）就可以生產出尺寸大、精度高、表面質量好的精密模鍛件。例如熱精鍛直齒錐齒輪的齒形精度可達到國標（GB/T11365-1989）的10級或11級，可直接應用于載重車使用。而熱精鍛加冷精整，其齒形精度則可達到國標（GB/T11365-1989）的7級或8級，可直接應用于轎車使用。由于熱精鍛設備、冷精整設備價格也較便宜，所以制造成本較低。例如某鍛造企業，采用16MN熱模鍛壓力機熱精密模鍛φ160mm以下直齒錐齒輪，設備價格約四百萬元，采用25MN液壓機冷精整，設備價格約一百二十萬元，共計約五百二十萬元。又某鍛造企業，采用16MN摩擦壓力機熱精密模鍛φ200mm以上直齒錐齒輪，設備價格約一百三十萬元，采用40MN油壓機冷精整，設備價格約五百二十萬元，共計約六百五十萬元。而一臺16MN冷、溫鍛壓力機價格約一千五百萬元。

閉式模鍛

一般模鍛生產時，在鍛件周圍都產生飛邊，飛邊不僅增加材料消耗（約占整個鍛件質量10％～35％），而且還增大鍛造力（約占整個鍛造力的10％～40％）。因此，在模鍛中，減少飛邊或消除飛邊都是廣大工程技術人員追求的目標。生產時不產生橫向飛邊的模鍛工藝稱閉式模鍛，其特點是凸模和凹模之間的間隙方向與模具運動方向平行。其中部分閉式模鍛屬精密模鍛，模鍛時不僅沒有飛邊，而且鍛件加工余量和制造公差都小，其單邊加工余量0.5～0.8mm，甚至更小，省略粗加工，是精化毛坯，屬精密模鍛范疇。

工藝過程

閉式模鍛過程和開式模鍛相似：鐓粗→充滿模膛→少量金屬擠入凸模和凹模間隙（產生縱向毛刺）。

⑴鐓粗階段。凸模鐓粗坯料至與模膛模壁接觸為止。

⑵充滿模膛階段。從鐓粗至完全充滿模膛為止，此時鍛擊力增加2～3倍。

⑶少量金屬擠入間隙階段。該階段基本已成為不變形剛體，此時產生極大的鍛擊力。這個階段的變形對閉式模鍛有害無益，不僅影響模具壽命，而且產生的縱向毛刺，清除也比較困難。

優點

⑴提高材料利用率。閉式精密模鍛是既無飛邊，又減少加工余量和公差，所以材料利用率比開式模鍛件高。根據鍛件形狀，材料利用率可以提高10％～25％，其中厚壁齒輪閉式模鍛件的材料利用率可達95％。

⑵提高鍛件精度。閉式熱精密模鍛件加工余量小和公差小，提高鍛件尺寸精度。例如轎車變速箱齒輪鍛件精度要求高，其余量0.6～1mm，省略粗機械加工工序。徑向公差±0.4mm，高度公差±0.5mm，同軸度0.6～0.8mm，國內外多數企業均采用價格昂貴的高速熱鐓鍛機閉式模鍛生產。

⑶減少能源消耗。由于減少了金屬消耗，故加熱和熱處理用的能源消耗降低了10％～50％。

⑷提高力學性能。①由于閉式模鍛時，坯料在閉式模鍛過程中處于三向壓應力狀態，可以大大提高金屬允許的變形程度，特別適于成形低塑性難變形合金的復雜形狀鍛件，也提高金屬塑性和鍛件力學性能。②由于鍛件無飛邊，金屬流線沿鍛件外形連續分布，避免流線外露，改善鍛件組織，提高鍛件力學性能。流線不外露提高抗應力腐蝕性能，對于應力腐蝕敏感的鋁合金鍛件十分有利。

基本要求

⑴設備適用性。

1）設備精度?；瑝K（錘頭）的導向精度以及工作臺面和滑塊底面的平面度、平行度、垂直度都必須在設備的精度范圍內。

2）頂料裝置。頂料裝置應具有足夠的頂出力、頂出（料）行程和頂出（料）延時，確保鍛件迅速從模膛頂出，并搬運走。這是閉式模鍛順利生產的關鍵條件。

3）各種通用模鍛設備比較。①熱模鍛壓力機。a.封閉高度調節機構靈敏：調節機構應靈敏、可靠和穩定，以滿足鍛件的高度公差要求，又避免設備發生悶車。b.鍛件壓力一行程曲線應符合設備壓力一行程曲線：根據鍛件的鍛造力和鍛造行程，即鍛件的力能特性曲線，選擇合適的熱模鍛壓力機。c.鍛造力為靜壓力，故宜進行擠壓工藝，但是必須使鍛件的力能控制在設備允許的壓力一行程曲線之內。d.滑塊行程固定，只要坯料精確，溫度恒定和生產節拍固定，可保證上下模閉合高度穩定，使鍛件在高度方向獲得較精確的尺寸。由于滑塊導向精度高，同時又采用帶導向裝置的模架，故鍛件在水平方向的尺寸余量小，精度高。e.具有多個上、下頂料裝置，能從上、下模中自動頂出鍛件，所以鍛件模鍛斜度小，一般小于或等于1°，甚至可以不帶模鍛斜度。②螺旋壓力機：螺旋壓力機和熱模鍛壓力機一樣適合進行閉式模鍛，但是在模架上應設計承擊面。③模鍛錘（含程控全液壓模鍛錘）：模鍛錘一般沒有頂料裝置，故閉式模鍛有局限性。④模鍛液壓機：由于滑塊行程速度慢，鍛擊速率低，因而模具壽命低，不適合大批量熱閉式模鍛生產。

⑵坯料下料精度。

下料精度直接影響鍛件高度公差和端部縱向毛刺大小。對于熱模鍛壓力機閉式模鍛，還影響安全生產，防止設備悶車事故?？刂葡铝暇鹊闹笜耸桥髁系馁|量公差和端面斜度。一般要求坯料質量公差控制在坯料質量±0.5％之內，但對于每一個模鍛件均需要核算坯料下料質量公差引起鍛件高度值變化占鍛件高度公差的比例，其值應小于鍛件高度公差20％～25％。這對鍛件尺寸的波動不算太大，是比較合適的，否則要減小下料重量公差。對于高度公差小于0.8mm和1.5mm的鍛件，坯料的端面斜度α分別控制在0.5°～2°和2°～3°之間。高速帶鋸床的下料端面斜度α≤0.5°，精度剪床的下料端面斜度α≤2°。

⑶坯料加熱。

1）嚴格控溫。為了減小鍛造力，提高金屬坯料的塑性，坯料的加熱溫度應盡可能高，而且要嚴格控溫。例如，低合金結構鋼的加熱溫度應控制在（1230±20）℃之內，避免過熱和過燒。

2）采用專用感應器。對于中頻感應加熱，其感應器出料端口應有保溫段，防止坯料的端部溫度降低，而且對于每個鍛件都應設計專用感應器。這樣燒損率少，其氧化皮似一層薄紙，鐓粗后能迅速被壓縮空氣吹掃干凈，經測定其燒損率約0.35％，確保鍛件的表面質量。

3）宜采用無氧化加熱。如果生產批量大，又經濟合理，可以采用無氧化加熱，確保鍛件表面質量。

⑷規范操作。

閉式模鍛的操作必須牢記兩點：其一，閉式模鍛件不易返修；其二，操作中最忌諱粘模。以下為注意事項：

1）每次開始生產時節拍不要太快，以不產生誤動作為原則，按操作熟練程度逐步提高節拍，并按節拍進行生產。

2）每個工步都應準確定位，特別是第一工步（鐓粗）的坯料必須放正，使坯料成形金屬分布均勻。

3）必須及時、規范地進行模具冷卻和潤滑，務必每鍛完一件，就要冷卻和潤滑一次。

4）嚴格模具預熱，對于4Cr5MoSiV1（H13）模具，預熱溫度150～200℃為宜，并且預熱溫度要均勻。

5）調整好風管的位置，吹掃干凈坯料鐓粗后的氧化皮，并吹掃干凈預鍛模膛和終鍛模膛內的氧化皮。

6）選用合手的夾鉗，輕拿輕放，不拋扔鍛件，防止磕碰。

為保證鍛件的質量和精度，車間組織者應盡量協調各工種，為機組操作者創造連續生產的條件和環境，以降低鍛件尺寸的波動，應實行專人、專機操作管理。如果產量大，可以安裝步進梁機械傳送裝置或機器人，實現自動化生產。（未完待續）

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