國外分模模鍛和多向模鍛技術的發展概況

文/李之海，李建?江蘇海達管件集團有限公司

國外分模模鍛和多向模鍛技術的發展概況

文/李之海，李建?江蘇海達管件集團有限公司

李之海，高級工程師，董事長，主要從事復雜形狀鍛件的精密成形方面的研究工作，其主持研制的滑塊式自動分合精鍛成形模具、楔式滑塊傳動多方向鍛壓機構等11項科研成果先后獲得國家專利授權。

分模模鍛

一般地，普通的模鍛設備如模鍛錘、螺旋壓力機、熱模鍛壓力機等只能沿垂直方向對坯料加載，使其產生塑性流動而充填模膛。當鍛造一些外形復雜并帶凸臺、枝丫、齒形及孔腔的鍛件時，不僅金屬不易流動，難以充滿模膛，鍛后鍛件也難以出模。因此，普通模鍛在鍛造形狀比較復雜的鍛件時，必須將鍛件形狀適當簡化，同時增加余塊和余量。這樣就浪費了金屬材料，增加了機加工工時。鍛件的金屬流線在加工時還可能被切斷，零件的力學性能也因此會受到削弱。

后來，人們將形狀復雜的整體凹模制成兩個可以分離的半凹模。鍛件成形時，兩個半凹模合為整體，鍛后再張開，取出鍛件。這樣便可使用傳統的模鍛設備鍛出外形比較復雜的鍛件，此即通常所稱的“分模模鍛”，它與傳統模鍛時模具只是簡單的在一個方向運動不同，它是一種典型的復動成形，因此也被稱為“復動模鍛”或“復動鍛造”，少數人也稱為“閉塞鍛造”。在工作時，首先上滑塊（主滑塊）向下運動，使上模和工作臺上的下模閉合，閉合后穿孔沖頭自下而上（或自上而下）運動，進入毛坯，使毛坯金屬產生徑向流動，充滿模膛，形成齒形。

目前，汽車萬向節的十字軸、三銷軸和星形套，汽車差速器的錐齒輪以及鑿巖機中含有中心孔腔的鉆頭套等零件，都是用這種工藝方法生產的。但分模模鍛的局限性在于它只能鍛造重量較輕的鍛件，而且模具形狀比較復雜，使用與調節不便，生產效率也較低。如圖1所示為本公司生產的分模模鍛件（圖中有可不采用分模模鍛工藝生產的鍛件）。

分模模鍛不一定是多向模鍛。分模模鍛的工作原理是在壓力機完成一次行程時，左、右兩半凹模閉合，只有一個沖頭自一個方向對坯料擠壓，金屬可以向各個枝丫內作多向流動，從而在熱態或冷態下獲得形狀不太復雜的多枝丫鍛件。在鍛造時，這些枝丫可以相互垂直，也可以成其他一定的角度。

圖1 本公司生產的分模模鍛件

分模模鍛的歷史相當長，例如在平鍛機上鐓頭就屬于分模模鍛?，F在分模模鍛不是簡單地用于長桿件的局部鐓鍛，而是可以用于模鍛形狀復雜、尺寸精確、無飛邊的鍛件。

在分模模鍛時，兩半凹模閉合時，坯料除了受垂直力的作用變形外，還要受到其他力的作用變形，也可以不受其他力的作用變形。

分模模鍛動作較為簡單，采用曲柄連桿機構的鍛壓設備即可實現分模模鍛。在平鍛機上可以采用多模膛分模模鍛，在通用機械壓力機上也可采用分模裝置進行單模膛分模模鍛。

分模模鍛雖然不能像多向模鍛一樣在機器的一次行程中鍛成形狀極為復雜的鍛件，但是其應用范圍比多向模鍛要廣泛，而且設備和模具都較簡單，因而較之多向模鍛其應用也更為普遍。

多向模鍛

多向模鍛（又稱多柱塞模鍛）在第二次世界大戰后即已出現，但真正得到發展和推廣是在20世紀60年代。多向模鍛的工作原理是在壓力機完成一次行程時，左、右兩半凹模閉合，幾個沖頭（這些沖頭可相互垂直，也可成其他一定的角度）自不同方向同時或先后對坯料擠壓，金屬可以向各個枝丫內（這些枝丫可以相互垂直，也可以成其他一定的角度）多向流動，從而在熱態或冷態下獲得形狀復雜的多枝丫鍛件。

多向模鍛工藝實質上是擠壓和模鍛的綜合過程。多向模鍛也可以說是多向擠壓，是一種特殊的模鍛工藝過程，在兩半凹模閉合時坯料可以受力（發生變形），也可以不受力（不發生變形）。在坯料變形過程中，金屬的流動方向可以與沖頭運動方向呈一定角度，既可以與沖頭運動方向一致，也可以與沖頭運動方向垂直。采用多向模鍛工藝生產的鍛件沒有飛邊，材料利用率高，減少了模鍛工序，可提高鍛件的成形精度和力學性能。

多向模鍛可以獲得無飛邊、無拔模斜度（或有局部小斜度）以及帶有多個枝丫、凸臺和孔腔的形狀復雜的鍛件。因為坯料在成形時處于強烈的三向壓應力狀態中，可提高金屬坯料的塑性，所以此工藝適于塑性較低的金屬的模鍛生產。

多向模鍛起初只用于鍛造生產溫度范圍狹窄、需要多次加熱、火耗大的高合金鋼、鈦合金和鎳合金鍛件，如火箭噴嘴、石油工業用閥體、高合金鋼和高強度合金的大型多枝丫鍛件，后來才用于鍛造一般鋼材和有色金屬，逐步推廣到批量大的汽車、拖拉機零件和管子接頭這類小型零件。

起初人們采用專門化的多柱塞液壓機對高合金鋼和高強度合金的大型多枝丫鍛件進行多向模鍛，后來才在通用機械壓力機上采用多沖頭模具。這主要是由于液壓機能夠產生巨大的壓力，完成復雜的動作，而且其各個沖頭在完成一定的擠壓行程后可停留于其原位作為固定的模芯，而在通用機械壓力機上，這些方面比較難以實現。

至于普通鋼和有色金屬的小型多枝丫鍛件，則可使用專門化的多向模鍛曲軸壓力機或在通用的曲軸壓力機上采用多向模鍛裝置來生產。這主要是因為液壓機的生產效率較低，不便于實現自動化，占地面積較大，成本也較高。

20世紀50年代以后，美、英、法、德和前蘇聯等工業發達的國家紛紛推廣應用和發展多向模鍛技術，我國也從20世紀60年代中期起開始研發多向模鍛設備和工藝。

多向模鍛一般都采用兩個可分的半凹模，也可以說是分模模鍛；但分模模鍛不一定是多向模鍛。

分模模鍛和多向模鍛的技術經濟特點

能成形結構形狀相當復雜的鍛件

分模模鍛和多向模鍛都屬于以擠壓為主的閉式模鍛過程，鍛件的形狀準確，精度高，飛邊很少或根本沒有，沒有拔模斜度或者拔模斜度很小，因而能大大節約材料。實踐表明，通過水平分模和縱向分模，多向模鍛可獲得形狀相當復雜、尺寸精確、無飛邊、無模鍛斜度并帶有孔腔、形狀和尺寸最大限度接近成品零件的鍛件，可顯著提高零件的材料利用率，減少機加工工時，大幅降低成本。

鍛件的流線分布合理

多向模鍛件由于是擠壓成形，因而金屬流線完好，沿鍛件輪廓分布（可用低倍檢驗觀察），有利于提高鍛件的力學性能。又因多向模鍛不產生飛邊，不會因為切邊而產生流線末端外露等質量問題，因而零件的抗應力腐蝕性能也得到了大大的提高。

生產效率高

多向模鍛可實現大變形，對形狀復雜的小型鍛件，一般多向模鍛不需預鍛，只需一火一次成形。而大中型鍛件，有可能需要預鍛，需要兩次行程，一般也是一火成形。至于在平鍛機上進行模鍛，有時多到四次行程，仍然是一火，但鍛件形狀則復雜得多。因而多向模鍛時，生產效率高，可減少加熱設備，降低勞動強度，降低能源消耗，降低火耗，減少鍛件表面脫碳和合金元素貧化，模鍛過程的自動化和機械化也較易實現。

應用范圍廣

航空、航天器械中的一些重要的關鍵零件常常采用鍛造溫度范圍很窄和塑性很低的難變形合金鋼或合金，如不銹鋼、高溫合金、鈦合金、鎳合金等。這類金屬材料在普通模鍛時，因處于拉應力狀態，故而可能使鍛件產生裂紋甚至導致報廢；然而在多向模鍛時，由于坯料處于強烈的三向壓應力狀態，金屬的塑性可以得到提高，因此即使是難變形的金屬材料亦有可能承受鍛造變形。

模具結構簡單

多向模鍛的模具結構簡單，制造成本低，使用維護方便，模具冷卻與潤滑效果好，因而多向模鍛的模具壽命相對較高，這有利于提高生產效率，也使得鍛件的生產成本降低。

采用多向模鍛和普通模鍛生產的下套筒、噴管、大外筒、小外筒、球形接頭、缸體6種航空零件的技術經濟效益對比見表1，由表1可見，由于多向模鍛簡化了工序，因而經濟效益十分顯著。如下套筒的普通模鍛件，需要19道工序完成，而多向模鍛只需8道；噴管的普通模鍛件，需要13道工序完成，而多向模鍛只需7道；球形接頭的普通模鍛件，需要22道工序完成，而多向模鍛只需9道。

■ 表1 6種航空零件普通模鍛和多向模鍛的技術經濟效益

多向模鍛及分模模鍛的生產規模與經濟效益有很大關系，隨著鍛件批量的增加和品種的擴大，要重視以下問題。

⑴投資大。

多向模鍛和分模模鍛要采用專用的多向模鍛液壓機或專門的多向模鍛裝置，投資較大。由于多向模鍛和分模模鍛的經濟效益很好，故設備投資回收期一般不超過兩年。

⑵設備剛性好。

為了提高多向模鍛件的品質，多向模鍛設備就需要具有較高的剛度和導向精度。傳統的三梁四柱液壓機和通用的熱模鍛曲軸壓力機的結構剛度差，導向精度較低，難以與專門化的多向模鍛和分模模鍛設備抗衡。

⑶對坯料精度要求高。

由于多向模鍛屬于閉式模鍛，因此對坯料的下料精度要求高，重量允差嚴格。一旦坯料的幾何形狀或重量超出下料公差，輕則使鍛件成品率下降，重則影響模具壽命。對此，要求采用帶鋸或圓盤鋸下料，以確保下料公差。要保證送入模具中的毛坯不帶或少帶氧化皮，要求對毛坯無氧化加熱，或采用專門的去除毛坯氧化皮的設備。

⑷對模具質量要求高。

由于模具是分體式組合模具，因此對模具本身的質量要求也高，不僅要求制造精度高，而且從減少模鍛時模具本身的變形出發，要求模具本身不僅要滿足強度要求，還要具有較高的剛度。

國外分模模鍛和多向模鍛生產的模鍛件

美國喀麥?。–ameron）公司的300MN（3萬噸）多柱塞液壓機能進行垂直分模、水平分模以及兼有垂直分模和水平分模的復合分模的多向模鍛。采用多向模鍛和分模模鍛生產的模鍛件我們都簡稱為多向模鍛件。

如圖2所示為采用垂直分模進行多向模鍛，其工作原理為：在不工作的時候，兩個半凹模分開，如圖2a所示；壓機滑塊下行時，兩個半凹模閉合，在穿孔沖頭穿孔的同時，左、右沖頭對坯料施加作用，使金屬充滿模膛，完成模鍛工序，如圖2b所示。由于凹模完全閉合，所以在模鍛件上不產生飛邊，僅在兩個半凹模閉合分界面上產生少量毛刺。模鍛結束后，穿孔沖頭回程，兩個半凹模分開，完成一個循環，如圖2c所示。

采用垂直分?？稍谝淮涡谐讨绣懗龈?13mm、直徑φ610mm、重達680kg的石油工業用鉻鉬鋼閥體，如圖2d所示。

圖2 垂直分模的多向模鍛

圖3 水平分模的多向模鍛

如圖3所示為采用水平分模進行多向模鍛，其工作原理為：在不工作的時候，兩個半凹模分開，如圖3a所示；壓機滑塊下行時，兩個半凹模閉合，進行預鍛，然后左、右兩個沖頭同時穿孔，如圖3b所示。由于凹模完全閉合，所以不產生飛邊，而且金屬內部組織均勻。模鍛完成后，上、下兩個半凹模分開，如圖3c所示。

采用水平分模能在液壓機的一次行程中鍛出高1000mm、直徑φ610mm、重約320kg的鉻鉬鋼火箭噴嘴，如圖3d所示。

采用水平分模時既可以是分模模鍛，也可以是多向模鍛。如圖3所示的水平分模，在鍛造時，如果左、右兩個沖頭不主動穿孔成形，就是分模模鍛。

本公司在進行三通管接頭多向模鍛試驗時，采用同一副水平分模模具。當將小直徑坯料橫放在模腔里成形時，由于坯料長，放在模腔里時其左、右端就可能分別與左、右沖頭接觸。在模鍛開始時，左、右兩個沖頭就主動對坯料作用，使其穿孔成形。而將短而粗的坯料立放在模腔里時，在模鍛開始時，左、右兩個沖頭對坯料不發生作用，不使其穿孔成形，而只是在模鍛后期，左、右兩個沖頭才對坯料發生作用，參與沖孔成形。我們可以將其看成是分模模鍛。

試驗結果說明，采用細坯料橫向布置于模腔之中多向模鍛成形的三通管接頭，左、右兩端成形良好，如圖4所示。

圖4 三通管接頭的多向模鍛件

如圖5所示為采用復合分模進行多向模鍛，其工作原理為：在不工作的時候，兩個半凹模分開，如圖5a所示；多向模鍛開始時，上、下兩個半凹模先行閉合，如圖5b所示；然后，左、右兩個水平沖頭進行擠壓，如圖5c所示；擠壓過程結束后，兩個水平沖頭不動，上滑塊里的內沖頭向下沖孔，使鍛件內、外表面都獲得最終形狀，如圖5d所示。成形結束后，上、下兩個半凹模和左、右兩個水平沖頭都分開，回復到初始狀態，如圖5e所示。

圖5 復合分模的多向模鍛

采用復合分?？稍谝淮涡谐讨绣懗龈?200mm、長1170mm、直徑大于φ1000mm、重約7t的鉻鉬閥體。

國外的多向模鍛技術已擴大應用到石油、化工、電力、航空、軍工等領域，采用多向模鍛和分模模鍛生產的典型多向模鍛件見表2、3。表2所列多向模鍛件所采用的材料為一般優質碳素鋼和一般合金鋼，表3所列多向模鍛件所采用的材料為不銹鋼、馬氏體時效鋼和鈦基合金、鎳基合金。

一般多向模鍛和分模模鍛是一次加熱和一次成形，這對高合金鋼、鈦合金和鎳合金等材料來說極為重要。這些材料價格昂貴，鍛造溫度范圍窄小，在鍛造過程中易于產生裂紋，一次加熱也可減少氧化損失。

■ 表2 國外生產的鋼質多向模鍛件

多向模鍛件的質量越來越大，從數百千克到幾噸、十幾噸，如直徑φ1025mm的Astroloy鎳基合金超音速運輸機大型渦輪盤和質量為13.5t的50萬千瓦或更大的汽輪發電機組的渦輪盤，其示意圖如圖6所示。

■ 表3 國外生產的不銹鋼和特殊合金多向模鍛件

在300MN多柱塞液壓機上一火多向模鍛生產的Ti6Al6V2Sn飛機起落架空心鍛件的示意圖如圖7所示，其質量僅為實心鍛件的1/2，金屬流線分布好，力學性能也大大提高。

圖6 渦輪盤示意圖

圖7 飛機起落架空心鍛件示意圖

多向模鍛生產的壓氣機盤，強度達1250～1650MPa，超過標準規定（1200MPa）38%；伸長率達20%，超出標準規定一倍以上。

多向模鍛生產的Incoloy718鎳基合金半球殼體如圖8所示。

圖8 Incoloy718鎳基合金半球殼體

結束語

多向模鍛不僅用于加工高合金鋼和高級合金，而且也用于加工有色金屬和一般鋼材；不僅用于加工復雜的大型空心鍛件，而且用于加工汽車、拖拉機鍛件以及齒輪和各種管接頭。需求量很大的齒輪、萬向節十字頭、萬向軸法蘭、后橋差速器十字軸、三向接頭、萬向節叉以及方向盤蝸桿等，都可以用多向模鍛工藝來生產，其應用范圍相當廣泛。