鋁合金模鍛件的工藝結構要素與鍛模設計

夏烈江，劉靜安，劉 煜，何梅瓊，龍奇敏

（1.廣東省佛山大瀝鎮恒威模具廠，佛山528000；2.西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326；3.廣東華昌鋁廠集團有限公司，佛山528225）

1 模鍛件的工藝結構要素及設計

鋁合金模鍛件的設計必須合理地確定分模線位置、機械加工余量和公差、模鍛斜度、圓角半徑、腹板和肋的尺寸等工藝結構要素[1]。

1.1 分模線位置選擇

分模線位置選擇是否合理不僅關系到鍛件的精度和內部流線走向，而且還影響到模具和鍛件的生產周期和成本。合理的分模線位置應具有如下特征：

（1）與變形力方向相垂直的鍛件投影面積最大，外廓形狀最簡單。滿足這一條，模具的型槽淺，金屬容易充滿，鍛件容易出模，參見圖1。

（2）分模線平直。平直的分模線有利于消除錯移，另外也便于鍛模加工、模鍛操作和鍛后切邊等工序。

（3）流線完整。模鍛成型應使流線方向與零件的方向一致，這是模鍛比其他加工方法所具有的突出優點，參見圖2。如果分模線位置選擇不好，則鍛件內可能產生渦流或穿流，會導致鍛件的疲勞強度降低。

（4）便于檢查錯移。對于圓柱形法蘭盤鍛件，宜在法蘭厚度的中間部分分模，以方便鍛后檢查錯移。如果法蘭為正方形，則宜在法蘭的端面分模，以簡化上模，便于制造，參見圖3。

1.2 機械加工余量和公差

（1）機械加工余量。鋁合金鍛件機械加工余量按零件最大輪廓尺寸和零件需要的表面光潔度來確定，如表1所示[1，2]。

表1 鋁合金鍛件的機械加工余量（單面余量）

（2）尺寸偏差。鍛件的尺寸偏差受到鍛壓力不足、模腔磨損、鍛壓設備和鍛模彈性變形、終鍛溫度、鍛模溫度穩定性等因素的影響。尤其是鍛壓力不足和型槽磨損會導致鍛件的尺寸偏差。因此，鍛件尺寸偏差一般采用非對稱偏差。在有關手冊上可查出鋁合金模鍛件毛坯的各種尺寸偏差和其形狀的允許畸變，一般在表中規定了三種精度等級，即4級精度為用于模鍛件非加工表面的結構要素尺寸；5級精度為用于模鍛件外形非加工表面之間的尺寸；6級精度為用于模鍛件外形加工面之間的尺寸。

1.3 模鍛斜度

模鍛斜度是從鍛模型槽中取出鍛件所必需的，有內模鍛斜度和外模鍛斜度兩種。鋁鍛件的模鍛斜度一般采用3°～7°。

1.4 圓角半徑

鋁合金模鍛的各種圓角半徑可按表2～表4來確定。

1.5 沖孔連皮

對帶有通孔的回轉體鍛件進行模鍛時，不能直接鍛出透孔，而是在孔內留有一層具有一定厚度的金屬，即沖孔連皮。沖孔連皮可以在切邊壓力機上沖掉或在機械加工時切除。連皮厚度s要適當，太薄，則模鍛所需單位壓力增大，鍛模磨損加劇，壽命縮短；若連皮厚度太厚，則消耗金屬增多，所需的切邊力增大，容易使鍛件產生畸變。所以連皮形狀和尺寸應設計得合理。最常見的沖孔連皮為平底式連皮。

表2 鋁合金模鍛毛坯的連接半徑R、過渡半徑R3、圓角半徑R1、R2、R4和R5及肋厚2R1

表3 連接半徑R、圓角半徑R1、肋厚2R1和腹板斜度γ

表4 連接半徑R、圓角半徑R1和R2壁厚b和腹板斜度γ

1.6 肋的厚度和高度

鍛件上的肋條是用壓入成形方法得到的。由于模具上的肋腔有模鍛斜度，在金屬的填充過程中必須施加作用力，以克服肋腔的摩擦阻力和金屬的變形抗力。

肋條厚度和高度的極限值與鍛造的金屬種類和鍛件的幾何形狀有關。對于鋁合金，主要是與內圓角半徑、肋條的位置以及分模線的位置有關。下面分四種情況予以討論。

（1）第一種是位于中心的肋。它是靠從鍛件的基體中擠壓金屬成形的。這種肋在幾何上受到肋下邊金屬體積和鍛造壓力大小的限制。如果不能從鍛件基體（腹板）得到足夠的金屬，則在肋的對面將形成類似“擠壓縮尾”一樣的缺陷。為了防止這種缺陷，腹板厚度應等于或大于肋的厚度，或者在腹板的底面與肋相對應的部位增加一個矮肋。在鍛造合金化程度較高的鋁合金時，由于它們的鍛造壓力較高，肋應該適當加厚些。

（2）第二種肋位于鍛件的邊緣，分模線在肋的頂部，經反擠壓而成形的。這樣的肋不易產生鍛造或擠壓缺陷，其厚度僅受材料特性的限制。采用這種設計可比其他三種類型的肋薄一些。

（3）第三種肋也位于鍛件的邊緣，但分模線在其底部，是擠壓成形的。這種肋也不產生“擠壓縮尾”，但可能在肋的根部產生穿流，這在很大程度上限制了肋的高度。這種肋應比第二種肋的厚度大些，內圓角半徑也要適當加大。

（4）第四種肋位于鍛件中心腹板邊緣，腹板對稱地兩面排列著，是最難鍛造的。這種肋不僅容易產生穿流缺陷，而且在和第三種肋的尺寸相當時，幾乎要求雙倍于它的金屬體積。第四種肋的最小厚度比其他三種肋的最小厚度都要大些。

在確定肋的尺寸方面并沒有嚴格的規則可循，一般地說，肋的高度應當不超過其寬度的8倍，但是在實踐中多采用4倍或6倍。對于特別矮的肋，其寬度也不得小于3 mm，因為小于3 mm寬的型槽在制模時相當困難。鋁合金鍛件肋的最小厚度如表5所示。

表5 鋁合金鍛件肋的最小厚度

1.7 腹板厚度與肋間距

許多鋁合金鍛件具有單肋或多肋與腹板組合的結構，腹板厚度不同，對鍛造工藝也有不同影響。在成形肋時，腹板的厚度也增加。如果預鍛件腹板太薄，終鍛時腹板將彎曲，接著便在腹板上形成折疊。所以，腹板的最小厚度是有限制的，它決定于零件的幾何形狀。對完全被肋圍繞的鍛件，可鍛制出來的最小腹板厚度約為其寬度的1/8。當然，這決不是不可超越的極限，通過其他措施，例如采用三套鍛模，腹板厚度和寬度之比甚至可達1∶24（腹板厚3.18 mm、肋間距762 mm的鍛件已能夠生產）。

薄的腹板比厚的腹板要求有更高的鍛造壓力，因為前者單位體積上的摩擦力大而且冷卻也較快，鋁合金腹板厚度允許最小尺寸如表6所示。

表6 鋁合金腹板厚度允許最小尺寸

以上數據代表普通模鍛工藝最先進狀態，一般要放大一些，特別是對于那些合金化程度高的鋁合金。

兩肋之間的距離對模鍛過程也有重大的影響，最小間距amin主要取決于肋的高度h。若肋很高而肋間距不夠大，則鍛模上成形腹板的凸臺將很快磨損。最大肋間距amax主要與連接肋的腹板厚度s有關，腹板越厚，肋間距可以越大。肋間距的最大值amax和最小值amin可參閱表7。

表7 鋁合金模鍛件的肋間距a

2 鋁合金模鍛件用鍛模設計

2.1 鍛模結構

鍛模通常由上、下模塊組成。如果是開式模鍛，模槽四周有毛邊槽與之相連，閉式模鍛型槽的四周則沒有毛邊槽[3，4]。

開式模鍛過程的金屬流動，可以分為兩個階段：第一階段主要是充填型槽，并有少量的金屬流入毛邊槽；第二階段是鍛件最終成型并將多余金屬排擠到毛邊槽的倉部中去[4]。在第一階段中，毛邊造成水平方向的阻力，有助于金屬充填型槽。在第二階段中，毛邊愈來愈薄，水平方向的阻力愈來愈大，迫使金屬進一步充填型槽的深處和棱角；之后，多余的金屬流入毛邊槽倉部，上下模閉合。鍛后鍛件上的毛邊作為廢料被切除。

金屬在閉式鍛模內成型時周邊不產生毛邊，僅在成型的最終階段出現端部毛剌。閉式模鍛的主要優點是沒有毛邊消耗，以及在成形過程中，金屬處于較強烈的三向不均勻壓應力狀態，這對于鋁鈹系等塑性較低的鋁合金的模鍛是有利的。但是，閉式模鍛件形狀不能像開式模鍛件那樣復雜，還要注意避免在上模上出現銳角。

鋁合金鍛造溫度較低，且范圍較窄，流動性欠佳，表面容易產生折疊等缺陷。因此，一般采用單型槽模鍛。若鍛件形狀復雜，要求制坯和預鍛的，可另外設計制坯模和預鍛模。

鍛?？梢宰龀烧w或鑲塊模。鍛模結構的主要要素除模腔、毛邊槽外，還有配合部位，如導向（鎖扣或導銷）、安裝角、運輸孔等，這與鋼鍛模一樣。但是，鋁合金毛邊槽、終鍛型槽的收縮率等有自己的特點。

2.2 終鍛型槽

終鍛型槽是模鍛時最后成型的模槽，它是按熱鍛件圖制造的，其設計內容是確定并繪制熱鍛件圖以及選擇毛邊槽。

（1）熱鍛件圖。將冷鍛件圖中的鍛件尺寸加上收縮率之后，便成為熱鍛件圖。根據冷鍛件圖繪制熱鍛件圖時，鋁合金毛坯的收縮率一般取0.7%～0.8%，考慮到蝕洗的作用，肋條厚度的收縮率一般應放大0.2 mm。

（2）毛邊槽。開式模鍛過程與毛邊的產生是分不開的。超過充填型槽所需的多余金屬最終被排除而形成毛邊。毛邊切除后，鍛件內的金屬流線往往在分模線處被切斷而外露，對于要求具有較高抗應力腐蝕開裂能力的超硬鋁制件，是不理想的。所以，如何選擇毛邊位置和毛邊槽結構應該受到重視。毛邊是與分模線結合在一起的，分模線（面）沒有厚度，但與分模線結合的毛邊卻有一定的厚度要求。分模線可位于毛邊頂部、底部或毛邊厚度的中間。

毛邊槽尺寸沒有統一的標準，根據鍛件外形和材料性能不同而有所區別。鋁合金毛坯用的鍛模，其毛邊橋部厚度及模膛壁與毛邊橋口的連接半徑比模鍛鋼毛坯的鍛模一般約大30%。對于外形對稱的鋁合金毛坯宜用均勻毛邊，對于壁厚差很大的盒形件，圍繞鍛件周邊也可采用不均勻的毛邊槽。塑性較高的鋁合金，毛邊橋部高度可取小些，而對同樣尺寸但帶有肋和腹板的鍛件，橋部高度應當取大些。

2.3 預鍛型槽

對于肋高、腹板薄且形狀較為復雜的鋁合金鍛件，往往采用預鍛工序來保證鍛件成型和獲得滿意的內部質量。如果生產量不大，也可先在同一終鍛模上預鍛，切除毛邊后重新加熱，然后再進行終鍛和切除毛邊。是否采用預鍛型槽應根據具體情況并考慮經濟效益慎重確定。

預鍛模膛是對熱鍛件圖（終鍛模膛）個別部分作出修改后設計而成的。修改的內容根據鍛件的形狀而定，現歸納其要點如下：

（1）在鍛件上高度較小的突出部分，如在終鍛時充滿不困難，預鍛時可簡化不鍛出。

（2）預鍛模膛四周不設毛邊，模鍛時也不打靠，或者根據工藝調試情況，確定上模和下模在模鍛時的不打靠程度。

（3）模鍛斜度。預鍛模膛的模鍛斜度一般與終鍛模膛相同。但是，對于終鍛模膛不易充滿的局部深處（如筋等），可適當加大預鍛模膛的斜度，但斜度加大后，應使預鍛模膛的寬度小于相應的終鍛模膛（B1

（4）圓角半徑。預鍛模膛各處應該比終鍛模膛相應處有較大的圓角半徑，以利于金屬流動。

（5）帶有枝芽的鍛件。為了使金屬易于向枝芽方向流動，預鍛模膛在枝芽部分的形狀應盡量簡化，與枝芽部分連接處的圓角半徑盡量大些，在分模面上增設阻力溝，阻礙金屬流向毛邊，促使金屬充滿枝芽部分模膛。

（6）帶叉頭部分的鍛件。此類鍛件由于在終鍛時金屬優先向水平方向流動，而后才轉向內角處流動，所以金屬除了橫向流入毛邊，還軸向流入毛邊，這樣叉頭端部內角處的金屬就很難充滿。因此，對這類鍛件在終鍛前應預成形制坯，將坯料頭部劈開，把金屬擠向兩邊。將坯料頭部劈開預鍛后，再將坯料放入終鍛型槽進行模鍛，此時金屬將首先充滿叉頭部分而后才流入毛邊，就避免了帶叉頭部分的圓角處充不滿現象。

（7）工字形斷面的鍛件。為了增加零件的剛度，在設計零件結構時經常選用工字形斷面。然而工字形斷面的模鍛件在成形的過程中，與兩筋相連的腹板轉角處最容易出現金屬對流情況，嚴重時還會出現折疊，破壞了金屬的連續性。為此，對這類模鍛件在設計預鍛型槽時應注意形狀要得當，以保證預鍛鍛件放入終鍛型槽內進行模鍛時金屬既能充滿兩筋又不致于出現上述的金屬對流情況。

工字形斷面預鍛模膛的設計概括起來有三種情況：

①h≤2b。此時，預鍛模膛設計成簡單的長方形斷面，參見圖4和圖5：

式中，B1為終鍛模膛寬度，mm；B2為預鍛模膛寬度，mm；h2為預鍛模膛高度，mm；F1為終鍛模膛面積，mm2。

②h＞2b。此時，預鍛模膛設計成圓滑形工字斷面，其形狀與終鍛模膛更為接近。設計時先以上述方法設計成長方形斷面，然后在此基礎上修改成圓滑的工字形斷面。兩筋增加的高度X由下式確定：X=0.25（h1－h2）

X確定后，再以h2為基礎，用作圖法作出圓渾的曲線，作圖的原則是使增加的面積f1等于減少的面積f2。

③兩筋的距離較大或有難充滿的筋，則f2常常超過f1。此時，預鍛模膛可按圖6設計：

3 結論

（1）鋁合金模鍛件的各工藝結構要素是十分重要的參數，一定要根據各種條件通過精確計算來確定。

（2）鍛模是根據冷模鍛件圖加上熱收縮量和毛邊槽確定的，對于大型復雜的模鍛件還要考慮毛料模和預鍛模與終鍛模的協調和配合，才能生產出合格的精密的優質鍛件，保證零件的加工尺寸、形狀和所要求的組織與性能。