热精密闭式模锻技术（上）

2012-09-12赵一平中国锻压协会首席专家

锻造与冲压 2012年7期

文/赵一平·中国锻压协会首席专家

热精密闭式模锻技术（上）

文/赵一平·中国锻压协会首席专家

自20世纪末以来，机械制造业处于科技创新时代，特别是汽车、火车和工程机械等行业得以迅速发展，而机械行业的发展拉动了锻造行业的快速发展，其中汽车工业是带动模锻工业发展的主动力（全世界每年生产锻件总量中约60％是汽车模锻件）。由此模锻工业在模具设计、模具制造、锻造成形、润滑、节材节能环保和检测技术等方面取得了丰硕的成果。其中，精密模锻技术是提高汽车生产能力、提高零部件质量以及提高汽车竞争力的支撑技术之一。根据相关资料，日本每年生产精密锻件约占其总产量的1/4，其中相当数量精密锻件是热精密闭式模锻件。

精密模锻

精密模锻简称精锻，是指零件模锻成形后，可获得具有较高表面质量和尺寸精度锻件的工艺过程。锻件仅需少量机械加工或不再需要机械加工，就可用作机械构件的成形技术，即近净成形技术或净成形技术。

应用范围

⑴精化毛坯。可取代粗切削加工工序，锻件加工余量小（0.5mm左右）。

⑵精锻零件。直接获得成品零件，目前完全精锻零件仅限于一些结构简单的回转体类零件，如轴销等，而对于结构复杂的零件，如齿轮等，则只能将齿轮的齿形和端面直接成形为最终形状，其余部位仍需采用切削加工。

分类

精密模锻按坯料温度分为热锻、温锻、冷锻及复合精密模锻。⑴热锻。在金属再结晶温度以上进行的锻造工艺。热态下金属塑性好，流动应力低，适合大变形量成形，但尺寸精度和表面粗糙度都差。⑵温锻。在高于室温但低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺。兼有热锻和冷锻优点，但尺寸精度和表面质量没有冷锻好。⑶冷锻。在室温下进行的锻造工艺。锻件精度高，可实现无切削或少切削加工，但变形抗力大，成形难度大，锻件尺寸和材料也均受到限制，中间工序多（退火、磷化和皂化等），污染环境。⑷复合精密模锻。将热锻、温锻和冷锻技术组合使用，可获得尺寸大、形状复杂、精度高和表面质量好的锻件。本文介绍的热精密闭式模锻在国内尚没有大量采用，热精密闭式模锻或闭塞模锻使用得更少。

精度等级

热锻、温锻和冷锻零件的技术参数（仅供参考）见表1，例如，如果采用合适的设备和工艺，其中尺寸精度（标注★）在热精密模锻时可以达到原公差的30％～50％。

冷精密模锻工艺生产的直齿锥齿轮精度可达7～8级（GB/T11365-1989），可直接应用于轿车；热精密模锻工艺生产的直齿锥齿轮精度可达10～11级（GB/T11365-1989），可直接应用于载重车；精密模锻叶片轮廓尺寸精度可达±0.05mm，厚度尺寸精度可达±0.06mm，表面粗糙度R a0.8～3.2μm。

表1 热锻、温锻和冷锻技术参数

精密成形方法

精密成形方法有缩径、挤压、闭式模锻和冷精整，还有许多先进新工艺，如：可分凹模闭式模锻（也称闭塞模锻和复动模锻）、降低成形压力的分流锻造法、控制流动速度的背压锻造法以及利用摩擦成形锻造法等。锻件质量受到锻件材料、设备、模具和润滑等因素的影响，一次完全掌握和控制这些因素是非常困难的。在生产中主要是靠设计人员的经验和反复试模来进行工艺设计。有限元模拟技术为锻造工艺设计提供了可靠的帮助，基于基础数据库、设计经验和有限元模拟技术的专家辅助设计平台的开发和完善，将使缩短生产周期、降低成本、最优化的工艺设计实现成为可能。

经济分析

精密模锻是否经济与生产批量的大小、节约原材料多少、减少机械加工的效果以及模具成本高低等因素有关，需要进行具体的技术经济分析。一般零件生产批量达到2000件以上时，具有明显优势。

发展潜力

热精锻加冷精整具有很大发展潜力。如前所述，冷精锻件虽然尺寸精度高，表面质量好，但成形抗力极高，具有相当高的成形难度，仅应用于碳素钢和低合金结构钢，锻件尺寸也受到很大限制。另外，冷锻和温锻设备价格昂贵。而热精密模锻时金属变形抗力小，塑性好，锻件容易充满成形，但锻件尺寸精度差，表面粗糙。若将两者结合（热精密模锻加冷精整）就可以生产出尺寸大、精度高、表面质量好的精密模锻件。例如热精锻直齿锥齿轮的齿形精度可达到国标（GB/T11365-1989）的10级或11级，可直接应用于载重车使用。而热精锻加冷精整，其齿形精度则可达到国标（GB/T11365-1989）的7级或8级，可直接应用于轿车使用。由于热精锻设备、冷精整设备价格也较便宜，所以制造成本较低。例如某锻造企业，采用16MN热模锻压力机热精密模锻φ160mm以下直齿锥齿轮，设备价格约四百万元，采用25MN液压机冷精整，设备价格约一百二十万元，共计约五百二十万元。又某锻造企业，采用16MN摩擦压力机热精密模锻φ200mm以上直齿锥齿轮，设备价格约一百三十万元，采用40MN油压机冷精整，设备价格约五百二十万元，共计约六百五十万元。而一台16MN冷、温锻压力机价格约一千五百万元。

闭式模锻

一般模锻生产时，在锻件周围都产生飞边，飞边不仅增加材料消耗（约占整个锻件质量10％～35％），而且还增大锻造力（约占整个锻造力的10％～40％）。因此，在模锻中，减少飞边或消除飞边都是广大工程技术人员追求的目标。生产时不产生横向飞边的模锻工艺称闭式模锻，其特点是凸模和凹模之间的间隙方向与模具运动方向平行。其中部分闭式模锻属精密模锻，模锻时不仅没有飞边，而且锻件加工余量和制造公差都小，其单边加工余量0.5～0.8mm，甚至更小，省略粗加工，是精化毛坯，属精密模锻范畴。

工艺过程

闭式模锻过程和开式模锻相似：镦粗→充满模膛→少量金属挤入凸模和凹模间隙（产生纵向毛刺）。

⑴镦粗阶段。凸模镦粗坯料至与模膛模壁接触为止。

⑵充满模膛阶段。从镦粗至完全充满模膛为止，此时锻击力增加2～3倍。

⑶少量金属挤入间隙阶段。该阶段基本已成为不变形刚体，此时产生极大的锻击力。这个阶段的变形对闭式模锻有害无益，不仅影响模具寿命，而且产生的纵向毛刺，清除也比较困难。

优点

⑴提高材料利用率。闭式精密模锻是既无飞边，又减少加工余量和公差，所以材料利用率比开式模锻件高。根据锻件形状，材料利用率可以提高10％～25％，其中厚壁齿轮闭式模锻件的材料利用率可达95％。

⑵提高锻件精度。闭式热精密模锻件加工余量小和公差小，提高锻件尺寸精度。例如轿车变速箱齿轮锻件精度要求高，其余量0.6～1mm，省略粗机械加工工序。径向公差±0.4mm，高度公差±0.5mm，同轴度0.6～0.8mm，国内外多数企业均采用价格昂贵的高速热镦锻机闭式模锻生产。

⑶减少能源消耗。由于减少了金属消耗，故加热和热处理用的能源消耗降低了10％～50％。

⑷提高力学性能。①由于闭式模锻时，坯料在闭式模锻过程中处于三向压应力状态，可以大大提高金属允许的变形程度，特别适于成形低塑性难变形合金的复杂形状锻件，也提高金属塑性和锻件力学性能。②由于锻件无飞边，金属流线沿锻件外形连续分布，避免流线外露，改善锻件组织，提高锻件力学性能。流线不外露提高抗应力腐蚀性能，对于应力腐蚀敏感的铝合金锻件十分有利。

基本要求

⑴设备适用性。

1）设备精度。滑块（锤头）的导向精度以及工作台面和滑块底面的平面度、平行度、垂直度都必须在设备的精度范围内。

2）顶料装置。顶料装置应具有足够的顶出力、顶出（料）行程和顶出（料）延时，确保锻件迅速从模膛顶出，并搬运走。这是闭式模锻顺利生产的关键条件。

3）各种通用模锻设备比较。①热模锻压力机。a.封闭高度调节机构灵敏：调节机构应灵敏、可靠和稳定，以满足锻件的高度公差要求，又避免设备发生闷车。b.锻件压力一行程曲线应符合设备压力一行程曲线：根据锻件的锻造力和锻造行程，即锻件的力能特性曲线，选择合适的热模锻压力机。c.锻造力为静压力，故宜进行挤压工艺，但是必须使锻件的力能控制在设备允许的压力一行程曲线之内。d.滑块行程固定，只要坯料精确，温度恒定和生产节拍固定，可保证上下模闭合高度稳定，使锻件在高度方向获得较精确的尺寸。由于滑块导向精度高，同时又采用带导向装置的模架，故锻件在水平方向的尺寸余量小，精度高。e.具有多个上、下顶料装置，能从上、下模中自动顶出锻件，所以锻件模锻斜度小，一般小于或等于1°，甚至可以不带模锻斜度。②螺旋压力机：螺旋压力机和热模锻压力机一样适合进行闭式模锻，但是在模架上应设计承击面。③模锻锤（含程控全液压模锻锤）：模锻锤一般没有顶料装置，故闭式模锻有局限性。④模锻液压机：由于滑块行程速度慢，锻击速率低，因而模具寿命低，不适合大批量热闭式模锻生产。

⑵坯料下料精度。

下料精度直接影响锻件高度公差和端部纵向毛刺大小。对于热模锻压力机闭式模锻，还影响安全生产，防止设备闷车事故。控制下料精度的指标是坯料的质量公差和端面斜度。一般要求坯料质量公差控制在坯料质量±0.5％之内，但对于每一个模锻件均需要核算坯料下料质量公差引起锻件高度值变化占锻件高度公差的比例，其值应小于锻件高度公差20％～25％。这对锻件尺寸的波动不算太大，是比较合适的，否则要减小下料重量公差。对于高度公差小于0.8mm和1.5mm的锻件，坯料的端面斜度α分别控制在0.5°～2°和2°～3°之间。高速带锯床的下料端面斜度α≤0.5°，精度剪床的下料端面斜度α≤2°。

⑶坯料加热。

1）严格控温。为了减小锻造力，提高金属坯料的塑性，坯料的加热温度应尽可能高，而且要严格控温。例如，低合金结构钢的加热温度应控制在（1230±20）℃之内，避免过热和过烧。

2）采用专用感应器。对于中频感应加热，其感应器出料端口应有保温段，防止坯料的端部温度降低，而且对于每个锻件都应设计专用感应器。这样烧损率少，其氧化皮似一层薄纸，镦粗后能迅速被压缩空气吹扫干净，经测定其烧损率约0.35％，确保锻件的表面质量。

3）宜采用无氧化加热。如果生产批量大，又经济合理，可以采用无氧化加热，确保锻件表面质量。

⑷规范操作。

闭式模锻的操作必须牢记两点：其一，闭式模锻件不易返修；其二，操作中最忌讳粘模。以下为注意事项：

1）每次开始生产时节拍不要太快，以不产生误动作为原则，按操作熟练程度逐步提高节拍，并按节拍进行生产。

2）每个工步都应准确定位，特别是第一工步（镦粗）的坯料必须放正，使坯料成形金属分布均匀。

3）必须及时、规范地进行模具冷却和润滑，务必每锻完一件，就要冷却和润滑一次。

4）严格模具预热，对于4Cr5MoSiV1（H13）模具，预热温度150～200℃为宜，并且预热温度要均匀。

5）调整好风管的位置，吹扫干净坯料镦粗后的氧化皮，并吹扫干净预锻模膛和终锻模膛内的氧化皮。

6）选用合手的夹钳，轻拿轻放，不抛扔锻件，防止磕碰。