俄罗斯、美国和英国在通用锻压设备上进行分模锻造和多向模锻

文／李之海，李建·江苏海达管件集团有限公司

俄罗斯、美国和英国在通用锻压设备上进行分模锻造和多向模锻

文／李之海，李建·江苏海达管件集团有限公司

如何选择分模模锻和多向模锻的设备（不包括平锻机），历来有两种不同观点，一种认为应当在通用曲轴压力机上借助于分模模锻装置进行，这样的经济效果好；另一种认为需要设计专门用于分模模锻的曲轴压力机。这两种观点各有千秋，在现实的国外生产中也都各有应用。

分模模锻和多向模锻是在密闭的可分锻模中进行挤压的一种过程，要求机器具有足够的合模力、较大的工作行程、较大的压力、较高的刚性、较高的精度和良好的导向精度，并且便于毛坯的装入和锻件的卸出。现代通用热模锻曲轴压力机已经具有较大的工作行程、较高的精度、刚度以及良好的导向精度，适宜于进行挤压；但在一般情况下，与之配合使用的分模模锻和多向模锻装置却不易保证足够的合模力，而且体积庞大，结构复杂，影响装料和卸料，安装和调整复杂，更不能满足采用两个模膛的要求。因而，在锻件批量很大时，采用分模模锻和多向模锻曲轴压力机的优点就很明显。

分模模锻设备成本较高，一次性投资大，但由于机构的动作和力的作用规范，因此可以更好地适应特定类型锻件的变形要求，进一步提高劳动生产率，节约能量。例如，日本丰田汽车公司的总压力为6MN的专门化分模锻造压力机，按其生产率和所生产的锻件形状，相当于一台10～16MN的通用热模锻曲轴压力机。

分模模锻虽然属于闭式模锻，但并不一定就是精密模锻，仍然可以根据具体条件规定尺寸公差、安排余料槽(补偿腔)，甚至还可以允许微小的飞边。

现实的做法是以取得主要的经济技术效果为目标，以昂贵的设备和模具去换取锻件的高精度并不一定在什么时候都合理。某些形状较为简单的零件仍可在通用的模锻压力机上采用专门的分模模锻装置模锻。本文分别以俄罗斯、美国、英国为例，说明一下分模模锻工艺和多向模锻工艺的应用情况。

俄罗斯

前苏联在20世纪50年代起就开始研究多向模锻和分模模锻工艺。和其他各国不同，他们都力图在通用的热模锻曲轴压力机上采用专用的多向模锻或分模模锻装置来制造汽车、拖拉机的钢锻件。后来由于发现合模刚性不足，才转向设计专门的分模模锻和多向模锻压力机。

前苏联研究多向模锻和分模模锻这两种工艺的主要有俄罗斯沃龙涅什市的前苏联锻压机械实验科学研究所（эникмаш）和前苏联拖拉机农机研究所。

前苏联锻压机械实验科学研究所

俄罗斯沃龙涅什市的前苏联锻压机械实验科学研究所起初和莫斯科汽车机械学院合作搞了一套试验性的垂直分模的分模模锻装置，用于在6300kN热模锻曲轴压力机上模锻汽车万向轴的十字头。后来该所又和高尔基汽车厂合作在16MN热模锻曲轴压力机上对载重汽车差速器的十字头进行分模模锻试验。此外，高尔基汽车厂还做过载重汽车的万向节叉和羊角分模模锻的试验工作。

前苏联锻压机械实验科学研究所还开发过在8MN热模锻压力机上进行多向模锻自行车赛车的右连杆。由于直接对圆柱体毛坯分模模锻容易使锻件金属的内部产生夹层和缺料，使锻件报废，增加制坯工序后再分模模锻则克服了这一缺点。据介绍，他们在第一工序中使坯料杆部一端金属沿与坯料成90°延伸，即弯曲90°，然后在第二工序的分模模锻中锻出三个枝丫并使杆部延伸至全长。这样生产出的自行车赛车的右连杆锻件，内部没有夹层和缺料现象。

前苏联锻压机械实验科学研究所还用这种“两道工序法”模锻成功吉尔-150型汽车后桥差速器的十字轴和嘎斯-51型汽车方向盘传动杆的端部。该所认为汽车、拖拉机和农机的模锻件中，有相当一部分可以应用分模模锻工艺生产。仅吉尔-164型汽车的万向轴十字头一种零件由开式模锻改为分模模锻后，按照20世纪60年代初的产量计算，和原开式模锻相比，省料22%～24%，每年节约钢材360000kg，劳动生产率提高50%～100%。1970年，前苏联锻压机械实验科学研究所研制成功10000kN分模模锻压力机。

俄罗斯的前苏联拖拉机农机研究所

该所试验成功十字头的分模模锻工艺，并于20世纪60年代末在罗斯托夫农机厂建成了一条十字头模锻自动线。

由吊车将长达6m的热轧棒料放入自动料架的料斗，然后棒料被自动送向2500kN曲轴压力机的自动切料模，切下的坯料自动卸出并送入滚筒清理。再由提升机送入高频加热装置的料斗，然后由推料杆将其推入感应圈加热至1100～1200℃。自动卸出后，由压力机的滑块带动的自动送料装置送入4000kN曲轴压力机下凹模3（如图1所示）的加料孔内。压力机滑块继续向下运动，上凹模2与下凹模3闭合，这时加料孔里的坯料不产生变形。然后在压力机滑块的带动下，上凹模2与下凹模3一起继续下降，固定在固定模座7上的下冲头4将毛坯金属由加料孔挤入上凹模2与下凹模3组成的模腔内部，使毛坯成形，同时多余金属流入模腔的余料槽。压力机滑块上升，上凹模2与下凹模3分开，复位。锻件被带起并由滑块内部的顶料杆顶出。上凹模2的模膛设计有拔模斜度，所以顶出容易，然后由压力机滑块带动的卸料装置将其从压力机上卸出。

一次工作行程后，用水对模具冷却，冷却水通过上凹模顶料杆的孔向下喷，如图1所示。用油基石墨（70%机油和30%石墨）的混合润滑剂对模具自动润滑。

图1 十字头公模模锻装置示意图

模具寿命最高可达15000件，如自动线的模锻节拍为5～6s，模具平均寿命为10000～12000件。

凹模为镶块组合结构，镶块材料为3Cr2W8钢，硬度为48～52HRC；模套材料为35CrMnSi钢，硬度为38～44HRC。采用这种工艺后，十字头锻件节约材料消耗24%，自动线的生产率为600～720件/h，整条自动线的全部投资在两年内收回。

其他研究院校

此外，前苏联还有不少单位研究分模模锻工艺，例如列宁共青团汽车制造厂和查波罗什机械学院莫斯科汽车机械学院、前苏联汽车工艺研究所等。

莫斯科汽车机械学院和莫斯科小型汽车厂合作开发在通用压力机上使用分模模锻工艺生产莫斯科人牌小汽车十字头。这套装置系水平分模，冲头装在上模座上，上凹模装在活动模座内，下凹模装在固定模座上。当压力机滑块带着上模座和冲头向下运动时，装在上模板上的圆柱弹簧首先使中模板下降，上、下两个凹模闭合。然后在工作行程末端，装在圆柱弹簧内部的碟形弹簧进一步将模具压紧，保证金属充满模膛。圆柱和碟形弹簧的总压力为400kN。据称这一压力足以使模具在工作行程时不会分开，使锻件不致沿着水平分模面产生飞刺。

其实这种弹簧压紧装置不能确保模具刚性闭合,而且弹簧力小，只能用于小件锻造，如果增大弹簧，又必然导致模锻装置体积加大。另外，当上、下凹模分开后，活动模座和固定模座之间的空间小，卸出锻件很不方便。

为了提高冲头的耐磨性，延长其使用寿命，将冲头的端部设计成平的，锻件中央截面形状有所改动，机械加工余量有所增加。

前苏联汽车工艺研究所20世纪50年代还和一些汽车厂合作研究在通用压力机上分模模锻汽车十字头。先是采用气动夹紧，合模力不足。后来在和雅罗斯拉夫汽车厂合作时，设计带肘杆—杠杆夹紧装置的水平分模。

该所还对万向节叉进行分模模锻制坯，首先在水平分模的模具内对圆棒料挤压，然后再进行有飞边模锻，使锻件获得最终形状。锻件的飞边也很少，比一般模锻省料15%。

美国

美国福特汽车公司1969年申请了一项关于万向节十字头分模模锻工艺的专利。该专利主要内容为采用可分闭式模具在压力机的一次行程中获得精确的十字头锻件。

采用垂直分模(即分模面平行于冲头轴线)，凹模按360°平均分成4个可分合的部分，模具的外面为模套。工作时，将坯料放置在固定不动的下冲头上。当压力机滑块带着楔形导杆向下运动时，楔形导杆插入模具和模套之间，使模具的4个部分互相密切贴合，滑块带动闭合的模具和模套继续下降。最后上冲头以400kN压力挤压坯料，使金属充满模膛，形成十字头枝丫。

毛坯材料为AISI-5115钢，硬度为75～90HRB，圆柱毛坯，直径φ(32～37)mm。可以冷锻，也可以在760℃的半热态下模锻。锻好后的锻件的几个枝丫都不再需要机械加工，仅需切去沿分模面所产生的一些毛刺。

采用垂直分模模锻时，模具的张开力达到模锻压力的70%～100%，而且凹模始终有垂直分开的趋势，冲头和凹模加料孔壁之间的间隙增大，产生端面毛刺。这种端面毛刺不易在压力机上切除，一般采用其他机械加工方法切除。

其次，垂直分模面也不易保证贴合，在模锻形状复杂的不对称件时，在分模面间产生飞刺。还有，由于锻件温度很高，模锻时金属流动时的摩擦剧烈增加，模具寿命不高。只有锻件批量达到足够大时，收回投资费用的时间才短。

在立式通用压力机上分模模锻时，水平分模比垂直分模好。因为采用水平分模(即分模面垂直于冲头轴线)时，金属和凹模加料孔壁之间的摩擦力有助于两个凹模锁紧，减小模具的张开力，张开力约等于模锻压力的20%～40%。在特定条件下，也可以没有张开力，即张开力为零，形成飞边的可能性变小；冲头和上凹模孔壁之间的间隙较小，也不易产生端面飞刺。

英国

英国Wilkins & Mitchell公司生产了一种模锻黄铜零件的HB系列热模锻压机，生产三通、四通管件。HB系列有1000kN、2000kN和2500kN三个规格，其压力机本身是Wilkins & Mitchell公司的标准整体焊接机架结构。偏心传动，1000kN压力机分布于偏心两侧的为人字齿轮，2500kN压力机分布于偏心两侧的是两个斜齿轮，压力机采用气动多盘摩擦离合器和制动器部件。

图2 英国Wilkins & Mitchell公司的垂直分模装置

图3 英国Wilkins & Mitchell公司的水平分模装置

1000kN热模锻压机的行程次数为60次/min，2500kN的行程次数为48次/min，HB系列热模锻压机上进行分模锻造的垂直分模装置如图2所示。其工作原理为：模锻开始前，接通气源，先将坯料放在可沿垂直方向朝其加压的主冲头——下冲头上。在气缸的作用下，4个水平滑块分别带着水平冲头向坯料运动。开动压力机，压机主滑块带动上套环下降，上套环的内锥面将4个带外锥面的水平滑块向内压紧。主滑块继续下压，支承在气垫上的整个垂直分模装置下降，于是在下冲头的作用下使坯料挤压成形。最后，主滑块升起，水平滑块分开，锻件快速顶出分离。这种方法适用于主要变形载荷在一个方向上的零件。

HB系列热模锻压机上进行分模锻造的水平分模装置如图3所示。其工作原理是：整个水平分模装置放在气垫上，工件放在下模内，机器主滑块带动上模下降，模具闭合，在模具闭合过程中坯料开始变形，主滑块继续下压，推动整个装置下降。矩形摆杆上的斜面（也就是凸轮面）推动水平滑块到指定位置，其上的水平冲头成为固定模芯，对工件挤压。

该水平分模装置中部有固定模芯,由主滑块推动。三个水平滑动冲头由矩形摆杆上的斜面向中心推动，可以先进入模膛。除去四个水平冲头（或模芯）外，还可以再加上、下两个垂直冲头，前者穿过上模向下挤压，后者穿过下模向上挤压。这样就可以获得形状较为复杂的锻件。可使冲头（或模芯）在水平面内呈一定角度布置，从而获得带有锐角或钝角枝丫的锻件。水平分模装置主要用于多向模锻，垂直分模装置主要用于分模模锻。多向模锻可以生产更复杂的锻件。