分模锻造与多向模锻技术的概况与应用

文/庄武豪·武汉理工大学材料科学与工程学院

胡亚民，华林·武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室

分模锻造与多向模锻技术的概况与应用

文/庄武豪·武汉理工大学材料科学与工程学院

胡亚民，华林·武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室

多向模锻压力机

多向模锻液压机的工作原理与一般水压机相同，通过多个不同方向的液压缸和柱塞对坯料进行施压，实现锻件的多向受压成形。对于体积较大的高强度钢、钛合金、耐热合金及一般合金钢或碳素钢等材料的复杂形状锻件，在普通压力机上装载多向模锻专用模具，成形的吨位不能满足大型产品所需的成形力，需要采用多向模锻液压机。小型多向模锻液压机可采用油压传动，中大型多向模锻液压机通常采用水压传动。

四工位多向模锻液压机相当于在普通水压机的基础上增设两个侧向水平工作缸。该台多向模锻液压机是由我国自行建造的第一台多向模锻设备，充分吸取了水压机的特点，在无冲击的静压力下使金属成形，保证了多向模锻工艺的顺利进行。

六工位多向模锻液压机可以在三个相互垂直的方向上安装六块半模或冲头，能够形成一个更为复杂的封闭式形腔，从而可以锻造出形状更为复杂的具有多分模面的锻件。

图1为我国自主研发的200MN多向模锻压力机，可生产DN1000以下大口径、厚壁、正斜无缝三通管接头，成品合格率高达98%，与传统的热拔三通的生产方式比，可降低生产成本至少10%。

图1 200MN多向模锻压力机

此外，我国制造了世界首台40MN/64MN预应力钢丝缠绕多向模锻液压机。该压力机的机架采用正交预紧结构，预应力钢丝缠绕的正交预应力机架可实现无贯穿件的多向预紧力，可有效改变承载结构的受力特点，提高机架承受多向载荷的能力，而且避免了压机运动机构相互干涉。

国内外的多向模锻压力机的主要技术参数见表1。

表1 国内外多向模锻压力机的基本参数

分模锻造的应用

分模锻造的应用范围很广，不仅适用于一般钢材，更适于加工高合金钢和有色金属；不仅可成形许多中小型锻件，而且也能成形复杂的大型空心锻件。如万向节十字轴、万向节叉、万向轴法兰、后桥差速器十字轴、三向接头、方向盘蜗杆、导弹喷嘴、各种齿轮、阀体和管接头等。

图2 分模锻造的产品

图2a为大型运输机上所用的涡轮盘，其材料为镍铬铁合金，该种合金在锻造过程中易产生表面裂纹，且可锻温度范围也相当狭窄。又由于涡轮盘为饼类锻件，其变形量大，因此若采用普通模锻更容易产生表面裂纹。由于分模锻造为三向受压成形，有利于提高合金材料的可锻性，故该类零件适合采用分模锻造。

法兰类锻件也适合采用分模锻造，特别是双法兰类零件，由于带有双法兰，采用整体模锻存在无法脱模的问题，故适合采用分模锻造。对于法兰直径不大的锻件，在镦粗比许可的情况下，甚至可以采用分模锻造直接成形。

汽车万向节上十字轴（图2b），属于典型的枝丫类锻件，采用传统的开式模锻，工序复杂，包括下料、加热、预成形、成形、切边去毛刺以及后续的机加工直至成品，材料利用率低。若采用分模锻造，可以实现一次成形。根据万向节十字轴的锻件形状，适于采取水平分模，选用上述弹簧夹紧式模具结构，在热模锻压力机上即可成形。

另一类适用于分模锻造的枝丫类锻件为弯头、三通、四通等管接头，该类锻件具有中空的特点。目前国内制造石油、化工、核电等高压三通管件所用的锻件，其中小型管接头用普通热模锻或胎模锻生产，只能锻成实心的锻件，零件的三个方向的内孔需要机械加工；而大、中型管接头则用自由锻生产，其外形和内孔都需要机械加工，成本之高可想而知，仅消耗在飞边上的金属重量达到锻件质量的15%～30%，由于普通热模锻和胎模锻无法使坯料侧孔成形，造成材料成本和制造成本居高不下。

武汉理工大学与江苏海达管件有限公司合作，采用分模锻造技术成形承插弯头和三通管接头。通过有限元模拟，确定和优化坯料尺寸和冲头形状等，从而实现在曲柄压力机上采用分模锻造成形管接头，有效提高了材料利用率、锻件质量和模具寿命。图3为在曲柄压力机上采用上述的滑块自锁式分模锻造模具结构所成形的承插弯头和对应的有限元模拟结果。图4为在曲柄压力机上采用杠杆式多向模锻模具结构所成形的三通管接头及对应的有限元模拟结果。从图4中可以看出，通过分模锻造所成形的弯头和管接头不仅能大大降低飞边的金属消耗，还可锻成无锻模斜度或斜度很小的深孔件，公差和余量减少1/3以上；加工余量可以大大减少或消除，金属材料利用率从25%～70%提高到50%～85%。

图3 分模锻造成形的承插弯头

图4 分模锻造成形的三通管接头

多向模锻在航空航天产品中得到了广泛的应用，美国麦卡隆公司应用一台300MN的多向模锻液压机实现了在一次加热中锻出飞机起落架的空心锻件，其重量仅为原来实心锻件的一半，并且比传统焊接结构起落架、数控铣床加工的起落架以及普通模锻生产的实心起落架的机械性能均得到明显提高。通过该多向模锻液压机还可以生产压气机盘，其强度可达1250～1650MPa，最大值超过标准规定的1200MPa达37.5%；延伸率达20%，超出标准的10%以上。

此外，分模锻造还可以生产大型阀体、中空架体、套筒体、导弹喷管、球形接头等。图2c为应用40MN/64MN预应力钢丝缠绕多向模锻液压机所锻制出球阀阀体锻件，应用该设备可以锻制20#钢、A105、316L、314等不同材质的3英寸阀体锻件、6英寸真空阀锻件及DN80球阀阀芯等锻件，提高材料利用率30%、节省加工工时50%以上，且产品的内部金属流线连续，变形均匀、组织细密，与普通锻件相比，抗拉性能提高24.3%、伸长率提高87.3%，综合性能明显提高，已具备替代进口产品的能力。

分模锻造的效益和前景

分模锻造较普通模锻有着明显的经济效益。首先在普通锻压设备上实现分模锻造，有效提高了设备的使用范围，提高了设备的使用率，进一步发挥了普通锻压设备的能力。其次，分模锻造可以锻造出形状更为复杂、尺寸更加精确的无飞边、无拔模斜度的中空类或具有凹凸外形的锻件，可提高材料利用率近1倍，并减少后续切削加工约70%的工作量。长轴类锻件中的小型阶梯轴和小型连杆均可采用分模锻造；枝丫类锻件中，质量在2～3kg的锻件可采用单冲头或多冲头可分凹模闭式模锻，其产量占这类锻件产量的25%～30%。

仅提高材料利用率一项，每年就可以为一个年产5万吨大中型多向精密锻件的生产企业节省原材料8.3万吨。若按每吨锻件耗能1.4吨标准煤计算，可节省11.6万吨标准煤，相当于减少CO2排放22.5万吨。而且，分模锻造可以实现一次加热成形，避免了多次加热的材料氧化和能源消耗，并且金属在一火之内实现大变形，能够获得晶粒细小均匀和组织致密的锻件，从而提高了锻件的使用寿命，间接的节约能源和保护环境。

结束语

随着全球环境污染和资源短缺问题的日益加剧，工业领域的节能减排问题备受关注。锻压行业是国民经济中不可缺少的基础行业，同时也是一个大量消耗材料和能源的行业，既要保证其快速发展，又必须实施清洁生产、节能减排和消声降噪，因此必须大力发展和推广节能、省材、降耗的绿色锻压技术，而分模锻造技术正是这样一种锻造技术，所以分模锻造，特别是多向模锻的进一步推广有着重大而长远的意义。