多工位高速热锻工艺设计与模具技术

文／高崇晖·哈特贝尔金属成型技术（上海）有限公司

多工位高速热锻工艺设计与模具技术

文／高崇晖·哈特贝尔金属成型技术（上海）有限公司

高速热镦锻机是一种卧式多工位高速精密热锻设备，以瑞士哈特贝尔金属成型设备公司（HATEBUR）的AMP50-9为典型代表，其锻造工艺具有生产效率高、材料利用率高、锻件精度高及自动化程度高的特点，主要用于大批量生产汽车锻件、轴承锻件和紧固件锻件的生产。长棒料经过感应加热、剪切下料、多工位成形及冲孔或切边后出料，机械手在工位之间传送工件，集成化的设计实现了上料、成形及出料的自动化，既提高了锻件质量的稳定性和生产效率，又降低了操作人员的劳动强度、改善了劳动环境，特别适合锻件的大批量生产。

技术优势

图1 HATEBUR AMP50-9高速镦锻机生产线

AMP50-9高速热锻生产线如图1 所示，包括上料架、中频感应加热炉、高速镦锻机及传送带等，共有上料、加热、送料、剪切、多工位成形、出料等工序，生产的锻件最大直径为φ108mm，单件最大重量达2kg，生产速度为每分钟60～100件。

图2 高速镦锻工艺生产的典型锻件

多工位高速热锻生产的部分典型锻件如图2所示，其主要工艺特点有：⑴锻件精度高，加工余量、公差和拔模斜度较小；⑵锻件质量稳定性好，排除了手工操作可能产生的误差；⑶材料利用率高，基本采用无飞边闭式模锻，使用长棒料剪切下料，仅产生冲孔连皮和料头等废料；⑷自动化程度高，生产线实现了自动上料和出料，仅需人工进行棒料补给、质量检查、更换模具和锻件转运工作；⑸生产效率高，正常8小时高速生产的班产量可达3万多件；⑹模具成本低，模具采用组合式设计，按照不同功能选择不同材料和加工工艺，高速生产中易损件接触工件时间短、冷却充分，使用寿命高。

长棒料加热后经送料轮传送至剪切工位进行热剪切下料（图3），移动刀快速运动和固定刀共同作用剪切料段并将其传送至第一工位，通过多个工位锻造成形（图4）。第一工位可采用模外镦粗或模内预成形。第二工位进行预锻成形，根据终锻件的形状进行体积分配，以便后续成形。第三工位进行终锻成形，材料变形量较大，所需的成形力也较大。第四工位进行冲孔或切边。

图3 自动送料

图4 多工位成形

锻件图和工艺设计

在工艺和模具开发流程中，首先对零件进行可行性分析，然后根据高速镦锻机的设备特性和多工位热锻工艺特点进行锻件图和工艺设计。如图5所示的齿轮零件，对各加工面按照技术要求选择加工工艺，齿轮形状精度要求比较高需进行机加工，在其他加工面添加机加工余量，非加工面直接锻造成形，齿形之间的部分添加锻造余量块并添加拔模斜度，在满足尺寸要求的情况下尽可能取较大的锻造圆角和锻造公差，获得的锻件模型如图6所示。

锻件图完成后进行锻造工艺设计，采用热剪切下料，共有四个成形工位，常用的工序为镦粗、预成形、终锻和冲孔或切边。

首先，根据锻件的冷态尺寸和收缩率得出工件的热态尺寸，收缩率一般按照锻件材料类型和最大外径尺寸确定。根据内孔的尺寸确定合理的冲孔连皮厚度，在材料利用率和模具寿命之间找到平衡点，这样就可以计算确定第三工位的终锻件的尺寸。

第二工位预成形的设计原则是进行材料体积分配。在第三工位成形时工件易于定位，材料可以多向流动充满各个区域，避免因体积分配不均产生毛刺或大圆角。同时，合理的预成形形状可以降低锻造成形力、提高模具寿命。这是一项较依赖设计人员的经验的工作，通过使用有限元模拟软件也可以大幅提高工艺设计质量。

此锻件形状不太复杂，第一工位进行模外镦粗去除氧化皮，同时也简化了模具结构、节约了模具成本。终锻件的体积即为毛坯体积，棒料的高径比应控制在合理范围之内，热态剪切下料会产生轻微塌角和微小的剪切毛刺，在镦粗时通过材料变形进行修正，得到较为规则的鼓形。如果高径比过小，镦粗的压下量不足以修正剪切变形的塌角，造成材料分配在端面两侧不均匀，从而影响锻件的成形质量。而如果高径比过大，在高速的成形过程中因压下量较大易造成材料失稳而产生中间弯曲或折叠。

最后，确定第四工位冲孔凸模和凹模的尺寸，合理的冲孔间隙避免产生毛刺或大面积撕裂带。经过上述步骤，设计完成的工艺如图7所示。

图5 齿轮零件模型

图6 齿轮毛坯锻件模型

模具设计

高速镦锻机采用卧式布置的整体模座，凹模座固定在床身上，凸模座用液压螺母锁定于主滑块上，在承受工件剧烈塑性变形时保持良好的刚性和对中精度。模具结构采用组合式设计，根据部件的功能不同可分为三类：送料部件、通用件和易损件。

送料部件是指把加热后棒料传送到剪切工位的部件，主要包括送料轮、导向衬套、ESA衬套等。对于这些部件来说，应建立相应的标准规范以尽量减少使用不同规格的棒料。

图7 锻造工艺设计

通用件是指不直接接触高温工件主要起固定、支撑及导向作用的模具部件，如模套、衬套、垫块、固定环等，这类部件可采用冷作模具钢制造，热处理后达到较高的硬度，因而较少磨损和破坏、使用寿命相对较长。

易损件是模具的核心部件，指直接接触高温工件的凸模、夹持芯杆、凹模和凹模顶杆以及剪切棒料的固定刀板和移动刀板等部件。它们不但与高温工件直接接触而且在成形时承受很高的压力，因而更易磨损或破坏，材料一般选用热作模具钢或高速钢，制造工艺要求也较复杂，有时还需进行表面处理，以提高表面硬度和耐磨性。

齿轮毛坯锻件的模具设计三维图如图8所示，左侧为剪切工位，向右依次为第一工位至第四工位。剪切工位的部件宜进行标准化，根据不同棒料规格可选用相应规格的部件。

图8 齿轮毛坯锻件模具三维图

第一工位采用模外镦粗，镦粗可去除氧化皮、保持工件热量、节省模具成本，但是镦粗后工件尺寸不容易精确控制；模内预成形可实现更为合理的材料体积分配和精确的控制外形尺寸，不利因素为不易除去氧化皮及模具成本较高，具体可根据实际需要进行选择。

第二工位模内预成形，夹持芯杆和凹模顶出器共同顶住第一工位传送来的自由镦粗后的工件，机械手张开退回，凸模将工件顶入凹模成形，成形结束凹模顶出器将工件顶出凹模。

第三工位是终锻，一般而言此工位成形力最大，合理的模具和工艺设计可以降低成形力、提升工艺稳定性和提高模具寿命。此外，如果因为工件形状等因素导致易粘附凸模，可选择刚性卸料或其他措施，在凸模退回时保证将工件留在凹模内，由凹模顶出器顶出工件。

第四工位模外冲孔，冲孔连皮进入凹模内的落料孔掉落至废料口，冲孔后锻件从凹模前部掉落，进入不同的传送带槽出料，实现了锻件和废料的自动分选。

在高速热锻成形中，模具易损件需承受高速冲击、高温、激冷相互作用，恶劣的使用工况对模具材料本身和制造工艺都是严峻的挑战，承受冲击的部件如果选材不当、原材料质量不佳或热处理硬度太高，容易出现裂纹失效，如果冷却不充分或表面处理质量不佳容易产生热疲劳裂纹或磨损，或者出现工件粘附凸模的情况。然而，水平布局的多工位模具比立式锻造工艺有着先天的优势，冷却水可以避开工件直接往下喷淋冷却凸模，凸模探头在探测工件是否粘凸模的同时也从下方喷冷却水；凹模顶出器设有中心出水孔，在顶出工件的同时喷水冷却凹模模腔和自身冷却。实际上，易损件接触高温工件时间很短再加上强力喷淋冷却，工作温度远低于立式热锻机的模具温度，因而获得更高的使用寿命。

精确、稳定可靠的传送系统为高速锻造生产提供了保障，图9所示为生产线上配备的一套上下开合的工件传送系统，共有3对机械手，成形结束后凹模顶出器将工件顶入闭合的机械手，机械手稳固的夹持工件传送至下一工位，然后由安装在系统内的夹持芯杆和凹模顶杆共同顶住工件，机械手打开返回前一工位等候夹取下一个工件。机械手钳指的形状和宽度根据工件的尺寸确定，机械手的张开和闭合时间通过设备的行程时间曲线图来计算确定。

图9 传送机械手

结束语

多工位高速热锻工艺是一种高度集成化和自动化的先进锻造技术，在一次行程内完成各个工位的同时成形，精确可靠的机械手系统实现了工位之间的工件自动快速传送，所生产的锻件加工余量和公差小、质量稳定，且具有很高的生产效率，是一种既经济又节能的生产方式，尤其适合锻件的大批量生产，已在精密汽车锻件和轴承毛坯锻件等领域得到广泛应用，是现代化精密锻造技术发展的重要方向。