简叙铝合金模锻工艺和模具设计(连载三)

文／赵一平·东风（十堰）汽车锻钢件有限公司

《简叙铝合金模锻工艺和模具设计》(连载二)见《锻造与冲压》2021 年第17 期

模具寿命

铝合金锻模的失效形式主要是表面磨损和疲劳裂纹以及疲劳断裂损坏。但是，与钢模锻比较，铝合金锻造温度比钢低很多，又没有氧化皮，所以铝合金锻造模具磨损和疲劳裂纹也没有钢锻模严重。另外，铝合金锻模粗糙度低(抛光，模膛表面粗糙度Ra0.4μm，光洁)，模锻润滑又好，较大地改善了表面磨损和疲劳裂纹产生，故低强度高塑性和中强度中塑性铝合金锻造模具使用寿命较高。

铝合金锻造用模具材料选择和钢锻造用模具材料选择原则相同，应根据采用的设备种类、铝合金材料品种、锻件形状以及失效形式等选择。小型锻模可采用综合性能较好的模具钢4Cr5MoSiV1(H13)，大型锻模常采用5CrNiMo 或5Cr2NiMoVSi。

如果模膛较深，锻造时侧向压力很大，模块流线走向应和侧向压力方向垂直，否则模块极易疲劳断裂损坏。例如汽车铝合金锻件常采用6061铝合金，其在热加工温度范围内变形抗力较小，变形抗力60 ～70MPa。所以许多企业常采用5CrMnMo 或5CrNiMo模具钢，模具硬度38～42HRC。模具成本低、寿命较高，一般可达2 万～3 万件，而且许多是疲劳断裂损坏。例如图11 操作臂锻模是疲劳断裂损坏，而模具磨损和塑性变形几乎很小，模具表面仍较光洁。

图11 断裂模具

铝合金精锻技术

近年来，随着计算机技术和数值模拟分析技术在塑性加工中的应用和发展，人们相应提出了数字化精锻成形概念，数字化精锻的内涵主要包括精密塑性加工工艺、数值模拟仿真(CAE)技术、精密塑性加工模具CAD/CAM 技术和精密测量技术。获得精密锻件优化设计主要目标有三点：锻件余量和公差达到相应的国标中精密级技术指标(主要靠模具精度保证)、锻件微观组织和力学性能达到零件的性能指标(主要靠工艺参数优化)和模锻成形力最小(主要靠模膛内金属流动距离短和流动顺序合理，而闭式精锻时则依靠采用分流锻造技术保证)。

实例：门铰链模锻工艺和模具设计

锻件图和主要技术参数

⑴锻件形状特点。

图12 为锻件图，图13 为锻件实物，此门铰链属带枝丫的直长轴类锻件，腹板厚度7.5mm(偏差－0.3mm ～＋0.7mm)，又属薄板类锻件。锻件由腹板和杆台两部分组成，杆台又由上下两个杆台组成，杆台与腹板垂直，并与腹板长度方向呈10.7°。

⑵主要工艺参数。

原材料为6 08 2(T4)铝合金，坯料加热温度480℃，始锻温度470℃，终锻温度400℃，模具粗糙度Ra0.4μm，模具预热温度200 ～250℃，采用德国福斯水基石墨润滑剂(1:20)。锻件重92 克，采用固溶时效处理，锻件力学性能：σb=380MPa、σp0.2=360MPa、δ ≥9%、ψ ≥9%。流线沿杆台方向，见图12。

图13 铝合金300 门铰链

工艺分析

⑴工艺分析

1)工艺分析：带枝丫的薄板直长轴类锻件可以采用开式模锻，也可采用闭式模锻。对于复杂铝合金锻件，预锻宜采用带飞边的闭式模锻，这样模膛形成是三向压应力，提高铝合金坯料塑性。

一般应预先将原坯料压扁，分配锻件各部位体积，并将杆台锻出小部分，以有利压扁坯在预锻模膛定位。预锻宜采用带飞边的闭式模锻将杆台镦挤出，闭式模锻不仅形成三向压应力，提高坯料塑性，还可以提高锻件材料利用率和改善锻件流线(纤维)；终锻采用镦粗整形。

2)分模面走向：杆台由上下两部分杆台组成，其中下杆台与腹板宽度方向呈77°，为了锻件下杆台起模和腹板飞边切除干净，将锻件腹板宽度方向旋转15.5°(取下杆台模锻斜度2.5°，模锻斜度小，坯料流动阻力小，有利下杆台顶端充满)，故腹板在空间呈倾斜状。分模面位置和走向见图12，其内有详细说明。

⑵工艺过程：可以采用两种成形工艺。

1)一模一件：预锻成形，终锻整形。锻件坯料取φ28mm×75mm，重量125 克，坯料利用率74%。其工艺过程是原坯料压扁→预锻闭式模锻(基本完全成形)→终锻仅整形(镦粗量约0.2mm)，优点是提高了模具使用寿命。

2)一模两件：仅终锻一次模锻成形即可。飞边采用曲面桥，增加飞边阻力，坯料利用率70%。

一模一件模具设计

⑴工步设计。

1)压扁坯。压扁坯为预锻坯各部位配置合理坯料体积，控制坯料流动，并使压扁坯在预锻模膛准确定位，压扁坯镦挤出预锻坯部分杆台(压扁坯杆台径向尺寸比预锻坯杆台径向尺寸单边小0.15mm)；压扁厚度取20mm，压扁坯厚度影响预锻坯杆台镦挤量，直接影响预锻坯杆台下顶端充满程度。压扁模具应设计原坯料前后和左右定位面。

2)预锻坯。以热锻件图为基准设计预锻坯图(即预锻热锻件图)，设计原则和钢锻件预锻热锻件图基本相同。

①杆台设计。

预锻坯上杆台和下杆台过渡圆角应比终锻坯上杆台和下杆台过渡圆角R3mm 大，取R6mm，确保杆台顶端充满；预锻坯杆台径向尺寸比终锻坯杆台径向尺寸单边小0.15mm；预锻坯杆台体积(含飞边)比终锻坯杆台体积(含飞边)稍大(不大于1%)。预锻坯杆台在终锻模膛是镦粗成形，确保终锻坯杆台充满良好，流线顺畅。

但是，预锻坯杆台按以上设计(圆角R6mm)，预锻坯在终锻模膛不能以杆台定位。预锻坯在终锻模膛必须以终锻腹板模膛4mm 高的左侧壁定位(见图12 确定飞边走向)，否则预锻坯在放入终锻模膛时将倾斜至飞边部位而无法模锻。

经作图，预锻坯杆台在终锻模膛仅抬高1.9mm(圆角R6mm 影响)，但对下杆台充满却大大改善，能做到100%充满。

②腹板设计。

预锻坯腹板径向尺寸比终锻坯腹板径向尺寸单边小0.15mm；预锻坯腹板厚度取8mm，终锻坯腹板厚度取7.8mm，锻件腹板厚度7.5mm(＋0.7mm、－0.3mm)，终锻坯腹板厚度取锻件正公差之半，预锻坯腹板仅为终锻坯腹板预留0.2mm 镦整量。将预锻坯各尺寸换算为热尺寸(取冷收缩率1.5%)，即为预锻热锻件图。

3)终锻坯。将锻件图上各尺寸换算为热尺寸，设计热锻件图。终锻坯采用开式模锻，腹板0.2mm镦粗整形，并同时将预锻坯上杆台和下杆台过渡圆角R6mm 镦挤到R3mm。

⑵一模一件模具设计。

1)压扁模。

设计原坯料在压扁模内定位，宽度方向定位采用在轴向设计原坯料定位槽R28mm 圆弧,圆弧深度3mm，圆弧与模面圆滑过渡。轴向定位采用在压扁模轴向设计定位块。设计杆台模膛，坯料压扁时，将部分金属坯料镦挤入杆台模膛，用于压扁坯在预锻模膛定位，压扁模具图省略。

2)预锻模。

①预锻模膛：按预锻热锻件图设计和制造，预镦模具图省略。

②飞边槽：设计闭式飞边桥，取桥高1.8mm，桥宽10mm，封闭墙斜度1°和7°，间隙0.3mm，墙高35mm(压扁坯厚度20mm，上凸模碰到压扁坯时必须进入闭式模膛内)。

③顶出杆：顶出杆直径取10mm，导向长度取30mm，顶出杆其余直径取9mm 即可。并使顶出杆和孔单边间隙取0.1mm 之内，还应使顶出杆离模膛有效距离5mm 以上，这种布置也有利锻件顶出。

④平衡锁扣：因此锻件分模面是曲面，模锻时要产生水平分力，故应设计平衡锁扣用以平衡水平分力。

3)终锻模。

①终锻模膛：按热锻件图设计和制造，终锻模具省略。

②飞边槽：设计开式模锻飞边桥，取桥高1.8mm，桥宽10mm。

③顶出杆：和预锻模布置相同。

④平衡锁扣：和预锻模相同。

模具图省略。

一模两件模具设计

模具设计较简单，两件平行摆放，杆台在下方(下模)。仅考虑飞边位置(便于切边且切边质量优)。飞边采用曲面桥，增加阻力以利于锻件充满。模具图省略。

结束语

本文以铝合金锻件特性、发展、模锻件为出发点，简述了铝合金在汽车轻量化中的重要作用；随后，介绍了铝合金锻件的生产，包括锻件图设计、锻造力计算、模具结构和寿命；最后，通过铝合金门铰链锻件实例，介绍了铝合金锻件生产的实际过程。随着我国交通运输业向现代化、高速化方向发展，交通运输工具的轻量化要求日趋强烈，以铝代钢的呼声越来越大，近几年来大量使用铝及铝合金锻件和模锻件替代原来的钢结构件，这些趋势正在大幅度增长。未来，铝合金锻件的应用范围和比例将会进一步增长。