分模鍛造與多向模鍛技術(shù)的概況與應(yīng)用

文/莊武豪·武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

胡亞民，華林·武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

分模鍛造與多向模鍛技術(shù)的概況與應(yīng)用

文/莊武豪·武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

胡亞民，華林·武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

多向模鍛壓力機(jī)

多向模鍛液壓機(jī)的工作原理與一般水壓機(jī)相同，通過多個不同方向的液壓缸和柱塞對坯料進(jìn)行施壓，實(shí)現(xiàn)鍛件的多向受壓成形。對于體積較大的高強(qiáng)度鋼、鈦合金、耐熱合金及一般合金鋼或碳素鋼等材料的復(fù)雜形狀鍛件，在普通壓力機(jī)上裝載多向模鍛專用模具，成形的噸位不能滿足大型產(chǎn)品所需的成形力，需要采用多向模鍛液壓機(jī)。小型多向模鍛液壓機(jī)可采用油壓傳動，中大型多向模鍛液壓機(jī)通常采用水壓傳動。

四工位多向模鍛液壓機(jī)相當(dāng)于在普通水壓機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)兩個側(cè)向水平工作缸。該臺多向模鍛液壓機(jī)是由我國自行建造的第一臺多向模鍛設(shè)備，充分吸取了水壓機(jī)的特點(diǎn)，在無沖擊的靜壓力下使金屬成形，保證了多向模鍛工藝的順利進(jìn)行。

六工位多向模鍛液壓機(jī)可以在三個相互垂直的方向上安裝六塊半?；驔_頭，能夠形成一個更為復(fù)雜的封閉式形腔，從而可以鍛造出形狀更為復(fù)雜的具有多分模面的鍛件。

圖1為我國自主研發(fā)的200MN多向模鍛壓力機(jī)，可生產(chǎn)DN1000以下大口徑、厚壁、正斜無縫三通管接頭，成品合格率高達(dá)98%，與傳統(tǒng)的熱拔三通的生產(chǎn)方式比，可降低生產(chǎn)成本至少10%。

圖1 200MN多向模鍛壓力機(jī)

此外，我國制造了世界首臺40MN/64MN預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞多向模鍛液壓機(jī)。該壓力機(jī)的機(jī)架采用正交預(yù)緊結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的正交預(yù)應(yīng)力機(jī)架可實(shí)現(xiàn)無貫穿件的多向預(yù)緊力，可有效改變承載結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，提高機(jī)架承受多向載荷的能力，而且避免了壓機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)相互干涉。

國內(nèi)外的多向模鍛壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 國內(nèi)外多向模鍛壓力機(jī)的基本參數(shù)

分模鍛造的應(yīng)用

分模鍛造的應(yīng)用范圍很廣，不僅適用于一般鋼材，更適于加工高合金鋼和有色金屬；不僅可成形許多中小型鍛件，而且也能成形復(fù)雜的大型空心鍛件。如萬向節(jié)十字軸、萬向節(jié)叉、萬向軸法蘭、后橋差速器十字軸、三向接頭、方向盤蝸桿、導(dǎo)彈噴嘴、各種齒輪、閥體和管接頭等。

圖2 分模鍛造的產(chǎn)品

圖2a為大型運(yùn)輸機(jī)上所用的渦輪盤，其材料為鎳鉻鐵合金，該種合金在鍛造過程中易產(chǎn)生表面裂紋，且可鍛溫度范圍也相當(dāng)狹窄。又由于渦輪盤為餅類鍛件，其變形量大，因此若采用普通模鍛更容易產(chǎn)生表面裂紋。由于分模鍛造為三向受壓成形，有利于提高合金材料的可鍛性，故該類零件適合采用分模鍛造。

法蘭類鍛件也適合采用分模鍛造，特別是雙法蘭類零件，由于帶有雙法蘭，采用整體模鍛存在無法脫模的問題，故適合采用分模鍛造。對于法蘭直徑不大的鍛件，在鐓粗比許可的情況下，甚至可以采用分模鍛造直接成形。

汽車萬向節(jié)上十字軸（圖2b），屬于典型的枝丫類鍛件，采用傳統(tǒng)的開式模鍛，工序復(fù)雜，包括下料、加熱、預(yù)成形、成形、切邊去毛刺以及后續(xù)的機(jī)加工直至成品，材料利用率低。若采用分模鍛造，可以實(shí)現(xiàn)一次成形。根據(jù)萬向節(jié)十字軸的鍛件形狀，適于采取水平分模，選用上述彈簧夾緊式模具結(jié)構(gòu)，在熱模鍛壓力機(jī)上即可成形。

另一類適用于分模鍛造的枝丫類鍛件為彎頭、三通、四通等管接頭，該類鍛件具有中空的特點(diǎn)。目前國內(nèi)制造石油、化工、核電等高壓三通管件所用的鍛件，其中小型管接頭用普通熱模鍛或胎模鍛生產(chǎn)，只能鍛成實(shí)心的鍛件，零件的三個方向的內(nèi)孔需要機(jī)械加工；而大、中型管接頭則用自由鍛生產(chǎn)，其外形和內(nèi)孔都需要機(jī)械加工，成本之高可想而知，僅消耗在飛邊上的金屬重量達(dá)到鍛件質(zhì)量的15%～30%，由于普通熱模鍛和胎模鍛無法使坯料側(cè)孔成形，造成材料成本和制造成本居高不下。

武漢理工大學(xué)與江蘇海達(dá)管件有限公司合作，采用分模鍛造技術(shù)成形承插彎頭和三通管接頭。通過有限元模擬，確定和優(yōu)化坯料尺寸和沖頭形狀等，從而實(shí)現(xiàn)在曲柄壓力機(jī)上采用分模鍛造成形管接頭，有效提高了材料利用率、鍛件質(zhì)量和模具壽命。圖3為在曲柄壓力機(jī)上采用上述的滑塊自鎖式分模鍛造模具結(jié)構(gòu)所成形的承插彎頭和對應(yīng)的有限元模擬結(jié)果。圖4為在曲柄壓力機(jī)上采用杠桿式多向模鍛模具結(jié)構(gòu)所成形的三通管接頭及對應(yīng)的有限元模擬結(jié)果。從圖4中可以看出，通過分模鍛造所成形的彎頭和管接頭不僅能大大降低飛邊的金屬消耗，還可鍛成無鍛模斜度或斜度很小的深孔件，公差和余量減少1/3以上；加工余量可以大大減少或消除，金屬材料利用率從25%～70%提高到50%～85%。

圖3 分模鍛造成形的承插彎頭

圖4 分模鍛造成形的三通管接頭

多向模鍛在航空航天產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，美國麥卡隆公司應(yīng)用一臺300MN的多向模鍛液壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了在一次加熱中鍛出飛機(jī)起落架的空心鍛件，其重量僅為原來實(shí)心鍛件的一半，并且比傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)起落架、數(shù)控銑床加工的起落架以及普通模鍛生產(chǎn)的實(shí)心起落架的機(jī)械性能均得到明顯提高。通過該多向模鍛液壓機(jī)還可以生產(chǎn)壓氣機(jī)盤，其強(qiáng)度可達(dá)1250～1650MPa，最大值超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1200MPa達(dá)37.5%；延伸率達(dá)20%，超出標(biāo)準(zhǔn)的10%以上。

此外，分模鍛造還可以生產(chǎn)大型閥體、中空架體、套筒體、導(dǎo)彈噴管、球形接頭等。圖2c為應(yīng)用40MN/64MN預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞多向模鍛液壓機(jī)所鍛制出球閥閥體鍛件，應(yīng)用該設(shè)備可以鍛制20#鋼、A105、316L、314等不同材質(zhì)的3英寸閥體鍛件、6英寸真空閥鍛件及DN80球閥閥芯等鍛件，提高材料利用率30%、節(jié)省加工工時50%以上，且產(chǎn)品的內(nèi)部金屬流線連續(xù)，變形均勻、組織細(xì)密，與普通鍛件相比，抗拉性能提高24.3%、伸長率提高87.3%，綜合性能明顯提高，已具備替代進(jìn)口產(chǎn)品的能力。

分模鍛造的效益和前景

分模鍛造較普通模鍛有著明顯的經(jīng)濟(jì)效益。首先在普通鍛壓設(shè)備上實(shí)現(xiàn)分模鍛造，有效提高了設(shè)備的使用范圍，提高了設(shè)備的使用率，進(jìn)一步發(fā)揮了普通鍛壓設(shè)備的能力。其次，分模鍛造可以鍛造出形狀更為復(fù)雜、尺寸更加精確的無飛邊、無拔模斜度的中空類或具有凹凸外形的鍛件，可提高材料利用率近1倍，并減少后續(xù)切削加工約70%的工作量。長軸類鍛件中的小型階梯軸和小型連桿均可采用分模鍛造；枝丫類鍛件中，質(zhì)量在2～3kg的鍛件可采用單沖頭或多沖頭可分凹模閉式模鍛，其產(chǎn)量占這類鍛件產(chǎn)量的25%～30%。

僅提高材料利用率一項(xiàng)，每年就可以為一個年產(chǎn)5萬噸大中型多向精密鍛件的生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省原材料8.3萬噸。若按每噸鍛件耗能1.4噸標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，可節(jié)省11.6萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于減少CO2排放22.5萬噸。而且，分模鍛造可以實(shí)現(xiàn)一次加熱成形，避免了多次加熱的材料氧化和能源消耗，并且金屬在一火之內(nèi)實(shí)現(xiàn)大變形，能夠獲得晶粒細(xì)小均勻和組織致密的鍛件，從而提高了鍛件的使用壽命，間接的節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。

結(jié)束語

隨著全球環(huán)境污染和資源短缺問題的日益加劇，工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排問題備受關(guān)注。鍛壓行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的基礎(chǔ)行業(yè)，同時也是一個大量消耗材料和能源的行業(yè)，既要保證其快速發(fā)展，又必須實(shí)施清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排和消聲降噪，因此必須大力發(fā)展和推廣節(jié)能、省材、降耗的綠色鍛壓技術(shù)，而分模鍛造技術(shù)正是這樣一種鍛造技術(shù)，所以分模鍛造，特別是多向模鍛的進(jìn)一步推廣有著重大而長遠(yuǎn)的意義。