簡(jiǎn)敘鍛造模具設(shè)計(jì)及其發(fā)展（上）

文/趙一平·東風(fēng)(十堰)汽車鍛鋼件有限公司

鍛造模具簡(jiǎn)稱鍛模，鍛模設(shè)計(jì)由工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模架設(shè)計(jì)三部分組成。其中，工藝設(shè)計(jì)應(yīng)做到鍛件優(yōu)良，材料利用率高，并且工藝穩(wěn)定；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到模具費(fèi)用低，壽命高；而模架設(shè)計(jì)應(yīng)做到導(dǎo)向精度高、頂出裝置動(dòng)作順暢有延時(shí)，又要具有足夠的頂出行程，還要做到模具定位精確、緊固牢靠，并能快速裝卸模具等。

近年來，由于環(huán)境原因，使得人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到資源的有限性和燃料節(jié)約的重要性，所以必須謀求降低燃料消耗的途徑，為此汽車和高速列車等機(jī)械輕量化技術(shù)獲得快速發(fā)展。為了輕量化，鋼鍛件一般有如下措施：采用有色金屬鍛件（如鋁合金鍛件）、采用高強(qiáng)度鋼（如鈦合金）和鋼鍛件形狀復(fù)雜化和精密化。鋼鍛件形狀復(fù)雜化，即鍛件由薄腹板和高強(qiáng)筋等組成；鍛件精密化，即鍛件精度不斷提高（余量減小和公差縮?。Ｒ虼诉@些不僅增加了模鍛力，而且必然增加工藝過程，并增加了模具、模架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，以提高模具和模架制造精度。

工藝設(shè)計(jì)

鍛件工藝設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)鍛件產(chǎn)品進(jìn)行工藝分析，確定模鍛成形方法（鐓粗、頂鐓、鐓擠和擠壓），然后按金屬塑性變形原理和鍛造經(jīng)驗(yàn)技巧提出工藝方案（即成形工藝過程），并設(shè)計(jì)鍛件圖和成形工步圖（制坯圖、預(yù)鍛坯圖和終鍛件圖，并形成數(shù)模圖）。成形工步圖應(yīng)該做到分配好鍛件各部位體積，并控制其各部位坯料在下道工序流動(dòng)方向（由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬確定，必要時(shí)物理模擬，最后由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證和修改），做到控制鍛件成形和控制鍛件性能。

工藝設(shè)計(jì)應(yīng)該做到鍛件優(yōu)良，工藝穩(wěn)定，并達(dá)到材料利用率高、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、模具壽命高和能源消耗低。工藝穩(wěn)定是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的基本條件。應(yīng)采用模鍛先進(jìn)技術(shù)和數(shù)值模擬，不斷優(yōu)化鍛件工藝方案。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝分析，并確定工藝方案

按鍛件種類（短軸類鍛件和長(zhǎng)軸類鍛件），根據(jù)產(chǎn)品形狀和精度，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝分析（由產(chǎn)品幾何形狀組成，確定鍛造方法），并設(shè)計(jì)鍛件圖和確定工藝方案（工藝過程）。確定采用冷鍛、溫鍛、熱鍛及其復(fù)合工藝，還是開式模鍛、閉式模鍛?；蜱叴?、頂鐓、鐓擠和擠壓。

⑴六拐八平衡塊空間分模曲軸(圖1)。曲軸屬彎長(zhǎng)軸類鍛件，經(jīng)工藝分析，首先作截面圖、計(jì)算直徑圖和輥鍛毛坯圖，采用輥鍛制坯、壓彎、開式預(yù)鍛和開式終鍛成形。對(duì)于有薄平衡塊曲軸還要設(shè)計(jì)阻力筋。

⑵帶桿轉(zhuǎn)向節(jié)（圖2）。帶桿轉(zhuǎn)向節(jié)既可立鍛，也可臥鍛，經(jīng)工藝分析，帶桿轉(zhuǎn)向節(jié)宜采用立鍛鐓擠成形（材料利用率高）。并且?guī)U轉(zhuǎn)向節(jié)立鍛時(shí)屬短軸類鍛件。其工藝過程：鐓粗除氧化皮、軸向翻轉(zhuǎn)90°壓扁（將壓扁坯料徑向翻轉(zhuǎn)90°放置在預(yù)鍛法蘭模膛內(nèi)）、帶飛邊閉式預(yù)鍛成形和開式終鍛成形。

⑶鐘形殼精鍛件(圖3)。鐘形殼屬帶內(nèi)腔的圓法蘭桿類鍛件，屬短軸類鍛件，宜采用閉式模鍛，又由于鐘形殼內(nèi)腔滾道主要尺寸公差精度高：1)滾道間距誤差最大為±0.05mm；2)相對(duì)滾道溝底之間直徑誤差為±0.05mm；3)滾道球心至內(nèi)腔底部誤差為-0.10mm～+0.22mm，故宜采用精密閉式模鍛。又根據(jù)鐘形殼形狀和尺寸精度宜采用溫閉式模鍛、冷精整和冷縮徑工藝，其中桿部采用溫正擠壓，法蘭采用溫反擠壓成形（坯料溫度900℃～950℃）。鐘形殼內(nèi)腔滾道尺寸精度很高，采用冷精整和冷縮徑工藝。

應(yīng)用鍛造數(shù)值模擬軟件優(yōu)化模具工藝設(shè)計(jì)

工藝方案和成形工步“數(shù)?！眻D設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件對(duì)工步“數(shù)?！眻D進(jìn)行數(shù)值模擬，輔助以物理模擬，以保證金屬流動(dòng)順暢，鍛件充滿良好和模膛內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力分布均衡，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)模具時(shí)充分利用CAD系統(tǒng)功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行二維和三維設(shè)計(jì)，這樣保證產(chǎn)品原始信息的統(tǒng)一性和精確性，避免人為因素造成錯(cuò)誤，提高模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，產(chǎn)品三維立體的造型過程，可以在鍛造前全面反映出產(chǎn)品的外在形狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計(jì)中可能存在的問題。

隨著鍛造行業(yè)對(duì)于CAE軟件（Deform、Qform等）的應(yīng)用，越來越多的鍛件鍛造數(shù)據(jù)被收集整理。伴隨著CAE軟件不斷的升級(jí)改進(jìn)、邊界條件的日趨完善，軟件分析成形過程在模具設(shè)計(jì)及改進(jìn)過程中將會(huì)起到越來越重要的作用。軟件的應(yīng)用給予設(shè)計(jì)者更加直觀的設(shè)計(jì)體驗(yàn)，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等人為因素帶來的一些不必要的試制成本。不僅極大提高模具設(shè)計(jì)速度，而且極大減少調(diào)試次數(shù)，并根據(jù)模具應(yīng)力狀態(tài)，調(diào)整模具各部位應(yīng)力以提高模具使用壽命，從而使鍛件原工藝成形和改性發(fā)展到鍛件控形和控性。

鍛模CAD/CAE/CAM一體化，優(yōu)化模具工藝設(shè)計(jì)和模具數(shù)控加工

實(shí)現(xiàn)CAD/CAE/CAM一體化，就是以計(jì)算機(jī)為中心，通過數(shù)據(jù)通訊，將工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具加工設(shè)備結(jié)合起來，再從零件圖到鍛件圖，各類模具圖，一直到加工工藝和設(shè)備等轉(zhuǎn)換中，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。另外，CAD/CAE/CAM技術(shù)還可以進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)鍛造過程的數(shù)值模擬，再配以物理模擬，使鍛造成形過程優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高鍛件品質(zhì)，又提高模具壽命。

鍛模通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)控加工，這樣加工出來的鍛模模膛精度高、表面光潔、粗糙度低，不需要鉗工打磨，僅需要拋光，例如由數(shù)控電火花加工出來的模膛精度一般可達(dá)±0.05mm，粗糙度可達(dá)Ra1.6μm，由高速銑加工中心加工出來的模膛精度±0.01mm，粗糙度可達(dá)Ra0.4～0.8μm，數(shù)控機(jī)床加工的電極或由高速銑加工的模膛必須由三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢查其加工形狀和精度，防止編制的加工程序有誤，從而確保鍛造模具模膛的制造精度和定位基準(zhǔn)的精度。

如上所述，鍛造模具設(shè)計(jì)包括工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模架設(shè)計(jì)(模鍛錘無模架)。工藝設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鍛件優(yōu)良和工藝穩(wěn)定最重要，也是最關(guān)鍵項(xiàng)，故應(yīng)設(shè)計(jì)鍛件成形工步圖便于工藝分析和數(shù)值模擬。

確保工藝設(shè)計(jì)達(dá)到鍛件優(yōu)良，工藝穩(wěn)定、材料利用率高、勞動(dòng)生產(chǎn)率高、模具壽命高、能源消耗低和鍛件性能優(yōu)良，做到控制鍛件成形和控制鍛件性能。這是工程技術(shù)人員工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)，也是工藝設(shè)計(jì)發(fā)展方向。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具除工藝設(shè)計(jì)（工步圖設(shè)計(jì)，即模具模膛設(shè)計(jì)），還要確定模具結(jié)構(gòu)形式和尺寸、導(dǎo)向裝置和頂出裝置等。模具結(jié)構(gòu)的重要性并不亞于模具模膛設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)對(duì)鍛件質(zhì)量、生產(chǎn)率，勞動(dòng)強(qiáng)度等都有一定影響。不同模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還影響模具材料成本、模具制造費(fèi)用和模具使用壽命。鍛造模具結(jié)構(gòu)一般有兩種：整體式和組合式。

模具結(jié)構(gòu)不僅有其自身結(jié)構(gòu)形式，而且還和模架結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到模具材料消耗少、模具制造費(fèi)用低、模具壽命高和模具精度高，并能快速裝卸模具等。這也是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化的方向。

整體式模具

長(zhǎng)軸類鍛件模具常采用整體式模具結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠避免模具產(chǎn)生較大變形，模具自身強(qiáng)度較好，并且能夠方便進(jìn)行返修加工，一直被鍛造企業(yè)所采用。但是，由于整體模的模塊大，除模鍛錘仍較多采用整體式模具外（大多考慮安全），其他模鍛設(shè)備很少采用整體式模具。大多采用組合鑲塊模。

組合式模具

組合式模具又分簡(jiǎn)易組合模和多層組合模及模架。

⑴長(zhǎng)軸類鍛件的組合鑲塊模。其一般由兩個(gè)整模塊組成，即由具有模膛的鑲塊和安裝鑲塊的模座組成，見圖4。生產(chǎn)中，有模膛的鑲塊經(jīng)常更換，而模座則不經(jīng)常更換，但是需經(jīng)常檢測(cè)其精度，所以可以將模座設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)件。鑲塊和模座之間要定位良好，緊固可靠?？梢圆捎每蚣芏ㄎ?，也可采用十字鍵定位或這兩種結(jié)構(gòu)組合定位。例如某鍛造企業(yè)的連桿模，其鑲塊左右在模座框架內(nèi)定位，而前后則采用鍵定位。一般鑲塊采用模具鋼4Cr5MoSiV1(H13)，而模座采用5CrNiMo，甚至可采用40Cr。所以采用組合鑲塊模不僅可以節(jié)省模具鋼，還可減少機(jī)械加工量。對(duì)于厚度較薄的鍛件多采用組合鑲塊模，例如某鍛造企業(yè)的連桿模，其鑲塊厚度僅70mm，可翻新三次，較大地降低模具成本。

⑵短軸類鍛件閉式模鍛的多層組合模。多層組合模由凸模組件、凹模組件、頂出裝置組件及其緊固件構(gòu)成，各組件均由多個(gè)零部件組成，見圖5組合模及模架。

1)下凹模采用組合式預(yù)應(yīng)力鑲塊結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效縮小凹模體積，減少模具材料費(fèi)用，而且提高模具使用壽命。當(dāng)凹模單位鐓擠應(yīng)力超過1000MPa時(shí)，凹模應(yīng)采用帶預(yù)應(yīng)力的多層鑲塊凹模。由于外預(yù)應(yīng)力圈施加的壓應(yīng)力于內(nèi)層凹模上，這一附加壓應(yīng)力可以阻止鐓擠時(shí)凹模開裂，故提高模具使用壽命。圖6是兩層預(yù)應(yīng)力組合模，其左側(cè)是壓合前狀態(tài)，右側(cè)是壓合后狀態(tài)。徑向過盈量可查閱鍛模設(shè)計(jì)手冊(cè)等書籍。

2)上凸模采用沖頭、凸模和卸料裝置等組成組合模。例如圖5上凸模由沖頭、凸模和螺旋彈簧下卸鍛件裝置組成。

3)下模頂出裝置組合結(jié)構(gòu)：根據(jù)鍛件形狀設(shè)計(jì)頂出裝置組合件（圖5）。

下凹模組合件由下凹模圓環(huán)定位，而上凸模組合件由上凸模圓環(huán)定位，并采用過渡配合。若模具和模架制造尺寸精度達(dá)到±0.02～0.05mm，形位公差（垂直度、平面度和同軸度等）達(dá)到0.02～0.05mm（大件取大值），可取消原有模具導(dǎo)向經(jīng)常采用的鎖扣，鎖扣不僅增大模塊體積，增加模具材料成本，而且安裝繁瑣，調(diào)整困難，因此簡(jiǎn)化了模具和組合模具結(jié)構(gòu)。由于多層組合模易損件（凹模鑲塊、沖頭和凸模）體積小，重量輕，模具制造成本低，并且制造精度高，又更換方便，故工業(yè)發(fā)達(dá)國家已廣泛采用。