鋁合金等溫精密鍛造技術

文/袁曉明·江西景航航空鍛鑄有限公司

鋁合金等溫精密鍛造技術

文/袁曉明·江西景航航空鍛鑄有限公司

等溫精密鍛造技術

等溫精密鍛造技術是在等溫模鍛基礎上發展起來的一種先進的模鍛工藝。其實質是將加熱到鍛造溫度的毛坯置入加熱到相同溫度并保持不變的組合式精密鍛模中，施加適當壓力，保壓一定時間，使毛坯以低應變速率完成鍛造過程，從而得到符合各項技術要求的精密鍛件。

20世紀60年代就開始了對等溫精鍛的研究與試驗，由于模具材料的緣故(要求模具在加熱到鍛造溫度時，仍具有良好的耐磨性、變形抗力、抗回火能力及熱穩定性等)，鍛造溫度較低的鋁合金、鎂合金首先得到了發展。國外成功鍛造出薄肋且高寬比大的鋁合金鍛件，肋的最大高寬比為23∶1，最小肋寬為2mm，最小腹板厚度為1.5～2mm，模鍛斜度為0°～3°，圓角半徑R在0～3mm之間。

等溫精鍛件具有以下優點：由于金屬變形抗力和鍛造壓力的降低而減小了模具系統的彈性變形；由于變形溫度波動小，得到的鍛件幾何尺寸穩定；由于鍛后殘余應力小，使鍛件在冷卻和熱處理時的變形小，改善了鍛件的質量；精密鍛件不需要機械加工或僅局部機械加工，從而避免切斷金屬流線，提高了其抗應力腐蝕能力，同時提高了材料利用率。采用等溫精鍛可以生產出用常規鍛造方法難以生產的反斜度、側面凸出等幾何形狀。

我公司自1981年開始研制鋁合金、鎂合金等溫精密鍛件，制訂了鋁合金、鎂合金等溫精密鍛件的技術要求、鍛件尺寸公差與余量、表面粗糙度及鍛件結構要素等標準和指導性技術文件，建成了鋁合金、鎂合金等溫精鍛生產線，具備了批量生產的技術水平和能力。圖1所示的我公司生產的鋁合金、鎂合金等溫精密鍛件達到了國際同類產品水平，并已裝機使用。

等溫精鍛設備

我公司現有20000kN、5000kN等溫精鍛液壓機。鋁合金等溫精鍛件在5000kN液壓機上進行生產(設備參數見表1)。基于等溫精鍛的特點，我們對鍛壓設備提出要求：滑塊在工作行程的位移速度慢，可調節，可在工作壓力下保壓；有足夠大的工作空間；有頂出裝置；設備剛度好。

圖1 部分鋁合金精密鍛件

■ 表1 YA32—500液壓機參數

該設備的工作壓力、壓制速度、空載快速下行和減速行程的范圍均可根據工藝需要進行調整；并能完成定壓、定程成形兩種工藝方式。在定壓成形工藝方式中，在控制后有保壓延時及自動回程等動作，基本上滿足了等溫精鍛對設備的要求。

模具加熱裝置

目前，國內外對模具加熱的方法主要有電阻式、電感應式和火焰式。用于等溫精鍛的模具加熱裝置必須做到以下3點：

⑴將模具加熱到坯料鍛造溫度，并在鍛造過程中保持溫度不變。

⑵長期在變形溫度下工作時必須保證模具的性能不變。

⑶保證鍛壓設備與被加熱模具之間有可靠的熱絕緣。

我廠采用的是工頻感應加熱裝置，該裝置配有升溫速度調節器，可根據需要選擇不同的升溫速度。在加熱過程中，夾具與鑲塊模之間溫差的規律性如圖2所示，通過控制夾具的溫度就能準確地控制等溫精鍛模的溫度。夾具的溫度由電子電位差計等儀器測量、記錄和自動控制。

圖2 加熱時間（t）與溫度（T）的關系

等溫精鍛模具

等溫精鍛用模具主要由通用模座和組臺式精密鑲塊模組成。對模具的基本要求有：在鍛坯鍛造溫度下模具應具有足夠大的強度安全系數，能長期穩定地工作；鍛模結構能保證鍛件成形和出模順利，模具制造方便；符合通用化，標準化要求，保證模具的經濟性。等溫精鍛用通用模座如圖3所示。

組合鑲塊的結構是模具設計的中心。為了簡化設計和制造，將上模制成一個整體，而下模采用組合式。圖4為盒形接頭精鍛件圖；圖5是它的精鍛模，靠螺栓固定在上模板上，上模板與上模座通過抬模叉連接。當需要抬起上模時，將抬模叉插入，活動橫梁上行時，便抬起上模。否則，活動橫梁上行時，上模仍在凹模內。

精密組合凹模是由兩塊或兩塊以上的鑲塊通過定位銷組合而成的。其外形和下模模座孔都設計成矩錐形狀，既便于定位，又便于從模座內頂出。設計模具時，一般將鍛件結構復雜部分安排在組合凹模中成形，同時應正確選擇合理的分模位置。

等溫精鍛的模具設計有明顯的特點，必須考慮模具加熱后的膨脹問題。在確定型槽尺寸時，必須考慮鍛模材料與變形金屬線膨脹系數的差異。一定要保證組合凹模的外形尺寸與夾具內形尺寸的一致性，以保證精鍛件的精度。組合凹模應便于組合和分離，各鑲塊之間應有穩定的裝配保證。各鑲塊應便于機械加工，尤其是精加工。

上、下模座的材料可選用5CrNiMo，熱處理硬度為38～42HRC，鑲塊材料可選用3Cr2W8V或5CrNiMo，熱處理硬度為42～47HRC，型槽表面粗糙度Ra在0.2～0.4μm之間，公差為精鍛件公差的1/3。

等溫精鍛工藝流程

工藝參數的確定

圖3 等溫精鍛用通用模座

在等溫精鍛工藝試驗過程中，我們對部分精鍛件的加熱溫度、加壓壓力、保壓時間三個因素進行了三水平三因子正交試驗。盒形接頭精鍛件試驗參數見表2。

等溫精鍛時，在很寬的溫度—速度范圍內和毛坯的任一原始組織條件下都可以減小壓力和提高塑性，這主要是因為在降低應變速率條件下，軟化過程進行的時間得以延長。鋁合金的超塑性曲線如圖6所示。

確定坯料變形溫度時，首先應考慮塑性和變形抗力，以滿足成形要求，再以所得機械性能的高低來調整合金的鍛造溫度。盒形接頭精鍛件最佳參數為，精鍛溫度為380℃，精鍛壓力為450t，單位面積上的壓力為40kgf/mm2，同時需要保壓8min。

提高變形壓力對提高變形合金的變形程度有利。但是，變形壓力過大，容易造成模具型腔變形，鑲塊間間隙增大，影響精鍛件和模具的精度。故變形壓力的確定以保證模具能安全可靠地工作，并生產出合格精鍛件為準則。

圖4 盒形接頭精鍛件圖

圖5 盒形接頭精鍛模

由于在變形溫度下，合金呈高塑性狀態，延時保壓可以改善合金的充填性，即在低變形速度的情況下延長了金屬蠕變成形的時間，有利于合金充填狹窄型腔和小圓角部分，并可以減少鍛造火次。變形速度一般在1mm/s以下。

■ 表2 盒形接頭精鍛件試驗參數

圖6 鋁合金的超塑性曲線

圖7 鍛壓及機加后荒形

以上工藝參數是在一次加熱后成形充滿的情況下確定的。生產過程中，由于一次成形容易產生缺陷，故多采用二次成形的方法。在二次成形前進行一次清理，將一次成形產生的缺陷全部清除，以保證最終精鍛件的質量。

工藝流程

等溫精鍛的典型工藝流程是：原材料復驗→下料→檢驗→蝕洗→加熱→鍛坯→打磨→檢驗→蝕洗→加熱→等溫精鍛第一火→打磨→蝕洗→檢驗→加熱→等溫精鍛第二火→蝕洗→打磨→檢驗→熱處理→蝕洗→熒光檢查→性能檢測→終檢→蝕洗→油封。

(1)制坯。

鋁合金精鍛件制坯與鋁合金模鍛件制坯一樣，采用箱式電阻爐加熱后在自由鍛錘上制坯并進行加工。盒形接頭坯料制坯工藝參數為，加熱溫度為（470±10）℃，保溫時間為70min。在400kg空氣錘上制坯，制坯及加工后的荒形如圖7所示。

(2)潤滑。

等溫精鍛過程中坯料和模具的潤滑起著重要的作用。潤滑效果的好壞，直接影響到精鍛件的成形和質量。等溫精鍛的潤滑劑應具備使用溫度適合，摩擦系數小，潤滑作用時間較長，粘附性和流動性較好，保持連續、均勻的潤滑膜，環境污染少，容易清理等特點。

我公司采用油基膠體石墨，加入機油或氣缸油進行稀釋。它具有油料潤滑劑的流動性，粘附性好，易形成均勻致密的薄膜等；使用中加入石墨粉，可大大提高高、中溫的潤滑性能。

(3)熱處理。

精鍛件鍛后熱處理的目的是固溶強化。盒形接頭精鍛件（LD7）熱處理為淬火（C）+人工時效（S）。盒形接頭精鍛件熱處理工藝參數見表3。

(4)清理、校正。

由于精鍛件在成形后帶有毛刺，鍛后冷卻或出模方式不當時會引起變形；并且鋁、鎂合金在高溫下的粘附性大，流動性差，容易產生各種缺陷。因此，就需要對精鍛件進行修剪毛刺、清理缺陷和校正等工作。

生產中常采用兩火次以上的成形方法，每鍛一次后，都對毛坯表面進行清理，以保證精鍛件的質量。精密鍛件發現變形可在時效前進行校正，校正方法為用手工或在校正機上用校正模進行校正。

理化、性能及檢測

鋁合金原材料復驗按GB 3191—1982要求進行。盒形接頭原材料復驗結果為：LD7爐號4868的材料Rm為 41.1kgf/mm2、Rp0.2為 32kgf/mm2、A為20%。盒形接頭精鍛件力學性能結果見表4。

■ 表3 盒形接頭精鍛件熱處理工藝參數

■ 表4 盒形接頭精鍛件力學性能

鍛件流線沿鍛件截面外形分布。流線末端不外露，無穿流、渦流等缺陷，組織均勻細致，晶粒保持等軸狀，晶粒度為1～3級。鋁合金高低倍組織如圖8所示。

鋁合金精鍛件的幾何結構參數為：模鍛斜度在0°～3°之間，肋的最大高寬比為13∶1，最小肋寬為2mm，最小腹板厚度為2.0～3.0mm，圓角半徑R在0～1.5mm之間，鍛件表面粗糙度Ra為1.6μm。

圖8 鋁合金高低倍組織

經濟分析

影響精鍛件經濟性的因素很多，精鍛件的材料利用率高于普通模鍛件。精鍛模具生產費用高于普通鍛模，不過精鍛件單件模具費低于普通模鍛件，精鍛件的鍛造費用大大超過普通鍛件，但考慮加工費用后，精鍛件的總成本低于普通模鍛件。當產品的生產超過某一數量，采用精鍛件便是經濟合理的，鍛造方法、成本和生產批量的關系曲線如圖9所示。

圖9 鍛造方法、成本和生產批量的關系曲線

結束語

等溫精鍛有良好的工藝再現性，鍛件質量穩定，且能節約大量原材料。等溫精鍛件的非加工面積可達到70%以上，材料利用率可達到70%～85%，機械加工量可減少70%～80%左右，可顯著縮短產品制造周期，降低零件生產總成本，提高鍛件質量。它可以生產出普通模鍛難以生產的形狀復雜、高肋薄腹板類鍛件。等溫精鍛件的質量全面優于普通模鍛件。