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(chē)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(chē)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(guò)多個(gè)不同方向的液壓缸和柱塞對(duì)坯料進(jìn)行施壓，實(shí)現(xiàn)鍛件的多向受壓成形。對(duì)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(zhuān)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(dòng)，中大型多向模鍛液壓機(jī)通常采用水壓傳動(dòng)。

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(gè)側(cè)向水平工作缸。該臺(tái)多向模鍛液壓機(jī)是由我國(guó)自行建造的第一臺(tái)多向模鍛設(shè)備，充分吸取了水壓機(jī)的特點(diǎn)，在無(wú)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(gè)相互垂直的方向上安裝六塊半模或沖頭，能夠形成一個(gè)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(guó)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(wú)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(guó)制造了世界首臺(tái)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(wú)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(dòng)機(jī)構(gòu)相互干涉。

國(guó)內(nèi)外的多向模鍛壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)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(wàn)向節(jié)十字軸、萬(wàn)向節(jié)叉、萬(wàn)向軸法蘭、后橋差速器十字軸、三向接頭、方向盤(pán)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(pán)，其材料為鎳鉻鐵合金，該種合金在鍛造過(guò)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(pán)為餅類(lèi)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(lèi)零件適合采用分模鍛造。

法蘭類(lèi)鍛件也適合采用分模鍛造，特別是雙法蘭類(lèi)零件，由于帶有雙法蘭，采用整體模鍛存在無(wú)法脫模的問(wèn)題，故適合采用分模鍛造。對(duì)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(chē)萬(wàn)向節(jié)上十字軸（圖2b），屬于典型的枝丫類(lèi)鍛件，采用傳統(tǒng)的開(kāi)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(wàn)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(lèi)適用于分模鍛造的枝丫類(lèi)鍛件為彎頭、三通、四通等管接頭，該類(lèi)鍛件具有中空的特點(diǎn)。目前國(guó)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(gè)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(wú)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(guò)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(duì)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(duì)應(yīng)的有限元模擬結(jié)果。從圖4中可以看出，通過(guò)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(wú)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(guó)麥卡隆公司應(yīng)用一臺(tái)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?jī)H為原來(lái)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(guò)該多向模鍛液壓機(jī)還可以生產(chǎn)壓氣機(jī)盤(pán)，其強(qiáng)度可達(dá)1250～1650MPa，最大值超過(guò)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(shí)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(zhǎng)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(wú)飛邊、無(wú)拔模斜度的中空類(lèi)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(zhǎng)軸類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(gè)年產(chǎn)5萬(wàn)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(wàn)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(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于減少CO2排放22.5萬(wàn)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(yǔ)

隨著全球環(huán)境污染和資源短缺問(wèn)題的日益加劇，工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排問(wèn)題備受關(guān)注。鍛壓行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的基礎(chǔ)行業(yè)，同時(shí)也是一個(gè)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(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。