熱精鍛工藝及其裝備的現狀和發展趨勢（下）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學

熱精鍛工藝及其裝備的現狀和發展趨勢（下）

文/夏巨諶，金俊松·華中科技大學

《熱精鍛工藝及其裝備的現狀與發展趨勢（上）》見《鍛造與沖壓》2015年第1期

熱精鍛模具的發展趨勢

實現復雜零件閉式精鍛的可分凹模模具

可分凹模模具裝置由合模機構與可更換的凸、凹模鑲塊組成。合模機構的功能是將壓力機滑塊的垂直運動轉換為可分凹模的閉合壓緊與張開，因此，合模機構的設計制造是可分凹模模具裝置的關鍵。

根據鍛件的形狀特點，可分凹模有三種基本形式，即水平可分凹模、垂直可分凹模和混合可分可模，如圖11所示。

高承載緊湊型組合凹模（模具輕量化）

針對冷溫熱閉式精鍛型腔凹模底部為實心或小孔的結構特點，分別提出非均勻過盈和階梯式預緊抗應力松馳的組合凹模新結構（圖12），使閉式精鍛凹模壽命顯著提高。

例如，當氣門熱精鍛凹模材料采用鋼結硬質合金時，其使用壽命超過170000件，單個氣門鍛件的模具費用由原來的0.15元減少至0.04元。

圖11 可分凹模的基本形式

圖12 高承載緊湊型精鍛凹模

圖13 直錐齒輪溫熱精鍛凹模CAD/CAM過程示意圖

模具數字化設計制造與修復（CAD/CAM）技術

直齒輪溫熱精鍛凹模數字化設計與制造及CAD/ CAM技術（圖13）。其基本過程為：齒輪三維造型→關聯設計模具，生成NC代碼→數控加工→直錐齒輪精鍛凹模。

熱精鍛設備的發展趨勢

近十多年來，汽車特別是轎車制造工業的迅速發展和精密塑性成形技術的不斷完善，極大地促進了專用精鍛機械壓力機和精鍛液壓機的研制與應用。

肘桿式多工位機械壓力機

日本“小松”公司研制出用于閉塞溫冷精鍛的肘桿式機械壓力機L1C-L型系列，公稱壓力為1600～1800kN，采用先進的多連桿（廣義肘桿）傳動機構，公稱壓力行程達到25mm（通用機械壓力機僅有5～10mm）。同時配備有振動上料機、自動傳送機構、快速換模裝置、自動潤滑系統、步進式機械手等自動化裝備，構成全自動化生產線，生產效率最快可達到20件/min。主要用于溫冷精鍛生產轎車差速器行星齒輪、半軸齒輪、等速萬向節星形套、三銷軸和十字軸等零件。

精鍛液壓機

日本你期待股份有限公司開發的計算機控制的三缸液壓機其主要組成部分為：主體結構（主滑塊、內滑塊、床滑塊）；液壓傳動系統；電氣控制系統（主操作臺、輔助操作臺、功率顯示板）；計算機（建立成形情況的圖像顯示和數據記錄）；伺服控制；帶速比調節的成套模具裝置等。這種全液壓閉式模鍛壓力機內滑塊加壓速度為20mm/s左右，主要用于十字軸及錐齒輪等的閉式冷精鍛或閉式半溫鍛。

日本三菱重工研制的微機控制的全液壓閉式模鍛壓力機采用上下沖頭對擠，其型號為MCF450和MCF1100，相應最大壓力為4.5MN和11MN。

華中科技大學與湖北三環鍛壓設備有限公司及黃石華力鍛壓機床有限公司合作，研制出將肘桿式機械壓力機的框架機身、加長滑塊及精密導向裝置，與快速空程、慢速壓制的液壓傳動系統相結合，并可實現快慢轉模準確控制的新型精鍛液壓機。

已開發出YK34J型單動、雙動、三動和多向模鍛液壓機，其噸位為5000～20000kN的系列產品，其空程速度為300～400mm/s，模鍛壓制速度為20～40mm/s，根據黑色金屬和高強度輕合金的材料特性，合理配置關鍵技術參數，通過多家企業使用表明，能很好地滿足結構鋼和高強鋁合金零件閉式精鍛的生產要求。其優點是：工藝適用范圍廣，具有較高的生產效率，主要技術參數和性能指標達到或接近國外同類精鍛液壓機先進水平，其價格僅為進口的1/3，具有較強的市場競爭力。

電動螺旋壓力機

電動螺旋壓力機的工作原理是電機經小齒輪、大齒輪（飛輪）帶動與飛輪緊固為一體的螺桿作旋轉運動，旋轉的螺桿帶動螺母及與其緊固為一體的滑塊作上下往復直線運動，實現鍛造功能。當電機達到打擊能里所要求的轉速時，利用大齒輪儲存的動能作功，使鍛件成形。大齒輪釋放能里后，電機立即帶動大齒輪反轉，返回一定轉角后，電機進入制動狀態，滑塊回到預先設置的位置。圖14為武漢新威奇科技有限公司與湖北三環鍛壓設備有限公司共同設計制造的2500t電動螺旋壓力機。

電動螺旋壓力機的特點：同摩擦壓力機相比，節省驅動電能30%；通過能里預選裝置實現打擊能里的準確控制，有利于提高模鍛工藝的穩定性和模具壽命；滑塊無固定下死點，能方便調節滑塊行程高度，工藝應用面寬；采用變頻系統，不會對電網產生沖擊；采用加長滑塊，導向精度高，抗偏載能力強，適合于多工位精鍛；主機結構簡單，操作與維護方便。

圖14 JK58-2500電動螺旋壓力機

圖15 反擠模具結構及潤滑系統

熱精鍛潤滑劑與潤滑技術的發展趨勢

潤滑劑

傳統的熱鍛潤滑劑普遍采用水劑石墨，這種潤滑劑于1979年開始研制，1981年開始使用，是一種比較理想的潤滑劑。但存在造成環境污染，對于鋁合金熱鍛在鍛件表面形成一層黑色石墨層，既影響鍛件表面質里，又很難去掉等問題。近年來，有研究單位將石墨顆粒細化為約1μm的超微潤滑劑，潤滑和脫模效果更好，并有利于提高模具壽命；為了避免污染，國外已研制出非石墨潤滑劑，其性能接近水劑石墨，國內進行了同樣的研究并取得類似效果。

潤滑技術的發展趨勢

⑴模具內外潤滑冷卻相結合。

圖15為四工序溫擠模具中的反擠壓模具單元結構，由圖可看出，凹模下面和凸模外面均安裝有潤滑冷卻系統，下面的系統是實現凹模模膛的內部潤滑與冷卻，上面的系統是實現反擠凸模的潤滑與冷卻，系統與整條生產線統一控制，速度快，效果好。

⑵自動化噴涂潤滑。

圖16 自動噴涂裝置

武漢新威奇科技有限公司研制成的自動化潤滑與冷卻的噴涂裝置，如圖16所示。它是實現鍛造自動化特別是使用機器人組成從取料、鍛打和卸件全自動化生產線必備的輔助設備。圖16a和圖16b所示即為J58K系列數控電動螺旋壓力機上所使用的自動噴石墨裝置。該自動噴石墨裝置采用氣動原理實現，由混合石墨、水和氣的壓力容器，氣動馬達，直線氣缸和平面噴頭等主要元件組成。壓力機滑塊每次鍛打工件完畢回程超過一定高度時，噴頭自動進入上下模腔之間，噴射水劑石墨達到設定的時間后自動退回?？捎呻姎饪刂葡到y對噴涂時間進行調節，使噴涂更加均勻。經使用表明可有效提高鍛件質里和模具壽命。

⑶沐浴浸泡式潤滑與冷卻。

這種方法主要用在電動螺旋壓力機上進行齒輪坯等餅類鍛件的閉式模鍛，模鍛時，含有潤滑和防銹作用的乳化液不斷從壓力機側面注入凹模模膛，模鍛時鍛件完全泡在乳化液中，模膛中的乳化液起到冷卻潤滑作用后從模膛下面的出口流出經過濾后回收到水箱循環使用。因為冷卻潤滑效果好，模具壽命可達到20萬件。

熱精鍛自動化生產線

建立自動化生產線的必要條件

1）工藝穩定性好；2）模具使用壽命長；3）設備精度高，運行穩定；4）上、下料及傳輸機構剛性好，動作準確；5）控制系統功能齊全，工作可靠。

典型應用實例

⑴氣門熱精鍛自動化生產線。

華中科技大學與武漢新威奇科技有限公司同馬勒三環氣門驅動（湖北）有限公司合作，自2006年起已建立了8條全自動化生產線，每條線由4臺數控電鐓機、1臺J58K型數控電動螺旋壓力機及1臺機器人和進出料裝置所組成。所建生產線同德國馬勒公司的生產線相比：由4臺機器人減為1臺機器人；同由手工操作以2臺電鐓機與1臺摩擦壓力機組成的開式模鍛生產工藝相比，廢品率由2%～5%降到0.5%以下；材料利用率提高12%以上，減少機加工工序4道，模具壽命顯著提高。

⑵汽車直錐齒輪溫精鍛自動化生產線。

青島三星精鍛齒輪有限公司同武漢新威奇科技有限公司及華中科技大學合作，于2009～2010年間在國內首次建成3條重型汽車半軸齒輪和行星齒輪全自動化精密模鍛生產線。其中，第一條自動化生產線如圖17所示。

圖17 直錐齒輪溫鍛自動化生產線

直錐齒輪溫鍛自動化生產線同傳統的以摩擦壓力機為模鍛設備和手工操作的開式熱鍛生產線比較，有如下優點：

1）節能節材效果好。節約螺旋壓力機驅動電能30%，節約坯料加熱電能35%以上，以某半軸齒輪為例，該齒輪質里為3kg，坯料僅3.1kg，其材料利用達到97%，其提高幅度超過15%；2）齒輪鍛件精度及內部質里的一致性好；3）模具壽命提高1倍以上；4）在每臺螺旋壓力機頂部的正反兩側都安裝有強力抽風管道，最后匯集到一條主管道通到車間外，每次潤滑后產生的水劑石墨蒸汽基本被抽到室外，車間內空氣干凈，地面清潔，環境大為改善。