使用氣電組合加熱模具裝置的閉式等溫模鍛

文／景屹峰，何剛，陶力，吳康偉·無錫東海鍛造有限公司

使用氣電組合加熱模具裝置的閉式等溫模鍛

文／景屹峰，何剛，陶力，吳康偉·無錫東海鍛造有限公司

設計了鍛件新的閉式模鍛工藝，使用電氣組合加熱等溫變形裝置，所需變形力減小到傳統模鍛變形力的1/6～1/5；鍛件耗材是傳統工藝的1/3～1/2；機械加工量減少了50%～70%，并降低了能耗、提高了鍛件質量。

熱閉式等溫模鍛的工藝過程，其特征是材料的變形溫度和模具的溫度是相同的，是最有助于技術和生產進步的具有重要意義的高精度模鍛件經濟生產工藝。該工藝廣泛應用于航空航天、造船和其他工業領域。

在等溫條件下閉式熱模鍛的過程具有一系列優點。包括由于改善變形材料組織從而提高了鍛件力學性能；獲得小余量或無余量無飛邊和外形具有最小模鍛斜度（0°～1°）的鍛件；獲得帶有不大斜度（1°～3°）或無斜度深腔；提高了材料的利用率和勞動生產率；由于低的變形阻力，使變形力減少到普通模鍛的1/4～1/3（有時到1/6～1/5，參見表1），能耗減少到普通模鍛的20%～80%；后續機械加工量減少了30%～60%；改善了勞動條件等等。

閉式等溫模鍛通常在專用液壓機上進行，本公司液壓機型號為THP10-2000B，25MN，壓機的變形速度可在大的范圍內調整，以適應制造各種復雜形狀精密鍛件。

廣泛用于生產中的等溫模鍛工藝過程，其中包括使用不可靠的感應電加熱模具裝置，該裝置用于加熱模具并使模具溫度保持在規定范圍內。然而，現行的電感應加熱裝置存在很多缺陷：如制造材料昂貴且需制造工時很長；加熱模具和毛坯時因“集膚效應”而不均勻；小的加料口、高電耗；感應加熱裝置要消耗大量冷卻水；沒有快速取件裝置和換模裝置；占據較大生產場地、使用壽命低等等。

表1 Ti-6Al-4V壓氣機葉片在不同鍛造工藝下的變形抗力

氣電組合加熱裝置

由于前文所述現有加熱裝置在技術和工藝上的缺點，考慮設計燃氣加熱和電加熱復合加熱等溫變形裝置，如圖1所示。該裝置依靠氣體介質燃燒能夠保證快速加熱大外廓尺寸模具裝備和大尺寸坯料達到規定溫度。在滿足工藝要求的前提下，設計的裝置考慮能耗和加熱時間最小化。

圖1 氣電組合式加熱裝置

當裝置接入模具加熱系統中，系統就會自動點火并維持規定溫度，天然氣和空氣按比例供給，儀表自動監控變化。

模具加熱步驟如下：煤氣-空氣混合物經過燃燒嘴進入環形加熱室，在加熱室點火后形成載熱介質——燃燒品。切向分布的氣體燃燒嘴保證在加熱室內燃燒過程的穩定性，在周圍介質溫度相對低的條件下，也能均勻地加熱模具并消除電加熱模塊所固有的集膚效應。載熱體均勻有節奏地通過切向出口從加熱室排出系統排出并加熱模具，使模具快速達到溫度要求。

高難度等溫模鍛件制造上的應用

設計了新的鍛件等溫模鍛節材工藝過程，這些鍛件材質為鋁合金和鎂合金，沿高度具有局部變截面，其加熱裝置均為上述裝置。

隔框的鍛造

從工藝角度來說，隔框為試制的最大鍛件，也是最復雜鍛件。圖2所示為傳統工藝下的隔框鍛件，它是由防銹鋁合金5456制成的。傳統工藝采用100MN液壓機鍛造成形，在零件全部表面都留有加工余量和大的模鍛斜度，材料的消耗為21kg。

圖2 傳統工藝下的隔框鍛件簡圖

圖3所示為新工藝下的隔框鍛件簡圖，它是在等溫條件下采用前文所述加熱裝置加熱模具和坯料到475℃，使用水基石墨潤滑，在型號為THP10-2000B 25MN（壓力為16MN）液壓機上成形的。鍛件沒有模鍛斜度，僅在端部和最下端外徑表面留有余量，耗材僅僅7.5kg。

使用新工藝每制造一個鍛件就節約防銹鋁合金13.5kg，也就是幾乎減少到原金屬消耗的1/3，不僅提高了勞動生產率，而且減少了機械加工勞動量。由于在機械加工中沒有切斷金屬流線，最終產品的力學性能和質量均有一定程度的提高。

圖3 新工藝下的隔框鍛件簡圖

發射架的鍛造

發射架鍛件材質為鎂合金MA2-1，其密度僅為鋼的1/4左右，因而其具有比強度和比剛度高、抗振減噪、電磁屏蔽性好、優良的阻尼性以及易于再生等一系列優點；鎂合金對有機物和堿性物質的抗蝕性很好，是目前作為結構材料使用的最輕金屬。隨著汽車、航空、航天、電子及運輸等工業輕量化的發展要求，鎂合金的應用范圍越來越廣。由于鎂合金是密排六方晶格結構，在常溫下的塑性變性能力差。但是，變形鎂合金有著鑄造鎂合金無法替代的優良性能，鍛造鎂合金具有更高的強度、更好的延展性和更多樣化的力學性能，使鎂合金鍛件作為結構件在交通、電子、航空、手動工具等領域內具有更廣闊的應用前景。綜上因素，發射架采用等溫成形方法制造。

圖4為新工藝下的鎂合金MA2-1發射架鍛件簡圖，傳統工藝下該鍛件由厚25mm板材切割出來；新工藝下該鍛件通過在16MN液壓機上采用等溫鍛造成形，使用氣電組合加熱裝置將模具加熱至360℃后鍛造成形，金屬消耗量減少到傳統工藝的一半，隨后的機械加工量減少了70%。

圖4 新工藝下的鎂合金MA2-1發射架鍛件簡圖

鍛件質量檢驗

通過分析等溫條件下熱模鍛所獲得鍛件金相組織，證明此工藝獲得的鍛件是高質量的。鍛件變形區域中心的顯微組織是等軸的、細小的、均勻的，沒有變形的死區、氣孔和折疊以及金屬過熱痕跡。鍛件纖維流線沿著模具型腔輪廓，完整沒有斷線。

結論

⑴等溫模鍛條件下所需變形力減小到傳統模鍛的1/6～1/5；鍛件耗材是傳統工藝的1/3～1/2；機械加工量減少了50%～70%。

⑵運用氣電組合加熱模具的等溫模鍛工藝，在制造大尺寸和復雜幾何形狀鍛件時是有效的。

⑶在制造鍛件時，為了節材和降耗，條件允許的情況下推薦采用閉式等溫模鍛工藝。