附加背壓技術(shù)在有色金屬精密成形中的應(yīng)用

文/陳巖，陳修琳，梁必成·浙江申吉鈦業(yè)股份有限公司王以華·上海交通大學(xué)

在棒材的正擠、容器的反擠、側(cè)向擠壓、復(fù)合擠壓等擠壓加工過(guò)程中，在材料流出口安裝反向沖頭，對(duì)材料附加背壓進(jìn)行控制的方法稱為背壓附加鍛造。

假定工具側(cè)面沒(méi)有受到摩擦力的作用，即附加靜水壓σ變形區(qū)域的變形狀態(tài)也不改變(圖1)，由圖1b可以知道，在被擠壓材料的端面上附加背壓σ時(shí)的擠壓力p與摩擦不起作用時(shí)的擠壓力p0相比，僅僅是增加了σ，即p=p0+σ。其次，如果假定摩擦起作用，在變形區(qū)域的變形狀態(tài)也不變化的話，對(duì)工具側(cè)面上摩擦力起作用時(shí)的擠壓力p可用p=p0+σ+pf表示。式中，pf是摩擦力帶給擠壓的影響壓力。假設(shè)作用于試樣全體的平均壓力Pm是(p+σ)/2，作用于試樣的壓力是靜水壓力的話，作用于模具側(cè)面上的壓力即為Pm（圖2)。

圖1 附加背壓擠壓（無(wú)摩擦）

圖2 附加背壓擠壓(有摩擦)

背壓用于改善材料成形狀態(tài)

對(duì)于以相同直徑帶有4根側(cè)軸的鍛件（圖3）為例進(jìn)行說(shuō)明，實(shí)際徑向擠出的軸的長(zhǎng)度是不同的，在軸的斷面形狀和其他加工條件相同的條件下，擠壓出來(lái)的側(cè)軸長(zhǎng)度也應(yīng)該相同，但側(cè)軸實(shí)際長(zhǎng)度卻不一樣，這是一種塑性流動(dòng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，與在雙向杯狀擠壓（即容器-容器擠壓）的正反擠壓中，得到的兩邊的杯口高度不一樣的現(xiàn)象一致。

圖3 徑向擠壓的4支產(chǎn)品

圖4 附加背壓成形及其效果

對(duì)于多個(gè)擠壓口，如果從塑性力學(xué)角度來(lái)看擠壓加工條件相同，所有擠壓口的擠壓力相等，原則上擠壓出的材料的多少是相同的，事實(shí)上，受到模具的形狀、摩擦、材料強(qiáng)度等因素的影響，即使其中任意一項(xiàng)出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)差異，也會(huì)產(chǎn)生很敏感的影響，導(dǎo)致某一軸優(yōu)先被擠出的塑性流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生，從而出現(xiàn)軸長(zhǎng)產(chǎn)生少量的誤差。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，要設(shè)法使用背壓的方式限制材料的流動(dòng)過(guò)量。

因?yàn)楸硥旱淖饔脤⑻岣咚苄宰冃螀^(qū)域的靜水壓，可以起到預(yù)防材料開(kāi)裂的效果。對(duì)抑制脆性材料擠壓時(shí)產(chǎn)生的裂紋（圖4a）和內(nèi)部V字形裂紋（圖4b）有明顯效果。同時(shí)，通過(guò)附加背壓，可以修正擠壓加工初期產(chǎn)生的，因不穩(wěn)定的材料流動(dòng)引起的端面形狀的不整齊，高度不一致，材料未充滿等現(xiàn)象(圖4c,d,e,)，或者調(diào)整復(fù)合擠壓時(shí)材料流動(dòng)（圖4f)。

附加背壓鍛造應(yīng)用實(shí)例

圖5 散熱片的擠壓

圖6 渦輪盤(pán)的背壓擠壓

附加背壓鍛造被用于散熱片和渦輪盤(pán)的擠壓加工，取得了讓擠壓長(zhǎng)度一致的效果（圖5、圖6）。鋁硅系合金4032渦輪盤(pán)鍛造時(shí)，如果沒(méi)有背壓，那么被擠壓出的渦卷壁的高度有20mm以上的偏差；如果附加40～50kN的背壓，那么高度的差在0.5mm以內(nèi)。渦盤(pán)的渦卷壁的截面積約為2200mm2，背壓是20MPa，可以說(shuō)起到4兩撥千斤的效果。圖7和表1是渦盤(pán)鍛造所使用的模具和零件明細(xì)表。

表1 渦輪盤(pán)附加背壓鍛造模具零件明細(xì)表

圖7 渦輪盤(pán)的附加背壓鍛造模具

利用設(shè)備在閉塞鍛造裝置里的油壓機(jī)構(gòu)，在滑塊運(yùn)動(dòng)1周的過(guò)程中，除去加在部分模具上的壓力，讓其可以后退，這樣可以在鍛造加工過(guò)程中改變材料的流動(dòng)狀態(tài)。在鍛造壓力上升接近極限時(shí)進(jìn)行這樣的操作，可以防止作用于模具上的壓力異常上升。該鍛造方法與采用多沖頭鍛造設(shè)備時(shí)賦予多個(gè)模具不同的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程原理一樣，也應(yīng)稱作為多沖頭鍛造。

結(jié)束語(yǔ)

使用鍛造載荷1%～5%的力作為附加背壓力，就可以改善低塑性合金成形條件，有利于金屬充滿模膛，避免毛坯在鍛造時(shí)產(chǎn)生不必要缺陷，是精化鍛件、提高鍛件質(zhì)量可靠、實(shí)用的工藝方法，值得行業(yè)內(nèi)相關(guān)人員參考和借鑒。