阻力臺在有色金屬鍛造中的應用

文/張旸·海軍駐沈陽地區航空軍事代表室

余會平，張元東·江西景航航空鍛鑄有限公司

本文從鍛造的基礎理論出發，研究了模具設計中根據金屬流動原理使用阻力臺助力有色金屬成形的內容，通過對鈦合金和鋁合金鍛件的模具改進，增加阻力臺可以有效地減少鍛件在成形過程中出現的穿筋和充填困難的問題。

隨著材料的發展以及成形技術的不斷進步，復雜形狀、復雜截面的鍛件逐年增多，鍛件從原來“肥頭大耳”的粗鍛件毛坯逐漸向少切削的精鍛件發展，對鍛造成形的要求愈發嚴格，如何在兼顧成本的前提下，使鍛造過程中的復雜零件更加容易成形也是目前鍛造工藝中的主要發展方向之一。本文作者通過使用阻力臺的方式，達到了提升有色金屬鍛件的填充效率，減少鍛造過程中的缺陷的目的。

阻力臺的原理

在鍛造領域，最小阻力定律是指導鍛造成形的三大原理之一。如何利用好最小阻力定律來提升模鍛件的成形效率一直是鍛造的核心關注點，因此，在模鍛件成形的不斷發展中，研究毛邊橋部與倉部成為鍛造技術人員提升模鍛成形效率的主要手段。

阻力臺的原理是在鍛模的倉部設置一道“山”，阻擋鍛造成形過程中局部位置的毛邊流動，起到增加阻力，促進金屬成形，減少鍛件變形劇烈、金屬流動過快而出現的鍛造缺陷，是最小阻力定律的工程化應用。

阻力臺在鈦合金生產中的應用

鈦合金是近幾十年來發展最迅速的金屬材料，具有強度高、重量輕、耐腐蝕等特點，在航空航天領域應用廣泛，現在逐漸向兵器、汽車等領域發展，應用前景非常廣泛，但是，鈦合金具有變形抗力大、金屬流動性差等缺點，對于形狀復雜的鍛件，只能通過復雜的荒形與低的材料利用率來保證成形效果，鍛造成本較高，且成形的合格率較低。

在實際生產材料為TC6的軸鍛件時，鍛件在端頭存在兩個高點，由于鈦合金流動性差的缺點，時常出現高點位置充不滿的現象（圖1），即便增加模鍛前坯料高度，在模鍛后多數材料均流向毛邊處，導致鍛件報廢率較高，常規方法采用加大原材料、增加儲氣孔和增加鍛造火次的方式來保證鍛件的最終成形。

根據阻力臺的使用原理，在難充填的位置增加阻力臺（圖2），可有效地解決上述的問題，鍛件的充填情況良好（圖3），同時還可將材料利用率由68%提升至82%，實現了鍛件的批量、穩定生產。

上述情況屬于阻力臺的典型應用，通過增加金屬向毛邊處流動的阻力，促使金屬向模具型腔的深處流動，在型腔填充滿以后，阻力增大，多余金屬流向毛邊處，最終實現鍛件的成形。

圖1 鈦合金軸高點未充滿示意圖

圖2 模具實物

圖3 增加阻力臺后鍛造完成的鍛件

阻力臺在鋁合金生產中的應用

在鋁合金鍛造過程中，流線的分布情況對性能有很大的影響，穿筋、穿流情況的發生導致鍛件流線在分模面的位置一分為二，嚴重影響鍛件的整體性能，易造成鍛件的提前失效，尤其是高筋條類的鍛件，當筋條的高寬比超過2倍時，在鍛造過程中出現穿筋的概率非常高，常見穿流情況如圖4所示。

一般通過增加預鍛或控制鍛造時的變形量控制穿筋情況的發生，這樣做一方面增加模具成本，另一方面對鍛造操作工人的技能水平要求較高，所以不適用于批量生產。

在實際生產某橫梁鍛件時（圖5），鍛件存在寬6mm，高度為29mm的高筋條，生產過程中通過增加阻力臺設計，有效地避免了穿筋情況的發生，如圖6所示。

上述情況屬于阻力臺在鋁合金鍛造中的典型應用，通過增大金屬向毛邊處的流動阻力，在鋁合金鍛件成形時，減慢金屬向毛邊處流動的速度，在筋條充滿前避免金屬通過中間分模面過快流出，避免穿筋情況的發生。

阻力臺應用的注意事項

阻力臺是最小阻力定律的靈活應用，從阻力溝的方法演變而來，但是阻力臺的應用需要一定的前提條件，具體如下：

⑴阻力臺適用于“大設備干小活”的模式，只有在設備能量足夠成形的前提下，阻力臺才能夠發揮作用，在設備能量較小時，成形過程中難以形成毛邊，阻力臺無法起到有效的作用。

⑵阻力臺對坯料的利用率要求較高，材料利用率在78%～82%范圍內，阻力臺可以發揮較大的作用，但是當材料利用率過低時，容易出現欠壓，在阻力臺設計時需要同時優化工藝用料。

⑶阻力臺是在毛邊倉部的應用，是一種簡化的設計理念，將復雜的橋部設計簡化成為倉部的統一設計，降低了設計的失誤率，但是阻力臺對于變形量要求過于苛刻的材料效果不明顯，對一次成形的鍛件效果最佳。

圖4 典型穿筋情況示意圖

圖5 橫梁鍛件造型

圖6 模具增加阻力臺以及鍛后的低倍圖片

結束語

阻力臺是解決鋁合金穿流、難變形金屬充填困難等問題的有效途徑之一，可以有效地降低生產成本，提升生產效率。