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1模具設(shè)計(jì)
1．1終鍛模具設(shè)計(jì)
本課題研究的模鍛件如圖1所示，一部分為非加工表面，另一部分為加工表面。加工表面的單面最小加工余量為5mm，出模斜度7°。為了使模鍛件有很好的金屬流線，采用鍛件中心線分模的形式。由于鍛件長度為660mm、寬度為345mm、高向?yàn)?40mm，投影面積較大，故終壓模安裝在50MN水壓機(jī)上，這樣可保證有足夠的變形壓力，保證模壓成形。模具采用5CrMnMo耐熱工具鋼，硬度(HRC)控制在40～45。采用導(dǎo)柱配合方式，最大錯(cuò)移量不超過1．0mm，可滿足鍛件有足夠的加工余量。導(dǎo)柱采用烘裝組合的方式，保證裝配牢固不易脫出。導(dǎo)柱距下模分模面控制在200mm，這樣可保證上模先導(dǎo)入，隨后模型接觸坯料，從而防止在壓坯料時(shí)發(fā)生串動(dòng)而造成啃導(dǎo)柱的現(xiàn)象。以往曾發(fā)生過由于導(dǎo)柱矮而造成啃導(dǎo)柱時(shí)啃下的鐵屑飛出傷人的事故。
1．2預(yù)鍛模設(shè)計(jì)
鋁合金預(yù)鍛模膛設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素:①當(dāng)預(yù)鍛模膛僅用來減小終鍛模膛的磨損時(shí)，其設(shè)計(jì)基本上與終鍛模膛的相同，但預(yù)鍛模膛的凸圓角處和分模面出口處的圓角半徑應(yīng)稍大些。當(dāng)預(yù)鍛模膛中具有較深、較窄的部位時(shí)，可將預(yù)鍛模膛相應(yīng)部位的寬度及長度減小一些;也可采用增大該部位斜度的辦法，并相應(yīng)地減小其寬度，而預(yù)鍛模膛在該處的高度不應(yīng)加大。為改善成形條件，應(yīng)合理選擇難充滿的深腔入口處的模膛凸圓半徑。②若預(yù)鍛模膛用來改善金屬流動(dòng)情況，避免在鍛件上產(chǎn)生折疊，則預(yù)鍛模膛應(yīng)考慮:為避免工字形鍛件筋根部位產(chǎn)生折疊，應(yīng)增大轉(zhuǎn)角處的連接半徑及斜度(或厚度);同時(shí)應(yīng)控制預(yù)鍛模膛的斷面積F預(yù)基本上等于終鍛模膛上相應(yīng)處的斷面積F終;如終鍛后不滿，可增大預(yù)鍛欠壓量，用磨修預(yù)鍛模膛的方法進(jìn)行調(diào)節(jié);對(duì)沖孔的鍛件，應(yīng)使終鍛時(shí)連皮部位的體積大于或等于預(yù)鍛時(shí)該部位的體積;預(yù)鍛模膛毛邊槽的選用基本上與終鍛模膛的相同，但有關(guān)尺寸應(yīng)稍加大。在輕合金模鍛件生產(chǎn)中，有許多是形狀極為復(fù)雜、斷面變化大的鍛件。這些復(fù)雜制件不僅很難選擇毛料，也不易模壓成形，而且變形極不均勻，更易產(chǎn)生折疊缺陷。這些鍛件都是用一套終鍛模進(jìn)行鍛壓是不能完成的，要求設(shè)計(jì)者必須考慮采用預(yù)鍛模或者還要設(shè)計(jì)毛料模。本課題的模鍛件是典型的四周封閉筋型，從形狀上看是最易產(chǎn)生折疊的，因此，需要設(shè)計(jì)預(yù)鍛模。預(yù)鍛模的特點(diǎn)是完全具備終鍛件的形狀，只是筋型的高度比最終要求的矮一些、腹板厚一些、圓角大一些、總金屬量比終鍛件的要多5%～8%。同一筋型的預(yù)、終鍛各套模具模膛的不同情況。從預(yù)鍛到終鍛，鍛件是從粗到精逐漸充滿模膛的，變形金屬的流動(dòng)過程比較平穩(wěn)，變形也更加均勻，這樣就可以減少由于劇烈變形產(chǎn)生折疊的幾率。就整個(gè)金屬量而言，它遠(yuǎn)比以鑄錠或擠壓棒、型材為毛料直接終鍛的總金屬量要少得多，這樣它就沒有過多的金屬需要外流，而且僅有的少量多余金屬也在預(yù)鍛過程中很順利的排出了，因此避免除了由于有大量多余金屬外流而造成折疊。
2生產(chǎn)操作的工藝過程
2．1鍛造坯料
為了合理的分配金屬，盡量減少投料量，需要鍛造坯料。在30MN自由鍛水壓機(jī)上鍛造坯料。毛料采用擠壓棒材，規(guī)格為Φ190mm×650+5mm，在700kW空氣循環(huán)加熱爐內(nèi)加熱，450℃～470℃保溫3h。平砧在400kW模具加熱爐內(nèi)加熱，400℃～450℃保溫8h。模具加熱是為了防止在鍛造過程中坯料溫度過低而產(chǎn)生大晶粒，同時(shí)便于金屬的流動(dòng)。按鍛9工藝進(jìn)行，首先用鍛造鉗子將毛料立起，鐓粗至h=400+50mm，這樣可以保證四角的金屬量夠用;然后放倒壓扁打方，端頭鐓齊，打出棱角，以保證模鍛時(shí)最難成形的四角的金屬量夠用，易于成形。
2．2預(yù)鍛
預(yù)鍛模在模具加熱爐內(nèi)加熱，400℃～450℃保溫8h。坯料加熱450℃～470℃保溫3h。在50MN水壓機(jī)上，先用風(fēng)管吹凈模具型腔內(nèi)的雜物，然后對(duì)其上下模的型槽充分潤滑一遍，預(yù)鍛控制在兩次，首次預(yù)鍛時(shí)將坯料擺正，上壓要緩慢，以防止金屬由于激烈變形而出現(xiàn)紊流、渦流、折疊或穿流等缺陷。兩次預(yù)鍛的欠壓量分別控制在15mm～20mm，10mm～13mm。①首次預(yù)鍛:潤滑劑的配比為20%石墨+20%汽缸油+60%錠子油，此潤滑劑的流動(dòng)性較好。首先在上下模型槽上進(jìn)行全面潤滑，要注意潤滑劑不得在型槽內(nèi)汪積，然后將毛料擺放在下模型腔上，使毛料蓋住型槽，再在毛料上進(jìn)行全面的均勻的潤滑，使毛料表面形成一層油膜。隨后預(yù)鍛的上壓速度不要過快，以使金屬平緩的流動(dòng)開始充型。為防止首次預(yù)鍛時(shí)一次變形量過大導(dǎo)致粘模，必要時(shí)可抬起水壓機(jī)再潤滑一次，然后上壓預(yù)鍛要求的欠壓量為止。首次預(yù)壓的變形量要大些，欠壓量要保證符合工藝的要求。模壓后要進(jìn)行徹底修傷，并要圓滑過渡。②成形預(yù)鍛:本次預(yù)鍛采用的潤滑劑的石墨配比要比首次預(yù)鍛的高一些，油刷的沾油量不宜過多，潤滑時(shí)上下模型都進(jìn)行少量均勻潤滑，在鍛件上只對(duì)欠成形的地方進(jìn)行重點(diǎn)潤滑，其余部位少量潤滑。潤滑完了水壓機(jī)應(yīng)立即落下隨后開始施壓，以免潤滑劑的過量揮發(fā)。當(dāng)壓到一定程度水壓機(jī)應(yīng)抬起，排除廢氣，并還可對(duì)局部不成形處實(shí)施補(bǔ)充潤滑，在拔模角的外側(cè)也可少量潤滑，以便鍛件脫模。欠壓量要保證符合工藝的要求，后要進(jìn)行修傷，并要圓滑過渡。
2．3終鍛
終鍛模在模具加熱爐內(nèi)加熱，400℃～450℃保溫8h。坯料加熱450℃～470℃保溫3h。在50MN水壓機(jī)上先用風(fēng)管吹凈模具型腔內(nèi)的雜物，然后對(duì)其上下模的型槽充分潤滑一遍，終鍛控制為三次，三次終鍛的欠壓量分別控制在8mm～10mm、4mm～6mm和3．2mm～－1．2mm。合理地進(jìn)行潤滑操作可以避免模鍛件產(chǎn)生折疊，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中該類模鍛件易因折疊而報(bào)廢。終鍛的特點(diǎn)是鍛件已基本成形，只是欠壓量較大，目的是要減少欠壓排出多余金屬。而此次模鍛潤滑的好壞對(duì)鍛件質(zhì)量有重要影響。首件的潤滑劑配比是將石墨的量增至40%～30%，油刷的沾油量要少，必要時(shí)可用沾油不多的油刷直接沾入少量的干體石墨，先對(duì)上下模型槽進(jìn)行少量均勻潤滑，然后在鍛件的外側(cè)拔模角的周邊全涂上潤滑劑，并盡快將鍛件放進(jìn)型槽內(nèi)模壓，以免潤滑劑過量揮發(fā)。斷面上外側(cè)畫點(diǎn)的區(qū)域均應(yīng)是潤滑部位，這樣使鍛件的內(nèi)側(cè)出模角、筋型、腹板與模具型槽之間沒有潤滑，使金屬和模型緊密的貼附在一起，增大了對(duì)變形金屬表面的摩擦阻力，以使排除多余金屬的變形流動(dòng)不是在鍛件的表面進(jìn)行，而是在遠(yuǎn)離表面的金屬內(nèi)部進(jìn)行，因此鍛件內(nèi)側(cè)的表皮金屬不參與流動(dòng)，這是避免模鍛件產(chǎn)生折疊的關(guān)鍵。多余金屬的流出首先是在外側(cè)出模角一邊開始，然后是在鍛件的內(nèi)部逐漸接替進(jìn)行。這樣操作可能增加鍛件最終脫模的困難，但可有效地避免折疊。為防止鍛件產(chǎn)生粗大晶粒，各工序的開鍛溫度控制在440℃以上，終鍛溫度控制在410℃以上。如遇到鍛件粘模、鍛件不能立即撬下來，要及時(shí)將已出爐的下一個(gè)預(yù)鍛件送回加熱爐內(nèi)，以防在爐外等候時(shí)間長而溫度散失過多，變形時(shí)產(chǎn)生粗大晶粒。掉在地上的預(yù)鍛件要立即撿起送入模膛，以防溫度散失而導(dǎo)致變形時(shí)晶粒長大。
2．4蝕洗、修傷
每次模鍛后在鍛件表面由于有潤滑劑殘存而使模鍛件表面成黑墨狀，只有通過蝕洗(堿洗和酸洗)之后才能顯現(xiàn)出鋁合金的本來光澤。同時(shí)也使鍛件上可能存在的折疊或欠成形等表面缺陷明顯地暴露出來，以便于修傷。修傷是要修掉坯料或鍛件上可能會(huì)造成或已經(jīng)形成的折疊等表面缺陷。一般修傷是用風(fēng)動(dòng)扁鏟和風(fēng)動(dòng)銑刀進(jìn)行，對(duì)折疊處修傷除了要把折疊本身徹底修凈之外，為了保證再次模鍛不再形成折疊和便于成形，修傷處需圓滑過渡，其展開的寬度應(yīng)不小于修傷深度的5～10倍，同時(shí)在修傷過程中還要反復(fù)蝕洗，以檢查折疊是否徹底修凈。修傷可分為坯料修傷、模鍛中間修傷和成品修傷三種。①坯料修傷;在模鍛加熱之前，對(duì)坯料上可能會(huì)在模鍛過程中導(dǎo)致鍛件形成折疊等缺陷的各種有害因素進(jìn)行機(jī)械修整。其中包括修掉鑄錠車皮時(shí)頂出的頂針孔，切擠壓毛料時(shí)帶的連皮，預(yù)鍛坯料上的局部裂紋和尖銳的棱角，以及鍛拔時(shí)的壓折，以避免模鍛時(shí)壓合、壓堆構(gòu)成折疊。②中間修傷:是把經(jīng)過坯壓、預(yù)鍛和成品終鍛之間各次模鍛時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生的折疊徹底修掉，并且也要把將會(huì)構(gòu)成折疊的部位進(jìn)行圓滑的擴(kuò)展修整。這是模鍛生產(chǎn)中減少折疊廢品的有利途徑。③成品修傷;在成品驗(yàn)收時(shí)，對(duì)模鍛件非加工表面上的不超過技術(shù)條件規(guī)定允許范圍內(nèi)的輕微折疊，經(jīng)修傷予以消除。對(duì)加工表面上存在的折疊，經(jīng)剖傷來鑒別折疊的深度，看是否超過技術(shù)條件或模鍛件圖紙規(guī)定的加工余量允許的范圍，以便確定是成品或是報(bào)廢。
2．5切邊
切邊在帶鋸上進(jìn)行，可分為中間工序切邊和成品切邊。①中間工序切邊:毛邊殘留量為10mm～30mm，對(duì)局部成形差的部位毛邊要多留些，以便于下次模鍛成形。②成品切邊:對(duì)于質(zhì)量不大于30kg的模鍛件，其毛邊殘留量不大于3mm;質(zhì)量大于30kg的模鍛件，其毛邊殘留量不大于6mm。形狀復(fù)雜部位，其毛邊殘留量不大于15mm。有特殊要求時(shí)，按專用技術(shù)條件或鍛件圖上的規(guī)定執(zhí)行。成品切邊時(shí)，嚴(yán)禁倒立，應(yīng)注意輕拿輕放，避免表面碰傷。
2．6熱處理
將鍛件立放在淬火料筐內(nèi)，然后將試料放在筐的上面。淬火溫度為510+5－1℃，按金屬溫度保溫180min，淬火水溫60℃～80℃，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間t≤15s，且淬火料筐在水中往復(fù)升降15次以上，然后在水中停留15min后方可吊出水面，在鍛件上打淬火爐號(hào)時(shí)要在指定位置，且要清晰。在水壓機(jī)上較直，1MN油壓機(jī)作為輔助配合矯直，在水壓機(jī)上鍛件放在終鍛模內(nèi)上三級(jí)壓力矯直。矯直后的鍛件輕輕地推入酸洗筐內(nèi)并按要求擺放好，然后進(jìn)行酸洗。蝕洗時(shí)間不要過長，防止過蝕洗。蝕洗后的鍛件放在矯直平臺(tái)上進(jìn)行逐個(gè)檢查，對(duì)于個(gè)別不符合要求的鍛件在1MN矯直機(jī)輔助矯直。矯直合格的鍛件要打上矯直號(hào)。時(shí)效溫度155+5－2℃，按金屬溫度保溫8h，總加熱時(shí)間8h～14h;時(shí)效裝爐時(shí)，料架擺放一定要有利循環(huán)風(fēng)暢通，使之加熱均勻、快速。
2．7驗(yàn)收
認(rèn)真執(zhí)行三對(duì)照，按Q/Q817－82標(biāo)準(zhǔn)及圖紙，按Ⅱ類鍛件檢查驗(yàn)收。
3鍛件組織、性能檢測(cè)
該模鍛件外形尺寸經(jīng)劃線檢查，完全符合圖紙的要求。化學(xué)成分分析結(jié)果符合國標(biāo)中2A50-T6鋁合金的化學(xué)成分要求。模鍛件的低倍組織晶粒均勻，金屬流線均勻合理;高倍組織正常，未過燒，化合物的大小及分布都比較均勻。斷口組織細(xì)密，無任何冶金缺陷。
4結(jié)束語
1)生產(chǎn)實(shí)踐證明，合理的模具設(shè)計(jì)和鍛壓工藝的優(yōu)化是保證模鍛件尺寸精度、組織與性能合格的必要條件。2)采取本文中所述模具設(shè)計(jì)方法和鍛造工藝后，該鍛件的重量成品率由原來的31．5%提高至60%，件數(shù)成品率由原來的75%提高至100%。同時(shí)，降低了能耗，提高了生產(chǎn)效率。3)在合理的模具設(shè)計(jì)、工藝編制、生產(chǎn)操作的前提下，充分發(fā)揮操作者的技術(shù)水平，使各工序控制得合理，就能大大地減少鍛件的廢品或避免廢品的發(fā)生，特別是減少或消除鍛件的折疊廢品。
作者：孫紹華 孫超 徐磊 單位：東北輕合金有限責(zé)任公司 哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院