技术的优化锻造技术优化：锤上整体凹模闭式热模锻技术

1.适于锤上闭式模锻的条件

是否适于在锤类设备上进行闭式模锻取决于三个方面：即适宜的锻件类型、合理的坯料和合理的打击强度。

（1）适宜的锻件类型 如表2-1中的圆盘类和法兰突缘类锻件，其特点是锻件的外缘具有较小的高径比。模锻时，以镦粗或镦粗带有冲孔的方式终锻成形。不属于此种类型的圆盘类锻件是否适于采用闭式模锻，需具体分析确定。

（2）合理的坯料 包括确定坯料的质量公差和合理地选择制坯工步。

（3）合理的打击强度 为了避免由于产生较大飞边而影响锻模寿命，可以有两种选择方案：一种是选择低打击强度，即选用Q≤60～80N·m／cm²，相应的每1t落下部分质量的锻件承击面积为1／Q^t≥300～400cm²，此时可采用多次锻击成形；另一种是选用高打击强度，即选用Q≥350～400N·m／cm²，相应的1／Q^t≤60～70cm²，此时基本上靠轻击一次定位后，一次重击成形。由于重击时能量的大部分变为变形能量，剩余能量在最后阶段不足以形成飞边。闭式模锻一般要求一次打击成形，故应按第二种方法选择模锻设备。

2.锻件图设计的特点

锤上闭式模锻时，其锻件图的设计除遵循前述基本规则外，还有以下特点：

（1）分模面的选择与出模方向 必须采取一切措施防止金属流入凸模与凹模间的间隙中，因此分模面不能选择在金属与凹模壁首先接触的部位，而应该设置在变形金属最后充满且出模不受阻碍的地方，如图8-1所示。

为了便于把锻件放正，出模方便，易于吹掉氧化皮，应把模膛封闭起来的凹模设计在上模，而凸出的部分放置在下模。

图8-1 锤上闭式模锻分模面的选择

（2）模锻斜度和圆角半径 锤上闭式模锻件的斜度主要根据h／D的比值来决定，设计时可按表8-1选用。当模锻件的上下部分都有凸台（见图8-1d）时，为了防止锻件从上模膛中落下来，可以将下模凸出部分的模锻斜度减少1°～2°。锻件的圆角半径是根据该部分的深度来决定，图8-2所示锻件的圆角半径可以从表8-2中查出。

图8-2 锻件的圆角半径

表8-1 锤上闭式模锻件的斜度

（3）冲孔连皮和凹模尺寸的确定 当孔深h≤0.45D（见图8-3a）时，连皮厚度a≥0.1D，c＝0.78D，；当0.45D＜h＜D（见图8-3b）时，a≥0.1D，r＝；当D＜h＜2.5D（见图8-3c）时，c＝L－0.6D，a＞0.2D，R₁＝0.2D，R₂＝0.4D。若需要在锻件上冲出一通孔（先冲不通孔、锻后冲去连皮）时，有关连皮（见图8-3d）可以参考表8-3和表8-4选取。

图8-3 连皮尺寸示意图

表8-2 模锻件的圆角半径

表8-3 连皮尺寸

表8-4 圆角半径及斜度

（4）模锻件的技术条件 闭式模锻件的技术条件有很大一部分与普通开式模锻的技术条件是相同的，例如冲孔对外形中心的偏心度、表面缺陷深度、长杆锻件杆部的弯曲度、下料时坯料端面的塌陷及斜面引起的缺陷、锻件的变形及热处理硬度等。模锻件表面的不平行度应在锻件厚度尺寸的允许偏差范围内。上、下模接合处允许的毛刺凸出量如表8-5所示。

表8-5 上、下模接合处允许的毛刺凸出量

3.模具设计

（1）模膛尺寸的确定 模膛尺寸同样根据热锻件图尺寸决定，但需作以下补充：

处于上、下模之间的锻件尺寸（见图8-4a）按下式确定：

式中 A₁（或B₁）——处于上、下模之间模膛的垂直尺寸；

A（或B）——锻件冷态时的相应公称尺寸；

δ——锻件尺寸A（或B）的下偏差；

a——收缩率。

锻模凸出部分的锻件高度尺寸（见图8-4b）按下式计算：

式中 E₁——模膛中凸出部分的高度尺寸；

E——锻件冷态时的相应公称尺寸；

Δ——尺寸E的上偏差。

图8-4 闭式锤锻模设计

对于闭式精密模锻，模膛内水平尺寸（见图8-4b）按式（4-60）计算；对于一般锻件，模膛内水平尺寸按下式计算：

式中 D₁——模膛内的水平尺寸；

D——锻件冷态时的相应公称尺寸；

δ——尺寸D的下偏差。

模膛内凸出部分的水平尺寸（见图8－4b）按下式确定：

式中 M₁——模膛内凸出部分的水平尺寸；

M——锻件冷态时的相应公称尺寸；

Δ——尺寸M的上偏差。

（2）上、下模封闭部分尺寸的确定 如前所述，为了使锻件易于从模膛中取出，坯料放入时容易检查是否已经放正，容易吹去氧化皮，习惯上将上、下模封闭起来的凸出部分置于下模，而凹入部分置于上模，模膛封闭部分（见图8-5）的尺寸如表8-6所示。当下模壁厚度太薄时，就应改变锻件图的设计，或采用双导锁结构，如图8-6所示。经生产实践表明，虚线结构比实线结构可以提高模具寿命50倍以上。S≥1.4B的圆形导锁（见图8-7）的尺寸可按表8-7确定。带导锁的闭式锻模比无导锁的锻模寿命长。

图8-5 模膛的封闭部分

图8-6 双导锁结构

图8-7 圆形导锁结构

表8-6 模膛封闭部分的尺寸(www.xing528.com)

表8-7 圆形导锁的尺寸

封闭部分之间同时也能起锁扣作用。封闭部分的表面粗糙度值应为Ra0.8μm，封闭部分的斜度与模膛的斜度一般做成一致，这样模具制造起来比较方便，锻件出模容易，封闭部分强度提高，减少上、下模在封闭部分的冲击。

（3）上、下模分模面处间隙的确定 确定这个间隙的最大尺寸时，必须使上下模在打靠的情况下没有间隙为止，保证所锻出的锻件尺寸不超过锻件图规定的下偏差尺寸。根据生产经验确定这个间隙（见图8-4）的大小可以以模锻锤落下部分质量为依据，如表8-8所示。这个间隙的重要作用是当下料尺寸在规定的下偏差的情况下亦能充满模膛。

表8-8 上、下模分模面处的间隙

（4）采用镶块结构 为了换模方便及节约贵重的模具材料，闭式锤锻模也可采用镶块结构，如图8-8所示。图8-8a所示为模座，图8-8b所示为镶块。

图8-8 采用镶块结构的模具

a）模座 b）镶块

1—上模套 2—螺帽 3—螺钉 4—下模套

4.例1齿轮坯闭式模锻（见图8-9）

图8-9所示为在模锻锤上闭式模锻齿轮坯锻件所采用的锻模。所用原毛坯直径ϕ85mm，加热后，直立于下模ϕ89mm的凹坑中，开始轻击定位，然后重击成形。

5.例2齿轮锻件成形镦粗制坯闭式模锻成形齿轮坯锻件（见图8-10）

图8-10所示为采用成形镦粗闭式模锻成形齿轮坯锻件。选用直径为ϕ80mm的棒料（模膛中定位凹坑直径为ϕ82mm），第一工步为成形镦粗，成形镦粗即闭式镦粗，这样较为有利于充满（挤入）模膛中ϕ70mm的深孔部分，且坯料的长径比也不会太大；第二工步也是成形镦粗，第一工步后将毛坯倒转180°，用ϕ70mm的一端定位成形另一端，并使该端锻至最终尺寸，再将毛坯倒转180°进行闭式终锻成形。

图8-9 模锻锤上闭式模锻齿轮坯锻件所采用的锻模

由此可以看出，第一道工步要保证下道工步准确定位，上一工步已成形的部分在下一工步中不变形或少变形。

图8-10 成形镦粗及闭式模锻

6.例3轮盘类齿轮坯锻件的闭式模锻（见图8-11）

如图8-11所示，轮盘类齿轮坯闭式模锻的工艺过程由镦粗、模锻和切除飞边三个工步组成。模锻成形时，在锻件下端面周围变形金属首先形成厚为2mm、宽为8mm的横向飞边，然后再沿凸凹模间的间隙形成纵向飞边。这一圆薄的横向飞边相当于开式模锻件的飞边桥部，模锻后可利用切边模将飞边切掉。

这种改进仅增加少量金属材料的消耗，但可切除飞边，保证锻件质量，消除了纵向飞边对后续切削加工的影响，不再靠手工消除飞边，大大提高锻件清理的效率，使得锤上闭式模锻工艺得以更广泛的应用。

图8-11 轮盘类齿轮坯锻件的闭式模锻

a）锻件图 b）工艺过程 c）锻模

7.例4轮毂的半闭式模锻（见图8-12）

某厂在2t模锻锤上采用带分流腔的模具对轮毂进行半闭式模锻（见图8-12）。分流腔设置在锻件最难即最后充满的部位（B—B平面）。

坯料被加热后，置于下模心部平台上，开始轻击预镦粗，然后依靠2～3次打击使金属充满整个模膛且多余金属从侧向环形缝隙挤出。飞边的大小取决于模膛的磨损程度。无论模膛磨损与否，均能得到轮廓清晰的锻件。

这个锻模明显地不同于一系列的开式和闭式模锻锻模，它没有锁扣，但能给予很好的对中性。因为坯料置于下模凸台上，被上模压缩时便很快对中。由于侧向飞边沿外圆分布均匀且氧化皮落入清洁的模膛，故锻件容易从凸台上取出。

图8-12 轮毂半闭式模锻

8.例5磁极闭式温锻^［53］

（1）磁极闭式温锻成形工艺分析 交流发电机磁极是建立感应电流磁场的主要元件，它的形状和电磁性能直接影响感应交流发电动势的波形和交流发电机的发电能力。为了适应用电设备的要求，使感应的交流电动势近似于正弦波形，交流发电机转子的磁极设计带多个鸟嘴形尖爪的形状，并选用电磁性能好的材料制造。

图8-13a所示为磁极的零件图。该零件的形状十分复杂，外周有六个爪极，极尖极细小，只有4mm宽，而高为20mm，属于高筋类锻件。在金属塑性成形工艺中，要充满六个爪极的模具型腔是相当困难的。因为坯料要从中间沿四周径向流动，由直径40mm的凸台流过一个环形辐板区至直径60mm处，最后要充满深而窄的六个爪极型腔，必然有相当大的阻力，常在爪极的内侧ϕ60mm处的过渡处形成折叠，所以防止产生折叠是工艺设计的关键问题。

电磁材料为纯铁，其加工性能不好，不易切削加工。早期采用铸造工艺生产，但铸件上的疏松、缩孔、偏析等缺陷降低磁极的电磁性能，所以逐步采用电磁纯铁制造磁极的塑性加工工艺生产。

图8-13 磁极的零件图与锻件图

a）零件图 b）锻件图

（2）液压模锻锤上闭式温锻工艺制订

1）锻件图的设计。

①确定分模面位置。确定闭式模锻件分模面的原则与开式模锻相同。为了使锻件容易从型腔中取出，并希望获得镦粗一挤压充填成形的良好效果，同时便于模具加工及开模时锻件留在下模等。磁极零件的分模面位置应选择在具有最大水平投影尺寸的A—A位置（见图8-13b）。磁极的六个爪极要求很严格，不允许有差错。因此，只有把六个爪极都设计在一个型腔内，由模具来保证六个爪极的相对位置。

②余量、公差及敷料。中心孔ϕ18mm部分需加放敷料，并制成一个盲孔。余量及公差查阅相关手册（第3章钢质锻件公差及机械加工余量表）。由于零件形状是轴对称的，成形时采用温锻变形，所以制造时可以尽量减少切削加工余量。

③模锻斜度。六个爪极的形状呈齿形，其四周侧面都有一定的斜度，形成自然模锻斜度。中间凸台的高度较低，用较小的模锻斜度（3°）便于脱模。

④圆角半径。由于零件尺寸较小，又是精锻件，为了减少切削加工余量，按手册给定范围取较小的圆角半径。

根据以上的数据，绘制出磁极锻件图，如图8-13b所示。

2）毛坯直径的确定。在挤压磁极六个尖齿形状与凸台直径之间，选定一尺寸作为毛坯的直径。这一尺寸在成形六个尖齿过程中既不能形成折叠，又要当作毛坯在型腔中的定位作用。根据这一设计原则，按锻件所需的体积可确定毛坯尺寸为ϕ80mm×18mm。

3）变形速度的选择。据国内外资料及有关试验指出，要制成该零件尖而细的高筋的三角形状，需采用较高的变形速度才能容易挤压成形。因为较高的变形速度可提高金属塑性的变形程度，这是由于金属坯料与模具型腔之间的摩擦因数随变形速度的提高而下降，金属流动速度快，易充填成形，同时也降低了变形抗力。现采用江苏海安县威弘锻压有限公司制造的CH83—25A型25kJ液压模锻锤，其打击次数70次／min。

4）变形温度的选择。众所周知，碳钢材料在高温加热时易产生氧化皮，这对于制件的表面质量及模具磨损都是极为不利的。由于磁极采用10钢，其变形抗力不大。为了获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的锻件，应采用温锻变形温度700～750℃，既有较低的变形抗力，又无氧化皮。

（3）模具结构设计 为了在液压模锻锤的锻模中进行生产，设计了锤锻模的挤压件顶出装置，如图8-14所示。该模具结构分上、下两部分，模具型腔是由上模、上顶杆、下模和下顶杆组成。上、下模座的导向完全靠环形导锁的尺寸精度予以保证。上、下模通过过盈配合，用紧固螺钉分别固定在上、下模座上。

磁极温挤压的工作过程是：经加热后的毛坯放入下模型腔中进行温挤压，上、下顶杆分别被制件压到上、下模座的上、下垫板上。挤压成形之后，再放入圆形顶块，锻锤打击该顶块。通过上、下推杆和上、下杠杆，使上、下顶杆相向顶出移动，挤压件就可以从上、下模的型腔中顶出。

图8-14 爪极锤锻模

在设计制造模具和挤压成形工艺过程中，应注意以下几个问题：

1）上、下模承击面的尺寸必须适当放大，应符合模锻单位压力的技术条件。其材料及热处理的要求都需要具有较高的冲击韧度及耐磨性，故采用5CrNiMo合金模具钢，型腔表面经软氮化处理后硬度为50～52HRC。

2）金属毛坯在锤头一次较高速度行程锻击成形时，往往使上模尖齿型腔先封闭，积聚在这个尖齿型腔内的空气无法跑出而产生很大的压力，阻止金属充满型腔。因此，在六个尖齿的顶端地方开有排气孔，通过上模横向孔及上模座排出，以便每个尖齿型腔充满，从而得到轮廓清晰的精密锻件，同时也可以减少打击能量及提高模具的使用寿命。

3）上、下顶杆与上、下杠杆之间以及上、下杠杆与上、下推杆之间的接触面尽量保证平整光滑，设计时避免曲率半径过大，尽量增大有效尺寸，以防止塑性变形及断裂。

4）在上、下顶杆和上、下模配合滑动的合理情况下，尽量缩小两者之间的配合间隙。因为间隙过大，制件会产生周边纵向毛刺。

5）磁极挤压成形后，放入圆形顶块，锤击要轻，以免上、下顶杆过早断裂。