螺旋压力机整体凹模闭式热模锻

1.螺旋压力机上闭式模锻成形的特点

对于轮盘类和凸缘类锻件，在螺旋压力机上均可采用闭式模锻。对于形状比较简单的实心件和具有小孔、厚壁的环形件，可采用坯料直接在终锻模膛中模锻成形（见图8-15a）。对于形状比较复杂，特别是带孔、小凸台的锻件，为便于成形并防止产生夹层，必须采用预镦工步（见图8-15b），预镦毛坯直径D_p＝D_f－（3～5）mm，D_f为锻件直径。对于形状特别复杂的锻件，还要采用定型预锻工步（见图8-15c）。

图8-15 轮盘、凸缘类锻件闭式模锻过程

a）直接模锻成形 b）预镦工步 c）定型预锻工步

应该指出，由于螺旋压力机的打击速度较模锻锤的低，坯料易冷却，故其成形能力较差。因此，应尽量选择以镦粗为主的变形方式。在选择毛坯直径时，应尽量按锻件凸起部分作为坯料直径，即d₀＝d₀′－（1～2）mm。

此外，在工艺和模具设计方面还应注意以下两点：

1）由于螺旋压力机上可以安装顶出器，故锻件的模锻斜度可以取得较小或不取斜度。

2）螺旋压力机的打击速度较模锻锤的低，且最大打击力受到限制，所以模具的承击面可以取得比模锻锤的小，通常可取为与模锻锤对应的承击面积的1／3。

2.螺旋压力机用成组锻模的设计与应用

（1）成组锻模的设计 当前，我国大多数小型锻造企业采用多品种、小批量方式生产。据统计，在机械制造业中，小批量生产约占52％。应用成组模锻是适应这种生产形式的有效措施之一。采用成组模锻，可以使小批量生产扩大为成组的批量生产形式。这样可以扩大锻压设备的使用范围，提高锻模的利用率，降低生产成本，减轻工人劳动强度，提高锻模设计的标准化、系列化和通用化程度，为实现锻模计算机辅助设计与辅助制造（CAD／CAM）创造良好的基础。螺旋压力机较其他模锻设备的工艺适应性强，因此可首先在螺旋压力机上应用成组模锻技术。

1）锻件分类分组。首先将锻件分类，然后把同一类中形状、尺寸及模锻工步相似的锻件分组，如表2-1所示。

2）设计原则。锻模应能适应数量多、形状和尺寸有一定差别的一组相似锻件，并有可换零件或可调结构；对锻模作受力分析，确定零部件和尺寸参数，使锻模有足够的强度、刚度和精度；可换或可调元件应力求标准化、系列化和通用化；力求配合层次少，并能在锻压设备上迅速装拆；具有良好的耐磨性，以提高模具的寿命。

模具结构通常采用组合结构，即由通用模架和可更换的凸凹模镶块及其他可换或可调元件组成。

（2）螺旋压力机用成组锻模的种类及结构 在各种模锻设备中，螺旋压力机由其自身的结构特性及工作特性所决定，最适于多品种、中小批量的模锻生产，因此，也最适于应用成组模锻。

表8-9所示为螺旋压力机用10种锻模结构，包括了适用于小型长轴类锻件闭式模锻的锻模和适用于锤上模锻的锻模。

表8-9 螺旋压力机用10种锻模结构

（续）

3.例6齿轮坯组合式整体凹模无飞边模锻

模锻图8-16a所示的直齿圆柱齿轮坯，当其直径在170～260mm之间，可在10000kN摩擦压力机上进行无飞边模锻。

（1）齿轮坯锻件图的制订

1）一般齿轮坯的表面粗糙度值为Ra3.2～12.5μm，加工余量为1.5～2.5mm；加工表面粗糙度在Ra1.6μm以上者增加余量0.25～0.5mm。

2）锻件高度偏差为^＋2.2_－1.0mm，内孔偏差为±1mm。

3）锻件与上模对应的模锻斜度取3°，与下模对应的模锻斜度取5°，与模套间的斜度取0.5°。

4）锻件的冷缩率取1.5％。

（2）模锻工艺 对于直径小于200mm的齿轮坯不需镦粗制坯，可直接对坯料进行终锻；对于直径较大的齿轮锻件，制坯工艺是决定齿轮能否成功的关键。为保证齿轮轮毂处的金属能够充满，经镦粗后的毛坯高度H_T用下面的经验公式计算：

式中 V_c——齿轮轮毂体积（mm³）；

D_B——轮毂直径（mm）。

此外，因无飞边模锻是金属在封闭的模膛内挤压成形，变形金属在上模膛内的变形属于反向挤压，在下模膛内属于正向挤压。因此，应将轮毂较高的一端置于下模。

（3）模具结构 在10000kN摩擦压力机上进行无飞边模锻，采用压圈紧固形式的组合结构。其特点是当模锻直径不同的齿轮坯时，只需更换上模、下模及模套即可；另外紧固比较牢靠，适于有顶出装置的模具。模具结构如图8-16b所示，这是目前较为普遍使用的一种典型结构。

（4）成形力的计算 计算成形力就是为了确定摩擦压力机的压力，可按经验公式（7-11）和式（7-12）计算。

4.例7载重汽车变速器第二轴凸缘组合式整体凹模闭式模锻

载重汽车变速器第二轴凸缘组合式整体凹模闭式模锻的工艺性能及工艺过程与齿轮坯闭式模锻相似，故在此不作详细叙述。

该锻件在4500kN摩擦压力机上模锻，模具结构如图8-17所示。下模与高温坯料接触时间长，为了改善下模工作条件，提高下模寿命，采用循环水冷却。滑块回程时，通过拉杆、横梁和顶杆顶出锻件。所用模架是一种在摩擦压力机上使用的典型结构之一。

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图8-16 齿轮坯无飞边的模锻

a）齿轮坯 b）模具结构

1—顶杆 2—垫板 3—下模座 4—下模 5—模套 6—压套 7—锻件 8—上模 9—上模后板

图8-17 载重汽车变速器第二轴凸缘闭式锻模

5.例8前桥半轴突缘组合式整体凹模闭式模锻

前桥半轴突缘锻件如图8-18所示。锻件质量为4.13kg，材料为40Cr钢，坯料尺寸为ϕ60mm×193mm。其闭式模锻工艺流程为：下料→加热→在150kg空气锤上型砧拔杆→加热→在2500kN螺旋压力机上闭式镦头→加热→在4500kN螺旋压力机上闭式终锻成形。闭式镦头和闭式终锻模具结构分别如图8-19a和b所示，两副模具均采用组合式结构。

该方案虽然切实可行，但存在三个方面的问题：其一、三次加热，能耗高；其二，多次加热氧化，既影响锻件表面质量，又影响模具寿命；其三，锤上拔杆采用手工操作，不仅对操作工要求高，而且生产效率难以提高。

针对这些问题，可采用以下闭式模锻工艺方案：下料→加热→杆部正挤压→闭式镦头→闭式终锻成形。各道工序的内容及要求说明如下：

（1）下料 坯料尺寸由ϕ60mm×193mm变为ϕ70mm×142mm。可采用卧式自动带锯机或高速圆盘锯床下料，以确保坯料端面平整，且锯口窄，锯屑损耗小。

（2）加热 加热温度为1200℃或以上，采用中频感应加热炉，其功率根据生产节拍和坯料尺寸及材质确定。

（3）杆部正挤压 通过正向挤压使坯料的前端由ϕ70mm成形为ϕ54mm的杆部，所需的挤压成形力，宜采用公称压力为2500kN的快速挤压液压机。

图8-18 前桥半轴突缘锻件图

图8-19 闭式镦头与闭式终锻模具

a）闭式镦头模具

1—顶杆 2—凹模座 3—凹模垫板 4—凹模 5—凸模 6—凸模座

b）闭式终锻模具

1—顶杆 2—下模座 3—下模垫板 4—镶块凹模 5—凹模固定圈 6—凸模 7—凹模压圈

（4）闭式镦头和闭式终锻成形 宜采用数控电动螺旋压力机，所需吨位应按终锻工步计算，采用式（7-11）和式（7-12）计算

根据前桥半轴突缘锻件法兰头部的形状特点，可选择公称压力为6300kN的数控电动螺旋压力机即可。因为电动螺旋压力机抗偏载能力强，因此，闭式镦头和闭式终锻成形可安排在1台6300kN数控电动螺旋压力机上进行。为了实现镦头和终成形两个工步，需设计一套两工步锻模，其结构为通用模架和镦头与终成形两个单元模具所组成，两个单元模具模膛尺寸及凸、凹模镶块结构与图8-18基本相同。在模具结构设计完成后，根据两工步模具的顶杆位置来设计电动螺旋压力机工作台下面的两工步顶出器。

该方案的可行性分析：第一，要在1次加热后完成3个工步，以J58K—630型数控电动螺旋压力机为例，其滑块行程为450mm，行程次数为18次／min，锻造成形速度为700mm／s。在这种技术参数条件下，手工操作通常为8～9件／min，对于两工步操作，每分钟可生产4件以上。与其配套的快速挤压液压机，只要挤压成形速度为40mm／s，空程速度为350～400mm／s，确保生产率为5件／min左右即略快于电动螺旋压力机上的节拍即可。第二，模锻温度需在允许的温度规范以内，因杆部正向挤压是在三向压应力状态下成形，且坯料尺寸由ϕ60mm×193mm变为ϕ70mm×142mm，即变得短而粗。挤压时，仅与模膛接触部位散热较快，而中心部位不仅散热慢甚至还会有一定的升温。镦头和终锻成形也都是在强烈的三向压应力状态下成形，工件散热较开式模锻要慢。由此可完全保证前桥半轴突缘锻件三工步模锻成形在800～1200℃的温度范围内完成，这与一般碳素结构和中低合金结构的始锻与终锻温度规范相符合。

该方案的特点是：可在一次加热的条件下模锻成形，可节约加热能耗50％以上；锻件质量好；生产效率高。但一次性设备投资可能比上述方案投资高一些，从长期大批量生产的角度考虑，经济效益会更好。

图8-20 尾座锻件图

a）二维图 b）三维造型

6.例9 尾座组合式整体凹模闭式模锻^［32］

如图8-20所示为尾座锻件图，图8-20b所示为其三维实体造型。锻件材料为7A04超硬铝合金，质量为0.64kg。采用箱式电阻炉或连续式电阻炉加热，模锻温度为380～450℃。尾座锻模结构如图8-21所示。模锻时，利用插入上模垫板和下模垫板通孔中专用的U形电热棒通电预热锻模，预热温度不低于180℃。采用MoS₂加机油或工业猪油作润滑剂。模锻设备采用公称压力为3000kN的螺旋压力机。

由热力耦合模拟和工艺试验表明，在模锻时，坯料首先发生正、反挤压变形，下端中间环形圈和上端同时充满模膛，而下端外部环形圈最后充满相应的环形模膛。因此，将凹模上的外环形模膛向下加深约3mm，作为多余金属分流腔。图8-22所示为凸模载荷行程曲线图。从热力耦合模拟动画（未画出）演示可以看出，锻件完全成形时，其成形力为1500kN；分流腔也充满时，其成形力达到2000kN。这表明设置了分流腔，其成形力可降低1／3，不仅有利于提高模具寿命，也有利于调节毛坯体积和模膛磨损引起的变化。

图8-21 尾座锻模结构

1—下顶杆 2—凹模座 3—弹簧 4—凹模垫板 5—凹模底 6—凹模筒 7—外圈 8—上顶杆 9—固定板 10—凸模 11—凸模垫板 12—凸模座

图8-22 凸模载荷行程曲线