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1模具設計
1．1終鍛模具設計
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、高向為140mm，投影面積較大，故終壓模安裝在50MN水壓機上，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。采用導柱配合方式，最大錯移量不超過1．0mm，可滿足鍛件有足夠的加工余量。導柱采用烘裝組合的方式，保證裝配牢固不易脫出。導柱距下模分模面控制在200mm，這樣可保證上模先導入，隨后模型接觸坯料，從而防止在壓坯料時發生串動而造成啃導柱的現象。以往曾發生過由于導柱矮而造成啃導柱時啃下的鐵屑飛出傷人的事故。
1．2預鍛模設計
鋁合金預鍛模膛設計應考慮的因素:①當預鍛模膛僅用來減小終鍛模膛的磨損時，其設計基本上與終鍛模膛的相同，但預鍛模膛的凸圓角處和分模面出口處的圓角半徑應稍大些。當預鍛模膛中具有較深、較窄的部位時，可將預鍛模膛相應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，并相應地減小其寬度，而預鍛模膛在該處的高度不應加大。為改善成形條件，應合理選擇難充滿的深腔入口處的模膛凸圓半徑。②若預鍛模膛用來改善金屬流動情況，避免在鍛件上產生折疊，則預鍛模膛應考慮:為避免工字形鍛件筋根部位產生折疊，應增大轉角處的連接半徑及斜度(或厚度);同時應控制預鍛模膛的斷面積F預基本上等于終鍛模膛上相應處的斷面積F終;如終鍛后不滿，可增大預鍛欠壓量，用磨修預鍛模膛的方法進行調節;對沖孔的鍛件，應使終鍛時連皮部位的體積大于或等于預鍛時該部位的體積;預鍛模膛毛邊槽的選用基本上與終鍛模膛的相同，但有關尺寸應稍加大。在輕合金模鍛件生產中，有許多是形狀極為復雜、斷面變化大的鍛件。這些復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，更易產生折疊缺陷。這些鍛件都是用一套終鍛模進行鍛壓是不能完成的，要求設計者必須考慮采用預鍛?；蛘哌€要設計毛料模。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生折疊的，因此，需要設計預鍛模。預鍛模的特點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、終鍛各套模具模膛的不同情況。從預鍛到終鍛，鍛件是從粗到精逐漸充滿模膛的，變形金屬的流動過程比較平穩，變形也更加均勻，這樣就可以減少由于劇烈變形產生折疊的幾率。就整個金屬量而言，它遠比以鑄錠或擠壓棒、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自由鍛水壓機上鍛造坯料。毛料采用擠壓棒材，規格為Φ190mm×650+5mm，在700kW空氣循環加熱爐內加熱，450℃～470℃保溫3h。平砧在400kW模具加熱爐內加熱，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生大晶粒，同時便于金屬的流動。按鍛9工藝進行，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，以保證模鍛時最難成形的四角的金屬量夠用，易于成形。
2．2預鍛
預鍛模在模具加熱爐內加熱，400℃～450℃保溫8h。坯料加熱450℃～470℃保溫3h。在50MN水壓機上，先用風管吹凈模具型腔內的雜物，然后對其上下模的型槽充分潤滑一遍，預鍛控制在兩次，首次預鍛時將坯料擺正，上壓要緩慢，以防止金屬由于激烈變形而出現紊流、渦流、折疊或穿流等缺陷。兩次預鍛的欠壓量分別控制在15mm～20mm，10mm～13mm。①首次預鍛:潤滑劑的配比為20%石墨+20%汽缸油+60%錠子油，此潤滑劑的流動性較好。首先在上下模型槽上進行全面潤滑，要注意潤滑劑不得在型槽內汪積，然后將毛料擺放在下模型腔上，使毛料蓋住型槽，再在毛料上進行全面的均勻的潤滑，使毛料表面形成一層油膜。隨后預鍛的上壓速度不要過快，以使金屬平緩的流動開始充型。為防止首次預鍛時一次變形量過大導致粘模，必要時可抬起水壓機再潤滑一次，然后上壓預鍛要求的欠壓量為止。首次預壓的變形量要大些，欠壓量要保證符合工藝的要求。模壓后要進行徹底修傷，并要圓滑過渡。②成形預鍛:本次預鍛采用的潤滑劑的石墨配比要比首次預鍛的高一些，油刷的沾油量不宜過多，潤滑時上下模型都進行少量均勻潤滑，在鍛件上只對欠成形的地方進行重點潤滑，其余部位少量潤滑。潤滑完了水壓機應立即落下隨后開始施壓，以免潤滑劑的過量揮發。當壓到一定程度水壓機應抬起，排除廢氣，并還可對局部不成形處實施補充潤滑，在拔模角的外側也可少量潤滑，以便鍛件脫模。欠壓量要保證符合工藝的要求，后要進行修傷，并要圓滑過渡。
2．3終鍛
終鍛模在模具加熱爐內加熱，400℃～450℃保溫8h。坯料加熱450℃～470℃保溫3h。在50MN水壓機上先用風管吹凈模具型腔內的雜物，然后對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。合理地進行潤滑操作可以避免模鍛件產生折疊，在現場生產中該類模鍛件易因折疊而報廢。終鍛的特點是鍛件已基本成形，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鍛件質量有重要影響。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，必要時可用沾油不多的油刷直接沾入少量的干體石墨，先對上下模型槽進行少量均勻潤滑，然后在鍛件的外側拔模角的周邊全涂上潤滑劑，并盡快將鍛件放進型槽內模壓，以免潤滑劑過量揮發。斷面上外側畫點的區域均應是潤滑部位，這樣使鍛件的內側出模角、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，增大了對變形金屬表面的摩擦阻力，以使排除多余金屬的變形流動不是在鍛件的表面進行，而是在遠離表面的金屬內部進行，因此鍛件內側的表皮金屬不參與流動，這是避免模鍛件產生折疊的關鍵。多余金屬的流出首先是在外側出模角一邊開始，然后是在鍛件的內部逐漸接替進行。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，要及時將已出爐的下一個預鍛件送回加熱爐內，以防在爐外等候時間長而溫度散失過多，變形時產生粗大晶粒。掉在地上的預鍛件要立即撿起送入模膛，以防溫度散失而導致變形時晶粒長大。
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)之后才能顯現出鋁合金的本來光澤。同時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造成或已經形成的折疊等表面缺陷。一般修傷是用風動扁鏟和風動銑刀進行，對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，其展開的寬度應不小于修傷深度的5～10倍，同時在修傷過程中還要反復蝕洗，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，對坯料上可能會在模鍛過程中導致鍛件形成折疊等缺陷的各種有害因素進行機械修整。其中包括修掉鑄錠車皮時頂出的頂針孔，切擠壓毛料時帶的連皮，預鍛坯料上的局部裂紋和尖銳的棱角，以及鍛拔時的壓折，以避免模鍛時壓合、壓堆構成折疊。②中間修傷:是把經過坯壓、預鍛和成品終鍛之間各次模鍛時已經產生的折疊徹底修掉，并且也要把將會構成折疊的部位進行圓滑的擴展修整。這是模鍛生產中減少折疊廢品的有利途徑。③成品修傷;在成品驗收時，對模鍛件非加工表面上的不超過技術條件規定允許范圍內的輕微折疊，經修傷予以消除。對加工表面上存在的折疊，經剖傷來鑒別折疊的深度，看是否超過技術條件或模鍛件圖紙規定的加工余量允許的范圍，以便確定是成品或是報廢。
2．5切邊
切邊在帶鋸上進行，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:對于質量不大于30kg的模鍛件，其毛邊殘留量不大于3mm;質量大于30kg的模鍛件，其毛邊殘留量不大于6mm。形狀復雜部位，其毛邊殘留量不大于15mm。有特殊要求時，按專用技術條件或鍛件圖上的規定執行。成品切邊時，嚴禁倒立，應注意輕拿輕放，避免表面碰傷。
2．6熱處理
將鍛件立放在淬火料筐內，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℃，淬火轉移時間t≤15s，且淬火料筐在水中往復升降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時要在指定位置，且要清晰。在水壓機上較直，1MN油壓機作為輔助配合矯直，在水壓機上鍛件放在終鍛模內上三級壓力矯直。矯直后的鍛件輕輕地推入酸洗筐內并按要求擺放好，然后進行酸洗。蝕洗時間不要過長，防止過蝕洗。蝕洗后的鍛件放在矯直平臺上進行逐個檢查，對于個別不符合要求的鍛件在1MN矯直機輔助矯直。矯直合格的鍛件要打上矯直號。時效溫度155+5－2℃，按金屬溫度保溫8h，總加熱時間8h～14h;時效裝爐時，料架擺放一定要有利循環風暢通，使之加熱均勻、快速。
2．7驗收
認真執行三對照，按Q/Q817－82標準及圖紙，按Ⅱ類鍛件檢查驗收。
3鍛件組織、性能檢測
該模鍛件外形尺寸經劃線檢查，完全符合圖紙的要求?；瘜W成分分析結果符合國標中2A50-T6鋁合金的化學成分要求。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。斷口組織細密，無任何冶金缺陷。
4結束語
1)生產實踐證明，合理的模具設計和鍛壓工藝的優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計方法和鍛造工藝后，該鍛件的重量成品率由原來的31．5%提高至60%，件數成品率由原來的75%提高至100%。同時，降低了能耗，提高了生產效率。3)在合理的模具設計、工藝編制、生產操作的前提下，充分發揮操作者的技術水平，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：東北輕合金有限責任公司 哈爾濱理工大學材料科學與工程學院