俄羅斯、美國和英國在通用鍛壓設(shè)備上進(jìn)行分模鍛造和多向模鍛

文／李之海，李建·江蘇海達(dá)管件集團(tuán)有限公司

俄羅斯、美國和英國在通用鍛壓設(shè)備上進(jìn)行分模鍛造和多向模鍛

文／李之海，李建·江蘇海達(dá)管件集團(tuán)有限公司

如何選擇分模模鍛和多向模鍛的設(shè)備（不包括平鍛機(jī)），歷來有兩種不同觀點(diǎn)，一種認(rèn)為應(yīng)當(dāng)在通用曲軸壓力機(jī)上借助于分模模鍛裝置進(jìn)行，這樣的經(jīng)濟(jì)效果好；另一種認(rèn)為需要設(shè)計(jì)專門用于分模模鍛的曲軸壓力機(jī)。這兩種觀點(diǎn)各有千秋，在現(xiàn)實(shí)的國外生產(chǎn)中也都各有應(yīng)用。

分模模鍛和多向模鍛是在密閉的可分鍛模中進(jìn)行擠壓的一種過程，要求機(jī)器具有足夠的合模力、較大的工作行程、較大的壓力、較高的剛性、較高的精度和良好的導(dǎo)向精度，并且便于毛坯的裝入和鍛件的卸出?，F(xiàn)代通用熱模鍛曲軸壓力機(jī)已經(jīng)具有較大的工作行程、較高的精度、剛度以及良好的導(dǎo)向精度，適宜于進(jìn)行擠壓；但在一般情況下，與之配合使用的分模模鍛和多向模鍛裝置卻不易保證足夠的合模力，而且體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響裝料和卸料，安裝和調(diào)整復(fù)雜，更不能滿足采用兩個(gè)模膛的要求。因而，在鍛件批量很大時(shí)，采用分模模鍛和多向模鍛曲軸壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)就很明顯。

分模模鍛設(shè)備成本較高，一次性投資大，但由于機(jī)構(gòu)的動作和力的作用規(guī)范，因此可以更好地適應(yīng)特定類型鍛件的變形要求，進(jìn)一步提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約能量。例如，日本豐田汽車公司的總壓力為6MN的專門化分模鍛造壓力機(jī)，按其生產(chǎn)率和所生產(chǎn)的鍛件形狀，相當(dāng)于一臺10～16MN的通用熱模鍛曲軸壓力機(jī)。

分模模鍛雖然屬于閉式模鍛，但并不一定就是精密模鍛，仍然可以根據(jù)具體條件規(guī)定尺寸公差、安排余料槽(補(bǔ)償腔)，甚至還可以允許微小的飛邊。

現(xiàn)實(shí)的做法是以取得主要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果為目標(biāo)，以昂貴的設(shè)備和模具去換取鍛件的高精度并不一定在什么時(shí)候都合理。某些形狀較為簡單的零件仍可在通用的模鍛壓力機(jī)上采用專門的分模模鍛裝置模鍛。本文分別以俄羅斯、美國、英國為例，說明一下分模模鍛工藝和多向模鍛工藝的應(yīng)用情況。

俄羅斯

前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代起就開始研究多向模鍛和分模模鍛工藝。和其他各國不同，他們都力圖在通用的熱模鍛曲軸壓力機(jī)上采用專用的多向模鍛或分模模鍛裝置來制造汽車、拖拉機(jī)的鋼鍛件。后來由于發(fā)現(xiàn)合模剛性不足，才轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)專門的分模模鍛和多向模鍛壓力機(jī)。

前蘇聯(lián)研究多向模鍛和分模模鍛這兩種工藝的主要有俄羅斯沃龍涅什市的前蘇聯(lián)鍛壓機(jī)械實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所（эникмаш）和前蘇聯(lián)拖拉機(jī)農(nóng)機(jī)研究所。

前蘇聯(lián)鍛壓機(jī)械實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所

俄羅斯沃龍涅什市的前蘇聯(lián)鍛壓機(jī)械實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所起初和莫斯科汽車機(jī)械學(xué)院合作搞了一套試驗(yàn)性的垂直分模的分模模鍛裝置，用于在6300kN熱模鍛曲軸壓力機(jī)上模鍛汽車萬向軸的十字頭。后來該所又和高爾基汽車廠合作在16MN熱模鍛曲軸壓力機(jī)上對載重汽車差速器的十字頭進(jìn)行分模模鍛試驗(yàn)。此外，高爾基汽車廠還做過載重汽車的萬向節(jié)叉和羊角分模模鍛的試驗(yàn)工作。

前蘇聯(lián)鍛壓機(jī)械實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所還開發(fā)過在8MN熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)行多向模鍛自行車賽車的右連桿。由于直接對圓柱體毛坯分模模鍛容易使鍛件金屬的內(nèi)部產(chǎn)生夾層和缺料，使鍛件報(bào)廢，增加制坯工序后再分模模鍛則克服了這一缺點(diǎn)。據(jù)介紹，他們在第一工序中使坯料桿部一端金屬沿與坯料成90°延伸，即彎曲90°，然后在第二工序的分模模鍛中鍛出三個(gè)枝丫并使桿部延伸至全長。這樣生產(chǎn)出的自行車賽車的右連桿鍛件，內(nèi)部沒有夾層和缺料現(xiàn)象。

前蘇聯(lián)鍛壓機(jī)械實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所還用這種“兩道工序法”模鍛成功吉爾-150型汽車后橋差速器的十字軸和嘎斯-51型汽車方向盤傳動桿的端部。該所認(rèn)為汽車、拖拉機(jī)和農(nóng)機(jī)的模鍛件中，有相當(dāng)一部分可以應(yīng)用分模模鍛工藝生產(chǎn)。僅吉爾-164型汽車的萬向軸十字頭一種零件由開式模鍛改為分模模鍛后，按照20世紀(jì)60年代初的產(chǎn)量計(jì)算，和原開式模鍛相比，省料22%～24%，每年節(jié)約鋼材360000kg，勞動生產(chǎn)率提高50%～100%。1970年，前蘇聯(lián)鍛壓機(jī)械實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究所研制成功10000kN分模模鍛壓力機(jī)。

俄羅斯的前蘇聯(lián)拖拉機(jī)農(nóng)機(jī)研究所

該所試驗(yàn)成功十字頭的分模模鍛工藝，并于20世紀(jì)60年代末在羅斯托夫農(nóng)機(jī)廠建成了一條十字頭模鍛自動線。

由吊車將長達(dá)6m的熱軋棒料放入自動料架的料斗，然后棒料被自動送向2500kN曲軸壓力機(jī)的自動切料模，切下的坯料自動卸出并送入滾筒清理。再由提升機(jī)送入高頻加熱裝置的料斗，然后由推料桿將其推入感應(yīng)圈加熱至1100～1200℃。自動卸出后，由壓力機(jī)的滑塊帶動的自動送料裝置送入4000kN曲軸壓力機(jī)下凹模3（如圖1所示）的加料孔內(nèi)。壓力機(jī)滑塊繼續(xù)向下運(yùn)動，上凹模2與下凹模3閉合，這時(shí)加料孔里的坯料不產(chǎn)生變形。然后在壓力機(jī)滑塊的帶動下，上凹模2與下凹模3一起繼續(xù)下降，固定在固定模座7上的下沖頭4將毛坯金屬由加料孔擠入上凹模2與下凹模3組成的模腔內(nèi)部，使毛坯成形，同時(shí)多余金屬流入模腔的余料槽。壓力機(jī)滑塊上升，上凹模2與下凹模3分開，復(fù)位。鍛件被帶起并由滑塊內(nèi)部的頂料桿頂出。上凹模2的模膛設(shè)計(jì)有拔模斜度，所以頂出容易，然后由壓力機(jī)滑塊帶動的卸料裝置將其從壓力機(jī)上卸出。

一次工作行程后，用水對模具冷卻，冷卻水通過上凹模頂料桿的孔向下噴，如圖1所示。用油基石墨（70%機(jī)油和30%石墨）的混合潤滑劑對模具自動潤滑。

圖1 十字頭公模模鍛裝置示意圖

模具壽命最高可達(dá)15000件，如自動線的模鍛節(jié)拍為5～6s，模具平均壽命為10000～12000件。

凹模為鑲塊組合結(jié)構(gòu)，鑲塊材料為3Cr2W8鋼，硬度為48～52HRC；模套材料為35CrMnSi鋼，硬度為38～44HRC。采用這種工藝后，十字頭鍛件節(jié)約材料消耗24%，自動線的生產(chǎn)率為600～720件/h，整條自動線的全部投資在兩年內(nèi)收回。

其他研究院校

此外，前蘇聯(lián)還有不少單位研究分模模鍛工藝，例如列寧共青團(tuán)汽車制造廠和查波羅什機(jī)械學(xué)院莫斯科汽車機(jī)械學(xué)院、前蘇聯(lián)汽車工藝研究所等。

莫斯科汽車機(jī)械學(xué)院和莫斯科小型汽車廠合作開發(fā)在通用壓力機(jī)上使用分模模鍛工藝生產(chǎn)莫斯科人牌小汽車十字頭。這套裝置系水平分模，沖頭裝在上模座上，上凹模裝在活動模座內(nèi)，下凹模裝在固定模座上。當(dāng)壓力機(jī)滑塊帶著上模座和沖頭向下運(yùn)動時(shí)，裝在上模板上的圓柱彈簧首先使中模板下降，上、下兩個(gè)凹模閉合。然后在工作行程末端，裝在圓柱彈簧內(nèi)部的碟形彈簧進(jìn)一步將模具壓緊，保證金屬充滿模膛。圓柱和碟形彈簧的總壓力為400kN。據(jù)稱這一壓力足以使模具在工作行程時(shí)不會分開，使鍛件不致沿著水平分模面產(chǎn)生飛刺。

其實(shí)這種彈簧壓緊裝置不能確保模具剛性閉合,而且彈簧力小，只能用于小件鍛造，如果增大彈簧，又必然導(dǎo)致模鍛裝置體積加大。另外，當(dāng)上、下凹模分開后，活動模座和固定模座之間的空間小，卸出鍛件很不方便。

為了提高沖頭的耐磨性，延長其使用壽命，將沖頭的端部設(shè)計(jì)成平的，鍛件中央截面形狀有所改動，機(jī)械加工余量有所增加。

前蘇聯(lián)汽車工藝研究所20世紀(jì)50年代還和一些汽車廠合作研究在通用壓力機(jī)上分模模鍛汽車十字頭。先是采用氣動夾緊，合模力不足。后來在和雅羅斯拉夫汽車廠合作時(shí)，設(shè)計(jì)帶肘桿—杠桿夾緊裝置的水平分模。

該所還對萬向節(jié)叉進(jìn)行分模模鍛制坯，首先在水平分模的模具內(nèi)對圓棒料擠壓，然后再進(jìn)行有飛邊模鍛，使鍛件獲得最終形狀。鍛件的飛邊也很少，比一般模鍛省料15%。

美國

美國福特汽車公司1969年申請了一項(xiàng)關(guān)于萬向節(jié)十字頭分模模鍛工藝的專利。該專利主要內(nèi)容為采用可分閉式模具在壓力機(jī)的一次行程中獲得精確的十字頭鍛件。

采用垂直分模(即分模面平行于沖頭軸線)，凹模按360°平均分成4個(gè)可分合的部分，模具的外面為模套。工作時(shí)，將坯料放置在固定不動的下沖頭上。當(dāng)壓力機(jī)滑塊帶著楔形導(dǎo)桿向下運(yùn)動時(shí)，楔形導(dǎo)桿插入模具和模套之間，使模具的4個(gè)部分互相密切貼合，滑塊帶動閉合的模具和模套繼續(xù)下降。最后上沖頭以400kN壓力擠壓坯料，使金屬充滿模膛，形成十字頭枝丫。

毛坯材料為AISI-5115鋼，硬度為75～90HRB，圓柱毛坯，直徑φ(32～37)mm?？梢岳溴?，也可以在760℃的半熱態(tài)下模鍛。鍛好后的鍛件的幾個(gè)枝丫都不再需要機(jī)械加工，僅需切去沿分模面所產(chǎn)生的一些毛刺。

采用垂直分模模鍛時(shí)，模具的張開力達(dá)到模鍛壓力的70%～100%，而且凹模始終有垂直分開的趨勢，沖頭和凹模加料孔壁之間的間隙增大，產(chǎn)生端面毛刺。這種端面毛刺不易在壓力機(jī)上切除，一般采用其他機(jī)械加工方法切除。

其次，垂直分模面也不易保證貼合，在模鍛形狀復(fù)雜的不對稱件時(shí)，在分模面間產(chǎn)生飛刺。還有，由于鍛件溫度很高，模鍛時(shí)金屬流動時(shí)的摩擦劇烈增加，模具壽命不高。只有鍛件批量達(dá)到足夠大時(shí)，收回投資費(fèi)用的時(shí)間才短。

在立式通用壓力機(jī)上分模模鍛時(shí)，水平分模比垂直分模好。因?yàn)椴捎盟椒帜?即分模面垂直于沖頭軸線)時(shí)，金屬和凹模加料孔壁之間的摩擦力有助于兩個(gè)凹模鎖緊，減小模具的張開力，張開力約等于模鍛壓力的20%～40%。在特定條件下，也可以沒有張開力，即張開力為零，形成飛邊的可能性變?。粵_頭和上凹?？妆谥g的間隙較小，也不易產(chǎn)生端面飛刺。

英國

英國Wilkins & Mitchell公司生產(chǎn)了一種模鍛黃銅零件的HB系列熱模鍛壓機(jī)，生產(chǎn)三通、四通管件。HB系列有1000kN、2000kN和2500kN三個(gè)規(guī)格，其壓力機(jī)本身是Wilkins & Mitchell公司的標(biāo)準(zhǔn)整體焊接機(jī)架結(jié)構(gòu)。偏心傳動，1000kN壓力機(jī)分布于偏心兩側(cè)的為人字齒輪，2500kN壓力機(jī)分布于偏心兩側(cè)的是兩個(gè)斜齒輪，壓力機(jī)采用氣動多盤摩擦離合器和制動器部件。

圖2 英國Wilkins & Mitchell公司的垂直分模裝置

圖3 英國Wilkins & Mitchell公司的水平分模裝置

1000kN熱模鍛壓機(jī)的行程次數(shù)為60次/min，2500kN的行程次數(shù)為48次/min，HB系列熱模鍛壓機(jī)上進(jìn)行分模鍛造的垂直分模裝置如圖2所示。其工作原理為：模鍛開始前，接通氣源，先將坯料放在可沿垂直方向朝其加壓的主沖頭——下沖頭上。在氣缸的作用下，4個(gè)水平滑塊分別帶著水平?jīng)_頭向坯料運(yùn)動。開動壓力機(jī)，壓機(jī)主滑塊帶動上套環(huán)下降，上套環(huán)的內(nèi)錐面將4個(gè)帶外錐面的水平滑塊向內(nèi)壓緊。主滑塊繼續(xù)下壓，支承在氣墊上的整個(gè)垂直分模裝置下降，于是在下沖頭的作用下使坯料擠壓成形。最后，主滑塊升起，水平滑塊分開，鍛件快速頂出分離。這種方法適用于主要變形載荷在一個(gè)方向上的零件。

HB系列熱模鍛壓機(jī)上進(jìn)行分模鍛造的水平分模裝置如圖3所示。其工作原理是：整個(gè)水平分模裝置放在氣墊上，工件放在下模內(nèi)，機(jī)器主滑塊帶動上模下降，模具閉合，在模具閉合過程中坯料開始變形，主滑塊繼續(xù)下壓，推動整個(gè)裝置下降。矩形擺桿上的斜面（也就是凸輪面）推動水平滑塊到指定位置，其上的水平?jīng)_頭成為固定模芯，對工件擠壓。

該水平分模裝置中部有固定模芯,由主滑塊推動。三個(gè)水平滑動沖頭由矩形擺桿上的斜面向中心推動，可以先進(jìn)入模膛。除去四個(gè)水平?jīng)_頭（或模芯）外，還可以再加上、下兩個(gè)垂直沖頭，前者穿過上模向下擠壓，后者穿過下模向上擠壓。這樣就可以獲得形狀較為復(fù)雜的鍛件?？墒箾_頭（或模芯）在水平面內(nèi)呈一定角度布置，從而獲得帶有銳角或鈍角枝丫的鍛件。水平分模裝置主要用于多向模鍛，垂直分模裝置主要用于分模模鍛。多向模鍛可以生產(chǎn)更復(fù)雜的鍛件。