文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司 小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

溫鍛與冷鍛之基本（連載十三）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司 小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

轉(zhuǎn)向接頭用Y形支架閉塞鍛造模具的閉塞機(jī)構(gòu)

在上一期連載中我們簡(jiǎn)單地介紹了轉(zhuǎn)向接頭用Y形支架水平狀態(tài)成形的閉塞鍛造模具，它的主要特點(diǎn)是：

⑴無(wú)論Y形支架是否有螺栓孔等突起部位都可以從上下分割的模具中取出。

⑵Y形部分的成形沖頭和軸下部孔成形的沖頭都是通過(guò)滑塊的運(yùn)動(dòng)對(duì)錐板進(jìn)行加壓，在上期連載所講述的模具斷面圖中只有錐板加壓的動(dòng)作，但實(shí)際上還需要有使各個(gè)沖頭返回的機(jī)構(gòu)。

⑶模具的閉塞是由油缸進(jìn)行的。

與上期連載所講述的模具斷面圖相比，下面圖1所示的模具斷面圖增加了閉塞用的油壓機(jī)構(gòu)，由此組成了Y形支架閉塞鍛造的專用模具。接下來(lái)我們便利用這個(gè)圖對(duì)Y形支架的閉塞鍛造過(guò)程作個(gè)比較詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1 Y形支架閉塞鍛造完成時(shí)的模具斷面圖

圖中的閉塞力F并不是壓機(jī)的加壓負(fù)荷，這個(gè)力要大于成形過(guò)程中成形品對(duì)模具閉塞的抵抗力(加工內(nèi)壓），目的是要使上下模具的接觸面之間不產(chǎn)生間隙。加工內(nèi)壓來(lái)自水平方向Y形部分成形和軸下部開孔時(shí)形狀變化對(duì)模具造成的壓力。隨著沖頭的行進(jìn)，Y字形的形狀逐漸成形，軸向的斷面積隨之變小，同樣軸下部的孔也逐漸形成。軸向的斷面減少率越大，加工內(nèi)壓越高，促使模具張開的力就越大。如果是在溫鍛的溫度范圍內(nèi)加工，當(dāng)斷面減少率達(dá)到50%左右時(shí)，材料的變形應(yīng)力正好是其拉伸強(qiáng)度的2～4倍，這也就是說(shuō)，要按照這樣的變形應(yīng)力來(lái)計(jì)算確定其斷面減少率。Y形支架閉塞鍛造時(shí)所需要的最低限度的閉塞力F等于加工內(nèi)壓和Y形支架投影面積(圖2）的乘積。

圖2 Y形支架的投影面積

眾所周知，在溫鍛加工中溫度的變化特別是溫度的下降速度很快時(shí)，材料的變形應(yīng)力很容易變高。只靠最低限度的模具閉塞力模具很容易被打開，況且還存在有其他的因素，如圓棒直徑或切斷長(zhǎng)度等微小的差異都會(huì)使坯料的體積發(fā)生變化，當(dāng)體積大于模具內(nèi)腔的容積時(shí)就會(huì)使成形負(fù)荷上升。當(dāng)圓棒坯料的直徑比閉塞模具的尺寸稍大時(shí)(即使是只大一點(diǎn)點(diǎn)），首先需要把圓棒擠壓后才能使模具關(guān)閉，如果把油缸的閉塞力設(shè)定在最低限度，那模具很容易就會(huì)被打開，因此一般都會(huì)把閉塞力設(shè)定為變形應(yīng)力的1.2～1.3倍，這樣成形品的精度可以有一個(gè)很好的保證。由于模具內(nèi)產(chǎn)生閉塞力的油缸的面積不能隨意增減，所以經(jīng)常把產(chǎn)生油壓的油泵的輸出力的70%設(shè)定為閉塞油缸的使用壓力上限，給油壓系統(tǒng)留出富余。一般油壓系統(tǒng)的最大壓力系列為7MPa、14MPa、21MPa、35MPa，其閉塞油缸都比較緊湊。

但是，在模具內(nèi)裝有閉塞油缸的情況下，上模的油管要與滑塊一起進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，因此油管的材料不能使用鋼管，要使用可以承受高壓的橡膠管，橡膠管的彎曲直徑要大，不僅如此，在橡膠管的外面還要加裝一些鋼絲網(wǎng)類的東西，以防止油管被擦傷等。而且為了作業(yè)人員的安全，還應(yīng)該在鋼絲網(wǎng)的外面覆蓋2mm厚的透明塑膠管，理由有以下幾個(gè)：當(dāng)油管發(fā)生損傷時(shí)，可以通過(guò)透明的塑膠管及時(shí)發(fā)現(xiàn)情況；萬(wàn)一油管產(chǎn)生小洞或破裂而導(dǎo)致高壓油噴出時(shí)，塑膠管可以阻斷高壓油對(duì)操作人員的傷害，也可以防止噴出的油與高溫坯料接觸后而發(fā)生火災(zāi)；另外還可以防止油管被污濁。

閉塞鍛造壓機(jī)閉塞裝置的設(shè)置

設(shè)置在模具內(nèi)

此種設(shè)置方式的特點(diǎn)如下：

⑴將油缸設(shè)置在模具內(nèi)的方法可以針對(duì)每一件成形品進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，可以說(shuō)是專用的模具，對(duì)每一件成形品來(lái)說(shuō)都是最合適也是最容易的方法。

⑵由于油缸被組裝到了模具上，所以在模具調(diào)整完畢時(shí)閉塞裝置的調(diào)整也就完成了。

⑶每一次換模后不需要進(jìn)行微調(diào)即可使用，只要進(jìn)行油管的解脫和連接即可。

⑷由于油缸是裝在模具里面的，所以模具的整體費(fèi)用增加了。

⑸由于油缸是裝在模具里面的，所以模具的整體高度也增加了，加大了對(duì)壓機(jī)閉模高度的要求。一般閉模高度大的壓機(jī)能力也大，這就增加了壓機(jī)的成本。

設(shè)置在壓機(jī)上

這種方法是將油缸設(shè)置在滑塊上或者設(shè)置在底座里或工作臺(tái)里，通過(guò)緩沖銷或壓力銷間接地對(duì)模具起到閉塞的作用。

此種設(shè)置方式的特點(diǎn)如下：

⑴由于油缸沒(méi)有裝在模具內(nèi)，故使得模具重量減輕了，高度降低了，費(fèi)用也減少了。

⑵不需要壓機(jī)有較高的閉模高度。

⑶如果壓機(jī)緩沖銷的位置已經(jīng)固定，那么對(duì)某一件成形品來(lái)說(shuō)就不一定每一個(gè)銷子的位置都是非常合適的，因此壓機(jī)緩沖裝置的緩沖銷必須是能夠自由拔出、插入的形式，閉塞裝置使用的緩沖銷的位置一定要能夠根據(jù)成形件的形狀和大小進(jìn)行變換。在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)緩沖銷的位置進(jìn)行調(diào)查和調(diào)整來(lái)滿足生產(chǎn)的需要。在保證模具剛性的基礎(chǔ)上要充分考慮到前后左右閉塞力的平衡，最大限度地設(shè)定緩沖銷的位置和數(shù)量。與拉深加工時(shí)使用的緩沖銷不同，模具閉塞裝置使用的緩沖銷的長(zhǎng)度必須用同樣的辦法來(lái)管理其基本長(zhǎng)度。另外，閉塞力非常大，對(duì)承受閉塞用緩沖銷力的油壓活塞的受壓面的損傷非常劇烈，這會(huì)使成形件的平坦度受到不同程度的負(fù)面影響，因此，即使不用交換油壓活塞，為了維持成形件的平坦度，最好還是使用能拆卸并經(jīng)過(guò)熱處理的上壓板。即便緩沖銷的尺寸只有0.01mm的誤差，也會(huì)加大閉塞力而使緩沖銷發(fā)生彈性變形導(dǎo)致長(zhǎng)度縮短，所以要定期地交換合乎模具尺寸的銷，或者定期地對(duì)銷進(jìn)行機(jī)加工和長(zhǎng)度的微調(diào)，精確地管理好銷的長(zhǎng)度，維持好銷的尺寸精度。

旋轉(zhuǎn)斜齒輪的閉塞鍛造

在汽車零部件中，無(wú)論是驅(qū)動(dòng)部分還是其他部分都有很多適合閉塞鍛造和溫鍛的部品，如圖3所示的汽車變速器上的旋轉(zhuǎn)斜齒輪便是其中的一種。

圖3 汽車變速器上的旋轉(zhuǎn)斜齒輪

圖3 中齒輪的齒長(zhǎng)方向不是與旋轉(zhuǎn)軸平行的，大約有20°的傾斜角，這種齒輪叫作旋轉(zhuǎn)斜齒輪。旋轉(zhuǎn)斜齒輪尺寸小、回轉(zhuǎn)力大、噪聲小。旋轉(zhuǎn)斜齒輪既有圖3所示這樣分度圓直徑不到30mm的，也有分度圓直徑在100mm以上的，當(dāng)然齒形的尺寸也會(huì)相應(yīng)增大。

旋轉(zhuǎn)斜齒輪要求有很好的耐久性，有時(shí)候要對(duì)其實(shí)施淬火處理或使用特殊鋼的坯料，因此對(duì)這樣的鋼材實(shí)施冷鍛時(shí)的成形負(fù)荷是一般的冷鍛壓機(jī)難以承受的?，F(xiàn)在一般采取的方法是對(duì)小齒輪的成形使用冷鍛，對(duì)大齒輪的成形使用溫鍛。

對(duì)齒輪類零件實(shí)施鍛造成形時(shí)要注意，材料在模具中流動(dòng)時(shí)，越接近狹窄處(齒形的最前端），對(duì)材料流動(dòng)的抵抗力越大，控制不好的話便會(huì)發(fā)生齒形上缺肉的現(xiàn)象。

下面對(duì)旋轉(zhuǎn)斜齒輪的閉塞鍛造過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)要的說(shuō)明，坯料是管狀的，如圖4所示，模具如圖5所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)斜齒輪的坯料

⑴放入坯料，模具閉塞，插入芯棒。

當(dāng)坯料被送入模具后通過(guò)主要加壓機(jī)構(gòu)油缸使模具閉塞，再使用另外的加壓機(jī)構(gòu)把一個(gè)有直徑差(大直徑和小直徑兩段）的芯棒的大直徑部分壓入到坯料里。

⑵壓機(jī)滑塊加壓，模具下降，芯棒保持在原有位置。

模具在油缸的作用下下降，芯棒的位置保持不變，坯料受到下部沖頭的支撐保持在原有位置也不下降。隨著上模的下降，向坯料施加的壓力使坯料被壓進(jìn)齒形部分的空間里。這時(shí)臺(tái)階式芯棒的大直徑形成旋轉(zhuǎn)齒輪的內(nèi)徑孔，內(nèi)徑孔和芯棒的小直徑之間會(huì)產(chǎn)生空隙，這個(gè)空隙對(duì)因內(nèi)壓引起的坯料的流動(dòng)起到了很好的作用。向模具齒部流動(dòng)的材料不僅向齒牙前端流動(dòng)，還要向齒筋部流動(dòng)，必須要保證模具的齒形部不能缺肉，成形出正確的齒形。這種工藝的最大特征就是利用有直徑差的芯棒，在加壓中使坯料與芯棒之間形成空隙，這個(gè)空隙可以使成形內(nèi)壓降低，內(nèi)壓的降低就可以使模具的彈性變形減少，為齒形的高精度做出貢獻(xiàn)。

⑶模具繼續(xù)下降，芯棒上升。

模具繼續(xù)下降，坯料繼續(xù)被壓縮，這時(shí)開始提起芯棒，材料向坯料的齒部開始流入，滑塊到達(dá)下死點(diǎn)時(shí)齒輪的齒牙成形完成。

在實(shí)際生產(chǎn)中，模具的加壓機(jī)構(gòu)、芯棒的動(dòng)作機(jī)構(gòu)是采用伺服方法來(lái)進(jìn)行控制的。

以上是對(duì)溫鍛閉塞成形的說(shuō)明，下面講一下溫鍛成形使用的壓機(jī)。

圖5 旋轉(zhuǎn)斜齒輪的閉塞鍛造模具和動(dòng)作

溫鍛用壓機(jī)

溫鍛的特點(diǎn)

溫鍛與20℃常溫下的鍛造(也叫冷鍛）有很多的不同之處，它是在800℃(至少600℃）～1000℃之間進(jìn)行的，沒(méi)有熱鍛那樣的高溫，也不需要像熱鍛那樣的專門的熱鍛壓機(jī)，用熱鍛壓機(jī)來(lái)進(jìn)行溫鍛在成本上是很浪費(fèi)的。溫鍛的溫度比熱鍛低，變形抗力要比熱鍛時(shí)高，這就要求模具要同時(shí)承受較高的熱應(yīng)力和變形抗力。相比超過(guò)1000℃的熱鍛來(lái)說(shuō)雖然負(fù)擔(dān)會(huì)小一點(diǎn)，但是也要盡量減少高溫材料在模具里的時(shí)間，因此使用的壓機(jī)一般都可以在較高的行程速度下運(yùn)轉(zhuǎn)。雖然較高的行程速度會(huì)帶來(lái)一定的沖擊載荷，但為了減少熱量帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，只能在成形的精度上做出一點(diǎn)犧牲了。

熱鍛后還需要有一道整形工序，但是對(duì)于像連桿一類的有一定厚度、在形狀上和軸徑的精度上要求不高的部品，一般就不再進(jìn)行整形加工了。

現(xiàn)在，溫鍛成形的部品大多數(shù)是坯料重量在1kg以下的汽車驅(qū)動(dòng)部品和動(dòng)力傳動(dòng)部品，雖然可以像熱鍛加工一樣在鍛造成形后設(shè)定一個(gè)整形的工序，但是由于部品的精度要求不是很高，所以一般在溫鍛成形時(shí)就要使其達(dá)到精度要求，因此在使用溫鍛成形方法時(shí)要在氧化皮發(fā)生量的控制、后續(xù)加工時(shí)的溫度保持等問(wèn)題上始終要有保持精度的意識(shí)。

溫鍛壓機(jī)的特點(diǎn)

由于溫鍛壓機(jī)是用來(lái)加工等速接頭等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件的，所以它不同于以板材為坯料的鍛造加工，這是溫鍛壓機(jī)最大的特征。

⑴公稱能力一般在2500～40000kN之間。

⑵由于成形過(guò)程中溫鍛壓機(jī)要在變形抗力很大的狀態(tài)下工作，所以盡管這個(gè)抵抗力沒(méi)有冷鍛成形時(shí)高，但是也需要有較高且不亞于冷鍛壓機(jī)的公稱能力發(fā)生位置。冷鍛壓機(jī)的公稱能力發(fā)生點(diǎn)根據(jù)公稱能力的大小有所不同，一般在下死點(diǎn)以上10～25mm，肘桿式冷鍛壓機(jī)的公稱能力發(fā)生點(diǎn)在下死點(diǎn)以上5～8mm。

⑶一般溫鍛壓機(jī)的行程長(zhǎng)度在200～300mm，當(dāng)加工較長(zhǎng)的部品(軸類件）時(shí)則需要較長(zhǎng)行程的溫鍛壓機(jī)。

⑷溫鍛壓機(jī)可能達(dá)到的作業(yè)能量為壓機(jī)的公稱能力和公稱能力發(fā)生點(diǎn)的乘積，它是溫鍛壓機(jī)最基本的規(guī)格特征。該項(xiàng)指標(biāo)會(huì)因溫鍛壓機(jī)用途不同、機(jī)種不同、生產(chǎn)廠家不同等而有不同程度的差異，這是我們?cè)谶x擇溫鍛壓機(jī)時(shí)必須要首先確定的重要指標(biāo)。