文/袁曉明·江西景航航空鍛鑄有限公司

鋁合金等溫精密鍛造技術(shù)

文/袁曉明·江西景航航空鍛鑄有限公司

等溫精密鍛造技術(shù)

等溫精密鍛造技術(shù)是在等溫模鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種先進(jìn)的模鍛工藝。其實(shí)質(zhì)是將加熱到鍛造溫度的毛坯置入加熱到相同溫度并保持不變的組合式精密鍛模中，施加適當(dāng)壓力，保壓一定時間，使毛坯以低應(yīng)變速率完成鍛造過程，從而得到符合各項技術(shù)要求的精密鍛件。

20世紀(jì)60年代就開始了對等溫精鍛的研究與試驗，由于模具材料的緣故(要求模具在加熱到鍛造溫度時，仍具有良好的耐磨性、變形抗力、抗回火能力及熱穩(wěn)定性等)，鍛造溫度較低的鋁合金、鎂合金首先得到了發(fā)展。國外成功鍛造出薄肋且高寬比大的鋁合金鍛件，肋的最大高寬比為23∶1，最小肋寬為2mm，最小腹板厚度為1.5～2mm，模鍛斜度為0°～3°，圓角半徑R在0～3mm之間。

等溫精鍛件具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于金屬變形抗力和鍛造壓力的降低而減小了模具系統(tǒng)的彈性變形；由于變形溫度波動小，得到的鍛件幾何尺寸穩(wěn)定；由于鍛后殘余應(yīng)力小，使鍛件在冷卻和熱處理時的變形小，改善了鍛件的質(zhì)量；精密鍛件不需要機(jī)械加工或僅局部機(jī)械加工，從而避免切斷金屬流線，提高了其抗應(yīng)力腐蝕能力，同時提高了材料利用率。采用等溫精鍛可以生產(chǎn)出用常規(guī)鍛造方法難以生產(chǎn)的反斜度、側(cè)面凸出等幾何形狀。

我公司自1981年開始研制鋁合金、鎂合金等溫精密鍛件，制訂了鋁合金、鎂合金等溫精密鍛件的技術(shù)要求、鍛件尺寸公差與余量、表面粗糙度及鍛件結(jié)構(gòu)要素等標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性技術(shù)文件，建成了鋁合金、鎂合金等溫精鍛生產(chǎn)線，具備了批量生產(chǎn)的技術(shù)水平和能力。圖1所示的我公司生產(chǎn)的鋁合金、鎂合金等溫精密鍛件達(dá)到了國際同類產(chǎn)品水平，并已裝機(jī)使用。

等溫精鍛設(shè)備

我公司現(xiàn)有20000kN、5000kN等溫精鍛液壓機(jī)。鋁合金等溫精鍛件在5000kN液壓機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)(設(shè)備參數(shù)見表1)。基于等溫精鍛的特點(diǎn)，我們對鍛壓設(shè)備提出要求：滑塊在工作行程的位移速度慢，可調(diào)節(jié)，可在工作壓力下保壓；有足夠大的工作空間；有頂出裝置；設(shè)備剛度好。

圖1 部分鋁合金精密鍛件

■ 表1 YA32—500液壓機(jī)參數(shù)

該設(shè)備的工作壓力、壓制速度、空載快速下行和減速行程的范圍均可根據(jù)工藝需要進(jìn)行調(diào)整；并能完成定壓、定程成形兩種工藝方式。在定壓成形工藝方式中，在控制后有保壓延時及自動回程等動作，基本上滿足了等溫精鍛對設(shè)備的要求。

模具加熱裝置

目前，國內(nèi)外對模具加熱的方法主要有電阻式、電感應(yīng)式和火焰式。用于等溫精鍛的模具加熱裝置必須做到以下3點(diǎn)：

⑴將模具加熱到坯料鍛造溫度，并在鍛造過程中保持溫度不變。

⑵長期在變形溫度下工作時必須保證模具的性能不變。

⑶保證鍛壓設(shè)備與被加熱模具之間有可靠的熱絕緣。

我廠采用的是工頻感應(yīng)加熱裝置，該裝置配有升溫速度調(diào)節(jié)器，可根據(jù)需要選擇不同的升溫速度。在加熱過程中，夾具與鑲塊模之間溫差的規(guī)律性如圖2所示，通過控制夾具的溫度就能準(zhǔn)確地控制等溫精鍛模的溫度。夾具的溫度由電子電位差計等儀器測量、記錄和自動控制。

圖2 加熱時間（t）與溫度（T）的關(guān)系

等溫精鍛模具

等溫精鍛用模具主要由通用模座和組臺式精密鑲塊模組成。對模具的基本要求有：在鍛坯鍛造溫度下模具應(yīng)具有足夠大的強(qiáng)度安全系數(shù)，能長期穩(wěn)定地工作；鍛模結(jié)構(gòu)能保證鍛件成形和出模順利，模具制造方便；符合通用化，標(biāo)準(zhǔn)化要求，保證模具的經(jīng)濟(jì)性。等溫精鍛用通用模座如圖3所示。

組合鑲塊的結(jié)構(gòu)是模具設(shè)計的中心。為了簡化設(shè)計和制造，將上模制成一個整體，而下模采用組合式。圖4為盒形接頭精鍛件圖；圖5是它的精鍛模，靠螺栓固定在上模板上，上模板與上模座通過抬模叉連接。當(dāng)需要抬起上模時，將抬模叉插入，活動橫梁上行時，便抬起上模。否則，活動橫梁上行時，上模仍在凹模內(nèi)。

精密組合凹模是由兩塊或兩塊以上的鑲塊通過定位銷組合而成的。其外形和下模模座孔都設(shè)計成矩錐形狀，既便于定位，又便于從模座內(nèi)頂出。設(shè)計模具時，一般將鍛件結(jié)構(gòu)復(fù)雜部分安排在組合凹模中成形，同時應(yīng)正確選擇合理的分模位置。

等溫精鍛的模具設(shè)計有明顯的特點(diǎn)，必須考慮模具加熱后的膨脹問題。在確定型槽尺寸時，必須考慮鍛模材料與變形金屬線膨脹系數(shù)的差異。一定要保證組合凹模的外形尺寸與夾具內(nèi)形尺寸的一致性，以保證精鍛件的精度。組合凹模應(yīng)便于組合和分離，各鑲塊之間應(yīng)有穩(wěn)定的裝配保證。各鑲塊應(yīng)便于機(jī)械加工，尤其是精加工。

上、下模座的材料可選用5CrNiMo，熱處理硬度為38～42HRC，鑲塊材料可選用3Cr2W8V或5CrNiMo，熱處理硬度為42～47HRC，型槽表面粗糙度Ra在0.2～0.4μm之間，公差為精鍛件公差的1/3。

等溫精鍛工藝流程

工藝參數(shù)的確定

圖3 等溫精鍛用通用模座

在等溫精鍛工藝試驗過程中，我們對部分精鍛件的加熱溫度、加壓壓力、保壓時間三個因素進(jìn)行了三水平三因子正交試驗。盒形接頭精鍛件試驗參數(shù)見表2。

等溫精鍛時，在很寬的溫度—速度范圍內(nèi)和毛坯的任一原始組織條件下都可以減小壓力和提高塑性，這主要是因為在降低應(yīng)變速率條件下，軟化過程進(jìn)行的時間得以延長。鋁合金的超塑性曲線如圖6所示。

確定坯料變形溫度時，首先應(yīng)考慮塑性和變形抗力，以滿足成形要求，再以所得機(jī)械性能的高低來調(diào)整合金的鍛造溫度。盒形接頭精鍛件最佳參數(shù)為，精鍛溫度為380℃，精鍛壓力為450t，單位面積上的壓力為40kgf/mm2，同時需要保壓8min。

提高變形壓力對提高變形合金的變形程度有利。但是，變形壓力過大，容易造成模具型腔變形，鑲塊間間隙增大，影響精鍛件和模具的精度。故變形壓力的確定以保證模具能安全可靠地工作，并生產(chǎn)出合格精鍛件為準(zhǔn)則。

圖4 盒形接頭精鍛件圖

圖5 盒形接頭精鍛模

由于在變形溫度下，合金呈高塑性狀態(tài)，延時保壓可以改善合金的充填性，即在低變形速度的情況下延長了金屬蠕變成形的時間，有利于合金充填狹窄型腔和小圓角部分，并可以減少鍛造火次。變形速度一般在1mm/s以下。

■ 表2 盒形接頭精鍛件試驗參數(shù)

圖6 鋁合金的超塑性曲線

圖7 鍛壓及機(jī)加后荒形

以上工藝參數(shù)是在一次加熱后成形充滿的情況下確定的。生產(chǎn)過程中，由于一次成形容易產(chǎn)生缺陷，故多采用二次成形的方法。在二次成形前進(jìn)行一次清理，將一次成形產(chǎn)生的缺陷全部清除，以保證最終精鍛件的質(zhì)量。

工藝流程

等溫精鍛的典型工藝流程是：原材料復(fù)驗→下料→檢驗→蝕洗→加熱→鍛坯→打磨→檢驗→蝕洗→加熱→等溫精鍛第一火→打磨→蝕洗→檢驗→加熱→等溫精鍛第二火→蝕洗→打磨→檢驗→熱處理→蝕洗→熒光檢查→性能檢測→終檢→蝕洗→油封。

(1)制坯。

鋁合金精鍛件制坯與鋁合金模鍛件制坯一樣，采用箱式電阻爐加熱后在自由鍛錘上制坯并進(jìn)行加工。盒形接頭坯料制坯工藝參數(shù)為，加熱溫度為（470±10）℃，保溫時間為70min。在400kg空氣錘上制坯，制坯及加工后的荒形如圖7所示。

(2)潤滑。

等溫精鍛過程中坯料和模具的潤滑起著重要的作用。潤滑效果的好壞，直接影響到精鍛件的成形和質(zhì)量。等溫精鍛的潤滑劑應(yīng)具備使用溫度適合，摩擦系數(shù)小，潤滑作用時間較長，粘附性和流動性較好，保持連續(xù)、均勻的潤滑膜，環(huán)境污染少，容易清理等特點(diǎn)。

我公司采用油基膠體石墨，加入機(jī)油或氣缸油進(jìn)行稀釋。它具有油料潤滑劑的流動性，粘附性好，易形成均勻致密的薄膜等；使用中加入石墨粉，可大大提高高、中溫的潤滑性能。

(3)熱處理。

精鍛件鍛后熱處理的目的是固溶強(qiáng)化。盒形接頭精鍛件（LD7）熱處理為淬火（C）+人工時效（S）。盒形接頭精鍛件熱處理工藝參數(shù)見表3。

(4)清理、校正。

由于精鍛件在成形后帶有毛刺，鍛后冷卻或出模方式不當(dāng)時會引起變形；并且鋁、鎂合金在高溫下的粘附性大，流動性差，容易產(chǎn)生各種缺陷。因此，就需要對精鍛件進(jìn)行修剪毛刺、清理缺陷和校正等工作。

生產(chǎn)中常采用兩火次以上的成形方法，每鍛一次后，都對毛坯表面進(jìn)行清理，以保證精鍛件的質(zhì)量。精密鍛件發(fā)現(xiàn)變形可在時效前進(jìn)行校正，校正方法為用手工或在校正機(jī)上用校正模進(jìn)行校正。

理化、性能及檢測

鋁合金原材料復(fù)驗按GB 3191—1982要求進(jìn)行。盒形接頭原材料復(fù)驗結(jié)果為：LD7爐號4868的材料Rm為 41.1kgf/mm2、Rp0.2為 32kgf/mm2、A為20%。盒形接頭精鍛件力學(xué)性能結(jié)果見表4。

■ 表3 盒形接頭精鍛件熱處理工藝參數(shù)

■ 表4 盒形接頭精鍛件力學(xué)性能

鍛件流線沿鍛件截面外形分布。流線末端不外露，無穿流、渦流等缺陷，組織均勻細(xì)致，晶粒保持等軸狀，晶粒度為1～3級。鋁合金高低倍組織如圖8所示。

鋁合金精鍛件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為：模鍛斜度在0°～3°之間，肋的最大高寬比為13∶1，最小肋寬為2mm，最小腹板厚度為2.0～3.0mm，圓角半徑R在0～1.5mm之間，鍛件表面粗糙度Ra為1.6μm。

圖8 鋁合金高低倍組織

經(jīng)濟(jì)分析

影響精鍛件經(jīng)濟(jì)性的因素很多，精鍛件的材料利用率高于普通模鍛件。精鍛模具生產(chǎn)費(fèi)用高于普通鍛模，不過精鍛件單件模具費(fèi)低于普通模鍛件，精鍛件的鍛造費(fèi)用大大超過普通鍛件，但考慮加工費(fèi)用后，精鍛件的總成本低于普通模鍛件。當(dāng)產(chǎn)品的生產(chǎn)超過某一數(shù)量，采用精鍛件便是經(jīng)濟(jì)合理的，鍛造方法、成本和生產(chǎn)批量的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 鍛造方法、成本和生產(chǎn)批量的關(guān)系曲線

結(jié)束語

等溫精鍛有良好的工藝再現(xiàn)性，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定，且能節(jié)約大量原材料。等溫精鍛件的非加工面積可達(dá)到70%以上，材料利用率可達(dá)到70%～85%，機(jī)械加工量可減少70%～80%左右，可顯著縮短產(chǎn)品制造周期，降低零件生產(chǎn)總成本，提高鍛件質(zhì)量。它可以生產(chǎn)出普通模鍛難以生產(chǎn)的形狀復(fù)雜、高肋薄腹板類鍛件。等溫精鍛件的質(zhì)量全面優(yōu)于普通模鍛件。