锻造新工艺技术

1、热模锻生产技术金属坯料加热到锻造温度采用模锻方法实现精密成形是现代机械零件的重要成形方法 之一。机械零件中很多承力件、保安件、传动件采用了热锻成形。汽车的连杆、高速柴油机 曲轴、汽车前梁、汽轮机叶片、轴承环等都是热锻的典型件。蒸汽 -空气两用模锻锤曾经是热模锻生产的主要设备，由于能耗大、导向精度不高、又 没有顶出装置， 因而锻件精度不高。 现代大批量生产的企业通常采用热模锻压力机、 高能螺 旋压力机、电液锤为主要锻造设备。 为保证温度的一致性和高的生产率， 通常采用感应加热。 由于工艺技术提高， 设备、模具、润滑条件改进，锻件尺寸精度和复杂程度在本世纪末均有 显著提高， 如汽车连杆锻件过去重量

2、偏差在 7%8% ，现在普遍达到 3%4%；现在曲轴锻件 拐颊做到薄而深，满足了现代汽车道行驶速度提高，发动机结构紧凑，出力大的设计要求； 新型轿车转向节是一个多枝叉零件， 按照其复杂程度计算已经是热锻件的极限。 非调质钢在 汽车行业中大量应用可以利用锻件余热直接热处理， 简化了工艺和设备， 有显著节能、 节材、 节约生产面积的经济效益。工艺模拟和模具 CAD/CAM 技术的应用，使热锻成形新产品的 设计和开发周期显著缩短， 锻造机械手、 机器人和生产自动化及其配套技术的应用， 使热精 锻在质量、效率和劳动条件方面有了显著改善。精密热模锻生产通常要经过下料、加热、制坯、预锻、终锻、切边、校正或

3、精整等多道工步。 由于锻件形状尺寸和精度要求不同， 有些工步可以省去， 确定工步的一般原则和普通 热模锻生产线相似； 工艺流程设计对于正确选择和利用设备、 保证产品精度和质量、 提高生 产效率、 降低生产线投资和日常生产成本、 节能节材、 改善生产环境和劳动条件都有密切关 系，所以无论是利用企业原有条件进行技术改造， 还是新建生产线， 都要进行详细分析比较， 以下为一些应该注意的问题。1原材料和下料工步我国目前生产的钢材往往尺寸公差较大， 平直度差， 表面质量不高有时会有微裂纹， 由 于精锻后加工量小甚至不加工， 这些裂纹和表面缺陷往往会造成锻件报废， 去坯尺寸公差大 会引起下料重量偏差增大，

4、 有些时候也会影响锻件精度。 这些都必须予以考虑， 采取相应的 预防措施。2 锻造工步的确定 确定锻造工步是建设生产线的关键。工艺人员要对锻造设备及其特点有清楚的了解，对 各种锻造工艺的优缺点和适用范围也应当有正确认识， 进行综合分析比较， 兼顾当前企业实 际条件， 市场情况和技术发展趋势， 从而优选先进实用的方案。 如北京机电所的研究人员在 制定汽车前梁生产线建设方案时提出采用精辊-精锻复合工艺，替代发达国家辊锻粗坯再用大吨位压力机锻造的方案就是一个很好的例子， 在采用新方案后生产线主要设备吨位由万吨 级降到2500t，投资只是国外方案的 1/51/8，模具寿命还有提高，生产成本也有降低。柴

5、 油机的喷油体通常的工艺方案是模锻或镦锻，改用楔横轧制坯 -立锻的方案后提高了锻件精 度，节约材料降低加工费用受到后续加工企业好评，已经获得我国专利。锻造工步确定后要绘制锻件图，设计每一工步毛坯尺寸和形状。每一工步毛坯设计，通 常都以一些典型件进行类比，然后进行简单的体积计算，再结合设计人员的经验判断确定， 对于形状复杂工步多的锻件， 变形过程金属流动情况凭经验并不能准确判断， 往往还要靠新 产品试制时进行调试修改， 这种方法调试周期长， 人力物力消耗多是不能适应市场变化和产 品更新要求的。 现代计算机技术和塑性有限元技术的迅速发展， 国内外已经有比较成熟的软 件可供工艺过程模拟分析， 特别是

6、我国科技人员合作研制的可在微机上运行的工艺分析软件 已经在一批锻件制定工艺过程中应用取得好的效果，已具备了推广应用的条件。为提高生产率、保证工件质量和改善劳动条件， 锻造生产线常采用锻造机械手或机器人， 在工艺设计时就必须考虑毛坯的夹持部位和夹持的稳定性。 为了保证锻造温度一致性减少氧 化，锻坯加热，多选用感应加热。通常热锻件图是按照冷锻件图乘以热膨胀量计算，但在精锻件各部分尺寸相差较大时， 尺寸小的部位冷却快， 终锻温度会比尺寸大的部位有显著差别， 这时设计热锻件图不同部位 可以取不同的热膨胀系数。3热精锻件的模具模具是热精锻的重要保证条件。 我国科技工作者对热作模具的服役条件、 失效特征和

7、规 律作了大量试验研究工作， 从而提出合理选材、 减少钢材消耗、延长模具便用寿命的失效抗 力指标体系和选材准则， 实现了热作模具选材从经验走向科学化、 判据数值化的飞跃，可作 为合理选材、用材的参考。模具设计和加工过程对缩短生产试制周期、 提高模具精度有重要作用， 我国科技工作者 自行开发的模具 CAD CAM 系统可以在微机上运行， 直接给出的加工代码可供数控机床加 工模具或电极，考虑到模具使用时会发生磨损而增大尺寸， 在精锻模加工时尽可能按下偏差 加工，有利于延长模具寿命。模具的润滑有利于金属在模具中流动和成形， 对保证锻件充满，降低锻造力。提高模具 寿命有重要作用。水基石墨润滑剂是热模锻

8、常用的有效润滑剂，石墨颗粒在I ym左右的超微石墨润滑剂具有更好的润滑和脱模效果， 并可延长模具寿命。国产超微石墨润滑剂已经通 过生产应用证明与进口材料具有同等润滑效果。 为了避免石墨造成的污染， 国外已经研制成 功非石墨型润滑剂，其润滑性能已接近水基石墨润滑剂。 可适用于一般锻件。对于复杂的难 脱模锻件，目前仍采用超微颗粒水基石墨润滑剂， 国内研究的非石墨型润滑剂也已取得类似 试验效果。等温锻造成形 等温锻造的主要特点是模具与成形件处理基本相同的温度， 因此需要带有模具加热及控 温装置。等温锻造一般速率较低，主要采用液压机。超塑性等温锻造对温度和速率的要求比一般意义的等温锻造更加严格，而且坯

9、料的显微组织应基本属于超塑性类型。 然而二者之间没有截然的区别， 有些等温锻造过程中坯料在变 形到一定程度之后，一方面组织实现了等轴细晶化， 另一方面等温锻造一般随着变形的进行 速率会逐渐降低。因此这些等温锻造中有一个从一般的塑性成形过渡到超塑件成份的过程。 这有助于提高成形件精度和质量， 但又无须对材料进行繁杂的预处理， 比典型的超塑性等温 锻造成本要低；同时由于等温锻造的前一阶段采取了比较高的变形速率，还可以提高整个成形过程的效率，因此这是一种值得倡导的成形方式。在等温锻造基础上发展的 “热模锻造”和“温模锻造” 与等温锻造的主要区别在于模具与 成形件之间具有温差，从而减低了对模具材料的要

10、求。等温锻造特别适合于那些锻造温区窄的难变形材料， 例如高温合金、钛合金、粉末高温 合金等。等温锻造过程变形材料中常发生动态再结晶， 从而使锻件中的组织呈均匀的等轴细 晶形态。等温成形的零件尺寸精度高，既节约了材料，又减少厂加工工时。等温锻造的模具材料主要根据变形温度进行选择， 常用的有热作模具钢、铁基高温合金、 镍基高温合金、铝合金以及陶瓷等。俄罗斯的一些专家研究利用碳-碳复合材料作为1000 C以上的等温锻造模具材料， 因为这类材料具有优越的高温力学件能。 然而这类材料易于发生 高温氧化，他们研究了相应的防护措施，现在这类模具材料的应用尚在探索阶段。等温锻造设备主要是液压机，为满足等温锻造

11、的基本要求，要求液压机：横梁速度可调可控，尤其需要较低的速度； 可实现保压； 有足够的闭合高度和上作台面尺寸，以满等温锻造过程时间较长，温度较高，成形件的形状经常比较复杂，模具表面包含一些浅 细凹凸部分。因此，需要一定的涂料；在坯料加热及成形中起到防护作用， 同时在变形件与 模具之间形成连续的润滑膜以减少摩擦， 在成形后它又能起到脱模剂的作用。 在选择润滑剂 时要注意不能对模具有腐蚀作用，也不能污染成形件表面材料。与其他锻造方式相比，等温锻造更需要和更易于实现精确控制。 所以实现从模具及坯料 的设计到成形过程温度速率控制的全面计算机化， 是提高效率和质量的需要， 也是目前的技 术水平可以达到的

12、。冷温锻造工艺技术发展的关键当前冷温锻造发展的总趋势是：一方面要进一步提高成形件的精度以取得最好的经济效 益，另一方面是扩大冷温锻造工艺技术的应用范围，也就是成形件的材质含碳量及合金元素更高，形状更复杂，尺寸更大。为此必须在以下几个方面进行研究开发：1新的成形方法的开发研究（1）带附加拉伸力的杯形件反挤压法见图1，从图1a可以看出，在杯形件正挤过程中，除由凸模1施加于工件2的变形力外，芯棒4还有一个适度的向下的附加拉伸力，以减少工件壁部的变形抗力，改善材料流动，减少工件壁部和凹模之间的摩擦。图1b的成形原理和图1a基本图1带附加拉伸力的杯形挤压法a）正挤压 b）反挤压1 凸模 2工件 3凹模

13、4芯棒 5顶杆（2） 扩径正挤压法 见图2，扩径上挤压法的成形原理从图2可以看出：毛坯为圆柱形， 成形力由顶杆4向上加压，凸模1相对静止，材料轴向流动的同时，还有径向流动，成形后 的杯形件外径大于原始毛坯直径。（3）分流式冷精密锻造法 见图3,所谓分流式冷精锻，主要是针对扁平件的外径充满性而提出的。成形原理是微粗过程中创造金属向外径和内径两个方向流动的条件，从而使工件外廓充满性好，模具压力减少。（4） 闭塞锻造法 见图4,闭塞锻造也即无飞边模锻，其特点是凹模是可分的，即图4 中的立式、卧式和组合式三种。成形过程为毛坯先定位，然后凹模闭合并保持一定的压力，凸模加压成形。实现闭塞锻造成形可通过采用

14、多向锻造压力机和特制模架，如图4中的楔块式、肘杆式和可分凹模式。闭塞锻造法主要的优点是锻件不产生飞边， 节省材料；其他方法难于成形的零件用闭塞 锻造法更易成形；对于复杂零件可减少工序数目、 效率高。但是它的模具精度高，结构复杂。 因此必须开发研制专用的多工位闭塞锻造压力机和专用的闭塞锻造液压模架。图2扩径正挤压法1 凸模2 凹模3工件4 顶杆2冷温锻复合工艺的开发研究温锻技术在国外已开发出很多年，但是直到前些年才被广泛应用于汽车制造业。温锻温度范围通常为750850 C,材料屈服应力大致下降 1/3，这就可显著减小挤压时模具所受的 压力，同时可显著提高材料变形程度，减少工序和中间处理次数，并可

15、应用于冷锻难于加工的材料。采用先温锻后冷锻的复合工艺可得到单用冷锻所能达到的尺寸精度和表面粗糙度，同时能减少工序数目，使用小吨位的压力机。3加强高精度复杂形状及难成形材料零件的冷温精密成形工艺开发对于形状复杂难成形材料的零件，冷锻成形工艺的主要技术难点是要优化以下参数，即:模具承受的压力；摩擦条件；材料流动情况和速度。实现以上条件的主要手段是开发应用变形模拟技术和工艺模具设计制造的 CAD/CAM/CAE 技术。轿车的发动机、传动轴、变速箱、转向器中的弧齿锥齿轮、差速器 齿轮、轿车轴、输入轴、离合器齿轮等二十余种零件国外已实回少无切削冷温锻件的大量生 防。我国在这方面的开发研究差距较大。亦）图

16、3分流式冷精密锻造法工 a）芯轴分流法b）中空分流法4改进模具制造技术，提高模具寿命用于冷温精密成形的模具，工作负荷大，磨损快，除研究开发更好的模具材料外，还应开发研究应用PVD和CVD技术。对于温锻成形的模具还要开发无污染的白色润滑剂和冷 却液。我国模具寿命和国外差距较大，今后应着重开发研究。模具精密加工技术和装备，精密模具测量技术和装备也是制约冷温锻造工艺技术发展的主要因素之一。5开发新型的冷温锻造压力机和自动化传送设备冷温锻造压力机，尤其是带传送装置的多工位冷温锻造压力机在国外发展较快。美国的国民公司、德国的舒勒公司、日本的小松及会田公司等能提供整套冷温锻造工艺技术和生产 线装备其设备的

17、特性是：1）工作行程较长；2）刚性好，滑块运动精度高；3）滑块行程速度合理，即在工作行程范围内速度低，而在非工作行程范围内速度高;4）对于温锻压力机滑块还有温度补偿系统。图4闭塞锻造法a）立式分模b ）卧式分模c）组合式分模d）楔块式e）肘杆式f）可分 凹模式精密冲裁工艺与装备精冲工艺过程的基本特征L 一圧边 1 凸 sm 3TJWF4-EJ 3扛ai版冲范凸義7-Xff精冲工艺过程示意图 1。它和普通冲裁的主经区别是凸、凹模之间的间隙小，一般是料 厚的0.5%，相当于普通冲裁间隙的 1/10;有带齿形的V形环压边圈和反压板，精冲过程是 在压边力、反压力和冲裁力三力同时作用下进行的。精密冲裁和

18、普通冲裁从形式上看都是分离工序，但就其工艺过程的特征及制定工艺时的出发点和指导思想来说都是截然不同的。普通冲裁系通过合理间隙的选取，使材料在凸、凹模刃口处的裂纹重合，称之为控制撕裂”。精冲技术中无论是工艺的力能参数，模具的几何参数，材料的性能和球化处理以及工艺润滑剂等等，一切努力都集中围绕一个核心问题一抑制撕裂-阻止材料在精冲完成前产生撕裂，保证塑性变形的进行，为此采取了以下措施：1）冲裁前V形环压边圈压住材料，防止剪切变形以外的材料在剪切过程中随凸模流动；2）压边圈和反压板的夹持作用，再结合凸、凹模的小间隙使材料在冲裁过程中始终保持 和冲裁方向垂直，避免弯曲翘起而在变形区产生拉应力，从而构成

19、塑性剪切的条件；3）必要时将凹模或凸模刃口倒以圆角，以便减少刃口处的应力集中，避免或者延缓裂纹 的生产，改善变形区的应力状态；4） 利用压边力和反压力提高变形区材料的球形压应力张量即静水压，以提高材料的塑性；5）材料预先进行球化处理，或采用专门适于精冲的特种材料；6）采用适于不同材料的润滑剂。高效金属型铸造工艺1 铝合金件金属型铸造工艺及设备1 概述铝合金件金属型铸造方法由于其生产率高、劳动环境清洁、铸件表面光洁和内部组织致密等优点而被广泛应用。尤其是汽车发动机部件，日、美、英、德和意等工业发达国家很多 采用金属型重力浇注方法生产汽车发动机铝缸体、铝缸盖和铝活塞。近几年，我国许多厂家也引进先进

20、金属型设备或自制设备生产汽车发动机缸盖、进气管和活塞等铝铸件。金属型铸铝技术也广泛应用于航空、航天、高压电器、电力机械以及仪器仪表等行业。铝合金件金属型铸造与其他一些铸造方法（压铸、低压铸造和砂型铸造等）相比主要具有如下几方面的优 势：1）几何尺寸和金相组织等综合质量好。2）较低压及高压铸造工艺灵活，可生产较复杂铸件。3）更有利于大批量生产，实现高度自动化和简化维修；在同等生产规模下，与高、低压 铸造相比，铸造设备和金属型等工装的一次性投资更低。2铝合金件金属型铸造工艺技术（ 1）铝合金件金属型铸造工艺设计金属型铸造工艺设计关键是铸件浇注位置的确定、浇冒系统的设计和模具工作温度的控制和调节。1

21、）铸件浇注位置。它直接关系到金属型型芯和分型面的数量、金属液导入位置、排气的 通畅程度以及金属型结构的复杂程度等， 从而决定金属型加工和操作的难易程度以及铸件冷 却温度分布，进而影响铸件的生产效率，尺寸精度等内、外质量。因此，铸件浇注位置是铸 造工艺设计首先考虑的重要环节。2）浇冒系统。铸件浇冒系统设计决定铸件内、外质量。浇冒系统应具有撇渣、排气和补 缩功能，同时应保证铸件合理的凝固、 冷却温度场。 正确、合理的浇冒系统除凭经验估算外， 附算机数值模拟可直观地预测铸件凝固过程温度场， 显示铸件可能产生缩松 （孔） 的危险部 位，从而指导工艺设计， 并通过调整浇冒系统结构和尺寸、金属型结构、控制

22、冷却速度或调 整涂料层厚度等手段调节温度场、 消除铸造缺陷， 如采用底注式浇注的汽车发动机铝缸盖的 毛坯，尽管采取在上部设置几乎超过铸件重量的大冒口和底部强制通水冷却的工艺措施也难 以调整合理的顺序凝固的温度场， 难以消除底部内浇口周围过热而造成的缩松缺陷。 某厂引 进法国 Sifa 公司铝合金金属型铸造机正是采用这种浇冒系统，生产工艺不稳定。百分之百 的缸盖需浸渗， 对于缩松严重的缸盖即使浸渗也满足不了耐压要求； 而从冒口直接注入铝液， 铝液经过陶瓷过滤器净化后进人型腔， 保证了铸件合理的冷却梯度， 即自下而上的顺序凝固 方式，消除了缩松缺陷，缸盖成品率显著提高。英国 Foseco 公司曾对

23、两种浇注方法做过详 细的研究和对比试验工件，并称后者为 DYPUR 法。该法使型简化、紧凑，节省铝液，铸件 成品率高。 采用该法即使由于铝液有较高落差造成的少量夹杂缺陷， 对铸件的力学性能和气 密性影响也不大。当然，浇冒系统的开设位置、结构和尺寸大小除考虑铸件凝固温度场外， 还需兼顾型复杂程度，金属液充型是否平稳，是否具有撇渣和排气等功能。3）金属型工作温度。同样，金属型工作温度和各部分的温差对铸件的冷却温度场有着重 要的作用。对金属型局部过热区域强制水冷和风冷是为了保证该区域保持正常的工作温度， 提高生产效率， 同时消除过热， 保证正常的冷却温度场。 金属型工作温度控制比较先进和有 效手段是

24、控制冷却水出口温度，出口温度靠冷却循环水循环速度调节。如意大利 Fata 公司 和法国 Sifa 公司设计制造的金属型都有先进的水、风冷却装置。此外，对于局部厚大热节 部位还可镶嵌热导率高或蓄热量大的金属嵌块或调节涂料层厚度和涂料种类以保证铸件形 成合理的冷却温度梯度，消除局部缩松（孔）缺陷。（ 2）铝合金金属型设计及材料1）金属型设计及制造。好的金属型设计和制造技术是满足工艺设计、适应大批量、高质 量铸件生产的关键。金属型设计主要包括金属型结构、排气系统、锁紧机构，冷却系统、连 接机构以及铸件顶出机构。 合理的铸造工艺和金属型设计只有通过先进的金属型加工制造技 术来体现。2）金属型材料。适宜

25、制造金属型的材料应具有足够的高温强度、一定的热稳定性和热疲 劳强度以及足够的强韧性。 国内一般用铸铁、 铸钢和铜合金作为铝合金金属型模具材料， 平 均寿命1000050000次左右；发达国家普遍采用美国钢铁学会（ AISI ）分类的H-13，相当 于国内 4CrMoVSi 钢。 这种钢具有较高的热强度和硬度， 还具有较高的耐磨性和韧性， 用它 作模具，其铸件尺寸稳定、模具寿命长，一般大于 100000 次。当然，模具的寿命除与材质 有关外，还与模具结构、铸造合金的材料、操作和管理等因素有关。3铝合金金属型铸造设备及自动化( 1)金属型铸造设备金属型铸造机按用途可分为专用金属型铸造机和通用金属型

26、铸造机；按动力可分为手动、 气动、 电动和液压金属型铸造机。国外一些铸造设备厂按产品和用 户的要求研制出许多专用金属型铸造机， 如铝缸盖、铝缸体、 铝活塞、铝进气歧管等金属型 铸造机。制造铝合金金属型铸造机著名的有意大利的 Fata公司，法国的Sifa公司等。中国 近几年有二十多个厂家陆续从国外引进铝合金金属型铸造机和工艺技术，为国内外配套生产汽车铝合金铸件。上海汽车有色铸造总厂引进 Fata 公司金属型铸造机生产桑塔纳轿车发动 机铝缸盖，一汽轻型发动机厂引进 Sifa 公司设备生产 CA488 型汽车发动机缸盖。( 2)金属型铸造自动化生产线 金属型铸造自动化生产线包括： 金属液熔化及传送设

27、备、 浇注机、金属型铸造机、 下芯和取件机械手、 金属型涂料涂敷机、 铸件传输及浇冒口切除机、 热处理设备和炉前快速检测仪器等。 自动化生产线适用于专业化生产， 可高效清洁地生产大 批量优质铸件。真空压铸真空压铸(Vacuum-Die Casting , VDC)是一项可供钛铸件生产厂选用，能提高铸件质量，降低成本的技术。由于钛铸件在航空工业中的应用持续增长， 各生产厂家都在致力于寻求能降低生产成本 以取代高成本钛部件的生产方法，尤其是当今世界经济竞争激烈的情况下更是如此。因此， 成本较低， 机械性能与锻件相似的钛铸件， 不仅可以取代现有的钛部件， 还可以取代其它材 料的部件。VDC技术即是为生产高质量、低成本钛铸件开发的。其铸件典型的应用包括飞机 机体(如舱壁、刹车装置、齿轮、铰链等 )以及其它航空航天和工业用零部件。压铸技术用于生产铝、镁、锌、铜基合金铸件，在机械制造行业应用已有多年的历史。 这类压铸件是在大气中将金属熔化， 然后在高压下将金属熔液注入铸模中而生产的。 铸件为 净形件或近净形件， 铸后略加处理或加工就可以得到终形件， 该工艺加工周期短， 从金属熔 液到净形件的时间通常不到 15s。对钛压铸技术的要求与对传统合金的完全不同， 最重要的是金属熔化室和铸模腔必须保 持高真空， 否则，铸件氧含量就会增大， 不能满