闭塞锻造中的闭塞机构

1、闭塞锻造与闭塞机构江苏森威精锻有限公司徐祥龙闭塞锻造是一种当代先进的精密锻造工艺技术。闭塞锻造又称为闭塞挤压，其原理是将两个或几个可分凹模用足 够大的合模力闭合成一个封闭的模腔，金属毛坯在一个或多个冲头的单向或对向运动下，通过挤压充满模腔，从而得到一个几乎与模腔 形状和尺寸完全相同的无飞边近净尺寸的精锻件。闭塞锻造的特点是毛坯在封闭模腔内多向约束成形，符合三向压应力下变形的条件，因此可以在一次变形中获得较大的变形量，并容 易形成较复杂的形状。由于成形模腔达到稳定的精确封闭，锻件的形 状和尺寸精度主要取决于闭塞模腔的加工精度。因此，闭塞锻造特别 适合复杂零件的大批量生产。典型的闭塞锻件有汽车差速

2、器齿轮、等 速万向节星形套、三销轴、十字轴等。图1闭塞成形的锥齿轮图2.星形套精锻毛坯一个简单的闭塞锻造过程，至少要有由上模和下模的合模运动，和一个或几个冲头的挤压运动组合而成。当锻造过程是由一个冲头挤入封闭模腔里完成时，我们称之为单向闭塞锻造，典型的单向闭塞锻 件有锥齿轮和星形套等（见图1、图2），单闭塞锻件主要特征是上、下体积呈不对称分布。当锻造过程是2个或多个冲头同时挤入封闭模腔成形时，我们称之为双向或多向闭塞锻造。典型的双向闭塞锻件有三销轴和十字轴 等，基本上都是上、下对称的零件（见图3、图4、图5）；一.闭塞锻造专用压力机由于最简单的单向闭塞锻造至少需要合模和挤压2个不同的加压运动，

3、因此，闭塞锻造压力机必需具备相应的运动。考虑到毛坯经闭 塞锻造后会紧紧地留在凹模里，压力机还需具有顶料功能。图6.锥齿轮在闭塞压力机上的单向闭塞成形图6所示为一个锥齿轮的单向闭塞成形案例。由图6.可见，锥齿轮成形下凹模固定在工作台上，放入毛坯后，主滑块带着上凹模下行，将上、下凹模导入精确定位状态并予以高压压紧，然后，下冲头在下 滑块作用下将毛坯向上挤压充满模腔，然后，主滑块返回，工件卡紧 在上模腔并随上模回程，在上退料缸作用下被顶出上模。由图可见，闭塞成形时上滑块始终向上、下凹模提供了足够大的 模具闭合力，我们称之为闭塞力。这种场合下，闭塞力必需大于锻造 力，否则上、下凹模不能保持封闭，锻件会

4、产生飞边，严重时使上、 下凹模彻底分开，彻底破坏了闭塞成形条件， 导致闭塞锻造过程失败。由于普通锻造压力机只有一个滑块运动能提供闭塞成形运动，工作台顶出机构只能用于顶出工件，因此，普通的锻造压力机不能满足 闭塞锻造的运动动作要求。1.液压闭塞压力机为了实现闭塞锻造，人们开发了具有多向运动的闭塞锻造压力 机。最简单的闭塞锻造压力机具有主油缸、上顶出油缸和下工作缸、 下顶出缸等4个独立的驱动油缸，分别驱动上、下滑块和上、下顶料缸，因此是一种多向压力机。有的液压闭塞锻造压力机还在上滑块内 增加了工作缸，并且各缸通过数控和电液伺服系统实现顺序和同步运 动。（图7;图8）图7.液压闭塞锻造压力机图8.液

5、压闭塞锻造压力机原理图在专用的闭塞压力机上进行闭塞锻造，模架结构简单、生产工艺 稳定，设备锻造能力大，能对较大规格的产品进行闭塞锻造成形。缺 点是闭塞压力机液压系统精密复杂、设备价格昂贵，故障率高，生产 成本高、效率低。2.改装的闭塞压力机为了降低投资成本，有人在普通四柱式液压机基础上，通过加大 下横梁顶出油缸，加装滑块顶料装置等，将四柱式液压机改造成专用 闭塞压力机，也可较好地完成单向闭塞锻造生产（图9 ）。图9.四柱式液压机改装的闭塞压力机需要注意的关键点：1）普通四柱式液压机下顶出压力较小，一般不够完成闭塞挤压， 需按工艺要求更换较大的顶出缸，当下工作缸用；2 ）普通四柱式液压机下顶出缸

6、压力油来自主液压系统，而主系 统在轻载时系统压力很低，可能不足以提供闭塞挤压力。因此，要注 意调整主滑块以较大的闭塞力，使系统保持较高压力，保证下冲头有 足够的挤压力；3）因为缺少下顶料缸，所以在工艺和模具设计中，要确保工件 成形后留在上模，由上顶料缸卸料。如上顶出缸安装困难，也可采用 机械顶出装置。二.闭塞锻造模架由于专用闭塞压力机多为液压机，生产效率很难满足汽车工业中、小 型锻件大批大量生产的需要。因此，人们在高效率的单动压力机上应用专 用闭塞模架，将单动压力机滑块的单一运动转化成多个运动， 等效完成了 闭塞锻造过程。单动压力机与闭塞模架组合的方案特别适合汽车工业小型 精锻件的大批量闭塞锻

7、造生产。图10.单向闭塞模架原理由图10可见，下冲头固定在工作台（下模板）上，下凹模放置在一 组强力弹簧上。在下凹模中放入毛坯，当压力机滑块带动上凹模下行时， 上、下凹模在强力弹簧的作用下闭合。 滑块克服弹簧阻力继续下行，使冲 头与封闭的凹模产生相对运动，相当于冲头挤入凹模。这时，只要弹簧有 足够大的弹力维持凹模的封闭，就可以完成闭塞挤压成形。为提高生产效率，中、小型锻件的成形设备多选用机械式锻造压力机， 但这一类压力机的模具投影空间都非常有限。 由于闭塞锻造的闭塞力通常 在几十吨到几百吨间，受压力机工作台面积限制，闭塞模架能容纳的弹性 元件的空间非常有限。因此，找到符合大吨位小体积的弹性元件

8、是实现以上闭塞锻造的关键。在闭塞锻造工艺开发的初期，人们尝试过使用矩形截面的弹簧、蝶形弹簧、聚胺脂橡胶等充当闭塞锻造封闭凹模的弹性元件。矩形截面的弹簧和蝶形弹簧弹力太小， 而且容易因疲劳而失效， 因此 只用于小规格零件的闭塞热锻等闭塞力较小场合。聚胺脂橡胶如应用得当， 能得到较大的闭塞力。 但聚胺脂橡胶在高频 率大变形的使用时， 由于内摩擦， 橡胶基体会发热而使弹力下降， 严重时 会迅速失效。 如果限制聚胺脂橡胶的变形量或限制生产节拍， 能维持小批 量规模的生产， 但闭塞力不稳定， 而且橡胶需要频繁更换。 因此， 聚胺脂 橡胶只见于不重要产品的小批量的闭塞锻造生产中。图 11.环形闭塞弹簧 在

9、闭塞行程较短的场合下，有一种弹簧可以比较可靠应用，这就是图 11.介绍的环形弹簧。 环形弹簧原在铁路车辆上有应用，它的特点是体积小、弹力特别大， 但压力行程较小。 在某些锻件的闭塞精整场合， 闭塞行程只要几毫米就够 了。这种场合不妨采用简单可靠的环簧一试。 特别需要注意的方面是对环 簧的摩擦表面要施加可靠的润滑处理， 最好是对环簧施以表面耐磨涂层或 进行皮膜处理，并涂以二硫化钼等固体润滑剂。图 12.连杆式闭塞机构图 13.楔块式闭塞机构图 12.是利用机械连杆进行闭塞锻造的例子。该机构采用了水平分模 原理，压力机滑块带动上模板 1下行时，将水平分开的左右凹模 7 在连杆 带动下实现合模， 并

10、在连杆和模框的弹性变形下获得足够的闭塞力。 当滑 块继续下行时，冲头向下挤入凹模，完成闭塞成形过程。图 14.是利用楔块将单动压力机的单向运动分解成上、下合模和水平对向挤压 2 个运动的例子以上几种闭塞机构各有特色， 但由于存在种种不足， 因此并没有得到 广泛的应用。 直到人们开发出液压闭塞装置， 终于解决了成形闭塞力大和 模架空间小的矛盾，使闭塞锻造真正形成产业化生产。图 14.单向液压闭塞模架图 15. 单向液压闭塞机构原理1溢流闭塞系统：图 14. 是国外某公司开发的单向液压闭塞模架的照片， 图 15.是该模架 的液压机构原理，与图 10和图 11相比，用环形液压油缸替代了弹性元件。 图

11、 16.单向液压闭塞模架和液压系统原理图详细的模架结构和液压原理见图 16。模架工作时，液压油在 0.5Mpa 左右的标准车间压缩空气作用下，通过单向阀充满闭塞油缸。这时， 0.5Mpa 的油压使活塞和下模停留在最高极限。当下凹模放入毛坯，压力 机滑块下行时，上、下凹模闭合，并推动下模和活塞向下运动。这时，闭 塞油缸体积减少， 缸中的压力油迅速流出， 但管道中的压力油被单向阀截 止，液压迅速升高， 当达到溢流阀设定压力时， 油液通过溢流阀流到油箱。 调节溢流阀的设定压力，可方便调节闭塞缸的闭塞压力。图 16 所示的闭塞系统的特点是整个系统基本上是一个 0.5Mpa 左右 的低压系统， 闭塞高压

12、是在上模和滑块打击下被动产生的， 高压系统只包 含了闭塞油缸、 单向阀和溢流阀 3个元件以及 2者的连接管道。我们把这 种靠溢流产生高压的闭塞锻造系统称为溢流闭塞系统。溢流闭塞系统的优点很明显：1) 闭塞力来自滑块都打击力，闭塞压力稳定、可调；2）闭塞系统高压部分范围小，高压油泄漏机会少；3）系统结构简单，造价低。溢流闭塞系统的缺点为：1）溢流阀可靠性不足，在锻造过程中溢流阀有被堵死失效的可能， 一旦出现堵死， 液压系统将发生严重的冲击和超压， 可能会发生破坏性事 故；2）锻造过程中，高压大流量的液压油高速流过管道和溢流阀阀芯， 油液与阀芯急剧摩擦，产生大量的热量，使油温升高；3）为减少液压系

13、统的压力冲击，要求压力机滑块在合模行程中保持 平稳，避免剧烈的加速度。对策：1）为避免溢流阀堵塞事故的发生，在闭塞系统上安装了 2 个相同的 溢流阀；2）为了维持油温在许用范围内工作，选择较粗的管道口径，并对液 压油箱配备循环冷却装置。2高压液压闭塞系统针对溢流闭塞系统的缺点， 人们对液压系统进行了改进。 比较成功的 方案是在将整个液压系统改为高压系统， 并在系统中装入容量足够大的蓄 能器，用以吸纳锻造时闭塞油缸中高速排出的油液， 并维持系统压力的稳 定（见图 17）。图 17.高压液压闭塞模架高压液压闭塞机构主要特点有：1) 容易获得足够大的闭塞压力；2) 锻造过程中闭塞压力可靠、工作稳定；

14、3) 油温温升较高压溢流闭塞系统要轻；缺点：高压液压闭塞模架的缺点是整个液压系统为高压系统， 长期使用容易 泄漏。高压液压闭塞模架是至今使用最为成功的一例液压闭塞机构， 目前大 部分闭塞锻造装置都采用了高压液压闭塞机构。3高压气动闭塞模架针对液压闭塞模架结构复杂、 造价高和容易泄漏的缺点， 我们开发了 高压气动闭塞模架。其闭塞机构改为环形高压氮气气缸，经十多年使用， 证明该闭塞机构在具备液压机构优点的同时， 克服了液压机构容易漏油的 缺点，制造成本和使用成本都有大幅度下降。图 18.高压气动闭塞模架图 19.气动闭塞模架气动原理由图 19 可见，气动机构与液压机构相似， 但高压介质由油换成氮气

15、； 昂贵的高压蓄能器换成一段两端封闭的无缝钢管 (4)。高压来源于外购的 高压氮气钢瓶，经降压到 6Mpa 左右使用。改方案有如下优点：1) 高压系统投资成本比液压系统大幅度降低；2) 气动方案灵活可变：取消图示单向阀时，系统为恒压特性，在 气缸上装上单向阀后，闭塞力随闭塞行程增加而增加，对节约 锻造能耗有利；3) 根据气体的可压缩性，一定容积的气缸能吸收滑块高速运动带来的冲击，使短行程压力机用于闭塞锻造成为可能。在使用液 压闭塞机构时，设备厂方都推荐采购长行程压力机。因短行程 压力机的滑块加速度很大，液压系统无法承受如此大的冲击；4) 高压系统允许有轻微泄漏，泄漏不会对环境造成污染；5) 高

16、压气源采购容易，十多元一瓶能使用一周左右，使用成本很 低。但是高压气动模架也有缺点，主要是安全性较低，检修前一定 不要忘记放掉残余气体，否则会带来意想不到的事故。4高压气动闭塞模架的改进 针对高压气动闭塞模架的缺点，一项重大的改进就是从市场采购标 准氮气弹簧来取代专门设计 /制造的环形气缸。图 20.标准氮气弹簧如图 20 所示的氮气弹簧是冲压工业的标准件，氮气弹簧有着相对体 积小、弹力大、使用寿命长等优点，被广泛应用在冲压模架 /模具中。较 大吨位的单个氮气弹簧已做到 20 吨及以上。但氮气弹簧与环形气缸相比， 体积还是稍大。 在许多场合， 压力机的装模空间还是够用的。 只要模架有 足够大，

17、装一套 100 吨闭塞力的闭塞系统不困难。氮气弹簧使用中要经常检测和补充压力， 及时更换实效的产品。 常用 的方法是将一组弹簧用高压管到事先连接在一起，使用中可随时补充氮 气。随着氮气弹簧在闭塞锻造中被成功应用， 越来越多的锻造和模具厂商 看好氮气弹簧。 在新设计的闭塞锻造模具设计中， 我们已越来越多地看到 氮气弹簧被合理的应用。三双向闭塞锻造在三销轴、十字轴等上、 下对称的闭塞成形中， 为保证上、下金属均 匀流动， 要求采用双向闭塞锻造工艺。 但如果双向挤压速度不一致时， 会 看到有挤出的小轴向一边弯曲的现象，这在闭塞冷锻场合尤其明显。图 21.双向不均匀挤压，造成挤出支芽弯曲现象 为了保证

18、双向闭塞锻造的工艺质量，有必要对双向闭塞锻造中上、 下 2 个冲头的速度进行控制，使 2 冲头运动方向相反、速度一致。图 22.三销轴双向闭塞锻造原理在图 22 中，我们可以看到，模具和毛坯以及锻件都是上、 下对称的， 因此， 在挤压力相同条件下， 凹模合模后应实现对向同步挤压。 但是，实 际的上、下凹模加工水平有差别、 毛坯的退火和表面润滑处理也不一定均 匀。因此，在实际成形过程中，如不采取强制同步措施，是无法保证 2 冲头的同步挤压的。1双向闭塞模架的同步机构 为了实现双向闭塞锻造的正确成形， 必需对上、下冲头采取同步措施。图 23.双向闭塞模架图 24.倍速同步双向闭塞机构图 25.连杆式双向同步闭塞机构图 26 是在带有强制同步机构的双向闭塞模架上锻造成形