本文通過(guò)分析鋁合金模鍛工藝特點(diǎn)、模鍛過(guò)程中易產(chǎn)生的缺陷以及應(yīng)該注意的問(wèn)題，結(jié)合開式模鍛成形理論和分流器零件圖的要求，對(duì)鋁合金分流器鍛造工藝進(jìn)行具體分析，制定了合理的鋁合金分流器等溫鍛造成形工藝，確定了制坯工步及模鍛設(shè)備，同時(shí)指出了鍛造過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題及相關(guān)的預(yù)防措施。

前言

鋁合金是常見的輕質(zhì)金屬材料，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、電子以及航天航空等領(lǐng)域。隨著輕量化的需要，鋁合金零件的需求量不斷增大。在所有的鋁合金零件成形工藝中，壓鑄是生產(chǎn)速度最快，成形件質(zhì)量較高的一種鑄造方法。它是將液態(tài)鋁合金或半液態(tài)鋁合金在高壓下快速充填金屬型的型腔，在高壓下快速凝固而獲得鑄件的方法。

一種汽車高壓油泵用鋁合金分流器（如圖1），由于其形狀較為復(fù)雜，厚度較厚，在壓鑄過(guò)程中液態(tài)金屬與模具表面發(fā)生接觸的部分冷卻速度快于液體金屬內(nèi)部，凝固結(jié)束后鑄件內(nèi)容易形成縮孔或縮松缺陷。此外，由于金屬液在澆注時(shí)過(guò)熱度較大，在充型過(guò)程中有嚴(yán)重的卷氣和氧化現(xiàn)象，使得鑄件中氣孔和夾雜較多。這些縮松縮孔、氣孔以及夾雜的存在，造成鋁合金分流器廢品率很高，材料和能源浪費(fèi)嚴(yán)重，產(chǎn)品的使用性能也存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 鑄件示意圖

與鑄造工藝相比，鍛造工藝成形則可有效的避免這類缺陷的產(chǎn)生。但是由于鍛造工藝與鑄造成形工藝不同的特點(diǎn)，對(duì)零件形狀也必須做相應(yīng)修改。只有設(shè)計(jì)符合鍛造成形工藝要求的鍛件圖，合理的鍛模結(jié)構(gòu)及選擇正確的模鍛工步，才能鍛造生產(chǎn)出更好質(zhì)量和更高成品率的產(chǎn)品。

鋁合金分流器鍛造工藝分析

鍛件圖設(shè)計(jì)

以鑄件圖結(jié)構(gòu)形狀及尺寸為參考，鋁合金分流器鍛件上必須將直徑較小的6個(gè)通孔及1個(gè)盲孔填平，中間直徑較大的通孔設(shè)計(jì)成盲孔。根據(jù)鍛造成形工藝有限元數(shù)值模擬分析，大圓柱上四個(gè)腰形盲孔部分如果保留的話，鍛造過(guò)程中容易出現(xiàn)折紋，如圖2所示，因此要求客戶對(duì)這部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

圖2 成形模擬分析

同時(shí)，原鑄件圖上所有的出模角度均為1°，由于鋁合金在鍛造過(guò)程中容易粘模，鍛造出模斜度通常設(shè)計(jì)為5°～7°，但較大的出模斜度會(huì)增加材料消耗。跟客戶溝通后，將鍛件的外拔模斜度設(shè)計(jì)為3°，內(nèi)拔模斜度設(shè)計(jì)為5°。

另外，機(jī)加工單位根據(jù)產(chǎn)品的加工工藝要求，提出在鍛件上增加三個(gè)機(jī)加工工藝壓塊，厚度為10～15mm,壓塊寬10mm左右。綜合考慮這些要求，最終設(shè)計(jì)的鍛件圖如圖3所示。

圖3 最終鍛件圖設(shè)計(jì)

鍛件技術(shù)要求

⑴材質(zhì)。

鋁合金是以鋁為基體，加入錳、鎂、銅、硅、鐵、鎳、鋅等各種元素而形成的。根據(jù)成分和工藝性能不同，鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類，如圖4所示。

圖4 鋁合金分類

原壓鑄工藝生產(chǎn)時(shí)，所用的材料為A380鑄鋁合金，屬于Al-Si-Cu系合金，含硅高，易于鑄模，便于機(jī)械加工，熱傳導(dǎo)好。產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度要求為320MPa，屈服強(qiáng)度為160MPa，伸長(zhǎng)率為3.5%，與此強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的鍛造鋁材有6系A(chǔ)l-Mg-Si系材料，其中6061的強(qiáng)度在330MPa左右，其加工性能極佳，且具有良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形，材料致密無(wú)缺陷等優(yōu)良特點(diǎn)。因此，我們選用6061作為鍛造鋁材。

⑵熱處理要求。

要求采用T6熱處理工藝，即固溶+時(shí)效處理。其中，固溶處理：530±5℃(4h)，淬水（水溫60±10℃），時(shí)效處理：175±3℃(保溫8h)

組織及性能要求：

1)硬度≥80HB（約47HRB）。

2)機(jī)械性能（屈服強(qiáng)度≥241MPa、抗拉強(qiáng)度≥262MPa、A≥7%）。

3)金相組織：無(wú)過(guò)燒。

⑶其他技術(shù)要求。

1)鍛件表面不允許有裂紋、夾雜等，表面需光滑。磕碰傷不大于2.5mm×1.5mm×1.0mm。

2)切邊毛刺不大于0.3mm。

3)外圓拔模斜度為3°，內(nèi)圓拔模斜度為5°。

4)鍛件厚度上公差＋1.2mm，下公差－0.6mm，其他尺寸公差為±0.5mm。

鍛造工藝分析

針對(duì)鋁合金分流器鍛件的形狀、尺寸精度、材質(zhì)、質(zhì)量要求的程度，初步確定其鍛造方法及流程如下：

材料檢驗(yàn)→下料→加熱→鍛造→切邊→T6處理→檢查→噴丸→終檢→入庫(kù)。

⑴材料檢驗(yàn)。

對(duì)于進(jìn)廠的鋁合金原材料，除了按標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)化學(xué)成分外，還需重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)在質(zhì)量。

供模鍛用的鋁合金原材料，一般采用鑄錠或擠壓坯料。鑄錠坯料往往具有疏松、氣孔、縮孔、夾渣、樹枝狀偏析等缺陷。擠壓坯料則是對(duì)鑄錠加熱，然后放入預(yù)熱的模具中，擠壓成形。通過(guò)熱擠壓變形可以使鋁合金鑄態(tài)組織得到較大改善，晶粒得到細(xì)化，性能得到較大提高，但也可能存在粗晶環(huán)、成層、縮尾、夾渣、氧化膜及表皮氣泡等缺陷。鋁合金原材料的上述缺陷，可能造成鍛造時(shí)的開裂，直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量。

對(duì)于一些關(guān)鍵的汽車零部件如控制臂用鋁合金原材料，通常要求對(duì)粗晶環(huán)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

⑵下料。

坯料的直徑和長(zhǎng)度尺寸應(yīng)盡可能與鍛件尺寸和形狀接近，下料端面要平整，能夠覆蓋住鍛模的型腔，以消除成形過(guò)程中坯料端面卷積，防止在鍛件表面形成折紋等質(zhì)量問(wèn)題（如圖5所示）。

圖5 坯料沒(méi)蓋住型腔，易出折紋

對(duì)于鋁合金，鋸床下料和車床下料是常用的下料方法。

⑶加熱。

6061鋁合金始鍛溫度482℃，終鍛溫度432℃，溫度范圍僅50℃。由于鋁合金鍛造溫度范圍很窄，而且加熱到400℃左右時(shí)，鋁合金的顏色不變，用肉眼無(wú)法判斷溫度。因此，加熱爐必須保持精確的溫度。鋁合金毛坯最適合在帶強(qiáng)制空氣循環(huán)裝置和自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的電阻爐內(nèi)加熱。為了避免加熱不均勻，毛坯在爐內(nèi)放置應(yīng)離開爐門250～300mm。

由于鋁合金的相組成復(fù)雜，為了保證強(qiáng)化相充分溶解，其加熱保溫時(shí)間比一般碳鋼時(shí)間長(zhǎng)，且合金化程度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)。加熱保溫時(shí)間合理，鋁合金塑性好，可以提高鋁合金鍛造性能。

多數(shù)鋁合金坯料保溫時(shí)間按坯料直徑或厚度1.5～2min/mm（乘以坯料直徑或厚度得到保溫所需時(shí)間）計(jì)算，而高強(qiáng)度鋁合金的加熱保溫時(shí)間應(yīng)按2～3min/mm計(jì)算。合金元素含量高的取上限，直徑或厚度較大的取上限，重復(fù)加熱時(shí)的時(shí)間可以減半。擠壓、軋制坯料加熱到鍛造溫度后是否需要保溫，以在鍛造時(shí)不出現(xiàn)裂紋為準(zhǔn)，而對(duì)于鋁鑄錠則必須保溫。

我司提交的首批300件分流器樣件，采用中頻電感應(yīng)加熱后直接鍛打，機(jī)加工發(fā)現(xiàn)一件內(nèi)部裂紋（圖6）。經(jīng)東風(fēng)公司工藝研究所分析，認(rèn)為與加熱質(zhì)量有關(guān)，因此決定采購(gòu)帶強(qiáng)制空氣循環(huán)裝置和自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的電阻爐加熱，再?zèng)]出現(xiàn)過(guò)類似質(zhì)量問(wèn)題。

圖6 心部裂紋件

⑷鍛造。

鋁合金鍛造有以下特點(diǎn)：

1)鋁合金鍛造時(shí)摩擦系數(shù)大，粘附力強(qiáng)，所以鋁合金的流動(dòng)性相對(duì)其他合金的流動(dòng)性較差，在鍛造時(shí)必須要有較好的潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑的好壞會(huì)影響鍛造力、鍛造缺陷、晶粒流線等。鋁合金鍛造通常用的潤(rùn)滑劑是高純度微粒石墨制成的油性潤(rùn)滑劑。

2)鋁合金的臨界變形程度為12%～15%，終鍛溫度下的變形程度應(yīng)控制在小于12%或大于15%。否則鋁合金鍛件容易產(chǎn)生大晶粒；此外，模具表面粗糙，變形不均勻，終鍛溫度低，淬火溫度高、時(shí)間長(zhǎng)等都會(huì)導(dǎo)致大粗晶產(chǎn)生。一般而言，對(duì)于采用液壓機(jī)生產(chǎn)的鋁合金鍛件，模具表面粗糙度要求Ra0.4μm，對(duì)于熱模鍛壓力機(jī)，由于鍛打速度比較快，加上油性潤(rùn)滑劑的作用，鍛模表面粗糙度在Ra1.6μm即可。

3）由于鋁合金的導(dǎo)熱性好，鍛造溫度范圍很窄，如果模具沒(méi)有預(yù)熱，或預(yù)熱溫度不夠也會(huì)引起裂紋產(chǎn)生，因此要對(duì)鍛造工具和鍛模充分預(yù)熱。為此，我們開發(fā)出采用天然氣在線烤模的方式，保證模具溫度始終在430℃左右，與坯料溫度基本一致，實(shí)現(xiàn)鋁合金的等溫鍛造。實(shí)踐證明采用等溫鍛造工藝，鋁合金的流動(dòng)性和充填性好，變形抗力小，避免了鍛件的外表面和內(nèi)部的缺陷，質(zhì)量達(dá)到國(guó)外同類鍛件的技術(shù)要求。

⑸切邊。

鋁合金鍛件的模鍛過(guò)程跟鋼質(zhì)鍛件基本相同，依次要經(jīng)過(guò)制坯、預(yù)鍛、終鍛過(guò)程。鍛后通常采用冷切邊，鋁合金鍛件的切邊工藝與鋼質(zhì)鍛件的切邊工藝有較大區(qū)別，主要表現(xiàn)在鋁合金鍛后冷卻切邊時(shí)，切邊凹模刃口與鍛件本體的間隙要比鋼質(zhì)鍛件的大1.2～1.5倍，否則在切除飛邊的同時(shí)，易將鍛件表皮扯下一層皮（類似樹皮狀），如圖7所示。一方面可能與鍛后鋁合金材料較軟有關(guān)，另一方面可能與鋁合金鍛件飛邊附近的變形程度在臨界變形程度上有關(guān)，造成飛邊附近形成了粗晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，鍛件外拔模角度較小（2°～3°）也可能有一定的影響。

圖7 切邊啃傷

對(duì)此問(wèn)題，目前的解決方案是分兩次進(jìn)行切邊，首次切邊在鍛后冷卻到常溫后進(jìn)行，切邊刃口與鍛件本體的間隙較大，使切邊刃口離鍛件本體較遠(yuǎn)，切邊后鍛件上殘留毛刺較大，然后對(duì)鋁合金鍛件進(jìn)行T6熱處理，使鍛件硬度提高，再進(jìn)行第二次切邊，將鍛件上殘留的毛刺切除干凈，圖8為精切邊效果。

圖8 精切邊質(zhì)量

鍛模設(shè)計(jì)

鍛模設(shè)計(jì)最重要的是預(yù)鍛模設(shè)計(jì)和分模面的設(shè)定，而且必須考慮到使鍛造流線按照制品負(fù)荷應(yīng)力方向成形。

制坯工步

通過(guò)模擬分析，鋁合金分流器的坯料規(guī)格為φ83mm×137mm比較合適，考慮到材料規(guī)格的通用性，選擇下料規(guī)格為φ80mm×150mm，然后通過(guò)制坯工步將其鐓粗到高度137mm，直徑φ83mm。工藝調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該方式鐓粗坯料外圓表面受拉應(yīng)力，會(huì)增大坯料表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在坯料加熱溫度接近過(guò)燒溫度時(shí)，坯料一鐓鍛即炸開，炸開的紋理跟樹桿的紋理差不多，如圖9所示。

圖9 過(guò)燒件鐓粗開裂

為了規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)對(duì)預(yù)鍛模結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，制坯工步改進(jìn)為直接將坯料平躺著壓扁到50mm厚，然后放到預(yù)鍛模上成形。

預(yù)鍛工步

有專家認(rèn)為，鋁合金鍛造，必須采用半閉式結(jié)構(gòu)，使鋁合金在三向壓力狀態(tài)下成形。為了驗(yàn)證該觀點(diǎn)的正確性，我們先將預(yù)終鍛模具都按開式模鍛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，預(yù)、終鍛均按開式模鍛工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全能夠成形出合格的鍛件，只是材料利用率稍低。

隨后將預(yù)鍛模改進(jìn)為擠壓筒式結(jié)構(gòu)，下模采用一前一后的兩個(gè)頂料桿，保證頂料平穩(wěn)。由于所用的設(shè)備下頂料動(dòng)作更可靠，為保證鍛件盡可能的留在下模中，再由下模頂桿頂出型腔，將下模鉗口形狀設(shè)計(jì)成前小后大的喇叭口形狀，通過(guò)飛邊的形狀來(lái)增加鍛件不被上模帶起的阻力。

對(duì)于終鍛工步，還是采用開式鍛結(jié)構(gòu)，頂料方式同預(yù)鍛模一樣，上模增加一個(gè)頂桿，下模改成一前一后兩個(gè)頂桿，借助夾持器下模的T形頂桿，使這兩個(gè)頂桿同時(shí)頂起，保證鍛件平穩(wěn)脫離下模。

設(shè)備噸位的確定

鍛造設(shè)備噸位與鍛造方法、產(chǎn)品形狀、材料的變形抗力等因素有關(guān)。普通鍛件的平均鍛造壓力為3.0噸/平方厘米，用該數(shù)值乘上鍛件壓下方向相對(duì)的投影面積就可以推算出鍛造力。腹板厚度與飛邊厚度越薄，鍛造壓力越高，腹板厚度與鍛件的投影面積成正比。

結(jié)論

⑴不同于鋼質(zhì)模的生產(chǎn)工藝流程，鋁合金鍛件的工藝流程為：材料檢驗(yàn)→鋸切下料→加熱→鍛造→粗切邊→T6處理→硬度檢查→精切邊→噴丸→終檢→入庫(kù)→發(fā)交。

⑵采用天然氣在線烤模的方式，保證模具溫度始終在430℃左右，實(shí)現(xiàn)鋁合金等溫鍛造。

⑶采用粗、精兩次切邊工藝。粗切時(shí)用壓緊圈將飛邊壓緊，切邊凹模與鍛件間隙控制在0.6mm以上，鍛件上殘留毛刺較大；再進(jìn)行T6熱處理，使硬度提高，晶粒細(xì)化；最后進(jìn)行精切邊，切除殘留的毛刺，保證質(zhì)量符合圖紙要求。

——文章來(lái)自《鍛造與沖壓》第5期