多向模鍛工藝及模具設(shè)計

1、多向模鍛1 概述多向模鍛技術(shù)又稱多柱塞模鍛，是于20世紀(jì)50年代美國Cameron（卡麥?。┕咎岢霾崿F(xiàn)的鍛造新技術(shù)，利用可分模具，在多向模鍛壓機(jī)一次行程作用下獲得無毛邊、無拔模斜度或小拔模斜度、多分枝或有內(nèi)腔的形狀復(fù)雜的鍛件。它是一種集擠壓、模鍛于一體的綜合工藝。與普通模鍛相比，能減少工序和節(jié)約能源，提高鍛件的性能，對實現(xiàn)鍛件精化、改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高勞動生產(chǎn)率等方面具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。自上世紀(jì)五十年代以后，美、英、法、德和原蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，相繼推廣應(yīng)用和發(fā)展了多向模鍛技術(shù)。我國于上世紀(jì)六十年代中期，也開始自主研發(fā)多向模鍛水壓機(jī)和多向模鍛工藝。1.1 多向模鍛的成形原理及類型進(jìn)行多向模

2、鍛的前提條件，必須擁有多向模鍛壓機(jī)，圖1-1是二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司和清華大學(xué)共同研發(fā)的40MN多向模鍛壓機(jī)。1234567圖1-1 40MN多向模鍛壓機(jī)1上半圓梁 2合模工作缸 3垂直工作缸 4活動橫梁5回程缸 6水平工作缸 7下橫梁由圖1-1可知，多向模鍛壓機(jī)和普通模鍛壓機(jī)有很大區(qū)別，機(jī)架在左右方向設(shè)計成一定角度，機(jī)架采用鋼絲纏繞提供機(jī)架垂直方向和水平方向的預(yù)緊力。多向模鍛液壓機(jī)可以在不同方向按不同順序用沖頭對閉式模具中坯料進(jìn)行擠壓，使其能很好的充滿模具型腔。鍛造結(jié)束后模具分開，方便從模具型腔內(nèi)取出鍛件。多向模鍛根據(jù)鍛件的分模方式不同，可以分為三種類型：即垂直分模；水平分模；垂直與水

3、平聯(lián)合分模(簡稱復(fù)合分模)，見圖1-2所示。由圖可清楚看到這三種多向模鍛的分模方式及其成形原理，如下：圖1-2 多向模鍛分模方式(1)垂直分模 (2)水平分模 (3)復(fù)合分模(1)垂直分模垂直分模是把左右模具固定在壓力機(jī)的水平缸活塞上，將垂直沖頭固定在垂直穿孔缸的活塞上，以水平缸活塞壓緊左右模具，把坯料放入模具模腔中，用垂直沖頭擠壓坯料使坯料填滿模具型腔。鍛造結(jié)束后，垂直沖頭回程，水平缸回程打開左右模具，鍛件從模具型腔中取出。(2)水平分模水平分模中上下模具分別固定在活動橫梁和下橫梁上，垂直沖頭固定在垂直穿孔缸的活塞上，水平?jīng)_頭固定在水平穿孔缸的活塞上。坯料放入下模模具型腔后，上模在活動橫梁的

4、作用下使上下模壓緊。垂直沖頭和水平?jīng)_頭分別對坯料進(jìn)行擠壓，使坯料填滿模具型腔。鍛造結(jié)束后，垂直沖頭和水平?jīng)_頭分別回程，棟梁回程是上下模具分開，鍛件從模具型腔中取出。(3)復(fù)合分模復(fù)合分模是坯料放入下模模具型腔后，左右模合攏并壓緊，上沖頭擠壓坯料變形，然后水平?jīng)_頭對坯料進(jìn)行擠壓，使金屬完全填充滿模具型腔。鍛造結(jié)束后，左右模分開，鍛件從下模型腔中取出。在制定鍛件多向模鍛工藝時，首先要正確選擇分模方式，合理確定分模面。通常，是根據(jù)鍛件的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)的特征，如鍛件外形復(fù)雜程度；垂直與水平方向的投影面積大?。挥袩o成形孔腔的要求，內(nèi)孔長度與孔徑之比等，并結(jié)合企業(yè)已有的多向模鍛液壓機(jī)的力能參數(shù)，柱塞行程

5、和安模空間等方面條件，綜合確定分模方式和分模面位置。1.2 多向模鍛的技術(shù)特點(diǎn)多向模鍛實質(zhì)上以擠壓為主，擠壓和模鍛相結(jié)合的一種工藝。與普通模鍛相比，多向模鍛有以下特點(diǎn)：(1)能成形結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的鍛件，顯著提高材料利用率，縮短機(jī)加工工時。多向模鍛可獲得形狀復(fù)雜、尺寸精確、無模鍛飛邊并帶有孔腔的鍛件，使鍛件最大限度接近成品零件的形狀和尺寸。從而可顯著提高零件的材料利用率，縮短機(jī)械加工工時和大幅降低鍛件成本，是生產(chǎn)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜鍛件的最優(yōu)鍛造工藝。圖1-3(1)是二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司鍛造的閥芯鍛件，鍛件重5.7Kg左右，機(jī)加工后的零件如圖1-3(2)所示，零件重4.8Kg，材料利用率高達(dá)84%

6、左右，大大縮短閥芯鍛件的機(jī)加工工時。 (1) (2)圖1-3 閥芯鍛件及零件(1)閥芯鍛件 (2)閥芯零件(2)金屬流線分布合理、鍛件性能得到提高。向模鍛不產(chǎn)生飛邊，也就不會因切邊而使鍛件流線末端外露，因此，多向模鍛件的金屬流線基本上都是沿鍛件輪廓分布，有利于鍛件機(jī)械性能提高。此外，多這對提高零件抗應(yīng)力腐蝕性能尤為重要。(3)坯料只需一次加熱便可鍛成鍛件，提高生產(chǎn)效率，降低能源消耗。多向模鍛生產(chǎn)時，只需坯料一次加熱便能鍛出鍛件，壓機(jī)一次工作行程便可將坯料鍛成鍛件。因而可減少生產(chǎn)工序，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省能源消耗和減少加熱設(shè)備，降低金屬材料燒損、鍛件表面脫碳及合金元素貧化。(4)適于生產(chǎn)鍛造溫度窄

7、和低塑性材料的模鍛件。機(jī)械產(chǎn)品中一些重要關(guān)鍵零件的材料，常常是采用鍛造溫度窄和塑性低難變形的合金鋼及合金，如不銹鋼、高溫合金，鈦合金等。這類金屬材料在普通模鍛時，因應(yīng)力狀態(tài)會出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此會導(dǎo)致鍛件產(chǎn)生裂紋而報廢。而在多向模鍛時，坯料是處在強(qiáng)烈三向壓應(yīng)力狀態(tài)下變形，有利于提高金屬的塑性，適于模鍛難變形金屬材料的鍛件。2 模具結(jié)構(gòu)類型及模具失效形式2.1 模具結(jié)構(gòu)類型多向模鍛的模具結(jié)構(gòu)，按分模方式不同有三種基本結(jié)構(gòu)形式，即垂直分模模具結(jié)構(gòu)、水平分模模具結(jié)構(gòu)和復(fù)合分模模具結(jié)構(gòu)?？梢詺w納，多向模鍛常用模具結(jié)構(gòu)有以下3種類型。1.水平分模模具結(jié)構(gòu)1243圖2-1是多向模鍛水平分模的模具結(jié)構(gòu)，該類模具

8、結(jié)構(gòu)的分模面與壓機(jī)工作臺臺面平行。上模和下模通過T形螺栓分別于多向模鍛壓機(jī)活動橫梁和下橫梁工作臺連接，水平?jīng)_頭與多向模鍛壓機(jī)水平缸活塞連接，垂直沖頭與多向模鍛壓機(jī)垂直缸活塞連接。安裝模具時，保證水平?jīng)_頭中心線和上、下模左右孔的中心線重合，垂直沖頭的中心線和上模孔的中心線重合。坯料放入下模模具型腔內(nèi)后，上、下模通過上橫梁合緊，上沖頭和水平?jīng)_頭分別通過垂直工作缸和水平工作缸對坯料進(jìn)行擠壓。圖2-1 水平分模模具結(jié)構(gòu)1垂直沖頭 2上模 3水平?jīng)_頭 4下模2.垂直分模模具結(jié)構(gòu)圖2-2是垂直分模的模具機(jī)構(gòu)，該類型模具結(jié)構(gòu)的分模面與多向模鍛壓機(jī)工作臺面垂直。左右模通過六角螺釘與連接桿連接，連接桿與水平工作

9、缸活塞連接；垂直沖頭與垂直工作缸活塞連接；左右模移動臺面通過T形螺栓與多向模鍛工作臺面連接。左、右模在移動墊板上左右移動，鍛造結(jié)束后垂直沖頭回程時，移動墊板通過移動墊板燕尾槽使左、右模滯留在移動墊板上。左、右模通過水平工作缸合模，并提供合模載荷。左右模合模后，坯料放入模具型腔，垂直沖頭擠壓坯料使金屬填滿模具型腔。213465圖2-2垂直分模模具結(jié)構(gòu)1六角螺釘 2左模 3垂直沖頭4連接桿 5右模 6移動墊板3.復(fù)合分模模具結(jié)構(gòu)圖2-3是復(fù)合分模的模具結(jié)構(gòu)，復(fù)合分模的模具結(jié)構(gòu)有兩個分模面，一個分模面與多向模鍛壓機(jī)工作臺面平行，另外一個分模面與多向模鍛壓機(jī)工作臺面垂直。與水平分模模具相比，復(fù)合分模模

10、具可以鍛造帶有主法蘭的閥體鍛件；與垂直分模模具相比，復(fù)合分模模具與工作臺臺面垂直的分模面比垂直分模模具的分模面小很多，大大減小了復(fù)合分模模具左右方向的合模載荷，而復(fù)合分模模具的上下方向的合模載荷可以有多向模鍛壓機(jī)合模工作缸提供，因此，復(fù)合分模模具結(jié)構(gòu)在相同的壓機(jī)上鍛造的產(chǎn)品范圍比垂直分模大很多。213465圖2-3垂直分模模具結(jié)構(gòu)1六角螺釘 2左模 3垂直沖頭4連接桿 5右模 6移動墊板2.2 模具失效形式與普通模鍛相比，多向模鍛多是一次成形鍛件。多向模鍛成形鍛件時，金屬流動劇烈，對模具及沖頭的磨損較為嚴(yán)重。多向模鍛模具的常見失效形式有：裂紋、壓塌、沖頭斷裂。下面針對幾種失效形式進(jìn)行詳細(xì)描述。1.裂紋多向模鍛成形閥體鍛件時，在垂直穿孔過程中，坯料金屬向鍛件兩側(cè)流動。金屬與模具表面摩擦載荷較大，金屬流動過程中對模具的磨損較為嚴(yán)重。同時，鍛造過程中，不斷對模具進(jìn)行冷卻模具表面不斷的進(jìn)行冷熱交替的變化。模具長時間服役過程中后形成裂紋。圖2-4是鍛制閥體的上模芯型腔表面的裂紋情況。裂紋裂紋圖2-4 上模芯表面裂紋情況2.壓塌多向模鍛成形閥體時，上模合模后，坯料金屬流入上模孔腔中。垂直沖頭穿孔過程中，流入上模孔腔中的金屬被垂直沖頭擠下去。在如此的