锻造新工艺技术

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，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1/5～1/8，模具寿命还有提高，生产成本也有降低。柴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常用的有效润滑剂，石墨颗粒在lμm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℃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，为满足等温锻造的基本要求，要求液压机：①横梁速度可调可控，尤其需要较低的速度；②可实现保压；③有足够的闭合高度和上作台面尺寸，以满