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第二部分汽车产品的精密体积成形技术3精密模锻工艺及模具设计内容简介1引言2国内外发展现状3基本概念4精密模锻成形过程的分析5精密模锻变形力的计算6影响精密模锻件尺寸精度的主要因素7闭式精密模锻工艺的制订8精密模锻的辅助工序9精密模锻模具设计10精密模锻实例分析引言与普通模锻比较，精密模锻能获得表面质量好，机械加工余量少和尺寸精度较高的锻件。目前，精密模锻主要应用在两个方面：一是精化毛坯，即利用精锻工艺取代粗切削加工工序，将精锻件直接进行精加工而得到成品零件；二是精锻零件，即通过精密模锻直接获得成品零件。精密锻造的现状和发展我国加工行业将正挤、反挤加工称作冷挤压，将镦粗加工称作冷镦。国际上将冷挤压、冷镦统称冷锻，将钢材在室温以上到800℃的温镦和温挤压加工称作温锻。冷锻和温锻的变形机理完全相同，只是加工温度不同，又把冷锻和温锻统称为精密锻造。精密锻造和锻造的最大差别在于精密锻造件没有飞边，而锻造件有飞边，精密锻造工艺的材料利用率高，尺寸精度高，所以这几年发展很快。日本丰田汽车厂在1996年中日第五届精锻学术交流会上发表资料表明，该厂在1987年，精锻件重量占全部锻件质量的11.6％，到1991年发展到19．5％。这里不包括螺母、螺钉件。他们已投产椅锻十字头轴、花键轴、圆柱齿轮、伞齿轮、等速传动轴、内花键齿套等汽车零件。特别是这几年发展温锻技术后，一些变形程度大的复杂件和变形抗力大的合金材料的汽车零件的精锻也成为可能。由于精锻技术的发展，日本有关论文表明，近几年日本锻件成本下降了20％～30％。精密锻造的现状和发展精密锻造技术是值得我们汽车行业重视的一门发展中技术，它无论是在质量和经济上都有很多的优点。①材料利用率高。精密锻造件没有飞边，材料按照设定的工艺，从毛坯塑性变形成所需产品形状。有些件精锻后只需少量加工，有些件不用加工可直接投入使用。如五吨卡车传动轴十字轴，普通锻造工艺每件用料1.69kg，精密锻造工艺每件用料只有0.9kg。②提高劳动生产率，切削加工受机床、工具和切削用量的制约，生产效率不可能很高。五吨卡车的后刹车凸轮轴的花键，切削加工花键部分每件3分钟，挤压花键每件只需0.4分钟，提高劳动生产率六倍以上。精密锻造的现状和发展③可加工形状复杂的零件。Audi轿车座椅上一个叫做螺纹座，本体横截面为桃子形；端面上有四个凸焊点，用切削工艺根本无法加工。用精锻工艺成功地加工出了此件。④产品的尺寸一致性好，精度高。冷锻的凹模和冲头一般用高速钢制造，正常情况下加工2000件直径方向只磨损0.01mm左右。如果使用硬质合金凹模，正常寿命可达100万件以上，加工10多万件才磨损0.01mm左右，所以产品的尺寸一致性十分理想。产品的尺寸精度基本上由模具决定，不象切削加工，精度受刀具、机床传动精度诸多因素的影响，所以精密锻造件的尺寸精度高。精密锻造的现状和发展下图是日本工藤英明教授于1997年7月在中国第一汽车集团公司精锻技术交流会上发表的资料，他系统地归纳总结了日本轿车采用精锻件的发展过程。表的横轴是年份，上方的曲线表示每车采用精锻件的质量，实线是精锻件的每车质量，虚线是将精锻件加工成成品后每车质量。下图是每隔五年新投产的精密锻造汽车零件。1965年时每车精锻件的质量只有6kg左右，到1995年已增加到45kg左右。精密锻造的现状和发展在我国，大部分汽车厂还处在日本1965年以前精锻件的水平，只能精锻球头销、活塞销、弹簧座等零件，只有个别精锻厂能生产前驱动轿车中的等速连接轴滑套和钟形壳等精锻件。图中1990年至1995年期间所示变速箱中台阶同步器钢齿轮、薄壁内齿套等零件，我国还未开始做试验。由于齿轮机械加工设备的进步，外齿轮加工的效率已比较高，但内齿轮的切削加工效率至今还不高，所以我们应该在内齿轮的冷挤压工艺上多投入些力量，使之实现精密锻造生产。图中日本已投产的这些精密锻造轿车零件都应该作为我国汽车厂的奋斗目标，使之从切削加工逐步转化为精密锻造加工。我们应该先实现成形难度小、产品精度要求较低的行星齿轮、十字轴、轻卡半轴这类零件的精密锻造，应该推广在油压机上，用凹模冷挤花键技术，它比搓花键、冷轧花键的设备投资少。精密锻造的现状和发展我们要注意国外正在大力发展用多工位冷挤压机生产变速箱中台阶轴的这一技术动向，下图是日本阪村机械制作所在多工位冷挤压机生产的一根轴。这根轴重7kg，每分钟生产45件，是用Φ45重3t的大盘料，经过校直、切断、缩细、镦粗、精整等工序加工成的。这根轴最大直径Φ80mm，最小直径Φ28mm，长450mm，还有花键，要求径向跳动小于0.05mm，所以有相当大的技术难度。他们能用如此高的效率大批量生产，说明他们整体精密锻造技术已发展到了相当高的水平。用冷挤压工艺生产变速箱中的轴还有另一个优点，那就是冷挤压毛坯轴比热锻轴的切削性能好。一汽大众传动器中的轴毛坯，开始没用冷挤压准备毛坯，而用热锻后粗车来达到冷精锻毛坯的尺寸，但是因为切削性能不好，在引进的生产流水线上通不过，后又改为冷挤压生产毛坯轴。精密锻造的现状和发展我国的轿车工业刚刚起步，目前各汽车厂正忙于引进产品。由于资金的限制，对先进工艺的引进放在后面，这对大批量生产的轿车工业来说会造成成本高、产品质量不稳定的局面。国内对先进工艺的开发经费投入也不足，这对发展我国的精密锻造技术是十分不利的。开展精密锻造研究资金投入大，它需要大吨位高精度的压床，需要价格昂贵的模具，需要反复多次的试验，批量中试后才能投入大生产。投产前的组织工作也很复杂，涉及毛坯下料、退火、润滑等工序，温锻还要有中频加热设备。如果没有工厂的足够重视，精密锻造工艺很难在汽车厂中发展起来。所以工厂对精密锻造技术的重视程度是发展汽车零件精密锻造技术的先决条件。我国与发达国家在汽车零件精密锻造技术领域里的差距是相当大的。汽车上的很多零件应该用精密锻造工艺生产，而我们还在切削加工。有志于精密锻造专业的工程技术人员、工人技师都应该掌握精密锻造的基本技能，努力把我国的精密锻造工艺搞上去，让我国的汽车成本降下来，使我国的汽车在世界上有一定的竞争力。锻件的分类锻件的种类繁多，其几何形状复杂程度和相对尺寸的差别很大。为了制订精密模锻工艺、确定合理的毛坯形状和尺寸，首先应将锻件分类。目前比较一致的分类方法是按照锻件形状并参考精密模锻时毛坯的轴线方向来分类的。精密模锻件的分类情况见表。第一类(饼盘类)锻件。其外形为圆形而高度较小。精密模锻时毛坯轴线方向与模锻设备的作用力方向相同，金属沿高度和径向同时流动。对于结构简单的饼盘类锻件，一般只需一个终锻工步即可；对于结构复杂的，如编号为135、144和145所示齿轮坯锻件，若在热模锻压力机上闭式模锻，在终锻工步前通常还需镦粗制坯和预锻工步。编号为154、155所示圆锥齿轮锻件，无论采用开式或闭式精密模锻，均能直接终锻出齿形。第二类(法兰突缘类)锻件。其外形为回转体，带有圆形或长宽尺寸相差不大的法兰或突缘。闭式模锻时，一般只需一个终锻工步。第三类(轴杆类)锻件。其杆部为圆形，带有圆形或非圆形头部，或中间局部粗大的直长杆类。这类锻件中，对于编号为313所示的杯杆形阶梯轴可采用闭式镦粗与反挤复合成形工艺；其余的轴杆类锻件一般都采用闭式局部镦粗成形。锻件的分类锻件的分类第四类(杯筒类)锻件。这类锻件多采用闭式反挤、正反复合挤压或镦粗冲孔复合成形。第五类(枝芽类)锻件。包括单枝芽、多枝芽的实心和空心类锻件。这类锻件多采用可分凹模模锻或多向模锻。第六类(叉形类)锻件。包括带有空心或实心杆部、带有圆形或非圆形法兰等多种结构形式。这类锻件常常需要两个工步以上的可分凹模模锻，即预成形和终锻。从表1所示六种类型锻件的外形特点可以看出，前四类，即饼盘类、法兰突缘类、轴杆类和杯筒类属于旋转体；后两类，即枝芽类和叉形类属于非旋转体。锻件的分类表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数锻件形状对模锻时金属流动和变形力有很大影响，因此，必须找出表示锻件形状复杂程度的参数。1．锻件形状复杂系数的一般表达式锻件形状复杂系数CG是锻件体积V锻与相应的锻件外轮廓包容体的体积V外的比值，即CG=V锻/V外(1)圆形锻件的外轮廓包容体的体积(图1)V外=πD2H/4(2)非圆锻件的外轮廓最小包窖体体积(图2)V外=lbh(3)由图可知，CG越大，形状越简单。通常将其分为四级：简单的，CG=0．63～1；一般的，CG＝0．32～0．63；较复杂的，CG＝0．16～0．32；复杂的，CG≤0，16。图1圆柱体锻件及其外接圆柱体表示锻件复杂程度的参数图2非圆形锻件及其外轮廓最小包容体表示锻件复杂程度的参数回转体锻件的形状复杂系数捷捷林等在研究飞边槽尺寸设计时，提出回转体锻件的形状复杂系数Cr，其表达式为：Cr＝αβ(4)α、β—锻件纵、横截面形状复杂系数。其中，纵截面形状复杂系数(5)C锻—回转体锻件轴向断面周长上的平方与其轴向断面积F之比;C外—锻件外接圆柱体轴向断面周长的平方与外接圆柱体的轴向断面积Fc之比。横截面形状系数(6)Rg—对称轴至半个纵截面质心间的径向距离；Rc—锻件外接圆柱体半径。由式(5)可以看出，在锻件外接圆柱体的高度和直径不变的条件下，空腔愈多、愈窄和愈深，则锻件的周长愈长、纵截面面积愈小，相应的Lc2/Fc值愈大。这个比值没有完全考虑空腔在锻模上的位置：对于具有相同宽度和深度的空腔，它们位于轴线附近或者位于外围，其Lc2/Fc值是相同的。表示锻件复杂程度的参数然而，根据实验结果，中心空腔比外围空腔能更好、更易充满。式(6)的β值考虑了空腔在锻模中的分布。对于圆柱形锻件(图3a)，2Rg/Rc=1；对于带有法兰的锻件(图3c)，其β值比无法兰的类似锻件(图3b)要小。由此可见，形状复杂系数反映了回转体锻件纵截面相对于锻件外接圆柱体纵截面的复杂程度。不难想像,在其他条件相同的情况下，锻件形状复杂系数的大小，可反映其锻件在模锻成形时金属充满模膛的难易程度和所需变形力的大小等主要工艺性能。表示锻件复杂程度的参数图3空腔在模内的位置a)2Rg／Rc=1b)2Rg／Rc=1.29c)2Rg／Rc=0．88表示锻件复杂程度的参数枝叉类锻件的成形难度系数对于枝叉类锻件，不可能提出类似于回转体锻件那样的形状复杂系数来表示几何形状的复杂程度对其工艺性能上的难易程度的影响。枝芽和叉形件若采用开式精模密锻，很难获得理想的效果。径向挤压和正向分流挤压是近十多年来针对枝叉类零件的形状特征所研究开发出的精密成形新工艺，应用效果显著。根据能反映变形金属在模膛内流动充满时的难易程度和所需变形力或功的大小等主要工艺性能，可以提出用锻件的成形系数来表示：(7)式中Fc—工作筒(原毛坯)横截面面积(图4)；ΣFb—枝芽模膛横截面面积之和(图4)。图4所示为十字轴径向挤压模锻时，变形金属作用于冲头上的单位压力Ku同侧向枝芽的个数z及尺寸比d/D间的关系曲线。枝芽的个数z和尺寸比d/D两者综合在一起，实质上代表了比值Fc/ΣFb。由图可以看出，从左到右，随比值Fc/ΣFb不断减小，由冲头所施加的单位变形力逐渐降低。这是因为模膛侧枝通道越多，金属材料被挤出形成侧向枝芽的阻力越小。表示锻件复杂程度的参数图4单位压力Ku与d/D的关系曲线精密模锻成形过程的分析开式精密模锻成形过程的分析开式精密模锻成形过程及锻造力－行程曲线，如图5所示。其成形过程大体可分为三个阶段：(1)锻粗阶段坯料外圈金属流向法兰部分，内圈金属流向凸台部分。(2)模膛充满阶段下模膛已经充满，而凸台部分尚未充满，金属开始流入飞边槽。随着桥部金属的变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸台和角部，以完全充满模膛。(3)打靠阶段金属已完全充满模膛，但上、下模面尚未打靠。此时，多余金属挤入飞边槽，锻造变形力急剧上升。精密模锻成形过程的分析图5成形过程及锻造力—行程曲线a)镦粗b)充满c)打靠精密模锻成形过程的分析图6分别为回转体锻件和长轴类锻件在开