闭塞精密锻造技术的应用与实践

文/郑光文，张军军，叶星辉·安徽工业大学精密成形与模具研究所

闭塞精密锻造技术的应用与实践

文/郑光文，张军军，叶星辉·安徽工业大学精密成形与模具研究所

郑光文，教授，主要从事精密塑性成形工艺与模具技术的开发与应用，主持完成多项纵、横向课题，实现汽车轮毂、差速器十字轴等产品项目的精密塑性成形产业化。

近年来随着我国汽车、摩托车、航空及机械等重点产业的发展，我国锻造企业及其生产规模得到迅速发展。市场需求逐渐饱和，行业之间的竞争加剧，越来越多的企业认识到锻造精益化是未来发展之路。采用精密锻造成形技术正是提高产品质量、增加经济效益的有效途径，闭塞锻造技术正是这样一种精密塑性加工方法，本文就这一技术的发展现状与应用实践谈一点体会。图1所示为闭塞锻造原理。

图1 闭塞锻造原理示意图

该方法的特点主要体现在几个方面：①可以一次成形外形复杂的零件，缩短工艺流程； ②节约材料、节约能耗，降低制造成本；③可以获得更好的金属材料组织结构，提高产品成形精度和质量；④模具结构较复杂。

国内在闭塞锻造技术的开发应用方面所进行的研究，主要集中在两个方面：

⑴闭塞精密成形工艺。

对各种零件（如锥齿轮、行星套、十字轴、盘毂等）的闭塞成形规律和锻造工艺进行了研究。从理论上揭示零件成形过程的变化规律以及应力、应变分布状态。为选择锻造设备、设计模具、制定闭塞锻造工艺流程提供了理论指导。

⑵开发相应的闭塞锻造技术、装备。

闭塞精密成形技术、装备的开发分两个方向。一个方向就是开发专用模具装置以实现闭塞锻造。结构形式主要有弹簧（或氮气弹簧）支撑合模的锻模装置、液压（气动）压紧式合模装置和楔块式水平分模的合模装置等；另外一个方向就是开发专用的模锻压力机，如双动压力机来实现闭塞合模与挤压成形。图2所示为闭塞锻造合模装置示意图。

图2 闭塞锻造合模装置

采用弹簧和液压形式的专用模具装置可以实现闭塞合模，但存在的模具结构较复杂、使用寿命较短、合模力较小只能挤压分模力较小的锻件等问题；采用双动压力机等专用锻压设备，模具结构得到简化，使用寿命长，合模能力能得到提高，但设备投入费用大。

在现有闭塞锻造技术装备中，两种途径都存在不足之处。专用模具（弹簧、气动等）存在合模能力小、模具结构复杂的问题，专用压机又存在设备投资成本高，通用性不强的问题，为此开发通用性强的闭塞模具装备是当前闭塞精密塑性加工技术进步和发展的需要。所开发的技术不仅能实现精密闭塞挤压成形，提高产品质量和材料利用率，而且能简化设备功能，降低锻造设备的工作负荷，降低投资和制造成本。

闭塞锻造模具的开发

根据企业的生产需求和工艺装备条件，结合闭塞成形特点，分析了差速器十字轴、凸缘等产品现有锻造工艺存在的问题，提出新型闭塞锻造工艺方案。从坯料尺寸的选择、精密下料到加热、镦粗、闭塞挤压和整形、冲切等工序进行调整，以确定闭塞锻造工序及工艺流程。

运用CAE计算机数值分析技术进行精密成形变化规律的研究，从根本上揭示零件的变形过程以及可能存在的缺陷。在理论方面做到工艺可行、方案可靠，为科学制定模具装备的适用范围，确定主要工艺设备参数提供依据。

运用数字化技术与有限元分析技术对模具的结构和功能进行设计，并根据挤压负荷和合模负荷对模具的强度、刚度进行分析。合理选择模具材料，制定模具制造工艺和热处理工艺。通过设计与制造，使研制的刚性锁紧式闭塞锻造模具装置完全满足闭塞锻造工业化生产的要求。图3所示为常规闭塞锻造与锁紧式闭塞锻造的原理及负荷曲线对比。

由图3可知，锁紧式闭塞锻造与常规闭塞锻造相比，显然锁紧式闭塞锻造的能耗要明显低于常规闭塞锻造。

闭塞热挤压成形与普通开式模锻相比，不论材料的流动规律还是模具的工作状态都有很大的区别。在热挤压过程中，材料处于压缩状态，凸、凹模的材料选择与热处理工艺在较大程度上决定着模具的使用稳定性和寿命。为了确保模具的使用寿命，节约模具的消耗，采用组合式模具结构。用组合模芯作为闭塞挤压可分凹模的结构形式，根据产品型号替换模芯和凸模，使模具的材料消耗最小化，模具寿命最大化。

在锻造设备的选择上，锁紧式闭塞锻造的一个主要特点就是采用通用型锻造设备实现精密锻造。由于不需采用专用压力机，使设备的选用非常便利化，电动螺旋压力机、液压机均可适用。

图3 两种闭塞锻造方式原理及负荷曲线

闭塞锻造的应用与实践

根据产品的几何特征和性能要求，制定了以闭塞挤压成形为核心的锻造工艺流程和相应的锻造工艺参数，并确定了锻造设备型号以及辅助装置。典型产品的工艺流程如下：

⑴差速器十字轴。闭塞挤压成形工艺流程为下料→镦粗→一次闭塞挤压成形→精整→冷冲切，主机采用400t/630t电动螺旋压力机。

⑵汽车离合器盘毂。闭塞挤压成形工艺流程为下料→镦粗→一次闭塞挤压成形→精整—热冲切，主机采用315t液压压力机。

⑶汽车制动器凸缘。闭塞挤压成形工艺流程为下料→镦粗→一次闭塞挤压成形→热冲切，主机采用630t电动螺旋压力机。

⑷发电机爪极。闭塞挤压成形工艺流程为下料→镦粗→闭塞挤压成形→冲切→精整，主机采用630t电动螺旋压力机。

与原生产工艺相比，精密成形的技术经济指标优势明显：①节约锻造设备成形负荷30%～50%；②提高热锻件产品材料利用率10%～20%，同时降低加热能耗10%～20%；③缩短工艺流程，提高产品尺寸精度，降低产品后序制造成本；

检验证明，采用闭塞挤压成形的产品质量完全满足要求，并且由于产品性价比高，在市场竞争中具有良好的表现。图4所示为采用闭塞挤压成形工艺生产的产品。

图4 闭塞挤压成形工艺生产的产品

结束语

通过近几年的技术开发与产业化实践，证明通用锻造设备和新型专用闭塞锻造模具技术组合完全可以实现一些零件的热精密锻造，且适应范围广、通用性强。采用闭塞精密挤压成形真正实现了节能降耗，提高经济效益和产品竞争力。因此该技术的应用与推广对促进锻造技术的发展，增进企业的经济效益具有十分重要的意义。