简叙锻造模具设计及其发展（上）

文/赵一平·东风(十堰)汽车锻钢件有限公司

锻造模具简称锻模，锻模设计由工艺设计、模具结构设计和模架设计三部分组成。其中，工艺设计应做到锻件优良，材料利用率高，并且工艺稳定；模具结构设计应做到模具费用低，寿命高；而模架设计应做到导向精度高、顶出装置动作顺畅有延时，又要具有足够的顶出行程，还要做到模具定位精确、紧固牢靠，并能快速装卸模具等。

近年来，由于环境原因，使得人们进一步认识到资源的有限性和燃料节约的重要性，所以必须谋求降低燃料消耗的途径，为此汽车和高速列车等机械轻量化技术获得快速发展。为了轻量化，钢锻件一般有如下措施：采用有色金属锻件（如铝合金锻件）、采用高强度钢（如钛合金）和钢锻件形状复杂化和精密化。钢锻件形状复杂化，即锻件由薄腹板和高强筋等组成；锻件精密化，即锻件精度不断提高（余量减小和公差缩小）。因此这些不仅增加了模锻力，而且必然增加工艺过程，并增加了模具、模架结构的复杂程度，以提高模具和模架制造精度。

工艺设计

锻件工艺设计时，首先对锻件产品进行工艺分析，确定模锻成形方法（镦粗、顶镦、镦挤和挤压），然后按金属塑性变形原理和锻造经验技巧提出工艺方案（即成形工艺过程），并设计锻件图和成形工步图（制坯图、预锻坯图和终锻件图，并形成数模图）。成形工步图应该做到分配好锻件各部位体积，并控制其各部位坯料在下道工序流动方向（由实践经验和数值模拟确定，必要时物理模拟，最后由现场调试验证和修改），做到控制锻件成形和控制锻件性能。

工艺设计应该做到锻件优良，工艺稳定，并达到材料利用率高、劳动生产率高、模具寿命高和能源消耗低。工艺稳定是提高劳动生产率和实现自动化生产的基本条件。应采用模锻先进技术和数值模拟，不断优化锻件工艺方案。

对产品进行工艺分析，并确定工艺方案

按锻件种类（短轴类锻件和长轴类锻件），根据产品形状和精度，对产品进行工艺分析（由产品几何形状组成，确定锻造方法），并设计锻件图和确定工艺方案（工艺过程）。确定采用冷锻、温锻、热锻及其复合工艺，还是开式模锻、闭式模锻。或镦粗、顶镦、镦挤和挤压。

⑴六拐八平衡块空间分模曲轴(图1)。曲轴属弯长轴类锻件，经工艺分析，首先作截面图、计算直径图和辊锻毛坯图，采用辊锻制坯、压弯、开式预锻和开式终锻成形。对于有薄平衡块曲轴还要设计阻力筋。

⑵带杆转向节（图2）。带杆转向节既可立锻，也可卧锻，经工艺分析，带杆转向节宜采用立锻镦挤成形（材料利用率高）。并且带杆转向节立锻时属短轴类锻件。其工艺过程：镦粗除氧化皮、轴向翻转90°压扁（将压扁坯料径向翻转90°放置在预锻法兰模膛内）、带飞边闭式预锻成形和开式终锻成形。

⑶钟形壳精锻件(图3)。钟形壳属带内腔的圆法兰杆类锻件，属短轴类锻件，宜采用闭式模锻，又由于钟形壳内腔滚道主要尺寸公差精度高：1)滚道间距误差最大为±0.05mm；2)相对滚道沟底之间直径误差为±0.05mm；3)滚道球心至内腔底部误差为-0.10mm～+0.22mm，故宜采用精密闭式模锻。又根据钟形壳形状和尺寸精度宜采用温闭式模锻、冷精整和冷缩径工艺，其中杆部采用温正挤压，法兰采用温反挤压成形（坯料温度900℃～950℃）。钟形壳内腔滚道尺寸精度很高，采用冷精整和冷缩径工艺。

应用锻造数值模拟软件优化模具工艺设计

工艺方案和成形工步“数模”图设计完成后，应采用计算机数值模拟软件对工步“数模”图进行数值模拟，辅助以物理模拟，以保证金属流动顺畅，锻件充满良好和模膛内各点应力分布均衡，优化工艺设计。

设计模具时充分利用CAD系统功能对产品进行二维和三维设计，这样保证产品原始信息的统一性和精确性，避免人为因素造成错误，提高模具设计质量，产品三维立体的造型过程，可以在锻造前全面反映出产品的外在形状，及时发现原始设计中可能存在的问题。

随着锻造行业对于CAE软件（Deform、Qform等）的应用，越来越多的锻件锻造数据被收集整理。伴随着CAE软件不断的升级改进、边界条件的日趋完善，软件分析成形过程在模具设计及改进过程中将会起到越来越重要的作用。软件的应用给予设计者更加直观的设计体验，同时减少了设计错误等人为因素带来的一些不必要的试制成本。不仅极大提高模具设计速度，而且极大减少调试次数，并根据模具应力状态，调整模具各部位应力以提高模具使用寿命，从而使锻件原工艺成形和改性发展到锻件控形和控性。

锻模CAD/CAE/CAM一体化，优化模具工艺设计和模具数控加工

实现CAD/CAE/CAM一体化，就是以计算机为中心，通过数据通讯，将工艺设计、模具设计、模具加工设备结合起来，再从零件图到锻件图，各类模具图，一直到加工工艺和设备等转换中，保证基础数据真实准确。另外，CAD/CAE/CAM技术还可以进行有限元分析，实现锻造过程的数值模拟，再配以物理模拟，使锻造成形过程优化设计，提高锻件品质，又提高模具寿命。

锻模通过优化设计和数控加工，这样加工出来的锻模模膛精度高、表面光洁、粗糙度低，不需要钳工打磨，仅需要抛光，例如由数控电火花加工出来的模膛精度一般可达±0.05mm，粗糙度可达Ra1.6μm，由高速铣加工中心加工出来的模膛精度±0.01mm，粗糙度可达Ra0.4～0.8μm，数控机床加工的电极或由高速铣加工的模膛必须由三维坐标测量仪检查其加工形状和精度，防止编制的加工程序有误，从而确保锻造模具模膛的制造精度和定位基准的精度。

如上所述，锻造模具设计包括工艺设计、模具结构设计和模架设计(模锻锤无模架)。工艺设计是模具设计实现锻件优良和工艺稳定最重要，也是最关键项，故应设计锻件成形工步图便于工艺分析和数值模拟。

确保工艺设计达到锻件优良，工艺稳定、材料利用率高、劳动生产率高、模具寿命高、能源消耗低和锻件性能优良，做到控制锻件成形和控制锻件性能。这是工程技术人员工艺设计目标，也是工艺设计发展方向。

模具结构设计

模具除工艺设计（工步图设计，即模具模膛设计），还要确定模具结构形式和尺寸、导向装置和顶出装置等。模具结构的重要性并不亚于模具模膛设计，模具结构对锻件质量、生产率，劳动强度等都有一定影响。不同模具结构设计还影响模具材料成本、模具制造费用和模具使用寿命。锻造模具结构一般有两种：整体式和组合式。

模具结构不仅有其自身结构形式，而且还和模架结构紧密相关。模具结构设计应做到模具材料消耗少、模具制造费用低、模具寿命高和模具精度高，并能快速装卸模具等。这也是模具结构设计不断优化的方向。

整体式模具

长轴类锻件模具常采用整体式模具结构，这种结构能够避免模具产生较大变形，模具自身强度较好，并且能够方便进行返修加工，一直被锻造企业所采用。但是，由于整体模的模块大，除模锻锤仍较多采用整体式模具外（大多考虑安全），其他模锻设备很少采用整体式模具。大多采用组合镶块模。

组合式模具

组合式模具又分简易组合模和多层组合模及模架。

⑴长轴类锻件的组合镶块模。其一般由两个整模块组成，即由具有模膛的镶块和安装镶块的模座组成，见图4。生产中，有模膛的镶块经常更换，而模座则不经常更换，但是需经常检测其精度，所以可以将模座设计成标准件。镶块和模座之间要定位良好，紧固可靠。可以采用框架定位，也可采用十字键定位或这两种结构组合定位。例如某锻造企业的连杆模，其镶块左右在模座框架内定位，而前后则采用键定位。一般镶块采用模具钢4Cr5MoSiV1(H13)，而模座采用5CrNiMo，甚至可采用40Cr。所以采用组合镶块模不仅可以节省模具钢，还可减少机械加工量。对于厚度较薄的锻件多采用组合镶块模，例如某锻造企业的连杆模，其镶块厚度仅70mm，可翻新三次，较大地降低模具成本。

⑵短轴类锻件闭式模锻的多层组合模。多层组合模由凸模组件、凹模组件、顶出装置组件及其紧固件构成，各组件均由多个零部件组成，见图5组合模及模架。

1)下凹模采用组合式预应力镶块结构，不仅能够有效缩小凹模体积，减少模具材料费用，而且提高模具使用寿命。当凹模单位镦挤应力超过1000MPa时，凹模应采用带预应力的多层镶块凹模。由于外预应力圈施加的压应力于内层凹模上，这一附加压应力可以阻止镦挤时凹模开裂，故提高模具使用寿命。图6是两层预应力组合模，其左侧是压合前状态，右侧是压合后状态。径向过盈量可查阅锻模设计手册等书籍。

2)上凸模采用冲头、凸模和卸料装置等组成组合模。例如图5上凸模由冲头、凸模和螺旋弹簧下卸锻件装置组成。

3)下模顶出装置组合结构：根据锻件形状设计顶出装置组合件（图5）。

下凹模组合件由下凹模圆环定位，而上凸模组合件由上凸模圆环定位，并采用过渡配合。若模具和模架制造尺寸精度达到±0.02～0.05mm，形位公差（垂直度、平面度和同轴度等）达到0.02～0.05mm（大件取大值），可取消原有模具导向经常采用的锁扣，锁扣不仅增大模块体积，增加模具材料成本，而且安装繁琐，调整困难，因此简化了模具和组合模具结构。由于多层组合模易损件（凹模镶块、冲头和凸模）体积小，重量轻，模具制造成本低，并且制造精度高，又更换方便，故工业发达国家已广泛采用。