铝合金模锻件的工艺结构要素与锻模设计

夏烈江，刘静安，刘 煜，何梅琼，龙奇敏

（1.广东省佛山大沥镇恒威模具厂，佛山528000；2.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326；3.广东华昌铝厂集团有限公司，佛山528225）

1 模锻件的工艺结构要素及设计

铝合金模锻件的设计必须合理地确定分模线位置、机械加工余量和公差、模锻斜度、圆角半径、腹板和肋的尺寸等工艺结构要素[1]。

1.1 分模线位置选择

分模线位置选择是否合理不仅关系到锻件的精度和内部流线走向，而且还影响到模具和锻件的生产周期和成本。合理的分模线位置应具有如下特征：

（1）与变形力方向相垂直的锻件投影面积最大，外廓形状最简单。满足这一条，模具的型槽浅，金属容易充满，锻件容易出模，参见图1。

（2）分模线平直。平直的分模线有利于消除错移，另外也便于锻模加工、模锻操作和锻后切边等工序。

（3）流线完整。模锻成型应使流线方向与零件的方向一致，这是模锻比其他加工方法所具有的突出优点，参见图2。如果分模线位置选择不好，则锻件内可能产生涡流或穿流，会导致锻件的疲劳强度降低。

（4）便于检查错移。对于圆柱形法兰盘锻件，宜在法兰厚度的中间部分分模，以方便锻后检查错移。如果法兰为正方形，则宜在法兰的端面分模，以简化上模，便于制造，参见图3。

1.2 机械加工余量和公差

（1）机械加工余量。铝合金锻件机械加工余量按零件最大轮廓尺寸和零件需要的表面光洁度来确定，如表1所示[1，2]。

表1 铝合金锻件的机械加工余量（单面余量）

（2）尺寸偏差。锻件的尺寸偏差受到锻压力不足、模腔磨损、锻压设备和锻模弹性变形、终锻温度、锻模温度稳定性等因素的影响。尤其是锻压力不足和型槽磨损会导致锻件的尺寸偏差。因此，锻件尺寸偏差一般采用非对称偏差。在有关手册上可查出铝合金模锻件毛坯的各种尺寸偏差和其形状的允许畸变，一般在表中规定了三种精度等级，即4级精度为用于模锻件非加工表面的结构要素尺寸；5级精度为用于模锻件外形非加工表面之间的尺寸；6级精度为用于模锻件外形加工面之间的尺寸。

1.3 模锻斜度

模锻斜度是从锻模型槽中取出锻件所必需的，有内模锻斜度和外模锻斜度两种。铝锻件的模锻斜度一般采用3°～7°。

1.4 圆角半径

铝合金模锻的各种圆角半径可按表2～表4来确定。

1.5 冲孔连皮

对带有通孔的回转体锻件进行模锻时，不能直接锻出透孔，而是在孔内留有一层具有一定厚度的金属，即冲孔连皮。冲孔连皮可以在切边压力机上冲掉或在机械加工时切除。连皮厚度s要适当，太薄，则模锻所需单位压力增大，锻模磨损加剧，寿命缩短；若连皮厚度太厚，则消耗金属增多，所需的切边力增大，容易使锻件产生畸变。所以连皮形状和尺寸应设计得合理。最常见的冲孔连皮为平底式连皮。

表2 铝合金模锻毛坯的连接半径R、过渡半径R3、圆角半径R1、R2、R4和R5及肋厚2R1

表3 连接半径R、圆角半径R1、肋厚2R1和腹板斜度γ

表4 连接半径R、圆角半径R1和R2壁厚b和腹板斜度γ

1.6 肋的厚度和高度

锻件上的肋条是用压入成形方法得到的。由于模具上的肋腔有模锻斜度，在金属的填充过程中必须施加作用力，以克服肋腔的摩擦阻力和金属的变形抗力。

肋条厚度和高度的极限值与锻造的金属种类和锻件的几何形状有关。对于铝合金，主要是与内圆角半径、肋条的位置以及分模线的位置有关。下面分四种情况予以讨论。

（1）第一种是位于中心的肋。它是靠从锻件的基体中挤压金属成形的。这种肋在几何上受到肋下边金属体积和锻造压力大小的限制。如果不能从锻件基体（腹板）得到足够的金属，则在肋的对面将形成类似“挤压缩尾”一样的缺陷。为了防止这种缺陷，腹板厚度应等于或大于肋的厚度，或者在腹板的底面与肋相对应的部位增加一个矮肋。在锻造合金化程度较高的铝合金时，由于它们的锻造压力较高，肋应该适当加厚些。

（2）第二种肋位于锻件的边缘，分模线在肋的顶部，经反挤压而成形的。这样的肋不易产生锻造或挤压缺陷，其厚度仅受材料特性的限制。采用这种设计可比其他三种类型的肋薄一些。

（3）第三种肋也位于锻件的边缘，但分模线在其底部，是挤压成形的。这种肋也不产生“挤压缩尾”，但可能在肋的根部产生穿流，这在很大程度上限制了肋的高度。这种肋应比第二种肋的厚度大些，内圆角半径也要适当加大。

（4）第四种肋位于锻件中心腹板边缘，腹板对称地两面排列着，是最难锻造的。这种肋不仅容易产生穿流缺陷，而且在和第三种肋的尺寸相当时，几乎要求双倍于它的金属体积。第四种肋的最小厚度比其他三种肋的最小厚度都要大些。

在确定肋的尺寸方面并没有严格的规则可循，一般地说，肋的高度应当不超过其宽度的8倍，但是在实践中多采用4倍或6倍。对于特别矮的肋，其宽度也不得小于3 mm，因为小于3 mm宽的型槽在制模时相当困难。铝合金锻件肋的最小厚度如表5所示。

表5 铝合金锻件肋的最小厚度

1.7 腹板厚度与肋间距

许多铝合金锻件具有单肋或多肋与腹板组合的结构，腹板厚度不同，对锻造工艺也有不同影响。在成形肋时，腹板的厚度也增加。如果预锻件腹板太薄，终锻时腹板将弯曲，接着便在腹板上形成折叠。所以，腹板的最小厚度是有限制的，它决定于零件的几何形状。对完全被肋围绕的锻件，可锻制出来的最小腹板厚度约为其宽度的1/8。当然，这决不是不可超越的极限，通过其他措施，例如采用三套锻模，腹板厚度和宽度之比甚至可达1∶24（腹板厚3.18 mm、肋间距762 mm的锻件已能够生产）。

薄的腹板比厚的腹板要求有更高的锻造压力，因为前者单位体积上的摩擦力大而且冷却也较快，铝合金腹板厚度允许最小尺寸如表6所示。

表6 铝合金腹板厚度允许最小尺寸

以上数据代表普通模锻工艺最先进状态，一般要放大一些，特别是对于那些合金化程度高的铝合金。

两肋之间的距离对模锻过程也有重大的影响，最小间距amin主要取决于肋的高度h。若肋很高而肋间距不够大，则锻模上成形腹板的凸台将很快磨损。最大肋间距amax主要与连接肋的腹板厚度s有关，腹板越厚，肋间距可以越大。肋间距的最大值amax和最小值amin可参阅表7。

表7 铝合金模锻件的肋间距a

2 铝合金模锻件用锻模设计

2.1 锻模结构

锻模通常由上、下模块组成。如果是开式模锻，模槽四周有毛边槽与之相连，闭式模锻型槽的四周则没有毛边槽[3，4]。

开式模锻过程的金属流动，可以分为两个阶段：第一阶段主要是充填型槽，并有少量的金属流入毛边槽；第二阶段是锻件最终成型并将多余金属排挤到毛边槽的仓部中去[4]。在第一阶段中，毛边造成水平方向的阻力，有助于金属充填型槽。在第二阶段中，毛边愈来愈薄，水平方向的阻力愈来愈大，迫使金属进一步充填型槽的深处和棱角；之后，多余的金属流入毛边槽仓部，上下模闭合。锻后锻件上的毛边作为废料被切除。

金属在闭式锻模内成型时周边不产生毛边，仅在成型的最终阶段出现端部毛剌。闭式模锻的主要优点是没有毛边消耗，以及在成形过程中，金属处于较强烈的三向不均匀压应力状态，这对于铝铍系等塑性较低的铝合金的模锻是有利的。但是，闭式模锻件形状不能像开式模锻件那样复杂，还要注意避免在上模上出现锐角。

铝合金锻造温度较低，且范围较窄，流动性欠佳，表面容易产生折叠等缺陷。因此，一般采用单型槽模锻。若锻件形状复杂，要求制坯和预锻的，可另外设计制坯模和预锻模。

锻模可以做成整体或镶块模。锻模结构的主要要素除模腔、毛边槽外，还有配合部位，如导向（锁扣或导销）、安装角、运输孔等，这与钢锻模一样。但是，铝合金毛边槽、终锻型槽的收缩率等有自己的特点。

2.2 终锻型槽

终锻型槽是模锻时最后成型的模槽，它是按热锻件图制造的，其设计内容是确定并绘制热锻件图以及选择毛边槽。

（1）热锻件图。将冷锻件图中的锻件尺寸加上收缩率之后，便成为热锻件图。根据冷锻件图绘制热锻件图时，铝合金毛坯的收缩率一般取0.7%～0.8%，考虑到蚀洗的作用，肋条厚度的收缩率一般应放大0.2 mm。

（2）毛边槽。开式模锻过程与毛边的产生是分不开的。超过充填型槽所需的多余金属最终被排除而形成毛边。毛边切除后，锻件内的金属流线往往在分模线处被切断而外露，对于要求具有较高抗应力腐蚀开裂能力的超硬铝制件，是不理想的。所以，如何选择毛边位置和毛边槽结构应该受到重视。毛边是与分模线结合在一起的，分模线（面）没有厚度，但与分模线结合的毛边却有一定的厚度要求。分模线可位于毛边顶部、底部或毛边厚度的中间。

毛边槽尺寸没有统一的标准，根据锻件外形和材料性能不同而有所区别。铝合金毛坯用的锻模，其毛边桥部厚度及模膛壁与毛边桥口的连接半径比模锻钢毛坯的锻模一般约大30%。对于外形对称的铝合金毛坯宜用均匀毛边，对于壁厚差很大的盒形件，围绕锻件周边也可采用不均匀的毛边槽。塑性较高的铝合金，毛边桥部高度可取小些，而对同样尺寸但带有肋和腹板的锻件，桥部高度应当取大些。

2.3 预锻型槽

对于肋高、腹板薄且形状较为复杂的铝合金锻件，往往采用预锻工序来保证锻件成型和获得满意的内部质量。如果生产量不大，也可先在同一终锻模上预锻，切除毛边后重新加热，然后再进行终锻和切除毛边。是否采用预锻型槽应根据具体情况并考虑经济效益慎重确定。

预锻模膛是对热锻件图（终锻模膛）个别部分作出修改后设计而成的。修改的内容根据锻件的形状而定，现归纳其要点如下：

（1）在锻件上高度较小的突出部分，如在终锻时充满不困难，预锻时可简化不锻出。

（2）预锻模膛四周不设毛边，模锻时也不打靠，或者根据工艺调试情况，确定上模和下模在模锻时的不打靠程度。

（3）模锻斜度。预锻模膛的模锻斜度一般与终锻模膛相同。但是，对于终锻模膛不易充满的局部深处（如筋等），可适当加大预锻模膛的斜度，但斜度加大后，应使预锻模膛的宽度小于相应的终锻模膛（B1

（4）圆角半径。预锻模膛各处应该比终锻模膛相应处有较大的圆角半径，以利于金属流动。

（5）带有枝芽的锻件。为了使金属易于向枝芽方向流动，预锻模膛在枝芽部分的形状应尽量简化，与枝芽部分连接处的圆角半径尽量大些，在分模面上增设阻力沟，阻碍金属流向毛边，促使金属充满枝芽部分模膛。

（6）带叉头部分的锻件。此类锻件由于在终锻时金属优先向水平方向流动，而后才转向内角处流动，所以金属除了横向流入毛边，还轴向流入毛边，这样叉头端部内角处的金属就很难充满。因此，对这类锻件在终锻前应预成形制坯，将坯料头部劈开，把金属挤向两边。将坯料头部劈开预锻后，再将坯料放入终锻型槽进行模锻，此时金属将首先充满叉头部分而后才流入毛边，就避免了带叉头部分的圆角处充不满现象。

（7）工字形断面的锻件。为了增加零件的刚度，在设计零件结构时经常选用工字形断面。然而工字形断面的模锻件在成形的过程中，与两筋相连的腹板转角处最容易出现金属对流情况，严重时还会出现折叠，破坏了金属的连续性。为此，对这类模锻件在设计预锻型槽时应注意形状要得当，以保证预锻锻件放入终锻型槽内进行模锻时金属既能充满两筋又不致于出现上述的金属对流情况。

工字形断面预锻模膛的设计概括起来有三种情况：

①h≤2b。此时，预锻模膛设计成简单的长方形断面，参见图4和图5：

式中，B1为终锻模膛宽度，mm；B2为预锻模膛宽度，mm；h2为预锻模膛高度，mm；F1为终锻模膛面积，mm2。

②h＞2b。此时，预锻模膛设计成圆滑形工字断面，其形状与终锻模膛更为接近。设计时先以上述方法设计成长方形断面，然后在此基础上修改成圆滑的工字形断面。两筋增加的高度X由下式确定：X=0.25（h1－h2）

X确定后，再以h2为基础，用作图法作出圆浑的曲线，作图的原则是使增加的面积f1等于减少的面积f2。

③两筋的距离较大或有难充满的筋，则f2常常超过f1。此时，预锻模膛可按图6设计：

3 结论

（1）铝合金模锻件的各工艺结构要素是十分重要的参数，一定要根据各种条件通过精确计算来确定。

（2）锻模是根据冷模锻件图加上热收缩量和毛边槽确定的，对于大型复杂的模锻件还要考虑毛料模和预锻模与终锻模的协调和配合，才能生产出合格的精密的优质锻件，保证零件的加工尺寸、形状和所要求的组织与性能。