简叙铝合金模锻工艺和模具设计(连载二）

文/赵一平·东风（十堰）汽车锻钢件有限公司

《简叙铝合金模锻工艺和模具设计》(连载一)见《锻造与冲压》2021年第15期

锻件锻造力和锻造功(能量)

在制定锻造工艺和模具设计时，确定锻件所需要的锻造力(载荷)或所需要能量是非常重要的。锻件的锻造力或能量与材料变形抗力、锻件形状、锻造温度、应变速率和摩擦等因素有密切关系。

根据“日本锻造技术资料汇编”，可以采用计算公式P=β×k0×σ×F(公式1，供参考)计算锻造力。

式中，P－锻造力(kN)；β－设备修正系数，压力机β=1，模锻锤β=1.15～1.2；k1－锻件形状复杂系数，k1的值在3～12之间；σ－铝合金变形抗力(MPa)，σ的值在55～100MPa之间；F－锻件在分模面上投影面积(含飞边)(mm2)。

锻造能量计算公式为E=k2×σ×V×ε (公式2)

式中，E－锻造能量(kJ)；k2－锻件形状复杂系数，k2＝2～4；σ－材料的变形抗力(MPa)；V－坯料体积(mm3)；ε－平均应变。

另外，锻造能量也可以采用力－行程曲线下的投影面积来计算。⑴模具润滑条件好，形状复杂系数k1和k2可以取小值；⑵高筋是指筋高与筋宽比h／b不小于4.5，薄腹板是指“腹板厚度与腹板部位面积的当量直径的比值不大于0.2”。

模膛设计

终锻模膛

铝合金终锻模膛设计和钢锻件终锻模膛设计一样，按照热锻件图的形状尺寸设计。

⑴热锻件图。热锻件图由铝合金冷锻件图加放冷收缩率，若锻件有孔，还要设计冲孔连皮形状和尺寸。

⑵选取冷收缩率。根据铝合金种类，坯料温度和模具预热温度确定冷收缩率，铝合金锻件冷收缩率可在0.6%～1.0%范围选取。其中模具温度低时，冷收缩率取大值。1)设计孔连皮。铝锻件孔连皮形状和尺寸设计方法与钢锻件相同，连皮形式有平底连皮、斜底连皮和带仓连皮，但连皮厚度比钢锻件连皮要厚15%～30%，甚至更大。2)对于有规律的变形部位还需要反向补偿设计。

⑶飞边槽。铝合金锻件飞边槽形式和钢锻件基本相同(图8)，但由于铝合金流动性差，飞边槽的主要尺寸参数和钢锻件不同。飞边槽设计即确定飞边槽形式、设计桥部和仓部尺寸。

1)飞边槽形式和设置。常用飞边槽形式一般有三种：仓部在上模、仓部在下模或仓部均匀分布在上模和下模。当锻件上下两侧模锻斜度相等时，通常仓部采用平分于上模和下模飞边槽，即桥部和仓部按分模线对称。对于小锻件可将仓部设置在上模或下模。但当锻件分模线两侧是不同模锻斜度时，则整个飞边安排以锻件带有小斜度的一侧为宜，这样便于切除飞边。飞边切除后，锻件流线在分模面处被切断而外露，对于有抗应力腐蚀要求的铝合金锻件很不理想，应合理选择飞边位置和飞边槽结构，或采用闭式模锻。

2)桥部尺寸。一般飞边槽桥部高度h和桥部出口圆角半径R应比钢锻件大30%。这是因为铝合金流动阻力大，另外铝合金锻件切边后在分模面处容易产生裂纹。应根据铝合金流动性、锻件重量和分模面面积等因素综合考虑，确定飞边槽桥部高度h。桥部宽度b和桥部高度h的比值一般取3～5。

下列情况应适当调整桥部尺寸：①尺寸相同的铝合金锻件应根据铝合金塑性不同，飞边槽尺寸也应有所不同。合金化程度高和塑性低的铝合金锻件，飞边槽桥部厚度应适当加大。②形状对称的铝合金锻件宜采用均匀飞边，对于壁厚相差较大锻件，围绕锻件的飞边槽可以采用不同的厚度。③锻件重量大和分模面面积大的飞边桥厚度应适当加大。④采用预锻和终锻成形时，终锻飞边桥厚度应该减小，以增加飞边阻力确保锻件充满良好。

3)仓部尺寸。由于铝合金锻造温度窄，制坯比钢困难，且铝合金流动性差，因此,当铝合金制坯料比较大时，为保证锻件能打靠，需将飞边槽仓部加深、加宽。为保证桥部强度，桥部和仓部应倾斜过渡，过渡斜角可取20°～30°(图8)。所以设计铝合金锻件飞边槽比钢锻件复杂得多，应引起设计者注意，特别是飞边桥部尺寸确定。

图8 铝合金锻模飞边槽

预锻模膛

⑴设置预锻模膛。预锻成形是为了改善金属坯料在终锻的流动条件，并分配好锻件各部位体积，以利于终锻成形，保证终锻时金属流动顺畅，充满良好和工艺稳定，避免产生锻造缺陷，又提高终锻模膛使用寿命。所以对于较复杂锻件一般均设计预锻模膛。为了提高铝合金塑性和增大一次行程允许变形程度，预锻宜采用闭式模锻(形成三向压应力)。对于复杂锻件，还可设计两次预锻成形。采用多套模具，多次模锻。使简单形状毛坯逐步过渡到复杂形状锻件，这样易使铝合金坯料流动均匀，充填容易，纤维连续。

⑵预锻热锻件图。1)预锻热锻件图和钢锻件预锻热锻件图设计原则基本相同，应使预锻坯在终锻模膛易于镦粗成形，而难成形又易产生折叠部位，采用镦挤成形。2)以热锻件图为依据，设计预锻热锻件图。预锻件水平尺寸比终锻件对应部位单边尺寸小0.2～0.5mm(外部尺寸减小，内部尺寸增大)，而高度尺寸比终锻对应部位大。但预锻坯体积仅稍大终锻件对应部位体积，不宜超过1%。

众所周知，预锻热锻件图凹圆角半径R(模膛凸圆角半径)应大于终锻热锻件图对应凹圆角半径，这样减少金属流动阻力便于坯料金属流动。但是当锻件定位处凹圆角半径R增大影响其在终锻模膛定位时，应采用其他部位定位。

⑶飞边槽。预锻成形宜采用带飞边闭式模锻(形成三向压应力，提高铝合金塑性和提高铝合金一次行程允许变形程度),例如某锻造企业铝合金转向节(图9)即采用带飞边的闭式模锻，工艺稳定，已大批量生产。对于高强度铝合金(如7075)模锻件，更应采用带飞边的闭式模锻。飞边槽形式和尺寸与钢锻件半闭式模锻设计相同(即封闭飞边桥)。

图9 铝合金转向节

制坯模膛

和钢锻件相同，当锻件形状复杂时还应设计制坯模膛，按锻件种类(短轴类锻件和长轴类锻件)确定制坯形状。长轴类锻件首先作截面图，并确定制坯图，然后确定是压扁、压挤还是辊锻制坯。短轴类锻件设计“成形镦粗坯”。

模具结构

模具结构与钢锻件模具基本相同。布置模膛、飞边槽、顶出杆、锁扣(平衡锁扣和导向锁扣)和定位压紧斜面或定位凹槽等。但是，由于铝合金锻造工艺性差，一般应采用单独模块，便于调整和修正。也可以设计钳口，以方便取件操作。

顶出装置

顶出杆位置一般不宜布置在锻件本体，应尽量布置在飞边处。因为铝合金较软，顶出杆极易在锻件上压出压痕。另外，由于铝合金锻件刚性差，锻件出模时易变形，顶出杆布置位置应均匀，达到顶出均衡。为防止锻件从上模掉下变形，应使上顶出杆比下顶出杆顶出锻件时间稍提前，使锻件留在下模。另外，一般宜将锻件形状复杂的一面放在下模。顶出杆直径和行程按锻件大小和形状选择，应不小于φ10mm。若模具结构合适，应尽量取大值。合理布置顶出杆位置，确定顶出杆直径、行程和延时是生产铝合金锻件能否被顺利顶出的关键之一。

锁扣

若模架的模具定位基准精度差，应设计形状锁扣，防止锻件错移。对于空间分模面还应设计平衡锁扣。

模具制造

模膛制造精度

和钢锻件模膛制造精度确定原则相同，制造精度根据锻件精度要求设计，即模膛制造精度应比锻件精度提高2级以上。

模膛粗糙度

由于铝合金摩擦系数大(是钢的3倍)，粘附力大，流动性差，要求对模具工作表面进行抛光，但是磨痕方向应顺着金属流动方向。模膛表面粗糙度达到Ra0.4μm(抛光)，有利于金属流动。因为模膛不光洁，不仅易产生表面粗晶，而且对于复杂锻件还易产生折叠。

例如，模锻7075铝合金进气摇臂时(图10)，由于模膛表面粗糙(Ra12.5μm)，预锻时在带孔圆柱外围和工字形过渡区左和右两端都产生折叠。然后将模膛表面抛光到粗糙度为Ra0.4μm，再模锻时，带孔圆柱外围和工字形过渡区左端折叠消失。说明模膛表面粗糙度对铝合金模锻的重要性。

图10 铝进气摇臂

《简叙铝合金模锻工艺和模具设计》(连载三)见《锻造与冲压》2021年第19期