多向模锻工艺及模具设计

1、多向模锻1 概述多向模锻技术又称多柱塞模锻，是于20世纪50年代美国Cameron（卡麦隆）公司提出并实现的锻造新技术，利用可分模具，在多向模锻压机一次行程作用下获得无毛边、无拔模斜度或小拔模斜度、多分枝或有内腔的形状复杂的锻件。它是一种集挤压、模锻于一体的综合工艺。与普通模锻相比，能减少工序和节约能源，提高锻件的性能，对实现锻件精化、改善产品质量和提高劳动生产率等方面具有许多独特的优点。自上世纪五十年代以后，美、英、法、德和原苏联等工业发达的国家，相继推广应用和发展了多向模锻技术。我国于上世纪六十年代中期，也开始自主研发多向模锻水压机和多向模锻工艺。1.1 多向模锻的成形原理及类型进行多向模

2、锻的前提条件，必须拥有多向模锻压机，图1-1是二十二冶集团精密锻造有限公司和清华大学共同研发的40MN多向模锻压机。1234567图1-1 40MN多向模锻压机1上半圆梁 2合模工作缸 3垂直工作缸 4活动横梁5回程缸 6水平工作缸 7下横梁由图1-1可知，多向模锻压机和普通模锻压机有很大区别，机架在左右方向设计成一定角度，机架采用钢丝缠绕提供机架垂直方向和水平方向的预紧力。多向模锻液压机可以在不同方向按不同顺序用冲头对闭式模具中坯料进行挤压，使其能很好的充满模具型腔。锻造结束后模具分开，方便从模具型腔内取出锻件。多向模锻根据锻件的分模方式不同，可以分为三种类型：即垂直分模；水平分模；垂直与水

3、平联合分模(简称复合分模)，见图1-2所示。由图可清楚看到这三种多向模锻的分模方式及其成形原理，如下：图1-2 多向模锻分模方式(1)垂直分模 (2)水平分模 (3)复合分模(1)垂直分模垂直分模是把左右模具固定在压力机的水平缸活塞上，将垂直冲头固定在垂直穿孔缸的活塞上，以水平缸活塞压紧左右模具，把坯料放入模具模腔中，用垂直冲头挤压坯料使坯料填满模具型腔。锻造结束后，垂直冲头回程，水平缸回程打开左右模具，锻件从模具型腔中取出。(2)水平分模水平分模中上下模具分别固定在活动横梁和下横梁上，垂直冲头固定在垂直穿孔缸的活塞上，水平冲头固定在水平穿孔缸的活塞上。坯料放入下模模具型腔后，上模在活动横梁的

4、作用下使上下模压紧。垂直冲头和水平冲头分别对坯料进行挤压，使坯料填满模具型腔。锻造结束后，垂直冲头和水平冲头分别回程，栋梁回程是上下模具分开，锻件从模具型腔中取出。(3)复合分模复合分模是坯料放入下模模具型腔后，左右模合拢并压紧，上冲头挤压坯料变形，然后水平冲头对坯料进行挤压，使金属完全填充满模具型腔。锻造结束后，左右模分开，锻件从下模型腔中取出。在制定锻件多向模锻工艺时，首先要正确选择分模方式，合理确定分模面。通常，是根据锻件的形状、尺寸、结构的特征，如锻件外形复杂程度；垂直与水平方向的投影面积大小；有无成形孔腔的要求，内孔长度与孔径之比等，并结合企业已有的多向模锻液压机的力能参数，柱塞行程

5、和安模空间等方面条件，综合确定分模方式和分模面位置。1.2 多向模锻的技术特点多向模锻实质上以挤压为主，挤压和模锻相结合的一种工艺。与普通模锻相比，多向模锻有以下特点：(1)能成形结构形状复杂的锻件，显著提高材料利用率，缩短机加工工时。多向模锻可获得形状复杂、尺寸精确、无模锻飞边并带有孔腔的锻件，使锻件最大限度接近成品零件的形状和尺寸。从而可显著提高零件的材料利用率，缩短机械加工工时和大幅降低锻件成本，是生产结构形状复杂锻件的最优锻造工艺。图1-3(1)是二十二冶集团精密锻造有限公司锻造的阀芯锻件，锻件重5.7Kg左右，机加工后的零件如图1-3(2)所示，零件重4.8Kg，材料利用率高达84%

6、左右，大大缩短阀芯锻件的机加工工时。 (1) (2)图1-3 阀芯锻件及零件(1)阀芯锻件 (2)阀芯零件(2)金属流线分布合理、锻件性能得到提高。向模锻不产生飞边，也就不会因切边而使锻件流线末端外露，因此，多向模锻件的金属流线基本上都是沿锻件轮廓分布，有利于锻件机械性能提高。此外，多这对提高零件抗应力腐蚀性能尤为重要。(3)坯料只需一次加热便可锻成锻件，提高生产效率，降低能源消耗。多向模锻生产时，只需坯料一次加热便能锻出锻件，压机一次工作行程便可将坯料锻成锻件。因而可减少生产工序，提高生产效率，节省能源消耗和减少加热设备，降低金属材料烧损、锻件表面脱碳及合金元素贫化。(4)适于生产锻造温度窄

7、和低塑性材料的模锻件。机械产品中一些重要关键零件的材料，常常是采用锻造温度窄和塑性低难变形的合金钢及合金，如不锈钢、高温合金，钛合金等。这类金属材料在普通模锻时，因应力状态会出现拉应力，因此会导致锻件产生裂纹而报废。而在多向模锻时，坯料是处在强烈三向压应力状态下变形，有利于提高金属的塑性，适于模锻难变形金属材料的锻件。2 模具结构类型及模具失效形式2.1 模具结构类型多向模锻的模具结构，按分模方式不同有三种基本结构形式，即垂直分模模具结构、水平分模模具结构和复合分模模具结构。可以归纳，多向模锻常用模具结构有以下3种类型。1.水平分模模具结构1243图2-1是多向模锻水平分模的模具结构，该类模具

8、结构的分模面与压机工作台台面平行。上模和下模通过T形螺栓分别于多向模锻压机活动横梁和下横梁工作台连接，水平冲头与多向模锻压机水平缸活塞连接，垂直冲头与多向模锻压机垂直缸活塞连接。安装模具时，保证水平冲头中心线和上、下模左右孔的中心线重合，垂直冲头的中心线和上模孔的中心线重合。坯料放入下模模具型腔内后，上、下模通过上横梁合紧，上冲头和水平冲头分别通过垂直工作缸和水平工作缸对坯料进行挤压。图2-1 水平分模模具结构1垂直冲头 2上模 3水平冲头 4下模2.垂直分模模具结构图2-2是垂直分模的模具机构，该类型模具结构的分模面与多向模锻压机工作台面垂直。左右模通过六角螺钉与连接杆连接，连接杆与水平工作

9、缸活塞连接；垂直冲头与垂直工作缸活塞连接；左右模移动台面通过T形螺栓与多向模锻工作台面连接。左、右模在移动垫板上左右移动，锻造结束后垂直冲头回程时，移动垫板通过移动垫板燕尾槽使左、右模滞留在移动垫板上。左、右模通过水平工作缸合模，并提供合模载荷。左右模合模后，坯料放入模具型腔，垂直冲头挤压坯料使金属填满模具型腔。213465图2-2垂直分模模具结构1六角螺钉 2左模 3垂直冲头4连接杆 5右模 6移动垫板3.复合分模模具结构图2-3是复合分模的模具结构，复合分模的模具结构有两个分模面，一个分模面与多向模锻压机工作台面平行，另外一个分模面与多向模锻压机工作台面垂直。与水平分模模具相比，复合分模模

10、具可以锻造带有主法兰的阀体锻件；与垂直分模模具相比，复合分模模具与工作台台面垂直的分模面比垂直分模模具的分模面小很多，大大减小了复合分模模具左右方向的合模载荷，而复合分模模具的上下方向的合模载荷可以有多向模锻压机合模工作缸提供，因此，复合分模模具结构在相同的压机上锻造的产品范围比垂直分模大很多。213465图2-3垂直分模模具结构1六角螺钉 2左模 3垂直冲头4连接杆 5右模 6移动垫板2.2 模具失效形式与普通模锻相比，多向模锻多是一次成形锻件。多向模锻成形锻件时，金属流动剧烈，对模具及冲头的磨损较为严重。多向模锻模具的常见失效形式有：裂纹、压塌、冲头断裂。下面针对几种失效形式进行详细描述。1.裂纹多向模锻成形阀体锻件时，在垂直穿孔过程中，坯料金属向锻件两侧流动。金属与模具表面摩擦载荷较大，金属流动过程中对模具的磨损较为严重。同时，锻造过程中，不断对模具进行冷却模具表面不断的进行冷热交替的变化。模具长时间服役过程中后形成裂纹。图2-4是锻制阀体的上模芯型腔表面的裂纹情况。裂纹裂纹图2-4 上模芯表面裂纹情况2.压塌多向模锻成形阀体时，上模合模后，坯料金属流入上模孔腔中。垂直冲头穿孔过程中，流入上模孔腔中的金属被垂直冲头挤下去。在如此的