1模具设计
1．1终锻模具设计
本课题研究的模锻件如图1所示，一部分为非加工表面，另一部分为加工表面。加工表面的单面最小加工余量为5mm，出模斜度7°。为了使模锻件有很好的金属流线，采用锻件中心线分模的形式。由于锻件长度为660mm、宽度为345mm、高向为140mm，投影面积较大，故终压模安装在50MN水压机上，这样可保证有足够的变形压力，保证模压成形。模具采用5CrMnMo耐热工具钢，硬度(HRC)控制在40～45。采用导柱配合方式，最大错移量不超过1．0mm，可满足锻件有足够的加工余量。导柱采用烘装组合的方式，保证装配牢固不易脱出。导柱距下模分模面控制在200mm，这样可保证上模先导入，随后模型接触坯料，从而防止在压坯料时发生串动而造成啃导柱的现象。以往曾发生过由于导柱矮而造成啃导柱时啃下的铁屑飞出伤人的事故。
1．2预锻模设计
铝合金预锻模膛设计应考虑的因素:①当预锻模膛仅用来减小终锻模膛的磨损时，其设计基本上与终锻模膛的相同，但预锻模膛的凸圆角处和分模面出口处的圆角半径应稍大些。当预锻模膛中具有较深、较窄的部位时，可将预锻模膛相应部位的宽度及长度减小一些;也可采用增大该部位斜度的办法，并相应地减小其宽度，而预锻模膛在该处的高度不应加大。为改善成形条件，应合理选择难充满的深腔入口处的模膛凸圆半径。②若预锻模膛用来改善金属流动情况，避免在锻件上产生折叠，则预锻模膛应考虑:为避免工字形锻件筋根部位产生折叠，应增大转角处的连接半径及斜度(或厚度);同时应控制预锻模膛的断面积F预基本上等于终锻模膛上相应处的断面积F终;如终锻后不满，可增大预锻欠压量，用磨修预锻模膛的方法进行调节;对冲孔的锻件，应使终锻时连皮部位的体积大于或等于预锻时该部位的体积;预锻模膛毛边槽的选用基本上与终锻模膛的相同，但有关尺寸应稍加大。在轻合金模锻件生产中，有许多是形状极为复杂、断面变化大的锻件。这些复杂制件不仅很难选择毛料，也不易模压成形，而且变形极不均匀，更易产生折叠缺陷。这些锻件都是用一套终锻模进行锻压是不能完成的，要求设计者必须考虑采用预锻模或者还要设计毛料模。本课题的模锻件是典型的四周封闭筋型，从形状上看是最易产生折叠的，因此，需要设计预锻模。预锻模的特点是完全具备终锻件的形状，只是筋型的高度比最终要求的矮一些、腹板厚一些、圆角大一些、总金属量比终锻件的要多5%～8%。同一筋型的预、终锻各套模具模膛的不同情况。从预锻到终锻，锻件是从粗到精逐渐充满模膛的，变形金属的流动过程比较平稳，变形也更加均匀，这样就可以减少由于剧烈变形产生折叠的几率。就整个金属量而言，它远比以铸锭或挤压棒、型材为毛料直接终锻的总金属量要少得多，这样它就没有过多的金属需要外流，而且仅有的少量多余金属也在预锻过程中很顺利的排出了，因此避免除了由于有大量多余金属外流而造成折叠。
2生产操作的工艺过程
2．1锻造坯料
为了合理的分配金属，尽量减少投料量，需要锻造坯料。在30MN自由锻水压机上锻造坯料。毛料采用挤压棒材，规格为Φ190mm×650+5mm，在700kW空气循环加热炉内加热，450℃～470℃保温3h。平砧在400kW模具加热炉内加热，400℃～450℃保温8h。模具加热是为了防止在锻造过程中坯料温度过低而产生大晶粒，同时便于金属的流动。按锻9工艺进行，首先用锻造钳子将毛料立起，镦粗至h=400+50mm，这样可以保证四角的金属量够用;然后放倒压扁打方，端头镦齐，打出棱角，以保证模锻时最难成形的四角的金属量够用，易于成形。
2．2预锻
预锻模在模具加热炉内加热，400℃～450℃保温8h。坯料加热450℃～470℃保温3h。在50MN水压机上，先用风管吹净模具型腔内的杂物，然后对其上下模的型槽充分润滑一遍，预锻控制在两次，首次预锻时将坯料摆正，上压要缓慢，以防止金属由于激烈变形而出现紊流、涡流、折叠或穿流等缺陷。两次预锻的欠压量分别控制在15mm～20mm，10mm～13mm。①首次预锻:润滑剂的配比为20%石墨+20%汽缸油+60%锭子油，此润滑剂的流动性较好。首先在上下模型槽上进行全面润滑，要注意润滑剂不得在型槽内汪积，然后将毛料摆放在下模型腔上，使毛料盖住型槽，再在毛料上进行全面的均匀的润滑，使毛料表面形成一层油膜。随后预锻的上压速度不要过快，以使金属平缓的流动开始充型。为防止首次预锻时一次变形量过大导致粘模，必要时可抬起水压机再润滑一次，然后上压预锻要求的欠压量为止。首次预压的变形量要大些，欠压量要保证符合工艺的要求。模压后要进行彻底修伤，并要圆滑过渡。②成形预锻:本次预锻采用的润滑剂的石墨配比要比首次预锻的高一些，油刷的沾油量不宜过多，润滑时上下模型都进行少量均匀润滑，在锻件上只对欠成形的地方进行重点润滑，其余部位少量润滑。润滑完了水压机应立即落下随后开始施压，以免润滑剂的过量挥发。当压到一定程度水压机应抬起，排除废气，并还可对局部不成形处实施补充润滑，在拔模角的外侧也可少量润滑，以便锻件脱模。欠压量要保证符合工艺的要求，后要进行修伤，并要圆滑过渡。
2．3终锻
终锻模在模具加热炉内加热，400℃～450℃保温8h。坯料加热450℃～470℃保温3h。在50MN水压机上先用风管吹净模具型腔内的杂物，然后对其上下模的型槽充分润滑一遍，终锻控制为三次，三次终锻的欠压量分别控制在8mm～10mm、4mm～6mm和3．2mm～－1．2mm。合理地进行润滑操作可以避免模锻件产生折叠，在现场生产中该类模锻件易因折叠而报废。终锻的特点是锻件已基本成形，只是欠压量较大，目的是要减少欠压排出多余金属。而此次模锻润滑的好坏对锻件质量有重要影响。首件的润滑剂配比是将石墨的量增至40%～30%，油刷的沾油量要少，必要时可用沾油不多的油刷直接沾入少量的干体石墨，先对上下模型槽进行少量均匀润滑，然后在锻件的外侧拔模角的周边全涂上润滑剂，并尽快将锻件放进型槽内模压，以免润滑剂过量挥发。断面上外侧画点的区域均应是润滑部位，这样使锻件的内侧出模角、筋型、腹板与模具型槽之间没有润滑，使金属和模型紧密的贴附在一起，增大了对变形金属表面的摩擦阻力，以使排除多余金属的变形流动不是在锻件的表面进行，而是在远离表面的金属内部进行，因此锻件内侧的表皮金属不参与流动，这是避免模锻件产生折叠的关键。多余金属的流出首先是在外侧出模角一边开始，然后是在锻件的内部逐渐接替进行。这样操作可能增加锻件最终脱模的困难，但可有效地避免折叠。为防止锻件产生粗大晶粒，各工序的开锻温度控制在440℃以上，终锻温度控制在410℃以上。如遇到锻件粘模、锻件不能立即撬下来，要及时将已出炉的下一个预锻件送回加热炉内，以防在炉外等候时间长而温度散失过多，变形时产生粗大晶粒。掉在地上的预锻件要立即捡起送入模膛，以防温度散失而导致变形时晶粒长大。
2．4蚀洗、修伤
每次模锻后在锻件表面由于有润滑剂残存而使模锻件表面成黑墨状，只有通过蚀洗(碱洗和酸洗)之后才能显现出铝合金的本来光泽。同时也使锻件上可能存在的折叠或欠成形等表面缺陷明显地暴露出来，以便于修伤。修伤是要修掉坯料或锻件上可能会造成或已经形成的折叠等表面缺陷。一般修伤是用风动扁铲和风动铣刀进行，对折叠处修伤除了要把折叠本身彻底修净之外，为了保证再次模锻不再形成折叠和便于成形，修伤处需圆滑过渡，其展开的宽度应不小于修伤深度的5～10倍，同时在修伤过程中还要反复蚀洗，以检查折叠是否彻底修净。修伤可分为坯料修伤、模锻中间修伤和成品修伤三种。①坯料修伤;在模锻加热之前，对坯料上可能会在模锻过程中导致锻件形成折叠等缺陷的各种有害因素进行机械修整。其中包括修掉铸锭车皮时顶出的顶针孔，切挤压毛料时带的连皮，预锻坯料上的局部裂纹和尖锐的棱角，以及锻拔时的压折，以避免模锻时压合、压堆构成折叠。②中间修伤:是把经过坯压、预锻和成品终锻之间各次模锻时已经产生的折叠彻底修掉，并且也要把将会构成折叠的部位进行圆滑的扩展修整。这是模锻生产中减少折叠废品的有利途径。③成品修伤;在成品验收时，对模锻件非加工表面上的不超过技术条件规定允许范围内的轻微折叠，经修伤予以消除。对加工表面上存在的折叠，经剖伤来鉴别折叠的深度，看是否超过技术条件或模锻件图纸规定的加工余量允许的范围，以便确定是成品或是报废。
2．5切边
切边在带锯上进行，可分为中间工序切边和成品切边。①中间工序切边:毛边残留量为10mm～30mm，对局部成形差的部位毛边要多留些，以便于下次模锻成形。②成品切边:对于质量不大于30kg的模锻件，其毛边残留量不大于3mm;质量大于30kg的模锻件，其毛边残留量不大于6mm。形状复杂部位，其毛边残留量不大于15mm。有特殊要求时，按专用技术条件或锻件图上的规定执行。成品切边时，严禁倒立，应注意轻拿轻放，避免表面碰伤。
2．6热处理
将锻件立放在淬火料筐内，然后将试料放在筐的上面。淬火温度为510+5－1℃，按金属温度保温180min，淬火水温60℃～80℃，淬火转移时间t≤15s，且淬火料筐在水中往复升降15次以上，然后在水中停留15min后方可吊出水面，在锻件上打淬火炉号时要在指定位置，且要清晰。在水压机上较直，1MN油压机作为辅助配合矫直，在水压机上锻件放在终锻模内上三级压力矫直。矫直后的锻件轻轻地推入酸洗筐内并按要求摆放好，然后进行酸洗。蚀洗时间不要过长，防止过蚀洗。蚀洗后的锻件放在矫直平台上进行逐个检查，对于个别不符合要求的锻件在1MN矫直机辅助矫直。矫直合格的锻件要打上矫直号。时效温度155+5－2℃，按金属温度保温8h，总加热时间8h～14h;时效装炉时，料架摆放一定要有利循环风畅通，使之加热均匀、快速。
2．7验收
认真执行三对照，按Q/Q817－82标准及图纸，按Ⅱ类锻件检查验收。
3锻件组织、性能检测
该模锻件外形尺寸经划线检查，完全符合图纸的要求。化学成分分析结果符合国标中2A50-T6铝合金的化学成分要求。模锻件的低倍组织晶粒均匀，金属流线均匀合理;高倍组织正常，未过烧，化合物的大小及分布都比较均匀。断口组织细密，无任何冶金缺陷。
4结束语
1)生产实践证明，合理的模具设计和锻压工艺的优化是保证模锻件尺寸精度、组织与性能合格的必要条件。2)采取本文中所述模具设计方法和锻造工艺后，该锻件的重量成品率由原来的31．5%提高至60%，件数成品率由原来的75%提高至100%。同时，降低了能耗，提高了生产效率。3)在合理的模具设计、工艺编制、生产操作的前提下，充分发挥操作者的技术水平，使各工序控制得合理，就能大大地减少锻件的废品或避免废品的发生，特别是减少或消除锻件的折叠废品。
作者：孙绍华 孙超 徐磊 单位：东北轻合金有限责任公司 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院