在外力的作用下使金屬坯料在模具內產生塑性變形並充滿模膛(模具型腔)以獲得所需形狀和尺寸的鍛件的鍛造方法。大多數金屬是在熱態下模鍛的,所以模鍛也稱為熱模鍛。與自由鍛相比,模鍛能夠鍛出形狀更為複雜、尺寸比較準確的鍛件,生產效率比較高,可以大量生產形狀和尺寸都基本相同的鍛件,便於隨後的切削加工過程採用自動機床和自動生產線。模鍛後的鍛件內部形成帶有方向性的纖維組織,即流線。選定合理的模鍛工藝和模具,使流線的分佈與零件的外形一致,可以顯著提高鍛件的機械性能。但模鍛需需要專用的模具,模具必須用優質合金工具鋼制造,模膛形狀復雜,要求精度高,加工量大,生產周期長,價格昂貴。因此,模鍛一般適用於大批量生產,或用於批量雖不大,但對鍛件的形狀和性能有較高要求的場合。

  模鍛件的精度高,加工餘量小。加工餘量的決定需要考慮模具的制造精度及其使用中的磨損、金屬的冷縮和表面氧化、金屬流動和充填狀態、鍛造需要的斜度、圓角和鍛造偏差以及切削加工所需的餘量等。在實際生產中,鍛件加工餘量都按標準選用。使用特殊的精密鍛造工藝,嚴格控制鍛件的局部公差,不留切削加工餘量,不再切削,是現代模鍛技術的發展方向之一。

  模鍛通常按所用的設備分為錘模鍛、熱模鍛壓力機模鍛、螺旋壓力機模鍛、水壓機模鍛、平鍛機模鍛和電熱鐓等。

  錘模鍛 在生產中應用較廣泛。鍛模分上下兩塊,分別固定在模鍛錘的錘頭和砧座上,靠錘頭上的上模向砧座上的下模打擊(無砧座模鍛錘是上下砧對擊)使鍛件成形。坯料常要經過若幹制坯工序,為此在鍛模上設有相應的多個模膛。鍛造時,先將坯料加熱到始鍛溫度(見鍛坯加熱)再由人工將鍛坯按工序移置於相應的模膛中,接受鍛錘依次打擊,並在終鍛模膛中最後成形。典型的錘模鍛經過6個工序(圖1中無鐓粗工序)。①鐓粗:用來減小坯料高度,增大橫截面積。②拔長:將坯料繞軸線翻轉並沿軸線送進,用來減小坯料局部截面,延長坯料長度。③滾壓:操作時隻翻轉不送進,可使坯料局部截面聚集增大,並使整個坯料的外表圓渾光滑。④彎曲:用來改變坯料軸線形狀。⑤預鍛:改善鍛件成形條件,減少終鍛模膛的磨損。⑥終鍛:使鍛件最終成形,決定鍛件的形狀和精度。在終鍛模膛的四周開有飛邊槽。

  模鍛錘的打擊速度快,沖擊能量較大,打擊的輕重可以由操作者隨意控制,所以對鍛件的適應性好,可以鍛1千克以下到200千克左右的各種復雜形狀的鍛件,如發動機連桿、曲軸、汽車萬向節、前梁和各種齒輪。錘模鍛的生產率高,設備投資少。缺點是振動和噪音大,操作技術不太容易掌握,工人勞動條件差,勞動強度大。另外,模鍛錘一般沒有頂出裝置,鍛件需要較大的模鍛斜度,模具的壽命較低。

  熱模鍛壓力機模鍛 熱模鍛壓力機一般是曲柄式機械壓力機。它的振動和噪音比錘模鍛小,操作技術也比較容易掌握,生產率高,便於采用機械手實現自動化生產。熱模鍛壓力機的剛性好,滑塊導向精度高,有鍛件頂出裝置,可以用較小的模鍛斜度。中國第二汽車制造廠的以120000千牛熱模鍛壓力機為主,配有輥鍛機、切邊壓力機、扭轉機、矯正壓力機、機械手和傳送裝置的自動鍛造生產線,每小時可鍛汽車曲軸或前梁60~90根。熱模鍛壓力機的行程是固定的,不能代替輥鍛機或其他設備來完成相應的制坯操作,也不能像鍛錘那樣利用沖擊慣量來成形鍛件。為瞭使鍛件充滿模膛,往往需要增加預鍛的次數,使坯料在幾個模膛內逐漸地接近鍛件形狀,因此模具的結構比較復雜。熱模鍛壓力機模鍛適用於大批量生產。

  螺旋壓力機模鍛 螺旋壓力機的特點是鍛錘沖擊慣量大,而且機械壓力機導向好,有頂出裝置,不需要蒸汽動力,是比較萬能的模鍛設備。它隻出少量飛邊,出模角很小,鍛後由頂桿將鍛件頂出。對於中小型鍛件的單模膛鍛造效果很好,特別是鐓鍛氣門、螺栓等帶桿零件的頭部。形狀復雜的鍛件可在其他設備上預先制坯,然後在螺旋壓力機上終鍛。

  水壓機模鍛 水壓機的工作速度低,行程大,壓力高,並且可以調節,有頂出裝置;如有需要還可以從幾個方向施加壓力(多向模鍛水壓機)。巨型水壓機的壓力達到幾十萬千牛,工作平臺面積達幾十平方米。它適用於模鍛大型鋼、鈦合金、鋁合金和鎂合金鍛件,特別是大型航空鍛件,如飛機框架、起落架大梁。多向模鍛水壓機則適合於模鍛各種多空膛復雜鍛件,如高壓機殼、閥體和三叉、四叉管子接頭等(圖2)。

  平鍛機模鍛 也稱平鍛,是鐓鍛長桿件、管件的頭部和用棒料制造帶通孔環形件的常用方法,如制造長軸的法蘭部分、軸承環等。圖3為典型的平鍛機模鍛件成形工序。圖4為平鍛模及其運動過程。工作時,活動凹模移動,將端部已加熱的棒料夾住,然後由固定在主滑塊上的多工位凸模進行鐓鍛,使金屬充滿模具的模膛。如果棒料的變形部分長度大於棒料直徑的3倍,則必須在預鍛、終鍛之前對棒料端部進行一次或幾次聚積,避免鐓鍛時棒料彎曲或產生折疊。鍛通孔時,先鍛出帶盲孔的鍛件,然後在沖頭穿孔時將鍛件與棒料分離。平鍛件一般不產生飛邊或隻產生較小的飛邊,所以材料的利用率高,但需要將棒料夾住後鍛造,所以要求棒料有較小的直徑公差。

  電熱鐓 對棒料端頭邊加熱邊施加壓力,使之鐓粗變形的模鍛工藝(圖5)將棒料的一端通電,利用棒料本身的電阻進行接觸加熱,同時對棒料的端部施加軸向壓力,使一端逐漸變熱變粗,直到充滿模膛和成形。這種方法將加熱和變形合並在一臺機械上同時進行,所以成形好、效率高,主要用於內燃機氣門的成形。

  隨著技術的進步,除瞭傳統的模鍛方法在不斷完善外,還出現瞭許多精密、高速的模鍛新工藝和新設備。例如,用液壓螺旋壓力機精鍛汽輪機葉片,葉片表面隻留少量的磨削餘量;精密模鍛齒輪,齒形可以不再進行機械加工;多工位自動熱鐓機成形長棒料或成盤棒料被送進、加熱、切成定長毛坯,然後在3~4個工位裡成形。整個過程自動進行,每分鐘可鍛3千克左右的齒坯和軸承環坯40~70件。高速錘鍛造是用特殊設備進行的模鍛。擠壓和冷鐓,廣義地說也屬於模鍛。

參考書目

 張志文:《鍛造工藝學》,機械工業出版社,北京,1983。