锻件图设计

以铸件图结构形状及尺寸为参考，铝合金分流器锻件上必须将直径较小的6个通孔及1个盲孔填平，中间直径较大的通孔设计成盲孔。根据锻造成形工艺有限元数值模拟分析，大圆柱上四个腰形盲孔部分如果保留的话，锻造过程中容易出现折纹，如图2所示，因此要求客户对这部分的结构进行修改。

图2 成形模拟分析

同时，原铸件图上所有的出模角度均为1°，由于铝合金在锻造过程中容易粘模，锻造出模斜度通常设计为5°～7°，但较大的出模斜度会增加材料消耗。跟客户沟通后，将锻件的外拔模斜度设计为3°，内拔模斜度设计为5°。

另外，机加工单位根据产品的加工工艺要求，提出在锻件上增加三个机加工工艺压块，厚度为10～15mm,压块宽10mm左右。综合考虑这些要求，终设计的锻件图如图3所示。

图3 终锻件图设计

锻件技术要求

⑴材质。

铝合金是以铝为基体，加入锰、镁、铜、硅、铁、镍、锌等各种元素而形成的。根据成分和工艺性能不同，铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，如图4所示。

图4 铝合金分类

原压铸工艺生产时，所用的材料为A380铸铝合金，属于Al-Si-Cu系合金，含硅高，易于铸模，便于机械加工，热传导好。产品抗拉强度要求为3MPa，屈服强度为160MPa，伸长率为3.5%，与此强度相对应的锻造铝材有6系Al-Mg-Si系材料，其中6061的强度在330MPa左右，其加工性能，且具有良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形，材料致密无缺陷等优良特点。因此，我们选用6061作为锻造铝材。

⑵热处理要求。

要求采用T6热处理工艺，即固溶+时效处理。其中，固溶处理：530±5℃(4h)，淬水（水温60±10℃），时效处理：175±3℃(保温8h)

组织及性能要求：

1)硬度≥80HB（约47HRB）。

2)机械性能（屈服强度≥241MPa、抗拉强度≥262MPa、A≥7%）。

3)金相组织：无过烧。

⑶其他技术要求。

1)锻件表面不允许有裂纹、夹杂等，表面需光滑。磕碰伤不大于2.5mm×1.5mm×1.0mm。

2)切边毛刺不大于0.3mm。

3)外圆拔模斜度为3°，内圆拔模斜度为5°。

4)锻件厚度上公差＋1.2mm，下公差－0.6mm，其他尺寸公差为±0.5mm。

锻造工艺分析

针对铝合金分流器锻件的形状、尺寸精度、材质、质量要求的程度，初步确定其锻造方法及流程如下：

材料检验→下料→加热→锻造→切边→T6处理→检查→喷丸→终检→入库。

⑴材料检验。

对于进厂的铝合金原材料，除了按标准检验化学成分外，还需重点关注内在质量。

供模锻用的铝合金原材料，一般采用铸锭或挤压坯料。铸锭坯料往往具有疏松、气孔、缩孔、夹渣、树枝状偏析等缺陷。挤压坯料则是对铸锭加热，然后放入预热的模具中，挤压成形。通过热挤压变形可以使铝合金铸态组织得到较大改善，晶粒得到细化，性能得到较大提高，但也可能存在粗晶环、成层、缩尾、夹渣、氧化膜及表皮气泡等缺陷。铝合金原材料的上述缺陷，可能造成锻造时的开裂，直接影响到产品质量。

对于一些关键的汽车零部件如控制臂用铝合金原材料，通常要求对粗晶环进行严格控制。

⑵下料。

坯料的直径和长度尺寸应尽可能与锻件尺寸和形状接近，下料端面要平整，能够覆盖住锻模的型腔，以成形过程中坯料端面卷积，防止在锻件表面形成折纹等质量问题（如图5所示）。

图5 坯料没盖住型腔，易出折纹

对于铝合金，锯床下料和车床下料是常用的下料方法。

⑶加热。

6061铝合金始锻温度482℃，终锻温度432℃，温度范围仅50℃。由于铝合金锻造温度范围很窄，而且加热到400℃左右时，铝合金的颜色不变，用肉眼无法判断温度。因此，加热炉必须保持的温度。铝合金毛坯适合在带强制空气循环装置和自动调节温度的电阻炉内加热。为了避免加热不均匀，毛坯在炉内放置应离开炉门250～300mm。

由于铝合金的相组成复杂，为了保证强化相充分溶解，其加热保温时间比一般碳钢时间长，且合金化程度越高，保温时间越长。加热保温时间合理，铝合金塑性好，可以提高铝合金锻造性能。

多数铝合金坯料保温时间按坯料直径或厚度1.5～2min/mm（乘以坯料直径或厚度得到保温所需时间）计算，而高强度铝合金的加热保温时间应按2～3min/mm计算。合金元素含量高的取上限，直径或厚度较大的取上限，重复加热时的时间可以减半。挤压、轧制坯料加热到锻造温度后是否需要保温，以在锻造时不出现裂纹为准，而对于铝铸锭则必须保温。

我司提交的首批300件分流器样件，采用中频电感应加热后直接锻打，机加工发现一件内部裂纹（图6）。经东风公司工艺研究所分析，认为与加热质量有关，因此决定采购带强制空气循环装置和自动调节温度的电阻炉加热，再没出现过类似质量问题。

图6 心部裂纹件

⑷锻造。

铝合金锻造有以下特点：

1)铝合金锻造时摩擦系数大，粘附力强，所以铝合金的流动性相对其他合金的流动性较差，在锻造时必须要有较好的润滑剂，润滑的好坏会影响锻造力、锻造缺陷、晶粒流线等。铝合金锻造通常用的润滑剂是高纯度微粒石墨制成的油性润滑剂。

2)铝合金的临界变形程度为12%～15%，终锻温度下的变形程度应控制在小于12%或大于15%。否则铝合金锻件容易产生大晶粒；此外，模具表面粗糙，变形不均匀，终锻温度低，淬火温度高、时间长等都会导致大粗晶产生。一般而言，对于采用液压机生产的铝合金锻件，模具表面粗糙度要求Ra0.4μm，对于热模锻压力机，由于锻打速度比较快，加上油性润滑剂的作用，锻模表面粗糙度在Ra1.6μm即可。

3）由于铝合金的导热性好，锻造温度范围很窄，如果模具没有预热，或预热温度不够也会引起裂纹产生，因此要对锻造工具和锻模充分预热。为此，我们开发出采用天然气在线烤模的方式，保证模具温度始终在430℃左右，与坯料温度基本一致，实现铝合金的等温锻造。实践证明采用等温锻造工艺，铝合金的流动性和充填性好，变形抗力小，避免了锻件的外表面和内部的缺陷，质量达到国外同类锻件的技术要求。

⑸切边。

铝合金锻件的模锻过程跟钢质锻件基本相同，依次要经过制坯、预锻、终锻过程。锻后通常采用冷切边，铝合金锻件的切边工艺与钢质锻件的切边工艺有较大区别，主要表现在铝合金锻后冷却切边时，切边凹模刃口与锻件本体的间隙要比钢质锻件的大1.2～1.5倍，否则在切除飞边的同时，易将锻件表皮扯下一层皮（类似树皮状），如图7所示。一方面可能与锻后铝合金材料较软有关，另一方面可能与铝合金锻件飞边附近的变形程度在临界变形程度上有关，造成飞边附近形成了粗晶结构。当然，锻件外拔模角度较小（2°～3°）也可能有一定的影响。

图7 切边啃伤

对此问题，目前的解决方案是分两次进行切边，首次切边在锻后冷却到常温后进行，切边刃口与锻件本体的间隙较大，使切边刃口离锻件本体较远，切边后锻件上残留毛刺较大，然后对铝合金锻件进行T6热处理，使锻件硬度提高，再进行第二次切边，将锻件上残留的毛刺切除干净，图8为精切边效果。

图8 精切边质量

锻模设计

锻模设计重要的是预锻模设计和分模面的设定，而且必须考虑到使锻造流线按照制品负荷应力方向成形。

制坯工步

通过模拟分析，铝合金分流器的坯料规格为φ83mm×137mm比较合适，考虑到材料规格的通用性，选择下料规格为φ80mm×150mm，然后通过制坯工步将其镦粗到高度137mm，直径φ83mm。工艺调试过程中发现该方式镦粗坯料外圆表面受拉应力，会增大坯料表面开裂的风险，特别是在坯料加热温度接近过烧温度时，坯料一镦锻即炸开，炸开的纹理跟树杆的纹理差不多，如图9所示。

图9 过烧件镦粗开裂

为了规避风险，通过对预锻模结构的改进，制坯工步改进为直接将坯料平躺着压扁到50mm厚，然后放到预锻模上成形。

预锻工步

有专家认为，铝合金锻造，必须采用半闭式结构，使铝合金在三向压力状态下成形。为了验证该观点的正确性，我们先将预终锻模具都按开式模锻结构设计。经过生产验证，预、终锻均按开式模锻工艺方案进行设计，完全能够成形出合格的锻件，只是材料利用率稍低。

随后将预锻模改进为挤压筒式结构，下模采用一前一后的两个顶料杆，保证顶料平稳。由于所用的设备下顶料动作更可靠，为保证锻件尽可能的留在下模中，再由下模顶杆顶出型腔，将下模钳口形状设计成前小后大的喇叭口形状，通过飞边的形状来增加锻件不被上模带起的阻力。

对于终锻工步，还是采用开式锻结构，顶料方式同预锻模一样，上模增加一个顶杆，下模改成一前一后两个顶杆，借助夹持器下模的T形顶杆，使这两个顶杆同时顶起，保证锻件平稳脱离下模。

设备吨位的确定

锻造设备吨位与锻造方法、产品形状、材料的变形抗力等因素有关。普通锻件的平均锻造压力为3.0吨/平方厘米，用该数值乘上锻件压下方向相对的投影面积可以推算出锻造力。腹板厚度与飞边厚度越薄，锻造压力越高，腹板厚度与锻件的投影面积成正比。

结论

⑴不同于钢质模的生产工艺流程，铝合金锻件的工艺流程为：材料检验→锯切下料→加热→锻造→粗切边→T6处理→硬度检查→精切边→喷丸→终检→入库→发交。

⑵采用天然气在线烤模的方式，保证模具温度始终在430℃左右，实现铝合金等温锻造。

⑶采用粗、精两次切边工艺。粗切时用压紧圈将飞边压紧，切边凹模与锻件间隙控制在0.6mm以上，锻件上残留毛刺较大；再进行T6热处理，使硬度提高，晶粒细化；后进行精切边，切除残留的毛刺，保证质量符合图纸要求。