鍛壓模具模腔的排氣孔設計
鍛壓模具模腔的排氣孔設計
■錢進浩，胡亞民
在開發塑料件和鑄件設計相關成形模具時，都要考慮塑料模和鑄模成形時模具型腔内氣體的排出問題。如果不注意排氣問題，就會導緻塑料件和鑄件充填不滿，嚴重影響産品質量。在進行鍛壓模具設計時，更要非常重視鍛壓模具模腔排氣孔的設計問題，否則有可能使模鍛件充填不滿，鍛壓件不符合質量要求。特别是在熱模鍛壓力機上成形時，由于鍛壓設備的打擊速度太快，模腔内的空氣來不及逸出，情況比塑料和鑄件成形更嚴重，在模腔底部的角隅處會産生很大的壓力。不但使産品充填不滿，而且嚴重影響模具壽命。這是衆所周知的事實。為什麼這裡會産生很大壓力？有人說，模腔一共才有多大容積？有多大一點點氣體？其竟然能使模鍛件充填不滿？
其實，隻要靜下心來，采用初中物理學的知識就可以解釋這個問題。
設氣體在沒有壓縮前的體積為V1，壓強為p1，壓縮後的體積為V2，壓強為p2，則有p1V1=p2V2。
那麼，壓縮後的氣體的壓強為
由于壓縮後的氣體體積V2很小，趨近于零。雖然壓縮前的氣體體積V1也小，但V2/V1的值就可能很大，因而，壓縮後的氣體壓強為p2上升。
所以，讓壓縮後的氣體體積V2趨近于零無濟于事，反而使壓力急劇加大。必須讓壓縮後的氣體體積V2保持為一個定值。“排氣”的實質是将壓縮前與壓縮後氣體所占的空腔與大氣相通，其體積基本一緻。這樣就有
因而，我們不能忽視模具設計中的排氣問題。茲将我們在這方面的體會、實踐經驗和學習心得介紹如下。
圖1 排氣孔的布置
1. 确保鍛件充填飽滿的排氣孔或排氣槽
（1）錘鍛模型腔内的排氣孔 錘上模鍛時，由于是多次打擊，每次打擊有時間間隔，模腔内的氣體有時間排出；而錘上模鍛件的精度不是太高，允許棱角部位有較大的圓角存在。但熱模鍛壓力機上模鍛與錘上模鍛不同，坯料金屬在滑塊的一次行程中完成變形。若模膛有深腔，聚積在深腔内的空氣（位于坯料和型腔内壁之間）受到壓縮，模鍛時無法逸出，産生很大壓力，阻止金屬向模膛深處充填。因而坯料向最小阻力的方向流動，不容易充滿模腔，模鍛件的一些角隅部位不能充滿。
一般應在模膛深腔金屬最後充填處開設排氣孔，使其與大氣相通。如圖1a所示。圖1b所示排氣孔的布置不正确，因為設計者沒有考慮一般加工機床的刀具安裝和運動空間，排氣孔傾斜布置，難以加工。
排氣孔的直徑d可取為1.2～2.0mm，孔深為20～30mm，為避免細長孔，便于加工，可設計成階梯孔。與型腔相連處為小孔，後端可設計為大孔，其孔徑可根據具體鍛件的形狀尺寸取φ8～φ20mm通孔，與通道（大氣）連通。
對環形模膛，排氣孔一般對稱設置。對深而窄的模膛一般隻在底部設置一個排氣孔。模膛底部有頂出器或其他排氣縫隙時，不需要開排氣孔。
（2）模鍛壓力機鍛模型腔底部的排氣孔（縫） 在設計模鍛壓力機模具時，往往在底部要設計頂出器，用于工作時作頂出運動，頂出預鍛模膛或終鍛模膛内的鍛件。頂出器的位置，應根據鍛件的具體情況而定。頂出器有時是模膛的一部分，在模鍛時受載。但設計時應該注意盡量不使頂料杆受載。頂杆孔與頂杆之間留0.1～0.3mm的間隙。
一般情況下，頂出器頂出鍛件時應頂在鍛件的飛邊上或具有較大孔徑的沖孔連皮上，頂在沖孔連皮上時，頂杆周圍的間隙也起排氣作用。
如果要将頂出器頂在鍛件本體上時，應盡可能頂在加工面上，如圖2所示。在這種情況下，頂杆周圍的間隙可看作排氣孔，也能排氣。
圖3表示某鍛模模膛的局部，假定該位置是一個圓柱體枝桠空腔，在模鍛時，這個枝桠一般總是充填不滿，存在較大的圓角。為了解決該問題，使充填飽滿，通常在模腔枝桠末端設計排氣孔，如圖3a所示。但如何确定排氣孔的孔徑呢？必須認真考慮。排氣孔孔徑太大，不但影響整個鍛件的成形，而且在鍛件上的相應位置增加了一塊與排氣孔體積相當的金屬，增加了去除的困難。如果排氣孔孔徑太小，在生産過程中排氣孔可能被氧化鐵皮、多餘潤滑劑堵塞，失去排氣功能。
一副複雜型腔的模具，加工費和材料費都相當可觀，不能在設計出氣孔上慢慢做試驗，耗費時間。有文獻介紹了一種如圖3b所示的帶排氣柱塞的排氣孔。
其設計過程是這樣的：将模膛的不易充填飽滿（即圖中之圓形枝桠）部位加長，加長的長度可随鍛模的大小而定。一般與排氣柱塞的端部高度相同，正好可容納排氣柱塞的端部。
再加工一件作為該排氣柱塞為一帶端部的杆，端部的外形和模腔内廓形狀完全一緻，如圖3b所示，其實這排氣柱塞端部成了模具型腔的一個組成部分。其周邊與主體模腔的間隙就成了一圈環形槽，起出氣孔作用。這裡因為枝桠是圓柱形，所以是一圈環形槽。如果模膛枝桠是其他形狀，那麼，這種排氣柱塞端部的截面也可以是其他形狀。
圖3b中這種排氣柱塞的杆部截面是較小的圓形，其可以在模膛的圓形枝桠的底部的孔内自由滑動。
排氣柱塞的端部直徑與鍛模上的内孔直徑間隙為0.5～1.0mm。如果要進一步提高排氣性能，可在頭部外徑上加工4根或多根直槽，槽寬為1.0～1.5mm。直槽的數量和槽的寬度可在生産中調整。生産操作時，如果發現排氣不暢，則說明排氣孔可能有所堵塞，可用頂料杆将排氣柱塞頂出清理，使模鍛過程模腔排氣通暢，确保鍛件的成形品質。
一般在排氣槽附近所受的鍛壓負載較小，對排氣柱塞的材料和加工要求不高，用頂料杆将排氣柱塞頂出清理的頂料力也不大，在生産上的實用性很強。
精密成形爪極（見圖4）的側向溫擠壓精鍛模由上凹模、下凹模和上沖頭等組成，如圖5所示。這種模具在成形時迫使坯料金屬在三向壓應力狀态下充填模腔。由于金屬流動性好，利于豎爪成形。
圖2 頂出器兼排氣孔
該模具的主要特征是下凹模上底面和水平面成一夾角α（α＝5°）。豎爪入口處為圓角，半徑R等于2mm；豎爪尖部加工了排氣孔，這些結構都大幅減小了成形時金屬的流動阻力。
（3）分模模鍛模上的排氣孔 在多向模鍛複雜形狀鍛件時，如在鍛件最後充滿的枝桠部位模腔末端，也常因鍛件與模腔之間存在氣體，使與鍛件末端的角隅相對應的模膛部位不能完全充滿，影響到鍛件成品質量。
圖6a為零件在分模模鍛時，發現産品的底部角隅處充填不滿或底部輪廓模糊，也是由于在分模模鍛時該處的氣體不能逸出。當在模具型腔内開設排氣槽，如圖6b所示。
圖7a為零件在分模模鍛時，發現産品的頂部充填不滿，也是由于在分模模鍛時該處的氣體不能逸出。可在模具型腔頂部開設排氣孔，如圖7b所示。這樣就使産品頂部充填飽滿。
（4）擠壓沖頭内的排氣孔 有的反擠壓模具上的組合沖頭的沖頭上的出氣孔為階梯孔。
在沖頭上要設計有排氣孔。圖8為上海某廠設計的有排氣孔的強力螺栓熱擠壓件圖。螺栓材料為8Cr2Ni4WA。六角部位可以直接擠壓成形，不用再機械加工。為了保證六角部分充滿，避免塌角、圓角的産生，在凸模上應該加工一個出氣孔。這樣，有可能在擠壓成形件上産生一個小凸起，如圖9所示，可在後續機加工過程中去除。
圖9為強力螺栓熱擠壓模工作部分。
圖3 多向模鍛模具的排氣設計
圖4 爪極精鍛件三維模型
圖5 側向溫擠壓精鍛模具結構簡圖
1. 上凹模 2. 上沖頭 3. 下頂杆 4. 下凹模 5 .預應力圈 6. 排氣孔
圖6 型腔底部開排氣孔的分模模鍛模具和分模模鍛件
圖7 型腔頂部開排氣孔的分模模鍛模具和模鍛件
圖10為熱擠壓沖頭。由圖10可見，其出氣槽的直徑為3mm，長近100mm。這樣的小深孔很難加工，因為不但是小孔，而且鑽削加工的深徑比很大，φ3mm的小鑽頭在鑽加工時容易折斷。如果減小φ3mm的小鑽頭的鑽削深度，将φ3mm孔設計成前面是φ3mm，後面是φ8mm或φ10mm的兩級階梯孔，就容易加工得多。
圖11是一副反擠壓模具上的組合沖頭。該組合沖頭的沖頭芯上的出氣孔為階梯孔。沖頭芯直徑為24.68mm，出氣孔直徑為3mm，深15mm。由于加工了出氣孔，減少了反擠壓成形力，延長了模具壽命。
在多工位成形模上的沖頭，其深錐孔型腔或一般模鍛用模具深型腔的底部都應當設計排氣孔。圖12為一種帶出氣孔的多工位成形模上的沖頭。
在設計擺輾模具時，也要注意在金屬充填模具的過程中，擺輾模具型槽裡的空氣能夠順利排出，倘排出不暢，則會影響錐齒輪齒頂部的充填成形。
（5）輥鍛模内的排氣槽在履帶節輥鍛過程中，向模腔噴灑水基石墨冷卻和潤滑，在模腔表面附有水珠和潤滑劑液滴。當坯料前端進入模腔，并将模腔封閉後，如圖13所示，被封在模腔内的一部分水分，在950～1000℃的坯料的高溫下，迅速汽化、膨脹，使蒸汽壓力劇增，當輥鍛件脫模時，可聽到氣流強烈沖擊的噴出聲。
圖8 強力螺栓擠壓件
圖9 強力螺栓熱擠壓模工作部分示意
圖10 強力螺栓熱擠壓用沖頭
圖11 擠壓模具的組合沖頭
圖12 一種帶出氣孔的多工位成形模上的沖頭
圖13 輥鍛過程中高壓氣體的産生示意
1. 輥鍛模具 2. 某輥鍛件 3. 模膛内的密封空間 4. 模膛表面出現溝槽的位置
由于模膛裡存在高壓氣體（包括水蒸氣），影響金屬充填模膛。使履帶節後部出現充填不足的缺陷。另外，在履帶節後部脫模的瞬時，高壓氣體急劇向後噴出，劇烈沖擊模膛表面。經多次沖擊後，在模膛表面出現溝槽，大幅降低模具壽命。在模具上出現溝槽後，将會在輥鍛件上産生折疊。
模具表面這種溝槽是由淺及深逐漸形成的，初期的溝槽很淺，不易發現。等到發現有明顯的溝槽時，已在很多輥鍛件上産生了折疊缺陷。
由于履帶節輥鍛過程中高壓氣體的影響，輥鍛模下模，常常在輥鍛800～1000件後就會出現溝槽，導緻不能使用。
為消除這種不良影響，可在輥鍛模具上開設排氣孔道，如圖14所示。這種排氣孔道可使輥鍛成形時将高壓氣體導出。
采取這一措施後效果顯著，消除了模腔表面由高壓氣體沖擊形成的溝槽，消除了産品上的折疊缺陷，并且大幅提高了模具壽命。
圖14 輥鍛模上的排氣溝槽示意
1. 輥鍛模塊 2. 排氣孔 3. 模膛
圖15 精沖模具的排氣
1. 凹模 2. 凹模氣槽 3. 上模闆出氣孔4. 上模闆 5. 凸模 6. 凸模氣孔7. 齒形壓邊圈排氣槽 8. 底座氣孔9. 齒形壓邊圈 10. 底座
圖16 凸模與推料杆排氣槽位置
圖17 反向壓闆、墊闆、固定闆、凹模及模座的排氣孔和排氣槽
2. 确保精沖件模具壽命的排氣孔或排氣槽
精沖時，材料剪切區在三向壓應力狀态下發生的塑性變形。在瞬間沖擊載荷的作用下，剪切區内金屬晶體轉動，發生強烈的位錯運動，産生大量的塑性變形熱。因此，整個精沖過程是在高溫、高壓下進行的，嚴重影響精沖模具的使用壽命。為此，在精沖模具結構設計時，必須采取措施，消除或減少精沖模具刃口産生的熱量，提高産品品質，延長精沖模具的使用壽命。
因精沖模具構件之間配合精密，使用的潤滑油很稠，模具在運動過程中，模具零件之間、模具與精沖材料之間劇烈摩擦，産生大量摩擦熱。摩擦熱在封閉的空間内很難随潤滑液或空氣散發。因此，在大批量精沖生産時，必須使模具密閉空間的空氣迅速排走。
壓縮空氣在冷卻模具的同時，可以将粘在頂料杆上的廢料吹除，這是冷卻裝置的另一功能。因此，應在模具上設計排氣孔和排氣槽。
圖15為精沖模具中，在上模闆4的相應位置加工有φ5mm～φ8mm的排氣孔，在凹模的上底面開有寬4～8mm、深0.2～0.4mm的排氣槽。
另外，在凸模側面與底座均設計有排氣孔，齒形壓邊圈下端面開有排氣槽。為保證凸模強度，凸模上的排氣孔不應太大，一般為φ1.5～φ3.0mm即可。
當固定凸模式結構因凸模強度不允許在側面打氣孔時，可将推料杆磨去0.2mm，并在凸模底面推料孔的下部，車出一圈排氣槽（以免推料杆轉動而堵塞排氣孔），然後在凸模底面加工一排氣槽，保證空氣洩出（見圖16）。
此外，精沖時，為防止空氣或潤滑油對反向壓闆的移動産生障礙，在反向壓闆、墊闆、固定闆、凹模及模座的适當地方開有排氣孔和排氣槽（見圖17）。
作者簡介：錢進浩，蘇州銀濤精密鍛造有限公司；胡亞民， 重慶理工大學。
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