锻造工艺学第六章模锻成形工序分析

材 料 科 学 与 工 程 学 院第 六 章 模 锻 成 形 工 序 分 析 Seite 2 一 、 模 锻 特 点定 义 ： 把 加 热 好 的 坯 料 放 在 固 定 于 模 锻 设 备 上 的 模 具内 进 行 锻 造 的 方 法 称 为 模 锻 。 模 锻 是 使 用 专 用 锻 模 进行 锻 造 来 获 得 所 需 形 状 和 尺 寸 锻 件 的 主 要 工 艺 方 法 。模 锻 的 特 点 是 ： 在 锻 压 机 器 动 力 作 用 下 ， 热 透 坯 料 在锻 模 型 腔 中 被 迫 塑 性 流 动 成 形 ， 从 而 获 得 比 自 由 锻 质量 更 高 的 锻 件 。 6-1 概 述 Seite 3 Seite 4 优 点 ： 1 生 产 率 高 ； 2 锻 件 形 状 较 复 杂 ， 尺 寸 精 度 较 高 ； 粗 糙 度 也 比 自 由锻 低 ； 3 锻 件 的 机 械 加 工 余 量 较 小 ， 材 料 利 用 率 较 高 ； 4 可 使 流 线 分 布 更 为 完 整 合 理 ， 从 而 进 一 步 提 高 零 件的 使 用 寿 命 ； 5 生 产 过 程 操 作 简 便 ， 劳 动 强 度 比 自 由 锻 小 ； 6 锻 件 达 到 一 定 批 量 后 ， 其 成 本 降 低 。 Seite 5 缺 点 ： 1 设 备 投 资 大 ； 2 生 产 准 备 周 期 ， 尤 其 是 锻 模 制 造 周 期 都 比 较 长 ， 批 量 小 的 锻 件 在 经 济 上 不 合 算 ； 3 锻 模 成 本 高 ， 且 寿 命 较 低 ； 4 工 艺 灵 活 性 不 如 自 由 锻 。 Seite 6 二 、 工 具 (模 具 )形 状 对 变 形 和 金 属 流 动 的 主 要 影 响1 控 制 锻 件 的 形 状 和 尺 寸 ： （ 终 锻 模 膛 ， 终 成 形 模 具 ） 为 保 证 锻 件 的 形 状 和 尺 寸 精 度 ， 设 计 模 具 时 应 注 意 以 下两 点 ： (1) 热 锻 时 应 考 虑 锻 件 和 模 具 的 热 收 缩 ； (2) 精 密 成 形 时 还 应 考 虑 模 具 的 弹 性 变 形 。 Seite 7 2 控 制 金 属 的 流 动 方 向塑 性 变 形 的 金 属 主 要 沿 最 大 主 应 力 增 大 的 方 向 流 动 。在 三 向 压 应 力 情 况 下 ， 金 属 主 要 沿 最 小 阻 力 （ 增 大 ）的 方 向 流 动 。3 控 制 塑 性 变 形 区 靠 利 用 不 同 工 具 在 坯 料 内 产 生 不 同 的 应 力 状 态 ， 使部 分 金 属 首 先 满 足 屈 服 条 件 。 Seite 8 4 提 高 金 属 的 塑 性 ： 尽 量 形 成 三 向 压 应 力 的 应 力 状 态 静 水 压 力 越 大 ， 材 料 的 塑 性 越 高 芯 轴 扩 孔 、 辗 压 扩 孔 、 挤 压 ， 三 向 压 应 力 冲 子 、 楔 扩 孔 ， 切 向 受 拉 ， 塑 性 差5 控 制 坯 料 失 稳 提 高 成 形 极 限 ： 失 稳 弯 曲 ， 进 而 会 发展 成 为 折 迭 长 杆 料 顶 镦 时 ， D 1.25d0 管 子 弯 曲 时 ， 应 该 用 适 当 的 模 具 或 芯 轴 Seite 9 6-2 开 式 模 锻一 、 概 念 开 式 模 锻 是 变 形 金 属 的 流 动 不 完 全 受模 腔 限 制 的 一 种 锻 造 方 式 。 开 式 模 锻 时 ，多 余 的 金 属 沿 垂 直 于 作 用 力 的 方 向 流 动 形成 毛 边 。 Seite 10 二 、 飞 边 槽 的 作 用1 增 大 径 向 阻 力 ， 迫 使 金 属 充 满 模 膛 ；2 容 纳 多 余 的 金 属 ；3 缓 冲 上 、 下 模 的 打 击 ， 防 止 模 具 压 塌 和 开 裂 。 Seite 11 三 、 模 锻 过 程 的 四 个 阶 段开 式 模 锻 时 ， 金 属 流 动 的 过 程 可 以 分 为 四 个 阶 段 ：I 第 一 阶 段 是 自 由 变 形 或 镦 粗 变 形 阶 段 ；II 第 二 阶 段 为 形 成 毛 边 阶 段 ；III 第 三 阶 段 为 充 满 型 槽 阶 段 ；IV 第 四 阶 段 为 锻 足 或 打 靠 阶 段 。 Seite 12 四 、 开 式 模 锻 各 阶 段 的 变 形 分 析 第 阶 段 坯 料 在 型 槽 中 发 生 镦 粗 变 形 。 此 时金 属 处 于 较 弱 的 三 向 压 应 力 状 态 ， 变 形 抗 力 较 小 。 Seite 13 第 阶 段 金 属 流 动 方 向 有 两 个 方 向 ， 一 个 是 充 满 模腔 ， 一 方 面 流 入 毛 边 槽 ， 形 成 少 许 毛 边 。 这 时 ， 两 方 面流 动 阻 力 都 很 大 ， 处 于 明 显 的 三 向 压 应 力 状 态 ， 变 形 抗力 显 著 上 升 。 该 阶 段 的 凹 圆 角 被 充 满 后 ， 变 形 金 属 可 分 为 五 个 区域 ： A内 、 A外 为 镦 粗 和 B区 金 属 如 同 在 圆 形 砧 内 摔 圆 ， C区 为 弹 性 变 形 区 ， D区 内 的 金 属 变 形 犹 如 外 径 受 限 制 的 环形 件 镦 粗 。 Seite 14 3 第 阶 段 金 属 流 入 毛 边 槽 的 阻 力 急 剧 增 大 ， 形 成 一个 阻 力 圈 。 迫 使 金 属 继 续 向 型 槽 深 处 和 圆 角 处流 动 ， 直 到 整 个 型 槽 完 全 充 满 为 止 。 此 阶 段 金属 处 于 更 强 的 三 向 应 力 状 态 ， 变 形 抗 力 急 剧 增大 。 Seite 15 4 第 阶 段 多 余 金 属 排 入 飞 边 变 形 区 仅 发 生 在 分 模 面 附 近 的 一 个 区 域 内 (椭 圆 形或 菱 形 变 形 区 )， 其 它 区 域 处 于 三 向 等 压 力 应 力 状 态 ，即 成 为 弹 性 变 形 区 (刚 性 区 )。 变 形 区 的 应 力 应 变 状 态 与薄 件 镦 粗 一 样 。 此 阶 段 由 于 飞 边 继 续 变 薄 和 降 温 ， 变 形 抗 力 继 续 增大 ， 达 到 最 大 值 。 所 需 要 的 锤 击 力 最 大 ， 开 式 模 锻 所 需的 变 形 力 即 按 此 阶 段 计 算 。 Seite 16 五 、 开 式 模 锻 时 影 响 金 属 成 形 的 主 要 因 素 以 上 分 析 表 明 ， 变 形 金 属 的 流 动 取 决 于 各 流 动 方 向上 的 阻 力 之 间 的 关 系 ， 此 外 ， 载 荷 的 性 质 (设 备 速 度 )等也 有 一 定 影 响 。主 要 因 素 有 ：1 模 膛 (模 锻 件 )的 具 体 尺 寸 和 形 状 。 1） 变 形 金 属 与 模 壁 的 摩 擦 系 数 小 ， 有 利 于 充 满 模 膛 2） 模 壁 斜 度 ： 易 于 锻 后 取 出 锻 件 ， 不 利 于 充 满 模 膛 Seite 17 3） 孔 口 圆 角 半 径 ： R过 小 时 ， 锻 件 可 能 折 叠 或 切 断 金 属 纤 维 ， 锻 模 易 被 压 塌 ； R过 大 时 ， 增 加 金 属 消 耗 和 机 械 加 工 量 ； 易 于 充 满 模 膛 。 孔 口 圆 角 半 径 应 适 当 大 一 些4） 模 膛 的 宽 度 与 深 度 模 膛 愈 深 、 愈 窄 ， 充 满 模 膛 越 困 难5） 模 具 温 度 ： 温 度 过 高 ， 降 低 模 具 寿 命 ； 温 度 过 低 ， 金 属 充 满 模 膛 困 难 。 铝 合 金 、 高 温 合 金 锻 造 时 ， 模 具 应 预 热 至 200 300 Seite 18 2 飞 边 槽 的 影 响桥 口 ， 仓 部1） 桥 口 的 宽 度 越 大 ， 高 度 越 小 ， 即 b/h飞 越 大 ，阻 力 越 大 ；2） 阻 力 过 大 ， 变 形 抗 力 很 大 ， 可 能 造 成 上 下 模打 不 靠 ； 阻 力 过 小 ， 型 腔 充 不 满 。 Seite 19 3） 型 腔 易 充 满 时 ， b/h飞 取 小 一 些 ， 反 之 ， 取 大 一 些， 如 压 入 成 形 时 ， b/h飞 大 一 些 。4） 胎 模 锻 造 时 ， b/h飞 比 模 锻 时 小 ， 约 为 1/25） 螺 旋 压 力 机 模 锻 时 ， 由 于 行 程 次 数 少 ， 胎 模 b/h飞 锤 上 模 锻 Seite 20 6） 高 速 锤 锻 造 时 ， 易 造 成 充 不 满 型 腔 的 现 象 ， b/h飞 应较 大 。 比 较 难 充 满 的 锻 件 还 必 须 采 取 无 飞 边 或 小 飞 边 模 锻 。7） 还 应 考 虑 b， h飞 的 绝 对 值 ， b过 小 ， 模 具 易 被 打 塌 ，或 很 快 被 磨 损 。8） 同 一 锻 件 的 不 同 部 分 ， 可 根 据 充 满 型 腔 的 难 易 程 度， 采 用 不 同 的 b或 b/h飞 ， 或 采 用 制 动 槽 （ 叉 形 部 分 ） Seite 21 3 终 锻 前 坯 料 的 具 体 形 状 和 尺 寸 。 （ 第 八 章 ）4 坯 料 本 身 性 质 的 不 均 匀 。5 设 备 工 作 速 度 的 影 响 ： 速 度 越 快 ， 越 易 成 形 形 状 复 杂 、 要 求 精 确 的 锻 件 。 Seite 22 开 式 模 锻 中 飞 边 金 属 的 损 耗 较 大 ， 通 常飞 边 占 锻 件 质 量 的 10 50 ， 为 减 少 金 属 损耗 ， 提 高 材 料 利 用 率 ， 出 现 了 闭 式 模 锻 。 Seite 23 6-3 闭 式 模 锻闭 式 模 锻 又 称 无 飞 边 模 锻开 式 模 锻 可 以 认 为 是 有 飞 边 的 模 锻 Seite 24 优 点 ： 减 少 飞 边 材 料 损 耗 (飞 边 金 属 约 为 锻 件 重 量 的30%左 右 ) 节 省 切 边 设 备 在 正 常 工 作 情 况 下 ， 闭 式 模 锻 一 般 不 产 生 飞 边 ， 故可 以 节 约 金 属 和 节 省 切 边 设 备 。 Seite 25 有 利 于 金 属 充 满 型 槽 ， 有 利 于 进 行 精 密 模 锻 ； 原 因 是 ： 上 、 下 模 间 的 间 隙 很 小 ， 在 模 锻 过 程 中 间 隙 保 持 不变 。 由 于 间 隙 很 小 ， 金 属 流 入 间 隙 的 阻 力 一 开 始 就 很 大 ， 这 有 利于 金 属 充 满 型 槽 ， 适 用 于 精 密 模 锻 。 闭 式 模 锻 时 金 属 处 于 明 显 的 三 向 压 力 状 态 ， 有 利 于低 塑 性 材 料 的 成 形 。 由 于 闭 式 模 锻 时 处 于 很 高 的 三 向 压 应 力 状 态 ， 变 形 抗 力 很 大， 模 具 容 易 损 坏 。 Seite 26 进 行 闭 式 模 锻 的 必 要 条 件 ： 坯 料 体 积 准 确 坯 料 形 状 合 理 并 能 在 模 膛 内 准 确 定 位 ； 能 够 较 准 确 地 控 制 打 击 能 量 或 模 压 力 ； 有 简 便 的 取 件 措 施 或 顶 料 机 构 。由 于 上 述 这 些 必 要 条 件 ， 使 闭 式 模 锻 在 模 锻 锤 和 锻 压 机上 的 应 用 受 到 限 制 。 Seite 27 适 用 范 围 ： 适 用 于 轴 对 称 变 形 或 近 似 对 称 变 形 。 目 前 用 的最 多 的 是 短 轴 类 回 转 体 。 Seite 28 一 、 闭 式 模 锻 的 变 形 过 程 分 析 闭 式 模 锻 的 变 形 过 程 ， 可 分 为 三 个 阶 段 ： 第 阶 段 是 基 本 成 形 阶 段 ； 第 阶 段 是 充 满 阶 段 ； 第 阶 段 是 形 成 纵 向 飞 边 阶 段 。 Seite 29 1 第 阶 段 基 本 成 形 阶 段 由 开 始 变 形 至 金 属 基 本 充 满 型 槽 ， 此 阶 段 变 形力 的 增 加 相 对 较 慢 。 金 属 变 形 可 能 是 镦 粗 、 压 入、 冲 孔 或 挤 压 成 形 ； 有 可 能 是 整 体 变 形 ， 也 可 能是 局 部 变 形 。 Seite 30 2 第 阶 段 充 满 阶 段 从 前 阶 段 结 束 到 金 属 完 全 充 满 为 止 。 最大 变 形 力 比 第 阶 段 可 增 大 23倍 ， 但 变 形量 很 小 。 Seite 31 3 第 阶 段 形 成 纵 向 毛 刺 (飞 边 )阶 段 坯 料 已 基 本 上 成 为 不 变 形 的 刚 性 体 ， 只 有 在极 大 的 模 压 力 作 用 下 ， 或 在 足 够 的 打 击 能 量 作 用下 ， 才 能 使 端 部 的 金 属 产 生 变 形 流 动 ， 形 成 纵 向毛 刺 。 毛 刺 的 厚 度 愈 薄 ， 高 度 愈 高 ， 模 膛 侧 壁 的压 应 力 R也 愈 大 。 这 个 阶 段 的 变 形 对 闭 式 模 锻 有 害 无 益 ， 是 不 希望 出 现 的 。 Seite 32 由 此 ： 闭 式 模 锻 变 形 过 程 宜 在 第 阶 段 刚 完 成 ， 即 形 成 纵 向 毛刺 之 前 结 束 。 模 壁 的 受 力 情 况 与 锻 件 的 H/D有 关 ， H/D越 小 ， 模 壁 受 力情 况 越 好 。 坯 料 体 积 的 精 确 性 对 锻 件 尺 寸 和 是 否 出 现 纵 向 毛 刺 有 重要 影 响 。 打 击 能 量 或 模 压 力 是 否 合 适 对 闭 式 模 锻 的 成 形 情 况 有 重要 影 响 。 坯 料 形 状 和 尺 寸 比 例 是 否 合 适 ， 在 模 膛 中 定 位 是 否 正 确对 金 属 分 布 的 均 匀 性 有 重 要 影 响 。 Seite 33 6-3 挤 压 正 挤 压反 挤 压径 向 挤 压复 合 挤 压 Seite 34 6-4 顶 镦 坯 料 端 部 的 局 部 镦 粗 称 为 顶 镦 或 称 聚 集 。