页数：67页文件大小：2.64 MB来源： 锻造工艺过程及模具设计-胡亚民华林ppt课件
本课件分析模锻成形工步，先说明模具形状对金属变形与流动方向的影响，再分别讲解开式模锻的三阶段成形、闭式模锻的变形过程、挤压的应力应变与常见缺陷，以及顶镦规则与电热镦粗。
第6章模锻成形工步分析
模锻：利用模具
单模膛模锻：一副模具
单模膛模锻示意
单模膛模锻示意图
6.1 模具对金属变形的影响
模具对金属变形的影响模具形状对金属变形影响很大，为了使模锻成形顺利进行，模锻设计时，必须注意如下方面：一、控制锻件的形状和尺寸：为了保证锻件的形状和尺寸精度，设计热锻模具时应考虑锻件和模具的热收缩，设计精密模锻件还需考虑模具的弹性变形。
控制金属的变形方
控制金属的变形方向：根据金属塑性成形理论，塑性变形时金属主要朝最大主应力的方向流动。
在三向压应力的情况下，金属主要朝最小阻力方向流动。
因此，对一个待加工的锻件，通过设计不同的制坯工步如拔长、滚挤、弯曲、预锻等（参见图6.2），可控制金属的变形方向，完成对坯料的塑性加工。
多模膛模锻示意
多模膛模锻示意图
改变变形区的应力场变形体
改变变形区的应力场变形体内的应力场是在外力作用下产生的，一般外力通过模具施加在坯料上，坯料变形的反作用力也由模具承受。
合理的模具设计还应使锻件变形时的流动阻力尽量小，使模具所承受的载荷分布均匀，降低峰值应力。
提高金属的塑性金属的塑性
提高金属的塑性金属的塑性与应力状态有很大关系，压应力个数越多，静水压力数值越大，材料的塑性越好。封闭的模膛使金属在终锻最后阶段处于三向压应力状态，材料的塑性好。
五、控制坯料失稳，提高成形极限细长杆在受压时会由于塑性失稳而弯曲，从而可能形成折叠。为控制顶镦时杆件失稳，要求模孔直径D=(1.25～1.50）D0（D0——坯料直径），这样可依靠模膛内壁限制弯曲的发展，避免折叠产生。
提高金属的塑性金属的塑性
开式模锻示意
锻造过程中形成横向飞边，飞边既能帮助锻件充满模膛，也可放松对坯料体积的要求。飞边是工艺废料，一般在后续工序中切除。
开式模锻示意图如右。图6-3开式模锻示意图
6.2.2 开式模锻成形过程的分析
开式模锻成形过程的分析开式模锻的成形过程大体分为三个阶段（见图6.4）：图6.4开式模锻成形过程的金属流动
6.2.2 开式模锻成形过程的分析
6.2.2 开式模锻成形过程的分析（续）
2、充满模膛阶段：充满模膛阶段是开式模锻的第二阶段。压下量△H2，模锻力为P2（见图6.5）。
这时下模膛已经充满，凸台部分尚未充满，金属开始流入飞边槽。随着桥部金属变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸台和角部，直到完全充满模膛，变形区仍然遍布整个坯料。
6.2.2 开式模锻成形过程的分析（续）
开式模锻成形过程锻造力
开式模锻成形过程锻造力——行程曲线
开式模锻成形过程锻造力
—研究锻件的成形问题，主要研究第二阶段。—计算变形力可按第三阶段的变形区域考虑，希望第三阶段尽可能小。
图6.7是某回转体锻件模锻第二阶段子午面的网格变化情况。图6.7某回转体锻件模锻第二阶段子午面的网格变化
开式模锻成形过程锻造力（续）
——预成形工步的作用是按照锻件图的要求和金属流动规律分配坯料体积，得到介乎坯料和终锻件之间而接近终锻件的过渡形状。
图6.6分别为圆饼锻件和长轴类锻件在开式模锻时的金属变形模型。
图6.6锻件锻造时的金属流动平面和变形方向(a)变形平面(b)锻件形状(c)变形方向
6.2.3 影响金属成形的因素
开式模锻时影响金属成形的主要因素1.模膛尺寸和形状的影响金属变形时在模膛内遇到的阻力与下列因素有关：（1）变形金属与模壁间的摩擦系数；（2）模壁斜度；
（3）圆角半径R；（4）模膛的宽度和深度；
（5）模具温度。图6-8摩擦力对金属充填模膛的影响
模壁斜度对金属充填模膛的影响
模壁斜度对金属充填模膛的影响图6.10模具圆角半径对金属流动的影响
模壁斜度对金属充填模膛的影响
2.飞边槽的影响常见飞边槽型式如图6.11。它包括飞边槽桥部和仓部。
桥部的主要作用是阻止金属外流，迫使金属充满模膛。较薄的飞边槽桥部，也有利于飞边在后续工序中切除。
飞边槽仓部的作用主要是容纳多余金属，以免金属流到分模面上，影响上下模具打靠。图6.11飞边槽型式6.12带阻力沟的飞边槽
设计飞边槽，主确定
设计飞边槽，主要是合理确定飞边槽桥部宽度和高度。——为了保证金属充满模膛，希望飞边桥部阻力大一些。
但阻力过大，会使模锻成形的变形功和变形力变大，对模锻锤会造成因打击能量不足而上下模不能打靠，对热模锻压力机则可能发生超载“闷车”。因此，飞边槽要根据模膛充填的难易程度设计。
模膛易充满时，b/h值取小些，反之，取大些。
飞边桥部尺寸与锻件品质关系
给出了复杂圆饼类锻件飞边桥部尺寸与锻件品质的关系。
图6.13复杂圆饼类锻件飞边桥部尺寸与锻件质量的关系
飞边桥部尺寸与锻件品质关系
—可以改变分模面的位置，把飞边设计在变形较困难的端部（如图6.14所示）。
图6.14飞边位置的设计—模锻时飞边材料消耗占锻件质量的比例与锻件形状有关，一般为20%~30%，造成大量浪费。
飞边桥部尺寸与锻件品质关系（续）
3.设备工作速度的影响一般说来，设备工作速度高时，金属变形速度快，金属变形的惯性和变形热效应突出。
由于温度较高，氧化皮软化，摩擦系数有所降低，这时的氧化皮在某种程度上具有润滑剂的功能。
模锻时正确利用这些因素，有助于使金属充填模膛，得到外形复杂、尺寸精确的锻件。
飞边桥部尺寸与锻件品质关系（续）
锤上锻造时，变形金属具有很高的变形速度，在模具停止运动瞬时，变形金属仍可依靠变形惯性继续充填模膛。
设备工作速度对金属充填模膛的影响见下表：
6.3 闭式模锻
闭式模锻——闭式模锻即无飞边模锻。主要优点是：锻件的几何形状、尺寸精度和表面品质最大限度地接近产品，省去了飞边。
与开式模锻相比，可以大大提高金属材料的利用率。图6.15闭式模锻示意图
采用闭式模锻工艺
采用闭式模锻工艺过程的必要条件是：1.坯料体积准确；2.坯料形状合理并且能够在模膛内准确定位；
3.设备的打击能量或打击力可以控制；4.设备上有顶出装置。
6.3.1 闭式模锻的变形过程分析
闭式模锻的变形过程分析闭式模锻过程可分三个阶段（见图6.16）图6.16闭式模锻变形过程简图第1阶段上模的压下量为△H1，由上模与坯料接触，坯料开始变形到坯料与模膛侧壁接触为止，此阶段变形力增加相对较慢。
6.3.1 闭式模锻的变形过程分析
第2阶段上模的压下量为△H2，由第1阶段结束到金属基本充满模膛为止，此阶段的变形力比第1阶段增大2~3倍，但△H2很小。第3阶段上模的压下量为△H3。
此时，坯料基本上已成为不变形的刚体，只有在极大的模锻力作用下才能使端部的金属产生变形，形成纵向飞刺。飞刺越薄、越高，模锻力F越大，模膛侧壁所受的压力也越大。
表示了充满阶段作
表示了充满阶段作用于上模和下模模膛侧壁正应力和的分布情况。
图6.17充满阶段变形示意图
表示了充满阶段作
锻件高径比，相对角隙宽度“C”对模膛侧壁所受的压力FQ和模锻力F的比值FQ/F的影响如下图所示。
图6.18锻件高径比、充满程度对FQ/F的影响
6.3.2 影响金属成形的因素
闭式模锻时影响金属成形的主要因素1、坯料体积和模膛体积间的偏差对锻件尺寸的影响闭式模锻时，忽略纵向飞刺的材料消耗，如果坯料的体积和模膛体积之间有偏差，将使锻件高度尺寸发生的变化：（6-1）式中：D——锻件最大外径。
6.3.2 影响金属成形的因素
对于一定形状的锻件，坯料的体积和模膛体积之间的偏差对高度偏差的影响：一是实际坯料体积的变化，坯料直径和下料长度的公差、烧损量的变化、实际锻造温度的变化等；
二是模膛体积的变化，由于模膛磨损、设备和模具因工作载荷变化引起的弹性变形量、锻模温度的变化等。
6.3.2 影响金属成形的因素（续）
2、打击能量和模锻力对成形品质的影响如下表。
原表为粘连文本，未还原真表格，建议人工核对后补充。
6.4 挤压
挤压——挤压是金属在三个方向不同压应力作用下，从模孔中挤出或流入模腔内以获得所需尺寸、形状制品或零件的锻造工艺。
——采用挤压不但可以提高金属塑性，生产复杂截面形状的制品，而且可以提高锻件精度，改善锻件力学性能，提高生产率和节约金属材料等。
6.4 挤压
——挤压时金属的变形流动对挤压件品质有着直接的影响。
——挤压可以在专用的挤压机上进行，也可以在液压机、曲柄压力机或螺旋压力机上进行。
对于较长的制件，可以在卧式水压机上进行。
6.4 挤压（续）
——根据挤压时坯料的温度可以分为热挤压、温挤压和冷挤压。
根据金属的流动方向与冲头的运动方向可以分为正挤压、反挤压、复合挤压和径向挤压。
此外，还有冷热静液挤压、水电效应挤压等。
6.4.1 挤压的应力应变分析
挤压的应力应变分析——挤压是局部加载，整体产生内应力。——变形金属可以分为A、B两区。
A区是在加载后直接产生应力的区域，B区的应力主要由A区的变形引起。当坯料不太高时，A区的变形相当于一个外径受限制的环形件镦粗，B区的变形犹如在圆形砧内拔长。
两区的应力应变简图如右图。图6.19正挤压时各变形区的应力应变简图
6.4.1 挤压的应力应变分析
根据对A、B两区应力和应变情况的分析，很容易算得在A、B两区的交界处两区的轴向应力相差2σs，即此处存在轴向应力的突变。
A区：σ径-σ轴A=σsB区：σ轴B-σ径=σs将两式相加得：σ轴B-σ轴A=2σs
6.4.1 挤压的应力应变分析（续）
坯料较低时，该轴向应力突变的情况可以通过实验测出，见图6.31中的应力分布曲线。
这种轴向应力突变的现象在闭式冲孔（反挤）、孔板间镦粗、开式模锻等不少锻造工序都存在。
6.4.1 挤压的应力应变分析（续）
在液压机上进行挤压和闭式模锻一般不产生纵向飞刺。
由于液压机属于可控制模锻力的设备，只要合理选择设备吨位，控制模锻力的大小，就能使正挤压变形过程稳定进行。
6.4.2 挤压时凹模模膛内金属的变形
挤压时凹模模膛内金属的变形1、金属变形不均匀。2、影响金属变形流动的因素有模具的形状、预热温度、坯料性能等。
——模具模膛口形状对金属变形的影响，见下图。图6.20正挤压时凹模模膛口锥角大小对金属流动的影响
6.4.2 挤压时凹模模膛内金属的变形
由图6.20可见，模膛口中心锥角的大小直接影响金属变形流动的均匀性。中心锥角2α=30º时，变形区集中在凹模模膛口附近，金属流动均匀。
外层和轴心的差别小，“死区”也小。随着中心锥角增大，变形区逐渐扩大，挤出金属的外层和轴心的差别也增大，“死区”也相应增大。
对平底凹模模膛，即当中心锥角2α=180º时，变形区金属变形的不均匀程度最大。
采用锥角模具
——采用锥角模具后，凹模模膛内金属特别是孔口附近金属的应力应变状态发生很大变化。例如2α=150º时，可能分为A、B两区，而2α=30º时，就可能不存在两区。
因为这时在锥角处的径向水平分力很大（图6.21），变形由挤压变为缩颈。图6.21凹模模膛锥角很小时的挤压
采用锥角模具
3、模具预热温度愈低，变形金属性能愈不均匀，变形不均匀愈严重。
4、“死区”形成的原因主要是凹模模膛底部摩擦的影响，愈靠近凹模模膛侧壁处摩擦阻力愈大，而孔口部分阻力较小。
“死区”一般呈三角形（见右图）图6.22正挤压时的“死区”
采用锥角模具（续）
采用锥角模具（续）
2）如果摩擦阻力很大或此区金属温度降低较大，此区与其上部A区金属相比不易满足塑性条件，于是成为真正的“死区”。
——由于该区金属不变形，而与其相邻的上部金属有变形，于是在交界处发生强烈的剪切变形，可能引起金属剪裂（图6.23）。
“死区”附近金属流动
“死区”附近金属流动和受力示意图对挤压件的组织和性能有重要影响。
有时也可能由于上部金属的大量流动带着死区金属流动而形成折迭，如图6.24所示图6.24折迭的形成
6.4.3 挤压时常见缺陷分析
挤压时常见缺陷分析1、挤压缩孔：挤压矮坯料时易产生的缺陷。
由于B区金属的轴向压应力很小，故当A区金属往凹模模膛孔流动时便拉着B区金属一道流动，使B区上端面离开冲头并呈凹形，再加上径向压应力的作用而成（见图6-25）。
图6-25挤压缩孔2、裂纹：它的产生与凹模模膛内金属的不均匀变形（主要由“死区”引起）有很大关系，但更重要的是凹模模膛孔口部分的影响。
6.4.3 挤压时常见缺陷分析
解决挤压件品质
3、解决挤压件品质问题的措施：1）减少摩擦阻力。如降低模具表面粗糙度，采用良好的润滑剂和采用包套挤压等。
——挤压钢材时，需将坯料磷化和皂化。热挤压合金钢和钛合金时，除了在坯料表面涂润滑剂外，在坯料和凹模模膛孔口间加玻璃润滑垫（如右图），热挤铝合金型材料，为防止产生粗晶环等，常在坯料外面包一层纯铝。
图6.28带润滑垫的挤压
解决挤压件品质
2）在锻件图允许的范围内，在凹模模膛孔口作出适当的锥角或圆角。3）用加反向力的方法进行挤压，见图6.29。
这有助于减少内、外层变形金属的流速差和附加应力，挤压低塑性材料时宜采用。——对形状复杂的挤压件可以综合采取以下措施：图6.29加反向推力的挤压
解决挤压件品质（续）
a、凹模模膛孔口采用不同锥角。b、凹模模膛孔口的定径带采用不同的长度（图6.30）。
c、设置过渡区，使金属通过凹模模膛孔口时变形均匀（图6.31）。图6.30定径带具有不同长度的挤压凹模模膛图6.31具有过渡区的挤压凹模模膛
6.5 顶镦
6.5.1 顶镦
顶镦——顶镦的生产效率高，在生产中应用较普遍。
螺钉、汽车半轴等用顶镦生产最为适宜。
——顶镦的关键是使坯料在顶镦过程中不产生弯曲，或仅有少量弯曲但不能折叠。
顶镦第一规则
原表为粘连文本，未还原真表格，建议人工核对后补充。
顶镦第一规则（续）
杆的塑性纵向弯曲示意
杆的塑性纵向弯曲示意图
杆的塑性纵向弯曲示意
杆的塑性纵向弯曲示意（续）
由式6-5可看出，圆形截面杆件在模腔内压缩，只要加载偏心距，就不会产生压杆失稳现象。
生产中常采用:2、镦粗第二规则：在凹模中聚料时（参见图6.34），当聚料直径，棒料伸到模外面的长度，或，，即使局部镦粗长径比超过允许值，也可进行正常的局部镦粗而不产生折叠。
局部镦粗第二规则
局部镦粗第二规则
局部镦粗第三规则
6.5.2 电热镦粗
电热镦粗电热镦粗反攻倒算原理如图6.36所示：固定砧1和夹紧砧3分别接在变压器8的副线圈上。夹紧砧3夹住坯料2。
坯料的右端被加压缸6通过加压砧5压向固定砧1，这时固定砧1和夹紧砧3成为变压器的两个电极。通电后，固定砧1和夹紧砧3之间的坯料A段被加热。
温度达到900~1150℃时，在加压缸6的压力作用下，A段被镦粗，随着加压砧5不断向左移动，A段被连续镦粗，直到砧头5抵住定位块7为止。
电热镦粗工作原理
电热镦粗工作原理图
电热镦粗工作原理
——电热镦粗属于无模镦粗，如图6.37。多用于预成形，温度保持在1000~1200℃。
电热镦粗的生产率可达400~500件/h。坯料变形部分长度与直径的比值可高达60以上。
——电热镦粗运用了局部塑性变形区的控制原理，利用了变形首先发生在变形抗力小的部位的金属变形规律。图6.37电热镦粗变形过程(a)准备阶段(b)变形阶段(c)成形阶段
6.5.3 在带有导向的模具中镦粗
在带有导向的模具中镦粗坯料直径略小于模具导向孔的直径，镦粗开始时，模具导向部分限制了坯料的变粗和弯曲。镦粗继续进行时，位于导向部分的坯料（B区）处于三向压应力状态，且径向变形被限制，下部的A区处于单向压应力状态，变形在A区发生，可以在一次行程中获得较大的镦粗变形。
图6-38在带有导向的模具中镦粗——A区侧表面部分受到的附加拉应力比一般镦粗大，容易产生裂纹。该工艺过程对材料的塑性要求较高。
下载地址：{{downurl}}
{{{a}}}
{{#b}}{{{b}}}
{{/b}} {{/title}} {{#nolog}}登陆注册
{{/nolog}} {{#djsx}}点我刷新
{{/djsx}} {{#gocz}} {{/gocz}} {{#ffqr}} {{/ffqr}}