锻造工艺与模具设计-模锻成形工序分析

1谢利[e-mail]材料工程学院一、模锻：利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法，称为模锻。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。适用于生产批量大、形状和尺寸精度要求高的锻件按成形方法的不同，模锻工艺可分为开式模锻、闭式模锻、挤压和顶镦四类。模锻按使用的设备不同分为锤上模锻、热模锻压力机上模锻、曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻及摩擦压力机上模锻等。2模锻特点：(1)可以锻造形状较复杂的锻件，尺寸精度较高，表面粗糙度较低；(2)锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高；(3)操作简单劳动强度较小；（4）生产率较高，锻件成本低；(5）设备投资大，模具成本高；（6）生产准备周期、尤其是锻模的制造周期都较长，只适合大批量生产；（7）工艺灵活性不如自由锻。34模具形状对金属变形流动的影响：●控制锻件的最终形状和尺寸●控制金属的流动方向●控制塑性变形区●提高金属的塑性●控制坯料失稳提高成形极限§5-1概述5控制锻件的最终形状和尺寸设计模具注意事项：1）热锻时应考虑锻件和模具的热收缩；2）精密成形时还应该考虑模具的弹性变形。6控制金属的流动方向各质点向着阻力最小方向移动，因此依靠不同的工具，采取不同的加载方式在变形体内建立不同的应力场实现对金属流动物体内方向的控制7控制塑性变形区主要靠利用不同工具在坯料内产生不同的应力状态，使部分金属满足屈服准则，另一部分金属不满足屈服准则，达到控制变形区的目的8提高金属的塑性金属的塑性与应力状态有很大关系，静水压力越大，材料的塑性越高，而各种应力状态是通过相应的工具在坯料中建立的。9控制坯料失稳提高成形极限10控制坯料失稳提高成形极限11§5-2开式模锻12一、开式模锻变形过程●第Ⅰ阶段是由开始模压到金属与模具侧壁接触为止；●第Ⅰ阶段结束到金属充满模膛为止是第Ⅱ阶段；●金属充满模膛后，多余金属由桥口流出，此为第Ⅲ阶段。13一、开式模锻变形过程●第Ⅰ阶段：由开始模压到金属与模具侧壁接触为止14一、开式模锻变形过程●第Ⅱ阶段：第Ⅰ阶段结束到金属充满模膛为止15一、开式模锻变形过程●第Ⅲ阶段：金属充满模膛后，多余金属由桥口流出16二、开式模锻各阶段的应力应变分析变形金属可分为A、B两区，A区为主要受力区，B区的受力主要是由A区的变形引起的；A区可分为内外两区，其间有一个流动分界面。●第Ⅰ阶段17二、开式模锻各阶段的应力应变分析金属也有两个流动方向，金属一方面充填模腔，一方面由桥口处流出形成飞边，这时由于模壁阻力，特别是飞边桥口部分的阻力作用，迫使金属充满模膛。这一阶段金属处于三向压应力状态，变形抗力迅速增大●第Ⅱ阶段18二、开式模锻各阶段的应力应变分析●第Ⅱ阶段19二、开式模锻各阶段的应力应变分析主要是将多余金属排入飞边。此时流动界面已不存在，变形仅发生在分模面附近的一个区域内，其它部位●第Ⅲ阶段：则处于弹性状态；多于金属由桥口流出时阻力很大，使变形抗力急剧增大20二、开式模锻各阶段的应力应变分析●第Ⅱ阶段是锻件成形的关键阶段；●第Ⅲ阶段是模锻变形力最大的阶段。所以研究锻件的成形问题，主要研究第Ⅱ阶段；而计算变形力时，则应按第Ⅲ阶段21三、开式模锻时影响金属成形的主要因素●模膛（模锻件）的具体尺寸和形状；●飞边槽桥口部分的尺寸和飞边槽的位置；●终锻前坯料的具体形状和尺寸；●坯料本身性质的不均匀情况，主要指由于温度不均匀引起的各部分金属流动极限的不均匀情况；●设备工作速度。221、模膛（模锻件）尺寸和形状的影响●模壁与变形金属的摩擦系数变形金属与模壁的摩擦阻力小，有利于金属充满模腔●模壁斜度：模壁斜度是为了模锻后锻件易于取出，但模壁斜度对金属充填模腔不利231、模膛（模锻件）尺寸和形状的影响●孔口圆角半径：孔口圆角半径越小，在孔口处金属质点要拐一个很大的角度再流入孔内，需消耗较多的能量，不易充满模膛●模膛的宽度与深度：模膛愈窄时，金属向孔内流动时的阻力越大，孔内金属的降温也越严重，充满模膛越困难●模具温度：模具温度较低时，金属流入孔部后，温度很快降低，变形抗力增大，充填模膛困难242、飞边槽的影响飞边槽仓部阻止金属外流，迫使金属充满模膛。另外，使飞边减薄，以便于切除。用以容纳多余的金属，以免金属流到分模面上，影响上下模打靠。桥口252、飞边槽的影响26飞边槽桥口的摩擦阻力sshbhb飞飞21桥口阻止金属外流的作用主要是由于沿上下接触面摩擦阻力作用的结果。桥口阻力（摩擦力在桥口处引起的径向压应力）为：27飞边槽桥口阻力的影响因素●桥口阻力大小与b和h飞有关，桥口越宽，高度越小，阻力越大●桥口阻力与飞边部分的变形金属的温度有关，温度越低，桥口部分阻力越大；模锻时，飞边同时与上下模接触时间越长，金属冷却的越快，桥口部分的阻力越大●同一锻件的不同部分充满得难易程度不同，在锻件上较难充满的部分加大桥口阻力，从模具制造方便出发，生产中常常是加大此处的桥口宽度；对锻件上难充满的部分，还常常在桥口部分增加一个制动槽。28桥口有制动槽的飞边槽29飞边槽发展的过程1、一般的飞边槽2、小飞边模锻3、楔形飞边槽4、扩张形飞边槽5、无飞边模锻30一般飞边槽模锻初期，由于h飞较大，产生的阻力小，毛坯在高度中间处变形最大，因此，大量的金属流入飞边槽31小飞边模锻改变分模面的位置，将飞边装置设置在变形较困难的毛坯端部，模锻初期，金属的流动就受到了侧壁的限制32小飞边模锻对某些形状的锻件，在模锻最后阶段，变形区集中分布在分模面附近，远离分模面的部分不容易充满。33楔形飞边槽主要依靠桥口斜面产生的水平分力阻止金属外流，飞边部分金属消耗减少一倍；这种飞边与锻件连接处较厚，切边较困难34扩张型飞边槽在模锻的第一第二阶段，桥口部分对金属外流有一定阻力作用；而最后阶段，对多余金属的外流无阻碍作用，可以较大程度的减小变形力，使上下模压靠。主要用于形状简单，比较容易充满成形，但由于某些原因变形力较大，常易产生模锻不足（欠压），模具易磨损的锻件。35无飞边模锻凸凹模间隙方向与模具运动的方向平行，间隙很小，且间隙大小在变形过程中不变；易产生毛刺，充不满，变形抗力大，模具易损坏363、设备工作速度的影响设备工作速度高时，金属流动的速度也快，这将使摩擦系数有所降低，金属流动的惯性和变形热效应的作用也显得突出了。正确的利用这些因素的作用，有助与金属充填模膛，得到外形复杂、尺寸精确的锻件37第二节闭式模锻闭式模锻（无飞边模锻）的特点：●减少飞边材料损耗●节省切边设备●有利于金属充满模膛，有利于进行精密模锻●闭式模锻时金属处于明显的三向压应力状态，有利于低塑性材料的成形38闭式模锻闭式模锻进行的必要条件：●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。39闭式模锻的变形过程分析闭式模锻分为三个变形阶段：●第Ⅰ阶段是基本成形阶段：由开始变形到金属基本充满模膛，此阶段变形力的增加相对较慢，继续变形时变形力将急剧增加●第Ⅱ阶段是充满阶段：由第一阶段结束到金属完全充满模膛为止，此阶段结束时变形力比第一阶段末可增大2-3倍，但变形量却很小●第Ⅲ阶段是形成纵向飞边阶段：此时坯料基本已成为不变形的刚体，只有在极大的模压力作用下，或在足够的打击能量下，才能使端部的金属产生变形流动，形成纵向飞边40闭式模锻的变形过程简图41闭式模锻的变形过程分析由以上分析可以看出：1）闭式模锻过程易在第二阶段末结束，即应在形成飞边前结束，应该允许在分模面处有少量充不满或仅形成很矮的飞边2）坯料体积的精确性对锻件尺寸和是否出现纵向飞边有重要影响3）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4）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42