锻造工艺与模具设计-锤上模锻

1谢利[e-mail]材料工程学院锤上模锻：利用锻锤驱动完成模锻成形的过程，简称锤锻蒸汽-空气模锻锤、液压模锻锤、对击模锻锤、机械锤和模锻空气锤锤锻模的结构锤锻模由上下两个模块组成，两模块借助燕尾、楔铁和键块分别紧固在锤头和下模座的燕尾槽中。燕尾使模块固定在锤头（或砧座）上，使燕尾底面与锤头（或砧座）底面紧密贴合。楔铁使模块在左右方向定位。键块使模块在前后方向定位。234一、模锻锤的特点工艺灵活、适应性广优点：（1）锤头行程和打击速度操控方便；（2）抗偏载能力强；……。缺点：（1）锻件精度不高；（2）锻模寿命低；（3）难以实现自动化；……二、锤锻工艺流程见课本图6-2图7.1模锻锤的外观和操纵系统6.1锻锤工艺特点及模锻工艺流程56.2模锻件分类第一类锻件：短轴类或饼类锻件主体轴线立置于模膛成形，水平方向二维尺寸相近的锻件。其特点是：①锻件的主轴线尺寸小于其它两个方向的尺寸；②变形工序的作用力方向与主轴线方向一致；③模膛中的金属变形是体积变形。这类锻件常利用镦粗台或拍扁台制坯。常见的短轴类件有法兰、齿轮、十字轴、万向节等。圆饼类锻件a)简单形状b)较复杂形状c)复杂形状6第二类锻件：长轴类锻件主要特点：①锻件的主轴线尺寸大于其它两个方向的尺寸；②变形工序的锻击方向一般垂直于主轴线；③金属主要沿着高度和宽度方向流动，由于在模锻工步时金属沿主轴线基本上没有流动，又可称为平面变形类。此类锻件数量多，形状复杂。按锻件的几何形状特征，也可分为四组：直长轴类、弯曲轴类、枝芽类和叉类锻件。通常采用拔长或滚压等工序成形；7长轴类锻件分组8第三类锻件：复合类锻件兼备两种或两种以上结构的特征，横截面差别很大，制坯过程复杂，金属在模膛内比较难填充的锻件；如“轴-盘-耳”结构的转向节。96.3模锻件图设计模锻件图是模锻生产过程、模锻工艺过程规范制订、锻模设计、锻模检验及锻模制造的依据。模锻件图是根据产品图设计的，分为冷锻件图和热锻件图两种。10冷锻件图即为锻件图。冷锻件图用于最终锻件的检验和校正模的设计，也是机械加工部门制定加工工艺过程，设计加工夹具的依据。热锻件图用于锻模设计和加工制造。热锻件图是对冷锻件图上各尺寸相应地加上热胀量而绘制的。11锤上模锻件图设计6.3.1分模面位置的选择确定分模面位置最基本原则是保证锻件形状尽可能与零件形状相同，以及锻件容易从锻模模膛中取出。确定分模面时，应以镦粗成形为主，还应考虑材料利用率。分模面的位置与模锻方法直接有关，它决定着锻件内部金属纤维方向。12（1）尽可能采用直线分模，使锻模结构简单，防止上下模错移。直线分模防错移锻件分模位置一般都选择在具有最大轮廓线的地方。此外，还应考虑下列要求：13（2）尽可能将分模位置选在锻件侧面中部。这样易于在生产过程中发现上下模错移。分模位置居中便于发现错模14（3）对头部尺寸较大的长轴类锻件可以折线分模，使上下模膛深度大致相等，使尖角处易于充满。上下模膛深度大致相等易充满15（4）当圆饼类锻件H≤D时，应采取径向分模，不宜采用轴向分模。圆饼类锻件分模位置（5）锻件形状较复杂部分应该尽量安排在上模。166.3.2余块、余量和锻造公差锻件上凡是尺寸精度和表面品质（表面粗糙度）达不到零件图要求的部位，需要在锻后进行机械加工，这些部位应预留加工余量。模锻件的加工余量要大小恰当。精密模锻的目的是在不影响零件加工品质的前提下模锻出小余量或者无余量精锻件。171、锻件公差的种类尺寸公差包括长度、宽度、厚度、中心距、角度、模锻斜度、圆弧半径和圆角半径等公差。形位公差包括直线度、平面度、深孔轴的同轴度、错移量、剪切端变形量和杆部变形量等。表面技术要素公差包括深度、剪拉毛刺的尺寸、顶杆压痕深度和表面粗糙度等。各项公差都不应互相叠加。182、影响余量和锻件公差的因素(1)公称尺寸和锻件质量锻件重量根据锻件图的公称尺寸进行计算(按锻件大小初定余量)。(2)锻件形状复杂系数(S)为锻件的重量或体积(Gd，Vd)与其外轮廓包容体的重量或体积(Gb，Vb)的比值，即：S=Gd/Gb=Vd/Vb圆形锻件的外廓包容体按圆柱体计算；非圆形锻件的外廓包容体按矩形六面体计算；19锻件形状复杂系数S可分为四个等级，S越小表示锻件形状越复杂，见表6-2：级别代号形状复杂系数值S形状复杂程度ⅠS10.63～1简单ⅡS20.32～0.63一般ⅢS30.16～0.32较复杂ⅣS4≤0.16复杂20（3）锻件材质系数(M)按材料可锻性难易程度划分。钢质模锻件分为两类，M1，M2。航标中将航空模锻件分为四类：M0：铝、镁合金；M1：＜0.65%C的碳钢或合金总含量＜5.0%的合金钢。M2：≥0.65%C的碳钢或合金总含量≥5.0%的合金钢。M3：不锈钢、高温耐热合金和钛合金。213、余量和锻件公差的选取选取余量和锻件公差的程序：零件公称尺寸→估选余量→锻件公称尺寸→估算锻件质量→查表→修正见课本P139示例。226.3.3模锻斜度（出模斜度或拔模斜度）1、模锻斜度定义：为了克服模具的弹性收缩和摩擦阻碍作用，易于取件。在锻件侧表面上需要一定的斜度，称为模锻斜度。侧表面指，在锻件上与分模面相垂直方向上的平面或曲面。包括它固有的斜度（也就是自然斜度）和锻件侧表面上所附加的斜度。热锻件冷缩会离开模膛侧壁的部位称为外斜度α（锻件外壁上的斜度）热锻件冷缩会更加紧贴模膛侧壁的部位称为内斜度β（内壁上的斜度）232、选择原则：取件方便，节省金属材料和加工(1)在保证出模的前提下，模锻斜度应尽量小。（最小原则）α大到一定值时，可自动脱模，但α太大将会增大金属的消耗量和余量。但是，为了便于出模，高度较小的锻件可采用较大的斜度，这时，多消耗的金属量不大。如：H50mm，查到3°改为5°；H30mm，查的3°、5°一律改为7°。24(2)同一锻件上内模锻斜度要比外模锻斜度大。（大小原则）原因在于锻件冷却时，外壁趋向离开模壁，而内壁正相反。(3)模锻斜度的大小（标准原则）外斜度α标准值为：3°、5°、7°、10°、12°等，常取7°；内斜度β标准值为：5°、7°、10°、12°、15°等，一般取10°。(4)同一锻件上的外模锻斜度和内模锻斜度不应取多种斜度，而应各取一统一数值。（统一原则）(5)只要锻件能形成自然斜度，不必另外增设模锻斜度。（自然原则）256.3.4锻件圆角作用：保证金属流动、提高模具寿命、提高锻件质量和便于出模。锻件上的凸圆角半径称为外圆角半径r，也就是模具模膛上的凹圆角。作用是避免模具上的凹圆角太小造成应力集中导致开裂，以及锻件充满。凹圆角半径称为内圆角半径R，也就是模膛上的凸圆角，作用是便于金属流动，防止锻件折迭和模具压塌。26外圆角半径Rw过小，充填困难，锻模崩裂；Rw过大，机械加工余量小Rn太小，会造成纤维被割断、折叠，锻件报废，模具压塌，影响出模；Rn太大，使余量加大，导致充不满。一般可按公式：Rw=余量+零件相应处圆角半径或倒角值Rn=(2～3)Rw圆角半径应选标准数值，便于选用相应的制造模具的标准刀具。276.3.5冲孔连皮对于有内孔的锻件，锤上模锻不能直接锻出透孔，必须在孔内保留一层连皮。然后，在切边压力机上冲除。1、平底连皮常用形式。连皮厚度S可根据经验选取或或按书上给的公式计算（P143式6-1）。282、斜底连皮用于较大的内孔：d2.5h，或d60mm。以利于金属流动，避免产生折叠和模具过早磨损或压塌。但冲除时易使锻件走样。尺寸为：S大=1.35S；S小=0.65S；d1=(0.25～0.3)d或d1=0.12d+ss按平底连皮厚度计算）293、带仓连皮若锻件需采用预锻成形，对于较大的孔，可在预锻时采用斜底连皮，而在终锻时采用带仓连皮。优点是周边薄，易冲除。带仓连皮的实质就是内飞边槽，仓部的作用是为斜底连皮回流提供空间。304、压凹当锻件内孔直径较小，不易锻出连皮，应改为压凹形式，通过压凹变形有助于小头部分饱满成形。压凹带连皮的模锻件，不需绘出连皮的形状和尺寸。产品图的主要轮廓线要用点划线在模锻件图上表示，便于表示各部分的加工余量。316.3.6锻件图和锻件技术条件锻件图(冷)是在零件图基础上，加上余量、余块或其它特殊留量后绘制的图，图中锻件外形用粗实线表示，零件外形用双点划线表示。锻件的公称尺寸与公差注在尺寸线的上面，而零件的尺寸注在尺寸线的下面的括号内。32锻件图中无法表示的有关锻件质量和检验要求的内容，列入技术条件：①未注明的模锻斜度α和圆角半径R；②允许的错移量和残余飞边的宽度；③允许的表面缺陷深度；④锻后热处理方法及硬度要求；⑤表面清理方法；⑥需要取样的取样位置；⑦其它特殊要求，如直线度、平面度等。336.4模锻模膛设计模锻模膛包括：终锻模膛和预锻模膛。任何锻件的模锻工艺过程都必须有终锻，都要用终锻模膛。模锻件的几何形状和尺寸靠终锻模膛保证，预锻模膛要根据具体情况决定否采用。346.4.1终锻模膛设计终锻模膛是锻模中各种模膛的最主要的模膛，它用来完成锻件最终成形的终锻工步。通过终锻模膛可以获得带飞边的锻件。终锻模膛通常由模膛本体、飞边槽和钳口三部分组成，其中模膛本体是根据热锻件图设计的。终锻模膛设计的主要任务是设计热锻件图、选择飞边槽和设计钳口。35热锻件图是将冷锻件图的所有尺寸计入收缩率而绘制的。钢锻件的收缩率取1.2%-1.5%；钛合金锻件取0.5%-0.7%；铝合金锻件取0.8%-1.0%；铜合金锻件取1.0%-1.3%；镁合金锻件取0.8%左右。加放收缩率时，对无坐标中心的圆角半径不加放收缩率；对于细长的杆类锻件、薄的锻件、冷却快或打击次数较多而终锻温度较低的锻件，收缩率取小值；带大头的长杆类锻件，可根据具体情况将较大的头部和较细杆部取不同的收缩率。1、热锻件图设计36由于终锻温度难以准确控制，不同锻件的准确收缩率往往需要在长期实践中修正。一般情况下，热锻件图形状与锻件图形状完全相同。但在某些情况下，需将热锻件图尺寸作适当的改变以适应锻造工艺过程要求。(1)模膛易磨损处，应在锻件负公差范围内减小模膛尺寸（预留磨损量），以在保证锻件合格率的情况下延长锻模寿命。如图所示的齿轮锻件，轮辐部分易磨损，使锻件轮辐厚度增加。因此，应将热锻件图上的尺寸A比锻件图上的相应尺寸减小0.5-0.8mm。37(2)形状复杂且较高的部位应尽量放在上模。在特殊情况下要将复杂且较高的部位放在下模时，锻件在该处表面易“缺肉”（充不满）。这是由于下模局部较深处易积聚氧化皮。如图所示的曲轴，可在其热锻件图相应部位加深约2mm。38(3)当设备的吨位偏小，上下模有可能打不靠时，应使热锻件图高度尺寸比锻件图上相应高度减小(接近负偏差或更小一些)，抵消模锻不足的影响。相反，当设备吨位偏大或锻模承击面偏小时，可能产生承击面塌陷，应适当增加热锻件图高度尺寸，其值应接近正公差，保证在承击面下陷时仍可锻出合格锻件。39(4)锻件某些部位在切边或冲孔时易产生变形而影响加工余量，应在热锻件图的相应部位增加一定的弥补量，提高锻件合格率，如图所示。40(5)一些形状特别的锻件，不能保证坯料在下模膛内或切边模内准确定位。在锤击过程中，可能因转动而导致锻件报废。热锻件图上需增加定位余块，保证多次锻击过程中的定位以及切飞边时的定位。41在绘制热锻件图时还需将分模面和冲孔连皮的位置、尺寸全部注明，写明未注圆角半径、模锻斜度与收缩率。高度方向尺寸以分模面为基准，以便锻模机械加工和准备检验样板；在热锻件图中不需注明锻件公差和零件的轮廓线。422、飞边槽及其设计锤上模锻为开式模锻，一般终锻模膛周边必须有飞边槽。飞边槽作用：a.增加金属流出模膛阻力，使金属充满模膛；b.容纳多余金属；c.锻造时飞边起缓冲作用，减弱上模对下模的打击，使模具不易压塌和开裂；d.飞边处厚度较薄，便于切除。43(1)飞边槽的结构形式飞边槽一般由桥口与仓部组成。形式I：基本型（标准形），一般都采用此种形式。其优点是桥口在上模，模锻时受热时间短，温升较低