锻造工艺学6

材料科学与工程学院第六章模锻成形工序分析Seite2一、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Seite3Seite4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。Seite5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。Seite6二、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。Seite72．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。Seite84．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Seite9§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。Seite10二、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。Seite11三、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。Seite12四、开式模锻各阶段的变形分析⒈第Ⅰ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。Seite13⒉第Ⅱ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。Seite143．第Ⅲ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。Seite154．第Ⅳ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。Seite16五、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Seite173）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℃Seite182．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。Seite193）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Seite206）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）Seite213．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。Seite22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。Seite23§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Seite24优点：①减少飞边材料损耗(飞边金属约为锻件重量的30%左右)②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。Seite25③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。④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。Seite26进行闭式模锻的必要条件：①坯料体积准确②坯料形状合理并能在模膛内准确定位；③能够较准确地控制打击能量或模压力；④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。Seite27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。Seite28一、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：①第Ⅰ阶段是基本成形阶段；②第Ⅱ阶段是充满阶段；③第Ⅲ阶段是形成纵向飞边阶段。Seite291．第Ⅰ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。Seite302．第Ⅱ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Ⅰ阶段可增大2~3倍，但变形量很小。Seite313．第Ⅲ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σR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。Seite32由此：⑴闭式模锻变形过程宜在第Ⅱ阶段刚完成，即形成纵向毛刺之前结束。⑵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。⑶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。⑷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。⑸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。Seite33§6-3挤压正挤压反挤压径向挤压复合挤压Seite34§6-4顶镦坯料端部的局部镦粗称为顶镦或称聚集。