鍛造工藝學(xué)第六章模鍛成形工序分析

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1、材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院第 六 章 模 鍛 成 形 工 序 分 析 Seite 2 一 、 模 鍛 特 點定 義 ： 把 加 熱 好 的 坯 料 放 在 固 定 于 模 鍛 設(shè) 備 上 的 模 具內(nèi) 進 行 鍛 造 的 方 法 稱 為 模 鍛 。 模 鍛 是 使 用 專 用 鍛 模 進行 鍛 造 來 獲 得 所 需 形 狀 和 尺 寸 鍛 件 的 主 要 工 藝 方 法 。模 鍛 的 特 點 是 ： 在 鍛 壓 機 器 動 力 作 用 下 ， 熱 透 坯 料 在鍛 模 型 腔 中 被 迫 塑 性 流 動 成 形 ， 從 而 獲 得 比 自 由 鍛 質(zhì)量 更 高 的 鍛 件 。 6-1

2、 概 述 Seite 3 Seite 4 優(yōu) 點 ： 1 生 產(chǎn) 率 高 ； 2 鍛 件 形 狀 較 復(fù) 雜 ， 尺 寸 精 度 較 高 ； 粗 糙 度 也 比 自 由鍛 低 ； 3 鍛 件 的 機 械 加 工 余 量 較 小 ， 材 料 利 用 率 較 高 ； 4 可 使 流 線 分 布 更 為 完 整 合 理 ， 從 而 進 一 步 提 高 零 件的 使 用 壽 命 ； 5 生 產(chǎn) 過 程 操 作 簡 便 ， 勞 動 強 度 比 自 由 鍛 小 ； 6 鍛 件 達 到 一 定 批 量 后 ， 其 成 本 降 低 。 Seite 5 缺 點 ： 1 設(shè) 備 投 資 大 ； 2 生 產(chǎn) 準 備

3、 周 期 ， 尤 其 是 鍛 模 制 造 周 期 都 比 較 長 ， 批 量 小 的 鍛 件 在 經(jīng) 濟 上 不 合 算 ； 3 鍛 模 成 本 高 ， 且 壽 命 較 低 ； 4 工 藝 靈 活 性 不 如 自 由 鍛 。 Seite 6 二 、 工 具 (模 具 )形 狀 對 變 形 和 金 屬 流 動 的 主 要 影 響1 控 制 鍛 件 的 形 狀 和 尺 寸 ： （ 終 鍛 模 膛 ， 終 成 形 模 具 ） 為 保 證 鍛 件 的 形 狀 和 尺 寸 精 度 ， 設(shè) 計 模 具 時 應(yīng) 注 意 以 下兩 點 ： (1) 熱 鍛 時 應(yīng) 考 慮 鍛 件 和 模 具 的 熱 收 縮 ；

4、 (2) 精 密 成 形 時 還 應(yīng) 考 慮 模 具 的 彈 性 變 形 。 Seite 7 2 控 制 金 屬 的 流 動 方 向塑 性 變 形 的 金 屬 主 要 沿 最 大 主 應(yīng) 力 增 大 的 方 向 流 動 。在 三 向 壓 應(yīng) 力 情 況 下 ， 金 屬 主 要 沿 最 小 阻 力 （ 增 大 ）的 方 向 流 動 。3 控 制 塑 性 變 形 區(qū) 靠 利 用 不 同 工 具 在 坯 料 內(nèi) 產(chǎn) 生 不 同 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 使部 分 金 屬 首 先 滿 足 屈 服 條 件 。 Seite 8 4 提 高 金 屬 的 塑 性 ： 盡 量 形 成 三 向 壓 應(yīng) 力 的 應(yīng)

5、力 狀 態(tài) 靜 水 壓 力 越 大 ， 材 料 的 塑 性 越 高 芯 軸 擴 孔 、 輾 壓 擴 孔 、 擠 壓 ， 三 向 壓 應(yīng) 力 沖 子 、 楔 擴 孔 ， 切 向 受 拉 ， 塑 性 差5 控 制 坯 料 失 穩(wěn) 提 高 成 形 極 限 ： 失 穩(wěn) 彎 曲 ， 進 而 會 發(fā)展 成 為 折 迭 長 桿 料 頂 鐓 時 ， D 1.25d0 管 子 彎 曲 時 ， 應(yīng) 該 用 適 當(dāng) 的 模 具 或 芯 軸 Seite 9 6-2 開 式 模 鍛一 、 概 念 開 式 模 鍛 是 變 形 金 屬 的 流 動 不 完 全 受模 腔 限 制 的 一 種 鍛 造 方 式 。 開 式 模 鍛

6、 時 ，多 余 的 金 屬 沿 垂 直 于 作 用 力 的 方 向 流 動 形成 毛 邊 。 Seite 10 二 、 飛 邊 槽 的 作 用1 增 大 徑 向 阻 力 ， 迫 使 金 屬 充 滿 模 膛 ；2 容 納 多 余 的 金 屬 ；3 緩 沖 上 、 下 模 的 打 擊 ， 防 止 模 具 壓 塌 和 開 裂 。 Seite 11 三 、 模 鍛 過 程 的 四 個 階 段開 式 模 鍛 時 ， 金 屬 流 動 的 過 程 可 以 分 為 四 個 階 段 ：I 第 一 階 段 是 自 由 變 形 或 鐓 粗 變 形 階 段 ；II 第 二 階 段 為 形 成 毛 邊 階 段 ；III

7、 第 三 階 段 為 充 滿 型 槽 階 段 ；IV 第 四 階 段 為 鍛 足 或 打 靠 階 段 。 Seite 12 四 、 開 式 模 鍛 各 階 段 的 變 形 分 析 第 階 段 坯 料 在 型 槽 中 發(fā) 生 鐓 粗 變 形 。 此 時金 屬 處 于 較 弱 的 三 向 壓 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 變 形 抗 力 較 小 。 Seite 13 第 階 段 金 屬 流 動 方 向 有 兩 個 方 向 ， 一 個 是 充 滿 模腔 ， 一 方 面 流 入 毛 邊 槽 ， 形 成 少 許 毛 邊 。 這 時 ， 兩 方 面流 動 阻 力 都 很 大 ， 處 于 明 顯 的 三 向 壓 應(yīng)

8、力 狀 態(tài) ， 變 形 抗力 顯 著 上 升 。 該 階 段 的 凹 圓 角 被 充 滿 后 ， 變 形 金 屬 可 分 為 五 個 區(qū)域 ： A內(nèi) 、 A外 為 鐓 粗 和 B區(qū) 金 屬 如 同 在 圓 形 砧 內(nèi) 摔 圓 ， C區(qū) 為 彈 性 變 形 區(qū) ， D區(qū) 內(nèi) 的 金 屬 變 形 猶 如 外 徑 受 限 制 的 環(huán)形 件 鐓 粗 。 Seite 14 3 第 階 段 金 屬 流 入 毛 邊 槽 的 阻 力 急 劇 增 大 ， 形 成 一個 阻 力 圈 。 迫 使 金 屬 繼 續(xù) 向 型 槽 深 處 和 圓 角 處流 動 ， 直 到 整 個 型 槽 完 全 充 滿 為 止 。 此 階

9、 段 金屬 處 于 更 強 的 三 向 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 變 形 抗 力 急 劇 增大 。 Seite 15 4 第 階 段 多 余 金 屬 排 入 飛 邊 變 形 區(qū) 僅 發(fā) 生 在 分 模 面 附 近 的 一 個 區(qū) 域 內(nèi) (橢 圓 形或 菱 形 變 形 區(qū) )， 其 它 區(qū) 域 處 于 三 向 等 壓 力 應(yīng) 力 狀 態(tài) ，即 成 為 彈 性 變 形 區(qū) (剛 性 區(qū) )。 變 形 區(qū) 的 應(yīng) 力 應(yīng) 變 狀 態(tài) 與薄 件 鐓 粗 一 樣 。 此 階 段 由 于 飛 邊 繼 續(xù) 變 薄 和 降 溫 ， 變 形 抗 力 繼 續(xù) 增大 ， 達 到 最 大 值 。 所 需 要 的 錘 擊

10、力 最 大 ， 開 式 模 鍛 所 需的 變 形 力 即 按 此 階 段 計 算 。 Seite 16 五 、 開 式 模 鍛 時 影 響 金 屬 成 形 的 主 要 因 素 以 上 分 析 表 明 ， 變 形 金 屬 的 流 動 取 決 于 各 流 動 方 向上 的 阻 力 之 間 的 關(guān) 系 ， 此 外 ， 載 荷 的 性 質(zhì) (設(shè) 備 速 度 )等也 有 一 定 影 響 。主 要 因 素 有 ：1 模 膛 (模 鍛 件 )的 具 體 尺 寸 和 形 狀 。 1） 變 形 金 屬 與 模 壁 的 摩 擦 系 數(shù) 小 ， 有 利 于 充 滿 模 膛 2） 模 壁 斜 度 ： 易 于 鍛 后

11、取 出 鍛 件 ， 不 利 于 充 滿 模 膛 Seite 17 3） 孔 口 圓 角 半 徑 ： R過 小 時 ， 鍛 件 可 能 折 疊 或 切 斷 金 屬 纖 維 ， 鍛 模 易 被 壓 塌 ； R過 大 時 ， 增 加 金 屬 消 耗 和 機 械 加 工 量 ； 易 于 充 滿 模 膛 。 孔 口 圓 角 半 徑 應(yīng) 適 當(dāng) 大 一 些4） 模 膛 的 寬 度 與 深 度 模 膛 愈 深 、 愈 窄 ， 充 滿 模 膛 越 困 難5） 模 具 溫 度 ： 溫 度 過 高 ， 降 低 模 具 壽 命 ； 溫 度 過 低 ， 金 屬 充 滿 模 膛 困 難 。 鋁 合 金 、 高 溫 合

12、金 鍛 造 時 ， 模 具 應(yīng) 預(yù) 熱 至 200 300 Seite 18 2 飛 邊 槽 的 影 響橋 口 ， 倉 部1） 橋 口 的 寬 度 越 大 ， 高 度 越 小 ， 即 b/h飛 越 大 ，阻 力 越 大 ；2） 阻 力 過 大 ， 變 形 抗 力 很 大 ， 可 能 造 成 上 下 模打 不 靠 ； 阻 力 過 小 ， 型 腔 充 不 滿 。 Seite 19 3） 型 腔 易 充 滿 時 ， b/h飛 取 小 一 些 ， 反 之 ， 取 大 一 些， 如 壓 入 成 形 時 ， b/h飛 大 一 些 。4） 胎 模 鍛 造 時 ， b/h飛 比 模 鍛 時 小 ， 約 為 1

13、/25） 螺 旋 壓 力 機 模 鍛 時 ， 由 于 行 程 次 數(shù) 少 ， 胎 模 b/h飛 錘 上 模 鍛 Seite 20 6） 高 速 錘 鍛 造 時 ， 易 造 成 充 不 滿 型 腔 的 現(xiàn) 象 ， b/h飛 應(yīng)較 大 。 比 較 難 充 滿 的 鍛 件 還 必 須 采 取 無 飛 邊 或 小 飛 邊 模 鍛 。7） 還 應(yīng) 考 慮 b， h飛 的 絕 對 值 ， b過 小 ， 模 具 易 被 打 塌 ，或 很 快 被 磨 損 。8） 同 一 鍛 件 的 不 同 部 分 ， 可 根 據(jù) 充 滿 型 腔 的 難 易 程 度， 采 用 不 同 的 b或 b/h飛 ， 或 采 用 制 動

14、 槽 （ 叉 形 部 分 ） Seite 21 3 終 鍛 前 坯 料 的 具 體 形 狀 和 尺 寸 。 （ 第 八 章 ）4 坯 料 本 身 性 質(zhì) 的 不 均 勻 。5 設(shè) 備 工 作 速 度 的 影 響 ： 速 度 越 快 ， 越 易 成 形 形 狀 復(fù) 雜 、 要 求 精 確 的 鍛 件 。 Seite 22 開 式 模 鍛 中 飛 邊 金 屬 的 損 耗 較 大 ， 通 常飛 邊 占 鍛 件 質(zhì) 量 的 10 50 ， 為 減 少 金 屬 損耗 ， 提 高 材 料 利 用 率 ， 出 現(xiàn) 了 閉 式 模 鍛 。 Seite 23 6-3 閉 式 模 鍛閉 式 模 鍛 又 稱 無 飛

15、 邊 模 鍛開 式 模 鍛 可 以 認 為 是 有 飛 邊 的 模 鍛 Seite 24 優(yōu) 點 ： 減 少 飛 邊 材 料 損 耗 (飛 邊 金 屬 約 為 鍛 件 重 量 的30%左 右 ) 節(jié) 省 切 邊 設(shè) 備 在 正 常 工 作 情 況 下 ， 閉 式 模 鍛 一 般 不 產(chǎn) 生 飛 邊 ， 故可 以 節(jié) 約 金 屬 和 節(jié) 省 切 邊 設(shè) 備 。 Seite 25 有 利 于 金 屬 充 滿 型 槽 ， 有 利 于 進 行 精 密 模 鍛 ； 原 因 是 ： 上 、 下 模 間 的 間 隙 很 小 ， 在 模 鍛 過 程 中 間 隙 保 持 不變 。 由 于 間 隙 很 小 ， 金

16、 屬 流 入 間 隙 的 阻 力 一 開 始 就 很 大 ， 這 有 利于 金 屬 充 滿 型 槽 ， 適 用 于 精 密 模 鍛 。 閉 式 模 鍛 時 金 屬 處 于 明 顯 的 三 向 壓 力 狀 態(tài) ， 有 利 于低 塑 性 材 料 的 成 形 。 由 于 閉 式 模 鍛 時 處 于 很 高 的 三 向 壓 應(yīng) 力 狀 態(tài) ， 變 形 抗 力 很 大， 模 具 容 易 損 壞 。 Seite 26 進 行 閉 式 模 鍛 的 必 要 條 件 ： 坯 料 體 積 準 確 坯 料 形 狀 合 理 并 能 在 模 膛 內(nèi) 準 確 定 位 ； 能 夠 較 準 確 地 控 制 打 擊 能 量 或

17、 模 壓 力 ； 有 簡 便 的 取 件 措 施 或 頂 料 機 構(gòu) 。由 于 上 述 這 些 必 要 條 件 ， 使 閉 式 模 鍛 在 模 鍛 錘 和 鍛 壓 機上 的 應(yīng) 用 受 到 限 制 。 Seite 27 適 用 范 圍 ： 適 用 于 軸 對 稱 變 形 或 近 似 對 稱 變 形 。 目 前 用 的最 多 的 是 短 軸 類 回 轉(zhuǎn) 體 。 Seite 28 一 、 閉 式 模 鍛 的 變 形 過 程 分 析 閉 式 模 鍛 的 變 形 過 程 ， 可 分 為 三 個 階 段 ： 第 階 段 是 基 本 成 形 階 段 ； 第 階 段 是 充 滿 階 段 ； 第 階 段 是

18、形 成 縱 向 飛 邊 階 段 。 Seite 29 1 第 階 段 基 本 成 形 階 段 由 開 始 變 形 至 金 屬 基 本 充 滿 型 槽 ， 此 階 段 變 形力 的 增 加 相 對 較 慢 。 金 屬 變 形 可 能 是 鐓 粗 、 壓 入、 沖 孔 或 擠 壓 成 形 ； 有 可 能 是 整 體 變 形 ， 也 可 能是 局 部 變 形 。 Seite 30 2 第 階 段 充 滿 階 段 從 前 階 段 結(jié) 束 到 金 屬 完 全 充 滿 為 止 。 最大 變 形 力 比 第 階 段 可 增 大 23倍 ， 但 變 形量 很 小 。 Seite 31 3 第 階 段 形 成

19、縱 向 毛 刺 (飛 邊 )階 段 坯 料 已 基 本 上 成 為 不 變 形 的 剛 性 體 ， 只 有 在極 大 的 模 壓 力 作 用 下 ， 或 在 足 夠 的 打 擊 能 量 作 用下 ， 才 能 使 端 部 的 金 屬 產(chǎn) 生 變 形 流 動 ， 形 成 縱 向毛 刺 。 毛 刺 的 厚 度 愈 薄 ， 高 度 愈 高 ， 模 膛 側(cè) 壁 的壓 應(yīng) 力 R也 愈 大 。 這 個 階 段 的 變 形 對 閉 式 模 鍛 有 害 無 益 ， 是 不 希望 出 現(xiàn) 的 。 Seite 32 由 此 ： 閉 式 模 鍛 變 形 過 程 宜 在 第 階 段 剛 完 成 ， 即 形 成 縱 向

20、 毛刺 之 前 結(jié) 束 。 模 壁 的 受 力 情 況 與 鍛 件 的 H/D有 關(guān) ， H/D越 小 ， 模 壁 受 力情 況 越 好 。 坯 料 體 積 的 精 確 性 對 鍛 件 尺 寸 和 是 否 出 現(xiàn) 縱 向 毛 刺 有 重要 影 響 。 打 擊 能 量 或 模 壓 力 是 否 合 適 對 閉 式 模 鍛 的 成 形 情 況 有 重要 影 響 。 坯 料 形 狀 和 尺 寸 比 例 是 否 合 適 ， 在 模 膛 中 定 位 是 否 正 確對 金 屬 分 布 的 均 勻 性 有 重 要 影 響 。 Seite 33 6-3 擠 壓 正 擠 壓反 擠 壓徑 向 擠 壓復(fù) 合 擠 壓 Seite 34 6-4 頂 鐓 坯 料 端 部 的 局 部 鐓 粗 稱 為 頂 鐓 或 稱 聚 集 。