1、第二部分第二部分 汽车产品的精汽车产品的精密体积成形技术密体积成形技术3 精密模锻工艺及模具设计精密模锻工艺及模具设计内容简介内容简介n1 引言引言n2 国内外发展现状国内外发展现状n3 基本概念基本概念 n4 精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析 n5 精密模锻变形力的计算精密模锻变形力的计算 n6 影响精密模锻件尺寸精度的主要因素影响精密模锻件尺寸精度的主要因素 n7 闭式精密模锻工艺的制订闭式精密模锻工艺的制订 n8 精密模锻的辅助工序精密模锻的辅助工序 n9 精密模锻模具设计精密模锻模具设计 n10 精密模锻实例分析精密模锻实例分析引言引言n与普通模锻比较，精密模锻能获得表面质
2、量好，与普通模锻比较，精密模锻能获得表面质量好，机械加工余量少和尺寸精度较高的锻件。目前，机械加工余量少和尺寸精度较高的锻件。目前，精密模锻主要应用在两个方面：精密模锻主要应用在两个方面：一是精化毛坯一是精化毛坯，即利用精锻工艺取代粗切削加工工序，将精锻即利用精锻工艺取代粗切削加工工序，将精锻件直接进行精加工而得到成品零件；件直接进行精加工而得到成品零件；二是精锻二是精锻零件零件，即通过精密模锻直接获得成品零件。，即通过精密模锻直接获得成品零件。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n我国加工行业将正挤、反挤加工称作冷挤压，将镦粗加工我国加工行业将正挤、反挤加工称作冷挤压，将镦粗加工称作冷镦
3、。国际上将冷挤压、冷镦统称冷锻，将钢材在室称作冷镦。国际上将冷挤压、冷镦统称冷锻，将钢材在室温以上到温以上到800的温镦和温挤压加工称作温锻。冷锻和温的温镦和温挤压加工称作温锻。冷锻和温锻的变形机理完全相同，只是加工温度不同，又把冷锻和锻的变形机理完全相同，只是加工温度不同，又把冷锻和温锻统称为精密锻造。温锻统称为精密锻造。n 精密锻造和锻造的最大差别在于精密锻造件没有飞边，精密锻造和锻造的最大差别在于精密锻造件没有飞边，而锻造件有飞边，精密锻造工艺的材料利用率高，尺寸精而锻造件有飞边，精密锻造工艺的材料利用率高，尺寸精度高度高，所以这几年发展很快。日本丰田汽车厂在，所以这几年发展很快。日本丰
4、田汽车厂在1996年年中日第五届精锻学术交流会上发表资料表明，该厂在中日第五届精锻学术交流会上发表资料表明，该厂在1987年，精锻件重量占全部锻件质量的年，精锻件重量占全部锻件质量的11.6，到，到 1991年发展到年发展到195。这里不包括螺母、螺钉件。他们已投。这里不包括螺母、螺钉件。他们已投产椅锻十字头轴、花键轴、圆柱齿轮、伞齿轮、等速传动产椅锻十字头轴、花键轴、圆柱齿轮、伞齿轮、等速传动轴、内花键齿套等汽车零件。特别是这几年发展温锻技术轴、内花键齿套等汽车零件。特别是这几年发展温锻技术后，一些变形程度大的复杂件和变形抗力大的合金材料的后，一些变形程度大的复杂件和变形抗力大的合金材料的汽
5、车零件的精锻也成为可能。由于精锻技术的发展，日本汽车零件的精锻也成为可能。由于精锻技术的发展，日本有关论文表明，近几年日本锻件成本下降了有关论文表明，近几年日本锻件成本下降了2030。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n精密锻造技术是值得我们汽车行业重视的一门发展中精密锻造技术是值得我们汽车行业重视的一门发展中技术，它无论是在质量和经济上都有很多的优点。技术，它无论是在质量和经济上都有很多的优点。n材料利用率高材料利用率高。精密锻造件没有飞边，材料按照设。精密锻造件没有飞边，材料按照设定的工艺，从毛坯塑性变形成所需产品形状。有些件定的工艺，从毛坯塑性变形成所需产品形状。有些件精锻后只需少
6、量加工，有些件不用加工可直接投入使精锻后只需少量加工，有些件不用加工可直接投入使用。如五吨卡车传动轴十字轴，普通锻造工艺每件用用。如五吨卡车传动轴十字轴，普通锻造工艺每件用料料1.69kg，精密锻造工艺每件用料只有，精密锻造工艺每件用料只有0.9kg。n提高劳动生产率，切削加工受机床、工具和切削用提高劳动生产率，切削加工受机床、工具和切削用量的制约，生产效率不可能很高量的制约，生产效率不可能很高。五吨卡车的后刹车。五吨卡车的后刹车凸轮轴的花键，切削加工花键部分每件凸轮轴的花键，切削加工花键部分每件3分钟，挤压分钟，挤压花键每件只需花键每件只需 0.4分钟，提高劳动生产率六倍以上。分钟，提高劳动
7、生产率六倍以上。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n可加工形状复杂的零件可加工形状复杂的零件。Audi轿车座椅上一个叫做轿车座椅上一个叫做螺纹座，本体横截面为桃子形；端面上有四个凸焊点，螺纹座，本体横截面为桃子形；端面上有四个凸焊点，用切削工艺根本无法加工。用精锻工艺成功地加工出用切削工艺根本无法加工。用精锻工艺成功地加工出了此件。了此件。n产品的尺寸一致性好，精度高产品的尺寸一致性好，精度高。冷锻的凹模和冲头。冷锻的凹模和冲头一般用高速钢制造，正常情况下加工一般用高速钢制造，正常情况下加工2000件直径方向件直径方向只磨损只磨损0.01mm左右。如果使用硬质合金凹模，正常左右。如果使用
8、硬质合金凹模，正常寿命可达寿命可达100万件以上，加工万件以上，加工10多万件才磨损多万件才磨损0.01mm左右，所以产品的尺寸一致性十分理想。产品的尺寸左右，所以产品的尺寸一致性十分理想。产品的尺寸精度基本上由模具决定，不象切削加工，精度受刀具、精度基本上由模具决定，不象切削加工，精度受刀具、机床传动精度诸多因素的影响，所以精密锻造件的尺机床传动精度诸多因素的影响，所以精密锻造件的尺寸精度高。寸精度高。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n下图是日本工藤英明教授于下图是日本工藤英明教授于1997年年 7月在中国月在中国第一汽车集团公司精锻技术交流会上发表的资第一汽车集团公司精锻技术交流会
9、上发表的资料，他系统地归纳总结了日本轿车采用精锻件料，他系统地归纳总结了日本轿车采用精锻件的发展过程。表的横轴是年份，上方的曲线表的发展过程。表的横轴是年份，上方的曲线表示每车采用精锻件的质量，实线是精锻件的每示每车采用精锻件的质量，实线是精锻件的每车质量，虚线是将精锻件加工成成品后每车质车质量，虚线是将精锻件加工成成品后每车质量。下图是每隔五年新投产的精密锻造汽车零量。下图是每隔五年新投产的精密锻造汽车零件。件。1965年时每车精锻件的质量只有年时每车精锻件的质量只有6kg左右，左右，到到1995年已增加到年已增加到45kg左右。左右。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n在我国，大部分
10、汽车厂还处在日本在我国，大部分汽车厂还处在日本1965年以前精锻年以前精锻件的水平，只能精锻球头销、活塞销、弹簧座等零件，件的水平，只能精锻球头销、活塞销、弹簧座等零件，只有个别精锻厂能生产前驱动轿车中的等速连接轴滑只有个别精锻厂能生产前驱动轿车中的等速连接轴滑套和钟形壳等精锻件。图中套和钟形壳等精锻件。图中1990年至年至1995年期间所年期间所示变速箱中台阶同步器钢齿轮、薄壁内齿套等零件，示变速箱中台阶同步器钢齿轮、薄壁内齿套等零件，我国还未开始做试验。由于齿轮机械加工设备的进步，我国还未开始做试验。由于齿轮机械加工设备的进步，外齿轮加工的效率已比较高，但内齿轮的切削加工效外齿轮加工的效率
11、已比较高，但内齿轮的切削加工效率至今还不高，所以我们应该在内齿轮的冷挤压工艺率至今还不高，所以我们应该在内齿轮的冷挤压工艺上多投入些力量，使之实现精密锻造生产。上多投入些力量，使之实现精密锻造生产。n 图中日本已投产的这些精密锻造轿车零件都应该作图中日本已投产的这些精密锻造轿车零件都应该作为我国汽车厂的奋斗目标，使之从切削加工逐步转化为我国汽车厂的奋斗目标，使之从切削加工逐步转化为精密锻造加工。我们应该先实现成形难度小、产品为精密锻造加工。我们应该先实现成形难度小、产品精度要求较低的行星齿轮、十字轴、轻卡半轴这类零精度要求较低的行星齿轮、十字轴、轻卡半轴这类零件的精密锻造，应该推广在油压机上，
12、用凹模冷挤花件的精密锻造，应该推广在油压机上，用凹模冷挤花键技术，它比搓花键、冷轧花键的设备投资少。键技术，它比搓花键、冷轧花键的设备投资少。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n我们要我们要注意国外正在大力发展用多工位冷挤压机生产变注意国外正在大力发展用多工位冷挤压机生产变速箱中台阶轴的这一技术动向速箱中台阶轴的这一技术动向，下图是日本阪村机械制，下图是日本阪村机械制作所在多工位冷挤压机生产的一根轴。这根轴重作所在多工位冷挤压机生产的一根轴。这根轴重7kg，每分钟生产每分钟生产45件，是用件，是用45重重3t的大盘料，经过校直、的大盘料，经过校直、切断、缩细、镦粗、精整等工序加工成的。这
13、根轴最大切断、缩细、镦粗、精整等工序加工成的。这根轴最大直径直径 80mm，最小直径，最小直径 28mm，长，长450mm，还有，还有花键，要求径向跳动小于花键，要求径向跳动小于 0.05mm，所以有相当大的技，所以有相当大的技术难度。他们能用如此高的效率大批量生产，说明他们术难度。他们能用如此高的效率大批量生产，说明他们整体精密锻造技术已发展到了相当高的水平。整体精密锻造技术已发展到了相当高的水平。n 用冷挤压工艺生产变速箱中的轴还有另一个优点，那用冷挤压工艺生产变速箱中的轴还有另一个优点，那就是就是冷挤压毛坯轴比热锻轴的切削性能好冷挤压毛坯轴比热锻轴的切削性能好。一汽大众传。一汽大众传动器
14、中的轴毛坯，开始没用冷挤压准备毛坯，而用热锻动器中的轴毛坯，开始没用冷挤压准备毛坯，而用热锻后粗车来达到冷精锻毛坯的尺寸，但是因为切削性能不后粗车来达到冷精锻毛坯的尺寸，但是因为切削性能不好，在引进的生产流水线上通不过，后又改为冷挤压生好，在引进的生产流水线上通不过，后又改为冷挤压生产毛坯轴。产毛坯轴。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展n我国的轿车工业刚刚起步，目前各汽车厂正忙于引进产品。我国的轿车工业刚刚起步，目前各汽车厂正忙于引进产品。由于资金的限制，对先进工艺的引进放在后面，这对大批由于资金的限制，对先进工艺的引进放在后面，这对大批量生产的轿车工业来说会造成成本高、产品质量不稳定的
15、量生产的轿车工业来说会造成成本高、产品质量不稳定的局面。国内对先进工艺的开发经费投入也不足，这对发展局面。国内对先进工艺的开发经费投入也不足，这对发展我国的精密锻造技术是十分不利的。开展精密锻造研究资我国的精密锻造技术是十分不利的。开展精密锻造研究资金投入大，它需要大吨位高精度的压床，需要价格昂贵的金投入大，它需要大吨位高精度的压床，需要价格昂贵的模具，需要反复多次的试验，批量中试后才能投入大生产。模具，需要反复多次的试验，批量中试后才能投入大生产。投产前的组织工作也很复杂，涉及毛坯下料、退火、润滑投产前的组织工作也很复杂，涉及毛坯下料、退火、润滑等工序，温锻还要有中频加热设备。如果没有工厂的
16、足够等工序，温锻还要有中频加热设备。如果没有工厂的足够重视，精密锻造工艺很难在汽车厂中发展起来。所以工厂重视，精密锻造工艺很难在汽车厂中发展起来。所以工厂对精密锻造技术的重视程度是发展汽车零件精密锻造技术对精密锻造技术的重视程度是发展汽车零件精密锻造技术的先决条件。的先决条件。n我国与发达国家在汽车零件精密锻造技术领域里的差距是我国与发达国家在汽车零件精密锻造技术领域里的差距是相当大的。汽车上的很多零件应该用精密锻造工艺生产，相当大的。汽车上的很多零件应该用精密锻造工艺生产，而我们还在切削加工。有志于精密锻造专业的工程技术人而我们还在切削加工。有志于精密锻造专业的工程技术人员、工人技师都应该掌
17、握精密锻造的基本技能，努力把我员、工人技师都应该掌握精密锻造的基本技能，努力把我国的精密锻造工艺搞上去，让我国的汽车成本降下来，使国的精密锻造工艺搞上去，让我国的汽车成本降下来，使我国的汽车在世界上有一定的竞争力。我国的汽车在世界上有一定的竞争力。锻件的分类锻件的分类n锻件的种类繁多，其几何形状复杂程度和相对尺寸的差别很大。锻件的种类繁多，其几何形状复杂程度和相对尺寸的差别很大。为了制订精密模锻工艺、确定合理的毛坯形状和尺寸，首先应为了制订精密模锻工艺、确定合理的毛坯形状和尺寸，首先应将锻件分类。目前比较一致的分类方法是按照锻件形状并参考将锻件分类。目前比较一致的分类方法是按照锻件形状并参考精
18、密模锻时毛坯的轴线方向来分类的。精密模锻件的分类情况精密模锻时毛坯的轴线方向来分类的。精密模锻件的分类情况见表。见表。n 第一类第一类(饼盘类饼盘类)锻件。其锻件。其外形为圆形而高度较小。精密模锻时外形为圆形而高度较小。精密模锻时毛坯轴线方向与模锻设备的作用力方向相同，金属沿高度和径毛坯轴线方向与模锻设备的作用力方向相同，金属沿高度和径向同时流动向同时流动。对于结构简单的饼盘类锻件，一般只需一个终锻。对于结构简单的饼盘类锻件，一般只需一个终锻工步即可；对于结构复杂的，如编号为工步即可；对于结构复杂的，如编号为135、144和和145所示齿轮所示齿轮坯锻件，若在热模锻压力机上闭式模锻，在终锻工步
19、前通常还坯锻件，若在热模锻压力机上闭式模锻，在终锻工步前通常还需镦粗制坯和预锻工步。编号为需镦粗制坯和预锻工步。编号为154、155所示圆锥齿轮锻件，所示圆锥齿轮锻件，无论采用开式或闭式精密模锻，均能直接终锻出齿形。无论采用开式或闭式精密模锻，均能直接终锻出齿形。n 第二类第二类(法兰突缘类法兰突缘类)锻件。锻件。其外形为回转体，带有圆形或长宽其外形为回转体，带有圆形或长宽尺寸相差不大的法兰或突缘尺寸相差不大的法兰或突缘。闭式模锻时，一般只需一个终锻。闭式模锻时，一般只需一个终锻工步。工步。n 第三类第三类(轴杆类轴杆类)锻件。锻件。其杆部为圆形，带有圆形或非圆形头部，其杆部为圆形，带有圆形或
20、非圆形头部，或中间局部粗大的直长杆类或中间局部粗大的直长杆类。这类锻件中，对于编号为。这类锻件中，对于编号为313所示所示的杯杆形阶梯轴可采用闭式镦粗与反挤复合成形工艺；其余的的杯杆形阶梯轴可采用闭式镦粗与反挤复合成形工艺；其余的轴杆类锻件一般都采用闭式局部镦粗成形。轴杆类锻件一般都采用闭式局部镦粗成形。锻件的分类锻件的分类锻件的分类锻件的分类n第四类第四类(杯筒类杯筒类)锻件。这类锻件多采用闭式反挤、正锻件。这类锻件多采用闭式反挤、正反复合挤压或镦粗冲孔复合成形。反复合挤压或镦粗冲孔复合成形。n第五类第五类(枝芽类枝芽类)锻件。锻件。包括单枝芽、多枝芽的实心和包括单枝芽、多枝芽的实心和空心类
21、锻件空心类锻件。这类锻件多采用可分凹模模锻或多向模。这类锻件多采用可分凹模模锻或多向模锻。锻。n第六类第六类(叉形类叉形类)锻件。锻件。包括带有空心或实心杆部、带包括带有空心或实心杆部、带有圆形或非圆形法兰等多种结构形式有圆形或非圆形法兰等多种结构形式。这类锻件常常。这类锻件常常需要两个工步以上的可分凹模模锻，即预成形和终锻。需要两个工步以上的可分凹模模锻，即预成形和终锻。n 从表从表1所示六种类型锻件的外形特点可以看出，前所示六种类型锻件的外形特点可以看出，前四类，即饼盘类、法兰突缘类、轴杆类和杯筒类属于四类，即饼盘类、法兰突缘类、轴杆类和杯筒类属于旋转体；后两类，即枝芽类和叉形类属于非旋转
22、体。旋转体；后两类，即枝芽类和叉形类属于非旋转体。锻件的分类锻件的分类表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数n表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数q 锻件形状对模锻时金属流动和变形力有锻件形状对模锻时金属流动和变形力有很大影响，因此，必须找出表示锻件形状很大影响，因此，必须找出表示锻件形状复杂程度的参数。复杂程度的参数。q 1锻件形状复杂系数的一般表达式锻件形状复杂系数的一般表达式n锻件形状复杂系数锻件形状复杂系数CG是锻件体积是锻件体积V锻锻与相应与相应的锻件外轮廓包容体的体积的锻件外轮廓包容体的体积V外外的比值，即的比值，即nCG=V锻锻/V外外 (1)n圆形锻件的外轮廓包容
23、体的体积圆形锻件的外轮廓包容体的体积(图图1)nV外外=D2H/4 (2)n非圆锻件的外轮廓最小包窖体体积非圆锻件的外轮廓最小包窖体体积(图图2)nV外外=lbh (3)n由图可知，由图可知，CG越大，形状越简单。通常将其越大，形状越简单。通常将其分为四级：简单的，分为四级：简单的，CG=0631；一般的，；一般的，CG032063；较复杂的，；较复杂的，CG016032；复杂的，；复杂的，CG0，16。图1 圆柱体锻件及其外接圆柱体表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数图2 非圆形锻件及其外轮廓最小包容体表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数n回转体锻件的形状复杂系数回转体锻件的
24、形状复杂系数q捷捷林等在研究飞边槽尺寸设计时，提出回转体锻件的形状复杂系数捷捷林等在研究飞边槽尺寸设计时，提出回转体锻件的形状复杂系数Cr，其表达式为：其表达式为：Cr (4)q、锻件纵、横截面形状复杂系数。其中，纵截面形状复杂系数锻件纵、横截面形状复杂系数。其中，纵截面形状复杂系数 q (5)qC锻锻回转体锻件轴向断面周长上的平方与其轴向断面积回转体锻件轴向断面周长上的平方与其轴向断面积F之比之比;C外外锻件外接圆柱体轴向断面周长的平方与外接圆柱体的轴向断面积锻件外接圆柱体轴向断面周长的平方与外接圆柱体的轴向断面积Fc之比。之比。q 横截面形状系数横截面形状系数 (6)qRg对称轴至半个纵截
25、面质心间的径向距离；对称轴至半个纵截面质心间的径向距离；Rc锻件外接圆柱体半锻件外接圆柱体半径。径。q由式由式(5)可以看出，在锻件外接圆柱体的高度和直径不变的条件下，空可以看出，在锻件外接圆柱体的高度和直径不变的条件下，空腔愈多、愈窄和愈深，则锻件的周长愈长、纵截面面积愈小，相应的腔愈多、愈窄和愈深，则锻件的周长愈长、纵截面面积愈小，相应的Lc2/Fc值愈大。这个比值没有完全考虑空腔在锻模上的位置：对于具有值愈大。这个比值没有完全考虑空腔在锻模上的位置：对于具有相同宽度和深度的空腔，它们位于轴线附近或者位于外围，其相同宽度和深度的空腔，它们位于轴线附近或者位于外围，其 Lc2/Fc值值是相同
26、的。是相同的。表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数q然而，根据实验结果，中心空腔比外围空腔能更然而，根据实验结果，中心空腔比外围空腔能更好、更易充满。式好、更易充满。式(6)的的值考虑了空腔在锻模中值考虑了空腔在锻模中的分布。对于圆柱形锻件的分布。对于圆柱形锻件(图图3a)，2Rg/Rc=1；对；对于带有法兰的锻件于带有法兰的锻件(图图3c)，其，其值比无法兰的类似值比无法兰的类似锻件锻件(图图3b)要小。要小。q由此可见，形状复杂系数反映了回转体锻件纵截由此可见，形状复杂系数反映了回转体锻件纵截面相对于锻件外接圆柱体纵截面的复杂程度。面相对于锻件外接圆柱体纵截面的复杂程度。q不难想像
27、不难想像,在其他条件相同的情况下，锻件形状复在其他条件相同的情况下，锻件形状复杂系数的大小，可反映其锻件在模锻成形时金属杂系数的大小，可反映其锻件在模锻成形时金属充满模膛的难易程度和所需变形力的大小等主要充满模膛的难易程度和所需变形力的大小等主要工艺性能。工艺性能。表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数图3 空腔在模内的位置a)2RgRc=1 b)2RgRc=1.29 c)2RgRc=088表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数n枝叉类锻件的成形难度系数枝叉类锻件的成形难度系数n 对于枝叉类锻件，不可能提出类似于回转体锻件那样的形状复对于枝叉类锻件，不可能提出类似于回转体锻件那样的
28、形状复杂系数来表示几何形状的复杂程度对其工艺性能上的难易程度的杂系数来表示几何形状的复杂程度对其工艺性能上的难易程度的影响。枝芽和叉形件若采用开式精模密锻，很难获得理想的效果。影响。枝芽和叉形件若采用开式精模密锻，很难获得理想的效果。径向挤压和正向分流挤压是近十多年来针对枝叉类零件的形状特径向挤压和正向分流挤压是近十多年来针对枝叉类零件的形状特征所研究开发出的精密成形新工艺，应用效果显著。根据能反映征所研究开发出的精密成形新工艺，应用效果显著。根据能反映变形金属在模膛内流动充满时的难易程度和所需变形力或功的大变形金属在模膛内流动充满时的难易程度和所需变形力或功的大小等主要工艺性能，可以提出用锻
29、件的成形系数来表示：小等主要工艺性能，可以提出用锻件的成形系数来表示：n (7)n 式中式中 Fc工作筒工作筒(原毛坯原毛坯)横截面面积横截面面积(图图4)；n Fb枝芽模膛横截面面积之和枝芽模膛横截面面积之和(图图4)。n 图图4所示为十字轴径向挤压模锻时，变形金属作用于冲头上的单所示为十字轴径向挤压模锻时，变形金属作用于冲头上的单位压力位压力Ku同侧向枝芽的个数同侧向枝芽的个数z及尺寸比及尺寸比d/D间的关系曲线。枝芽的间的关系曲线。枝芽的个数个数z和尺寸比和尺寸比d/D两者综合在一起，实质上代表了比值两者综合在一起，实质上代表了比值Fc/Fb。由图可以看出，从左到右，随比值由图可以看出，
30、从左到右，随比值Fc/Fb不断减小，由冲头所施不断减小，由冲头所施加的单位变形力逐渐降低。这是因为模膛侧枝通道越多，金属材加的单位变形力逐渐降低。这是因为模膛侧枝通道越多，金属材料被挤出形成侧向枝芽的阻力越小。料被挤出形成侧向枝芽的阻力越小。表示锻件复杂程度的参数表示锻件复杂程度的参数图4 单位压力Ku与d/D的关系曲线精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析 n开式精密模锻成形过程的分析开式精密模锻成形过程的分析q开式精密模锻成形过程及锻造力行程曲线，如图开式精密模锻成形过程及锻造力行程曲线，如图5所示。其成形过程大体可分为三个阶段：所示。其成形过程大体可分为三个阶段：n (1)锻粗阶段
31、锻粗阶段 坯料外圈金属流向法兰部分，内圈金属流坯料外圈金属流向法兰部分，内圈金属流向凸台部分。向凸台部分。n (2)模膛充满阶段模膛充满阶段 下模膛已经充满，而凸台部分尚未充下模膛已经充满，而凸台部分尚未充满，金属开始流入飞边槽。随着桥部金属的变薄，金属流满，金属开始流入飞边槽。随着桥部金属的变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸台和角部，以完全充入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸台和角部，以完全充满模膛。满模膛。n (3)打靠阶段打靠阶段 金属已完全充满模膛，但上、下模面尚未金属已完全充满模膛，但上、下模面尚未打靠。此时，多余金属挤入飞边槽，锻造变形力急剧上升。打靠。此时，多余金属挤入飞
32、边槽，锻造变形力急剧上升。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析图5 成形过程及锻造力行程曲线a)镦粗 b)充满 c)打靠精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n图图6分别为回转体锻件和长轴类锻件在开式精密模锻时分别为回转体锻件和长轴类锻件在开式精密模锻时的金属流动模型。以长轴类锻件为例，将锻件沿与分的金属流动模型。以长轴类锻件为例，将锻件沿与分模面垂直的方向作若干个横截面，称为金属流动平面，模面垂直的方向作若干个横截面，称为金属流动平面，如图如图6a所示。也就是说，在模锻过程中，对于这些地所示。也就是说，在模锻过程中，对于这些地方的金属，可近似地认为只沿这些平面流动，即只产方的金
33、属，可近似地认为只沿这些平面流动，即只产生平面变形。而在这些平面的中心线上的金属流动，生平面变形。而在这些平面的中心线上的金属流动，则是与模具运动方向平行。把各个流动平面的中心线则是与模具运动方向平行。把各个流动平面的中心线连接起来，便得到锻件的中性面。中性面内的金属流连接起来，便得到锻件的中性面。中性面内的金属流动系与模具运动方向平行，中性面以外的金属流动则动系与模具运动方向平行，中性面以外的金属流动则与模具运动方向垂直。长轴类锻件的流动模型为其终与模具运动方向垂直。长轴类锻件的流动模型为其终锻成形前的锻坯设计提供了依据。锻成形前的锻坯设计提供了依据。n为了保证金属流动充满模膛而不产生锻件缺
34、陷，可将为了保证金属流动充满模膛而不产生锻件缺陷，可将设计好的锻坯，利用软金属设计好的锻坯，利用软金属(如铅如铅)或粘性蜡泥、塑性或粘性蜡泥、塑性泥等进行试锻。根据试锻结果，对锻坯设计进行修改，泥等进行试锻。根据试锻结果，对锻坯设计进行修改，再用碳钢进行热锻试验。经反复试锻和修改，便可得再用碳钢进行热锻试验。经反复试锻和修改，便可得到满意的结果，从而可设计出合理的制坯工艺和模具。到满意的结果，从而可设计出合理的制坯工艺和模具。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析图6 开式模锻时的金属流动模型a)流动平面 b)精锻件形状 c)流动方向精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n闭式精密
35、模锻成形过程分析闭式精密模锻成形过程分析n 闭式精密模锻成形主要有镦粗、正挤、反挤、侧向挤压和镦粗兼闭式精密模锻成形主要有镦粗、正挤、反挤、侧向挤压和镦粗兼压入等几种变形方式压入等几种变形方式，前三种方式在不少教材及专著中已有详细介，前三种方式在不少教材及专著中已有详细介绍，这里着重论述后两种方式的成形过程。绍，这里着重论述后两种方式的成形过程。n 1镦粗压入式模锻变形过程镦粗压入式模锻变形过程n 以环形件为例，其镦粗压入式闭式模锻过程可以分为三个阶段，以环形件为例，其镦粗压入式闭式模锻过程可以分为三个阶段，如图如图7所示。所示。n 第一阶段：如图第一阶段：如图7a所示，坯料冲孔和镦粗，与开式
36、模锻无甚差别，所示，坯料冲孔和镦粗，与开式模锻无甚差别，仅结束时间略长，因为无飞边，坯料体积比开式模锻的小得多，其仅结束时间略长，因为无飞边，坯料体积比开式模锻的小得多，其鼓形与模壁接触较迟。鼓形与模壁接触较迟。n 第二阶段：如图第二阶段：如图7b所示，金属流动特性与开式的不同，模壁限制所示，金属流动特性与开式的不同，模壁限制了径向流动，只能向模膛上下底部充填。当金属与底部接触时，第了径向流动，只能向模膛上下底部充填。当金属与底部接触时，第二阶段结束。二阶段结束。n 第三阶段：如图第三阶段：如图7c所示，模膛内部圆角半径处被充满，直到出现所示，模膛内部圆角半径处被充满，直到出现纵向飞边为止。纵
37、向飞边为止。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析图7 镦粗压入式闭式模锻过程精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n为了了解闭式模锻第二、三阶段金属流动的特点及塑性变形区的为了了解闭式模锻第二、三阶段金属流动的特点及塑性变形区的形状，林治平教授利用铅试件坐标网格法对如图形状，林治平教授利用铅试件坐标网格法对如图8所示七类锻件作所示七类锻件作了研究。图中了研究。图中o-o、aa、b-b表示金属的分流轴或分流面，阴影表示金属的分流轴或分流面，阴影区表示刚性区，箭头表示金属流动方向。由图及以上分析可见：区表示刚性区，箭头表示金属流动方向。由图及以上分析可见：n 1)在圆柱体闭式镦粗的第
38、二阶段，变形区分布状况与锻件高径在圆柱体闭式镦粗的第二阶段，变形区分布状况与锻件高径比有关。高径比大于比有关。高径比大于1(图图8a)时，上半部和中心区的变形早已结束，时，上半部和中心区的变形早已结束，相当于刚性区，下半部在上半部作用下继续镦粗，把金属挤入上相当于刚性区，下半部在上半部作用下继续镦粗，把金属挤入上下角隙，变形区呈盆状。高径比接近于或小于下角隙，变形区呈盆状。高径比接近于或小于0.5(图图8b、c)时，时，中心部分相当于刚性区，变形区呈空心凹盆状。显然，锻件高径中心部分相当于刚性区，变形区呈空心凹盆状。显然，锻件高径比对变形区的这种影响，是由于毛坯同凹模模壁间的接触摩擦所比对变形
39、区的这种影响，是由于毛坯同凹模模壁间的接触摩擦所引起的。当引起的。当H/D1时，摩擦的作用有利于上角隙的充满，随着变时，摩擦的作用有利于上角隙的充满，随着变形的继续进行变形区将逐渐缩小，最后集中到下角隙。当形的继续进行变形区将逐渐缩小，最后集中到下角隙。当H/D05时，摩擦影响很小，上下角隙几乎同时充满，上下变形时，摩擦影响很小，上下角隙几乎同时充满，上下变形区均保留到变形结束。当模膛充满后尚有多余金属，或锻件形状区均保留到变形结束。当模膛充满后尚有多余金属，或锻件形状复杂需形成纵向飞边方能充满全部角隙时，最后变形区将集中在复杂需形成纵向飞边方能充满全部角隙时，最后变形区将集中在飞边附近。飞边
40、附近。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n2)所有复杂锻件的截面，均可分解为若干简单矩形单元，所有复杂锻件的截面，均可分解为若干简单矩形单元，其变形区模型相当于各简单矩形截面变形区模型的组合，其变形区模型相当于各简单矩形截面变形区模型的组合，如图如图8dg所示。所以，只要利用简单矩形截面的变形所示。所以，只要利用简单矩形截面的变形区模型计算出圆柱体闭式镦粗和反挤的变形力，就能计区模型计算出圆柱体闭式镦粗和反挤的变形力，就能计算出任意复杂锻件闭式模锻的变形力。算出任意复杂锻件闭式模锻的变形力。n 3)闭式模锻时，在图闭式模锻时，在图8eg类锻
41、件外轮缘上出现分流类锻件外轮缘上出现分流面，分流面以外金属挤入外角隙，分流面以内金属挤入面，分流面以外金属挤入外角隙，分流面以内金属挤入内角隙。内角隙。这样，对于复杂回转体锻件，除了角部变形区这样，对于复杂回转体锻件，除了角部变形区外，还存在由薄辐板延伸到外轮缘分流面附近的塑性变外，还存在由薄辐板延伸到外轮缘分流面附近的塑性变形区。如果锻件较复杂，圆角尺寸较小，需要形成纵向形区。如果锻件较复杂，圆角尺寸较小，需要形成纵向飞边才能充满角隙，其变形区模型如图飞边才能充满角隙，其变形区模型如图8h所示。因此，所示。因此，对于复杂闭式模锻件，其变形区模型可有三类：辐板镦对于复杂闭式模锻件，其变形区模型
42、可有三类：辐板镦粗和充满角隙粗和充满角隙(图图8g)；充满轮缘角隙，其余同开式模锻；充满轮缘角隙，其余同开式模锻(图图8h)；多余金属挤入飞边；多余金属挤入飞边(图图8i)。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n2侧向挤压模锻侧向挤压模锻n 侧向挤压模锻也称侧向挤压，当锻件的枝芽部分同本体轴线垂侧向挤压模锻也称侧向挤压，当锻件的枝芽部分同本体轴线垂直时则称径向挤压。按照直时则称径向挤压。按照挤压模锻时金属流动的特点，侧向挤压挤压模锻时金属流动的特点，侧向挤压又可分为分流式、汇集式和弯曲式三类又可分为分流式、汇集式和弯曲式三类。n 分流式分流式侧向挤压即毛坯金属在侧向挤压即毛坯金属在一个
43、冲头一个冲头作用下同时或先后向几作用下同时或先后向几个不同的方向流动。个不同的方向流动。n 汇集式汇集式侧向挤压即毛坯金属在侧向挤压即毛坯金属在两个冲头两个冲头作用下同时或先后向一作用下同时或先后向一个或一个以上的方向流动。个或一个以上的方向流动。n 弯曲式弯曲式侧向挤压即毛坯金属通侧向挤压即毛坯金属通过冲头挤压的方式使其产生弯曲过冲头挤压的方式使其产生弯曲变形变形。n (1)侧向挤压时的金属流动侧向挤压时的金属流动 侧向挤压模锻时，无论是哪种方式，侧向挤压模锻时，无论是哪种方式，其其变形过程大体可分为：自由镦粗、侧向挤压、充满模膛角隙和变形过程大体可分为：自由镦粗、侧向挤压、充满模膛角隙和挤
44、出多余金属等四个阶段挤出多余金属等四个阶段。自由镦粗、充满模膛角隙和挤出多余。自由镦粗、充满模膛角隙和挤出多余金属等三个阶段的变形过程及特征与前述闭式镦粗和正、反挤压金属等三个阶段的变形过程及特征与前述闭式镦粗和正、反挤压模锻中相对应阶段的情况完全相同。这里，着重讨论侧向挤压阶模锻中相对应阶段的情况完全相同。这里，着重讨论侧向挤压阶段的金属流动。段的金属流动。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n图图9为十字轴和为十字轴和T形件闭式模锻时坯料金属在模膛的侧形件闭式模锻时坯料金属在模膛的侧向通道中流动的状况。可以看出，当坯料在挤压力向通道中流动的状况。可以看出，当坯料在挤压力P1的作用下
45、流入侧向通道时，其流出的金属首先同侧向的作用下流入侧向通道时，其流出的金属首先同侧向通道底部接触，然后旋转偏向顶部，即使是自由流动通道底部接触，然后旋转偏向顶部，即使是自由流动阶段，也是底部的金属流动比上部的金属流动强烈，阶段，也是底部的金属流动比上部的金属流动强烈，在上部从在上部从A点到点到B点形成凹坑而金属不贴紧上模壁，凹点形成凹坑而金属不贴紧上模壁，凹坑的大小取决于坑的大小取决于D/d0值和侧孔轴线相对于冲头轴线间值和侧孔轴线相对于冲头轴线间的夹角。在下部自的夹角。在下部自E点向左的金属不贴紧模底，而是形点向左的金属不贴紧模底，而是形成凸起，其凸起的径向尺寸小于侧孔直径成凸起，其凸起的径
46、向尺寸小于侧孔直径d0。变形金。变形金属在侧向通道中的整个自由流动阶段，其轴线不垂直属在侧向通道中的整个自由流动阶段，其轴线不垂直于冲头的运动方向。于冲头的运动方向。n如果把图如果把图9所示侧向挤压称为单冲头侧向挤压，那末，所示侧向挤压称为单冲头侧向挤压，那末，对于对于T形件常常采用如图形件常常采用如图11所示的双冲头对向挤压，此所示的双冲头对向挤压，此时，即使进入侧向通道中的金属处于自由流动状态，时，即使进入侧向通道中的金属处于自由流动状态，其枝芽的轴向也是垂直于冲头其枝芽的轴向也是垂直于冲头I、的轴线，而不会出的轴线，而不会出现单冲头侧向挤压时金属流动所出现的现象。现单冲头侧向挤压时金属流
47、动所出现的现象。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析图9 模锻十字轴时侧孔中的金属流动精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析n(2)侧向挤压时的滑移线场分析侧向挤压时的滑移线场分析 侧向挤压时的变形过程和特点，通侧向挤压时的变形过程和特点，通过滑移线场法可对其机理作出进一步的分析。过滑移线场法可对其机理作出进一步的分析。n 对于图对于图9所示的侧向挤压，处于冲头所示的侧向挤压，处于冲头I下面的均匀应力状态区沿下面的均匀应力状态区沿冲头运动方向移动，当其移到模膛侧向通道的入口处，以与冲头运动方向移动，当其移到模膛侧向通道的入口处，以与z轴成轴成一定角度并指向侧向通道一定角度并指向侧
48、向通道(即即通道通道)型腔底部移动。图型腔底部移动。图10所示为主、所示为主、侧通道直径之比侧通道直径之比D/d=1;1.2;1.6三种情况下试件子午面上的滑移线三种情况下试件子午面上的滑移线场和金屑在侧向通道中流动时的速度矢端图。这样运动的结果，场和金屑在侧向通道中流动时的速度矢端图。这样运动的结果，导致已流入侧向通道中的金属与靠近冲头导致已流入侧向通道中的金属与靠近冲头I的模壁分离，在拐角处的模壁分离，在拐角处形成凹坑形成凹坑(图图9)。n 当冲头当冲头I、同时同速对毛坯施加压力时，两个冲头前面的均同时同速对毛坯施加压力时，两个冲头前面的均匀应力状态区向侧向通道中移动，其方向与匀应力状态区
49、向侧向通道中移动，其方向与x轴成相同的夹角，并轴成相同的夹角，并与与x轴对称，所构成的合成速度方向与轴对称，所构成的合成速度方向与x轴平行。图轴平行。图 11所示为主、所示为主、侧通道直径比侧通道直径比D/d0=1;1.2;1.6三种情况下试件子午面上的滑移线场三种情况下试件子午面上的滑移线场和速度矢端图。通过对比可知，两冲头对挤时，坯料金属变形均和速度矢端图。通过对比可知，两冲头对挤时，坯料金属变形均匀，不会出现凹坑现象。匀，不会出现凹坑现象。精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析图10 单冲头侧向挤压时子午面上滑移线场和速度矢端图a)D/d0=1 b)D/d0=12 c)D/d0=1
50、6精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析图11 双冲头侧向挤压时子午面上的滑移线场和速度矢端图(侧向通道中摩擦为0)a)D/d0=1 b)D/d0=1.2 c)D/d0=16精密模锻变形力的计算精密模锻变形力的计算 n确定精密模锻所需的变形力，是为了合理选择或设计所需的模锻确定精密模锻所需的变形力，是为了合理选择或设计所需的模锻设备，正确设计模具和制订工艺方案。设备，正确设计模具和制订工艺方案。n 一、回转体锻件精密模锻变形力的计算一、回转体锻件精密模锻变形力的计算n 对于回转体锻件精密成形，国内外普遍采用闭式模锻工艺，因对于回转体锻件精密成形，国内外普遍采用闭式模锻工艺，因此，下面仅介
