模锻成形工序分析.ppt

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1、第六章 模锻成形工序分析,模锻利用模具使毛坯变形而获锻件的锻造方法。 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。,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。,第一节 概述,模具形状对金属变形流动

2、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,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。,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,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,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

3、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。,控制坯料失稳提高成形极限,控制坯料失稳提高成形极限,第一节 开式模锻,一、开式模锻变形过程, 第阶段是由开始模压到金属与模具侧壁接触为止； 第阶段结束到金属充满模膛为止是第阶段； 金属充满模膛后，多余金属由桥口流出，此为第阶段。,一、开式模锻变形过程, 第阶段：由开始模压到金属与模具侧壁接触为止,一、开式模锻变形过程, 第阶段：第阶段结束到金属充满模膛为止,一、开式模锻变形过程, 第阶段：金属充满模膛后，多余金属由桥口流出,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

4、区可分为内外两区，其间有一个流动分界面。, 第阶段,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, 第阶段,二、开式模锻各阶段的应力应变分析, 第阶段,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,二、开式模锻各阶段的应力应变分析, 第阶段是锻件

5、成形的关键阶段； 第阶段是模锻变形力最大的阶段。 所以研究锻件的成形问题，主要研究第阶段；而计算变形力时，则应按第阶段,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。,1、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,1、模膛（模锻件）尺寸和形状的影响,孔口圆角半径

6、： 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,2、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,2、飞边槽的影响,飞边槽桥口的摩擦阻力,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

7、力）为：,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。,桥口有制动槽的飞边槽,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,一般飞边槽,模锻初期，由于h飞较大，产生的阻力

8、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,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,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。,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,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

9、力较大，常易产生模锻不足（欠压），模具易磨损的锻件。,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,3、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,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,闭式模锻,闭式

10、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。,闭式模锻的变形过程分析,闭式模锻分为三个变形阶段： 第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,闭式模锻的变形过程

11、简图,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,第三节 挤压,挤压是金属在三个方向的不均匀压应力的作用下， 从模孔中挤出或流入模膛内以获得所需尺寸、形状的制 品或零件的锻造工序。 冶金厂 型材 机械制造厂 锻件和零件,一、挤压工艺特点,提高金属的变形能力 生产制品综合质量高

12、 挤压变形可以改善金属材料的组织，提高其力学性能，与轧制、锻造等加工方法相比，挤压制品的尺寸精度高、表面质量好。 节约原材料 挤压属于少、无切削加工，大大节约了原材料。 产品范围广,二、挤压工艺分类, 按照金属流动方向和加压方向的关系分： 正挤压：金属被挤出方向与加压方向相同； 反挤压：金属被挤出方向与加压方向相反； 复合挤压：一部分金属的挤出方向与加压方向相同，另一部分金属的挤出方向与加压方向相反，是正挤和反挤的复合；, 按照坯料温度分： 冷挤压、温挤压和热挤压 热挤压主要用于大型钢锭，以获得具有相当长度的棒材或各种型材的半成品。 温挤压和冷挤压则主要采用小型坯料，可获得成品零件或只需要进行

13、少量机加工的半成品。,径向挤压： 挤压时金属的流动方向与凸模轴线方向相垂直 （如图7.1.2）所示 减径挤压： 是一种变形程度较小的变态正挤压法，毛坯断面 仅作轻度缩减（如图7.1.3） 。主要用于制造直径差 不大的阶梯轴类挤压件以及作为深孔薄壁杯形件的修 整工序。挤压花键（如图7.1.4),二、挤压工艺分类,变形过程分为四个阶段：镦粗变形阶段、稳定侧挤阶段、充填侧腔阶段和挤压完成阶段,三、挤压的变形分析,按变形情况将坯料分为、四个区域。 区为弹性变形区； 区为塑性变形区；也是正挤压的主要变形区； 区被称作“死区”，该区变形阻力较大，不参与塑性变形； 区被称作已变形区。,挤压成形时，坯料在三向

14、压应力作用下产生一向伸长双向压缩变形。压应力状态提高材料的塑性，但也增大了变形抗力。,四、挤压时常见缺陷的分析,挤压时常见的缺陷： “死角区”剪裂和折迭 挤压“缩孔” 裂纹,死区形成原因, 凹模底部摩擦。越靠近凹模侧壁处摩擦阻力越大，而孔口部分较小，因此“死区”一般呈三角形。 热挤压时，越靠近筒壁处，金属温度降低越多，变形也越困难。,“死区”的剪裂和折迭,在挤压过程中此区金属有两种可能情况： 一般情况下此区金属还是可以变形的； 如果摩擦阻力很大或此处金属温度降低较大时，此区 成为真正“死区”。,解决措施, 改善润滑条件,挤压成形时，单位压力和摩擦阻力都很大。因此，坯料的软化处理和良好的润滑在挤

15、压成形中占有非常重要的地位。 对冷挤压而言，为达到充分软化的目的，毛坯必须进行退火处理，需要进行多次挤压的工件，一般要在各道挤压工序之间进行中间退火。对于有色金属，如铝合金和黄铜等，要求退火软化后的硬度控制在70HBS以下，低碳钢则110130HBS以为宜。 在挤压成形中，良好的润滑可以降低模具与变形金属之间的摩擦和挤压变形力、减少模具的磨损、延长模具的使用寿命。从变形的角度来看，合理的润滑可以控制金属的流动，使变形相对均匀，减少由于不均匀变形产生的附加应力和残余应力从而提高产品的质量。目前，钢的冷挤压主要采用磷化-皂化处理；硬铝则广泛采用氧化处理和涂覆脂酸锌粉末的润滑方法。, 采用带锥角的凹

16、模,挤压缩孔,裂纹,变形金属经过孔口时，由于摩擦的影响，表层金属流动慢，轴心 部分流动快，加剧筒内不均匀变形，外层受拉应力，内层受压应力,第四节 顶镦,坯料端部的局部镦粗称为顶镦或称聚料。 可用于螺钉、发动机的气阀和汽车上的半轴等。,主要质量问题是折迭。,一、在凹模内顶镦,二、电热镦粗,垫铁1和活动夹头2接在降压变压器8的副绕组电路上。工作时，夹头2夹住坯料6（夹持的松紧度决定于液压缸4的压力），坯料一端被液压缸5的活塞由砧头3顶向垫铁1，此时1和2位变压器的两极。通电后坯料A段被迅速加热，当达到9001150时，A段由于液压缸5的压缩被镦粗，随着砧头3向左移动，A段被连续镦粗，直到砧头3抵住定位挡铁7为止。,三、在带有导向的模具中镦粗,