鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)-模鍛成形工序分析

1、1謝利謝利材料工程材料工程學(xué)院學(xué)院一、一、模鍛：模鍛：利用模具利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法，稱為使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法，稱為模鍛模鍛。模鍛的特點(diǎn)是：在鍛壓機(jī)器動(dòng)力作用下，熱透坯料在模鍛的特點(diǎn)是：在鍛壓機(jī)器動(dòng)力作用下，熱透坯料在鍛模型腔鍛模型腔中被迫塑性流動(dòng)成形中被迫塑性流動(dòng)成形，從而獲得比自由鍛質(zhì)量更高的鍛件，從而獲得比自由鍛質(zhì)量更高的鍛件。適用于適用于生產(chǎn)批量大、形狀和尺寸精度要求高生產(chǎn)批量大、形狀和尺寸精度要求高的鍛件的鍛件按成形方法的不同，模鍛工藝可分為按成形方法的不同，模鍛工藝可分為開(kāi)式模鍛、閉式模鍛、擠開(kāi)式模鍛、閉式模鍛、擠壓和頂鐓壓和頂鐓四類。四類。模鍛按使用的設(shè)

2、備不同分為模鍛按使用的設(shè)備不同分為錘上模鍛錘上模鍛、熱模鍛壓力機(jī)上模鍛、熱模鍛壓力機(jī)上模鍛、曲柄壓力機(jī)上模鍛、平鍛機(jī)上模鍛及摩擦壓力機(jī)上模鍛等。曲柄壓力機(jī)上模鍛、平鍛機(jī)上模鍛及摩擦壓力機(jī)上模鍛等。2模鍛特點(diǎn)：模鍛特點(diǎn)： (1)(1)可以鍛造形狀較復(fù)雜的鍛件，尺寸精度較高，表可以鍛造形狀較復(fù)雜的鍛件，尺寸精度較高，表面粗糙度較低；面粗糙度較低； (2) (2)鍛件的機(jī)械加工余量較小，材料利用率較高；鍛件的機(jī)械加工余量較小，材料利用率較高； (3) (3)操作簡(jiǎn)單勞動(dòng)強(qiáng)度較小；操作簡(jiǎn)單勞動(dòng)強(qiáng)度較小； （4 4）生產(chǎn)率較高，鍛件成本低；）生產(chǎn)率較高，鍛件成本低； (5(5）設(shè)備投資大，模具成本高；）

3、設(shè)備投資大，模具成本高； （6 6）生產(chǎn)準(zhǔn)備周期、尤其是鍛模的制造周期都較長(zhǎng)，）生產(chǎn)準(zhǔn)備周期、尤其是鍛模的制造周期都較長(zhǎng)，只適合大批量生產(chǎn)；只適合大批量生產(chǎn)； （7 7）工藝靈活性不如自由鍛。）工藝靈活性不如自由鍛。34控制鍛件的控制鍛件的最終形狀和尺最終形狀和尺寸寸控制金屬的控制金屬的流動(dòng)方向流動(dòng)方向控制控制塑性變形區(qū)塑性變形區(qū)提高金屬的塑性提高金屬的塑性 控制坯料失穩(wěn)提高成形極限控制坯料失穩(wěn)提高成形極限5-1 概述概述5控制鍛件的最終形狀和尺寸控制鍛件的最終形狀和尺寸設(shè)計(jì)模具注意事項(xiàng)：設(shè)計(jì)模具注意事項(xiàng)：1 1）熱鍛時(shí)應(yīng)考慮鍛件和）熱鍛時(shí)應(yīng)考慮鍛件和模具的熱收縮；模具的熱收縮；2 2）精密成

4、形時(shí)還應(yīng)該）精密成形時(shí)還應(yīng)該考慮模具的彈性變形?？紤]模具的彈性變形。6控制金屬的流動(dòng)方向控制金屬的流動(dòng)方向 各質(zhì)點(diǎn)向著阻力最小方向移動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)向著阻力最小方向移動(dòng)， 因此依靠不同的工具，采取不同的加載方式在變形因此依靠不同的工具，采取不同的加載方式在變形體內(nèi)建立不同的應(yīng)力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬流動(dòng)物體內(nèi)方向的控體內(nèi)建立不同的應(yīng)力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬流動(dòng)物體內(nèi)方向的控制制7控制塑性變形區(qū)控制塑性變形區(qū) 主要靠利用不同工具在坯料內(nèi)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，主要靠利用不同工具在坯料內(nèi)產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)，使部分金屬滿足屈服準(zhǔn)則，另一部分金屬不滿足屈服準(zhǔn)使部分金屬滿足屈服準(zhǔn)則，另一部分金屬不滿足屈服準(zhǔn)則，達(dá)到控制變形區(qū)的目的則

5、，達(dá)到控制變形區(qū)的目的8提高金屬的塑性提高金屬的塑性 金屬的塑性與應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系，靜水壓力越大，金屬的塑性與應(yīng)力狀態(tài)有很大關(guān)系，靜水壓力越大，材料的塑性越高，而各種應(yīng)力狀態(tài)是通過(guò)相應(yīng)的工具在坯材料的塑性越高，而各種應(yīng)力狀態(tài)是通過(guò)相應(yīng)的工具在坯料中建立的。料中建立的。9控制坯料失穩(wěn)提高成形極限控制坯料失穩(wěn)提高成形極限10控制坯料失穩(wěn)提高成形極限控制坯料失穩(wěn)提高成形極限115-2開(kāi)式模鍛開(kāi)式模鍛12一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程第第階段階段是由開(kāi)始模壓到金屬與模具側(cè)壁接是由開(kāi)始模壓到金屬與模具側(cè)壁接觸為止；觸為止；第第階段結(jié)束到金屬充滿模膛為止是階段結(jié)束到金屬充滿模膛為止是第第階階段

6、；段；金屬充滿模膛后，多余金屬由橋口流出，此金屬充滿模膛后，多余金屬由橋口流出，此為為第第階段階段。13一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程第第階段：由開(kāi)始模壓到金屬與模具側(cè)壁接觸為止階段：由開(kāi)始模壓到金屬與模具側(cè)壁接觸為止14一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程第第階段：第階段：第階段結(jié)束到金屬充滿模膛為止階段結(jié)束到金屬充滿模膛為止15一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程一、開(kāi)式模鍛變形過(guò)程第第階段：金屬充滿模膛后，多余金屬由橋口流出階段：金屬充滿模膛后，多余金屬由橋口流出16二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析 變形金屬可分為變形金屬可分為A A、B B兩區(qū)，兩區(qū)，A

7、A區(qū)為主要受力區(qū)，區(qū)為主要受力區(qū)，B B區(qū)的受力主要是區(qū)的受力主要是由由A A區(qū)的變形引起的；區(qū)的變形引起的；A A區(qū)可分為內(nèi)外兩區(qū)，其間有一個(gè)流動(dòng)分界面。區(qū)可分為內(nèi)外兩區(qū)，其間有一個(gè)流動(dòng)分界面。第第階段階段17二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析 金屬也有兩個(gè)流動(dòng)方金屬也有兩個(gè)流動(dòng)方向，金屬一方面充填模腔向，金屬一方面充填模腔，一方面由橋口處流出形，一方面由橋口處流出形成飛邊，這時(shí)由于模壁阻成飛邊，這時(shí)由于模壁阻力，特別是飛邊橋口部分力，特別是飛邊橋口部分的阻力作用，迫使金屬充的阻力作用，迫使金屬充滿模膛。滿模膛。 這一階段金屬處于三這一階段金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)

8、，變形抗力向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形抗力迅速增大迅速增大 第第階段階段18二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析第第階段階段19二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析 主要是將主要是將多余金屬排入飛邊多余金屬排入飛邊。此時(shí)流動(dòng)界面已不存。此時(shí)流動(dòng)界面已不存在，變形僅發(fā)生在分模面附近的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，其它部位在，變形僅發(fā)生在分模面附近的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，其它部位第第階段：階段：則處于彈性狀態(tài)；多于金屬由橋口流出時(shí)阻力很大，使則處于彈性狀態(tài)；多于金屬由橋口流出時(shí)阻力很大，使變形抗力急劇增大變形抗力急劇增大20二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力應(yīng)變分析二、開(kāi)式模鍛各階段的應(yīng)力

9、應(yīng)變分析第第階段是鍛件成形的關(guān)鍵階段；階段是鍛件成形的關(guān)鍵階段；第第階段是模鍛變形力最大的階段。階段是模鍛變形力最大的階段。 所以研究鍛件的成形問(wèn)題，主要研究第所以研究鍛件的成形問(wèn)題，主要研究第階段；而計(jì)算變形力時(shí)，則應(yīng)按第階段；而計(jì)算變形力時(shí)，則應(yīng)按第階段階段21三、開(kāi)式模鍛時(shí)影響金屬成形的主要因素三、開(kāi)式模鍛時(shí)影響金屬成形的主要因素模膛（模鍛件）的具體尺寸和形狀；模膛（模鍛件）的具體尺寸和形狀；飛邊槽橋口部分的尺寸和飛邊槽的位置；飛邊槽橋口部分的尺寸和飛邊槽的位置；終鍛前坯料的具體形狀和尺寸；終鍛前坯料的具體形狀和尺寸；坯料本身性質(zhì)的不均勻情況，主要指由于溫度不坯料本身性質(zhì)的不均勻情況，主

10、要指由于溫度不均勻引起的各部分金屬流動(dòng)極限的不均勻情況；均勻引起的各部分金屬流動(dòng)極限的不均勻情況；設(shè)備工作速度。設(shè)備工作速度。221 1、模、模膛（模鍛件）尺寸和形狀的影響膛（模鍛件）尺寸和形狀的影響模壁與變形金屬的摩擦系數(shù)模壁與變形金屬的摩擦系數(shù) 變形金屬與模壁的摩擦阻力小，變形金屬與模壁的摩擦阻力小，有利于金屬充滿模腔有利于金屬充滿模腔模壁斜度：模壁斜度： 模壁斜度是為了模鍛后鍛件模壁斜度是為了模鍛后鍛件易于取出，但模壁斜度對(duì)金屬充易于取出，但模壁斜度對(duì)金屬充填模腔不利填模腔不利231 1、模、模膛（模鍛件）尺寸和形狀的影響膛（模鍛件）尺寸和形狀的影響孔口圓角半徑：孔口圓角半徑： 孔口圓角

11、半徑越小，在孔口處金屬質(zhì)點(diǎn)要拐一個(gè)很大孔口圓角半徑越小，在孔口處金屬質(zhì)點(diǎn)要拐一個(gè)很大的角度再流入孔內(nèi)，需消耗較多的能量，不易充滿模膛的角度再流入孔內(nèi)，需消耗較多的能量，不易充滿模膛模膛的寬度與深度：模膛的寬度與深度： 模膛愈窄時(shí)，金屬向孔內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力越大，孔內(nèi)金模膛愈窄時(shí)，金屬向孔內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力越大，孔內(nèi)金屬的降溫也越嚴(yán)重，充滿模膛越困難屬的降溫也越嚴(yán)重，充滿模膛越困難模具溫度：模具溫度： 模具溫度較低時(shí)，金屬流入孔部后，溫度很快降低，模具溫度較低時(shí)，金屬流入孔部后，溫度很快降低，變形抗力增大，充填模膛困難變形抗力增大，充填模膛困難242 2、飛邊槽飛邊槽的影響的影響飛邊槽飛邊槽倉(cāng)部倉(cāng)部阻止

12、金屬外流，迫使金屬充滿模膛。阻止金屬外流，迫使金屬充滿模膛。另外，使飛邊減薄，以便于切除。另外，使飛邊減薄，以便于切除。用以容納多余的金屬，以免金屬流到用以容納多余的金屬，以免金屬流到分模面上，影響上下模打靠。分模面上，影響上下模打靠。橋口橋口252 2、飛邊槽飛邊槽的影響的影響26飛邊槽橋口飛邊槽橋口的摩擦阻力的摩擦阻力sshbhb飛飛21 橋口阻止金屬外流的作用主要是由于沿上下接橋口阻止金屬外流的作用主要是由于沿上下接觸面摩擦阻力作用的結(jié)果。觸面摩擦阻力作用的結(jié)果。橋口阻力（摩擦力在橋口處引起的徑向壓應(yīng)力）為：橋口阻力（摩擦力在橋口處引起的徑向壓應(yīng)力）為：27飛邊槽橋口飛邊槽橋口阻力的影響

13、因素阻力的影響因素橋口阻力大小與橋口阻力大小與b b和和h h飛飛有關(guān)，橋口越寬，高度越小，有關(guān)，橋口越寬，高度越小，阻力越大阻力越大橋口阻力與飛邊部分的變形金屬的溫度有關(guān)，溫度越橋口阻力與飛邊部分的變形金屬的溫度有關(guān)，溫度越低，橋口部分阻力越大；模鍛時(shí)，飛邊同時(shí)與上下模接低，橋口部分阻力越大；模鍛時(shí)，飛邊同時(shí)與上下模接觸時(shí)間越長(zhǎng)，金屬冷卻的越快，橋口部分的阻力越大觸時(shí)間越長(zhǎng)，金屬冷卻的越快，橋口部分的阻力越大同一鍛件的不同部分充滿得難易程度不同，在鍛件上同一鍛件的不同部分充滿得難易程度不同，在鍛件上較難充滿的部分加大橋口阻力，從模具制造方便出發(fā)，較難充滿的部分加大橋口阻力，從模具制造方便出發(fā)

14、，生產(chǎn)中常常是加大此處的橋口寬度；對(duì)鍛件上難充滿的生產(chǎn)中常常是加大此處的橋口寬度；對(duì)鍛件上難充滿的部分，還常常在橋口部分增加一個(gè)部分，還常常在橋口部分增加一個(gè)制動(dòng)槽。制動(dòng)槽。 28橋口有制動(dòng)槽的飛邊槽橋口有制動(dòng)槽的飛邊槽29飛邊槽發(fā)展的過(guò)程飛邊槽發(fā)展的過(guò)程1 1、一般的、一般的飛邊槽飛邊槽2 2、小飛邊模鍛小飛邊模鍛3 3、楔形飛邊槽楔形飛邊槽4 4、擴(kuò)張形飛邊槽擴(kuò)張形飛邊槽5 5、無(wú)飛邊模鍛無(wú)飛邊模鍛30一般飛邊槽一般飛邊槽 模鍛初期，由于模鍛初期，由于h h飛飛較大，產(chǎn)生的阻力小，毛坯在高較大，產(chǎn)生的阻力小，毛坯在高度中間處變形最大，因此，大量的金屬流入飛邊槽度中間處變形最大，因此，大量的

15、金屬流入飛邊槽31小飛邊模鍛小飛邊模鍛 改變分模面的位置，將飛邊裝置設(shè)置在變形較困難改變分模面的位置，將飛邊裝置設(shè)置在變形較困難的毛坯端部，模鍛初期，金屬的流動(dòng)就受到了側(cè)壁的限的毛坯端部，模鍛初期，金屬的流動(dòng)就受到了側(cè)壁的限制制32小飛邊模鍛小飛邊模鍛 對(duì)某些形狀的鍛件，在模鍛最后階段，變形區(qū)集中對(duì)某些形狀的鍛件，在模鍛最后階段，變形區(qū)集中分布在分模面附近，遠(yuǎn)離分模面的部分不容易充滿。分布在分模面附近，遠(yuǎn)離分模面的部分不容易充滿。33楔形飛邊槽楔形飛邊槽 主要依靠橋口斜面產(chǎn)生的水平分力阻止金屬外主要依靠橋口斜面產(chǎn)生的水平分力阻止金屬外流，飛邊部分金屬消耗減少一倍；這種飛邊與鍛件流，飛邊部分金屬

16、消耗減少一倍；這種飛邊與鍛件連接處較厚，切邊較困難連接處較厚，切邊較困難34擴(kuò)張型飛邊槽擴(kuò)張型飛邊槽 在模鍛的第一第二階段，橋口部分對(duì)金屬外流有一定阻力作用；而最在模鍛的第一第二階段，橋口部分對(duì)金屬外流有一定阻力作用；而最后階段，對(duì)多余金屬的外流無(wú)阻礙作用，可以較大程度的減小變形力，使后階段，對(duì)多余金屬的外流無(wú)阻礙作用，可以較大程度的減小變形力，使上下模壓靠。上下模壓靠。 主要用于形狀簡(jiǎn)單，比較容易充滿成形，但由于某些原因變形力主要用于形狀簡(jiǎn)單，比較容易充滿成形，但由于某些原因變形力較大，常易產(chǎn)生模鍛不足（欠壓），模具易磨損的鍛件。較大，常易產(chǎn)生模鍛不足（欠壓），模具易磨損的鍛件。35無(wú)飛邊模

17、鍛無(wú)飛邊模鍛 凸凹模間隙方向與模具運(yùn)動(dòng)的方向平行，間隙很小，且間隙大小凸凹模間隙方向與模具運(yùn)動(dòng)的方向平行，間隙很小，且間隙大小在變形過(guò)程中不變；在變形過(guò)程中不變； 易產(chǎn)生毛刺，充不滿，變形抗力大，模具易損壞易產(chǎn)生毛刺，充不滿，變形抗力大，模具易損壞363 3、設(shè)備工作速度的影響、設(shè)備工作速度的影響 設(shè)備工作速度高時(shí)，金屬流動(dòng)的速度也快，這將使設(shè)備工作速度高時(shí)，金屬流動(dòng)的速度也快，這將使摩擦系數(shù)有所降低，金屬流動(dòng)的慣性和變形熱效應(yīng)的作摩擦系數(shù)有所降低，金屬流動(dòng)的慣性和變形熱效應(yīng)的作用也顯得突出了。正確的利用這些因素的作用，有助與用也顯得突出了。正確的利用這些因素的作用，有助與金屬充填模膛，得到外

18、形復(fù)雜、尺寸精確的鍛件金屬充填模膛，得到外形復(fù)雜、尺寸精確的鍛件37第二節(jié)第二節(jié) 閉式模鍛閉式模鍛閉式模鍛（閉式模鍛（無(wú)飛邊模鍛無(wú)飛邊模鍛）的特點(diǎn)：）的特點(diǎn)：減少飛邊材料損耗減少飛邊材料損耗節(jié)省切邊設(shè)備節(jié)省切邊設(shè)備有利于金屬充滿模膛，有利于進(jìn)行精密模鍛有利于金屬充滿模膛，有利于進(jìn)行精密模鍛閉式模鍛時(shí)金屬處于明顯的三向壓應(yīng)力狀態(tài)閉式模鍛時(shí)金屬處于明顯的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于低塑性材料的成形，有利于低塑性材料的成形38閉式模鍛閉式模鍛閉式模鍛進(jìn)行的必要條件：閉式模鍛進(jìn)行的必要條件：坯料體積準(zhǔn)確；坯料體積準(zhǔn)確；坯料形狀合理并能在模膛內(nèi)準(zhǔn)確定位；坯料形狀合理并能在模膛內(nèi)準(zhǔn)確定位；能夠較準(zhǔn)確地控制打擊能量或模壓力；能夠較準(zhǔn)確地控制打擊能量或模壓力；有簡(jiǎn)便的取件措施或頂料機(jī)構(gòu)。有簡(jiǎn)便的取件措施或頂料機(jī)構(gòu)。39閉式模鍛的變形過(guò)程分析閉式模鍛的變形過(guò)程分析 閉式模鍛閉式模鍛分為三個(gè)變形階段：分為三個(gè)變形階段：第第階段是基本成形階段：階段是基本成形階段：由開(kāi)始變形到金屬基本充由開(kāi)始變形到金屬基本充滿模膛，此階段變形力的增加相對(duì)較慢，繼續(xù)變形時(shí)變滿模膛，此階段變形力的增加相對(duì)較慢，繼續(xù)變形時(shí)變形力將急劇增加形力將急劇增加第第階段是充滿階段：階段是充滿階段：由