精密模锻.ppt

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1、精密模锻精密模锻内容简介内容简介 引言引言 精密模锻的优点精密模锻的优点 精密模锻的分类精密模锻的分类 精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展 精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析 精密模锻变形力的计算精密模锻变形力的计算 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 闭式精密模锻工艺的制订闭式精密模锻工艺的制订 精密模锻的辅助工序精密模锻的辅助工序 精密模锻模具设计精密模锻模具设计 精密模锻实例分析精密模锻实例分析精密成形技术即近净成形技术或净成精密成形技术即近净成形技术或净成形技术形技术(near net shape technique and/or net

2、shape technique）是指零件成形后，）是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。构件的成形技术。较传统成形技术减少了后工序的切削较传统成形技术减少了后工序的切削量，减少了材料、能源消耗。量，减少了材料、能源消耗。引引 言言 精密成形技术是建立在新材料、新能精密成形技术是建立在新材料、新能源、信息技术、自动化技术等多学科高新源、信息技术、自动化技术等多学科高新技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成技术成果的基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之由一般成形变为优质、高效、形技术，使之由一般成形变为优质、高效、高精度、轻量化、低

3、成本、无公害的成形。高精度、轻量化、低成本、无公害的成形。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，精密模锻主要应用在两个方面：一是精化毛坯，即利用精锻工艺取代粗切削加工工序，将精锻件直接进行精加工而得到成品零件；二是精锻零件，即通过精密模锻直接获得成品零件。精密模锻的优点精密模锻的优点材料利用率高材料利用率高。精密模锻件没有飞边，材料按照设。精密模锻件没有飞边，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

4、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1.69kg1.69kg，精密模锻工艺每件用料只有，精密模锻工艺每件用料只有0.9kg0.9kg。零件性能好零件性能好。精密锻造生产的零件，其金属纤维沿。精密锻造生产的零件，其金属纤维沿零件轮廓形状分布，且连续致密。零件轮廓形状分布，且连续致密。对于闭式无飞边精对于闭式无飞边精密模锻生产的锻件，不存在切除飞边而产生金属纤维密模锻生产的锻件，不存在切除飞边而产生金属纤维外漏，利于提高零件的抗应力腐蚀和耐疲劳性能。外漏，利于提高零件的抗应力腐蚀和耐疲劳性能。可加工形状复杂的零件可加工形状复杂的零件。A

5、udiAudi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。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20002000件直径方向件直径方向只磨损只磨损0.01mm0.01mm左右。如果使用硬质合金凹模，正常左右。如果使用硬质合金凹模，正常寿命可达寿命可达100100万件以上，加工万件以上，加工1

6、010多万件才磨损多万件才磨损0.01mm0.01mm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。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

7、件3 3分钟，挤压分钟，挤压花键每件只需花键每件只需 0.40.4分钟，提高劳动生产率六倍以上。分钟，提高劳动生产率六倍以上。精密模锻的分类 热精锻 冷精锻 温精锻 复合精锻 等温精锻热精锻锻造温度在再结晶温度之上的精密锻造工艺称为热精锻。热精锻材料变形抗力低、塑性好，容易成形比较复杂的工件，但是因强烈氧化作用，工件表面质量和尺寸精度较低。热精锻常用的工艺方法为闭式模锻，由于下料不准，模具设计、制造精度不够等原因，闭式模锻最初合模阶段变形抗力很大，对设备和模具造成较大的损害。解决该问题常用的方法是分流降压原理，即在封闭型腔最后充满的地方设置形状与尺寸大小合理的分流降压腔孔。当型腔完全充满后坯料

8、的多余金属从分流腔孔挤出，这样既解决了坯料体积与型腔体积不能严格相等的矛盾，同时又降低了型腔的内部压力，有利于提高模具寿命。早在20世纪50年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开始用闭式热模锻的方法试制直齿锥齿轮。热精锻齿轮技术的开发应用在我国起步于20世纪70年代初期，成熟于20世纪80年代中后期。1970年上海机械化工艺研究所和上海汽车齿轮厂合作，对美国大道奇T234汽车差速器行星齿轮进行热精锻工艺成形试验，并于1973年投资建立精锻车间，进行批量生产；20世纪80年代，山东大学开展了伞齿轮精密锻造工艺研发，并实现了产业化。由于经济效益显著，近年来热精锻工艺获得了广泛的应用。冷精锻冷精

9、锻是在室温下进行的精密锻造工艺。冷精锻工艺具有如下特点：工件形状和尺寸较易控制，避免高温带来的误差；工件强度和精度高，表面质量好。冷锻成形过程中，工件塑性差、变形抗力大，对模具和设备要求高，而且很难成形结构复杂的零件。为克服冷精锻成形工艺变形抗力大、填充效果差的问题，相继开发了一些新的工艺方法，主要包括闭塞锻造、浮动凹模锻造、预制分流锻造等。闭塞锻造其是在封闭凹模内通过1个或2个冲头，单向或对向挤压金属一次成形。在锻造过程中坯料处于强烈的三向压应力状态，塑性好，可以一次成形复杂形状的零件，生产效率高，而且金属流线沿锻件外形连续分布，锻件的力学性能好。浮动凹模锻造技术中的凹模不是固定的，会随着锻

10、造过程进行发生浮动。这种设计降低了凹模与金属变形体间的相对速度，减小了接触面上摩擦力的影响，锻件充填性能获得较大提高，变形抗力大大下降。分流锻造法通过在锻件某一位置设置溢流口，使材料在充填型腔的过程中始终有自由流动的余地，从而提高型腔填充性，降低变形阻力和加工载荷。为了改善直齿圆柱齿轮精密锻造的充型情况并使成形力降低，张清萍等提出了预制分流孔分流锻造的工艺方法。预锻时,利用上、下凸台在坯料两端中心部锻造出分流区;终锻时,由于中心分流区的存在,可以避免齿形充填压力陡增的现象,从而降低成形载荷,改善坯料充填性。温精锻温精锻是在再结晶温度之下某个适合的温度下进行的精密锻造工艺。温锻精密成形技术既突破

11、冷锻成形中变形抗力大、零件形状不能太复杂、需增加中间热处理和表面处理工步的局限性,又克服了热锻中因强烈氧化作用而降低表面质量和尺寸精度的问题。它同时具有冷锻和热锻的优点,克服了二者的缺点。但是温精锻工艺锻造温度低、锻造温度范围狭窄且对其锻造范围要求较为严格,需要高精度专门的设备,而且对模具结构和模具材料有较高的要求。复合精锻随着精锻工件的日趋复杂以及精度要求提高,单纯的冷、温、热锻工艺已不能满足要求。复合精锻工艺将冷、温、热锻工艺进行组合共同完成一个工件的锻造,能发挥冷、温、热锻的优点,摒弃冷、温、热锻的缺点。是目前精锻工艺发展的一个重要方向。锥齿轮温锻-冷整形复合精密锻造工艺等温精锻等温精锻

12、是指坯料在趋于恒定的温度下模锻成形。为了保证恒温成形的条件,模具也必须加热到与坯料相同的温度。等温模锻常用于航空航天工业中的钛合金、铝合金、镁合金等难变形材料的精密成形,近年来也用于汽车和机械工业有色金属的精密成形。钛合金锻造温度较窄，对变形温度非常敏感，主要采用等温锻造进行成形。等温锻造的零件一般具有薄的腹板、高筋和薄壁,此类零件坯料热量很快被模具吸收,温度迅速下降,采用普通锻造方法,不仅需大幅度提高设备的吨位,而且也易造成模具的开裂。精密锻造的现状和发展精密锻造的现状和发展精密锻造和锻造的最大差别在于精密锻造件没有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

13、的材料利飞边，而锻造件有飞边，精密锻造工艺的材料利用率高，尺寸精度高用率高，尺寸精度高，所以近些年发展很快。日本丰田汽车厂在1996年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11.6，到 1991年发展到195。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2030。日本轿车采用精锻件的发展过程日本轿车采用精锻件的发展过程在我国，

14、大部分汽车厂还处在日本在我国，大部分汽车厂还处在日本19651965年以前年以前精锻件的水平，只能精锻球头销、活塞销、弹精锻件的水平，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套和钟形壳等精锻件。车中的等速连接轴滑套和钟形壳等精锻件。图中日本已投产的这些精密锻造轿车零件都应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精密锻造加工。工逐步转化为精密锻造加工。我国的轿车工业刚刚起步，所以我国与发达国我国的轿车工业刚刚起步，所以我国

15、与发达国家在汽车零件精密锻造技术领域里的差距是相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。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员、工人技有志于精密锻造专业的工程技术人员、工人技师都应该掌握精密锻造的基本技能，努力把我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降下来，使我国的汽车在世界上有一定的竞争力。力。目前精密模锻工艺研究的主要方向有以下几方面。目前

16、精密模锻工艺研究的主要方向有以下几方面。1）持续不断的工艺革新。）持续不断的工艺革新。为了满足成形零件的要求为了满足成形零件的要求,降低生产成本降低生产成本,需要不断需要不断的开发成形精度高、模具寿命长、生产效率高的精的开发成形精度高、模具寿命长、生产效率高的精密锻造成形新工艺。密锻造成形新工艺。2）复合工艺的开发。随着成形零件工艺要求的不断提高,单一的精密锻造很难满足要求,这就需要开发复合成形工艺,将不同温度或不同工艺方法的锻造工艺结合起来,取长补短共同完成一个零件的加工制造。也可以将精密锻造工艺与其它精密成形工艺如精密铸造、精密焊接等工艺进行组合,提高精密成形工艺的应用范围和加工能力。3）

17、基于知识的工艺设计。随着精密锻造工艺的不断发展,工艺设计日趋复杂,为了提高工艺设计的可靠性和高效性,开发基于知识的专家系统是未来精密锻造工艺设计的重要研究方向。2.2 2.2 锻件的分类锻件的分类锻件的种类繁多，其几何形状复杂程度和相对尺寸锻件的种类繁多，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，首先应将锻件分类。目前比较一毛坯形状和尺寸，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精密模锻时毛致的分类方法是按照锻件形状并参考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坯的轴线

18、方向来分类的。精密模锻件的分类情况见表。表。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，金属沿高度和径向同时流动高度和径向同时流动。对于结构简单的饼盘类锻件，一般。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，如编号为只需一个终锻工步即可；对于结构复杂的，如编号为135135、144144和和145145所示齿轮坯锻件，若在热模锻压力机上闭式模锻，所示齿轮坯锻件，若在热模锻压力机上闭式模锻，在终锻工步前通常还需镦粗制坯和预锻

19、工步。编号为在终锻工步前通常还需镦粗制坯和预锻工步。编号为154154、155155所示圆锥齿轮锻件，无论采用开式或闭式精密模锻，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。均能直接终锻出齿形。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有圆形或长宽尺寸相差不大的法兰或突缘。闭式。闭式模锻时，一般只需一个终锻工步。模锻时，一般只需一个终锻工步。第三类第三类(轴杆类轴杆类)锻件。锻件。其杆部为圆形，带有圆形其杆部为圆形，带有圆形或非圆形头部，或中间局部粗大的直长杆类或非圆形头部，或中间局部粗大的直长

20、杆类。这。这类锻件中，对于编号为类锻件中，对于编号为313313所示的杯杆形阶梯轴可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；其余的轴杆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。类锻件一般都采用闭式局部镦粗成形。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。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。

21、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杆部、带有圆形或非圆形法兰等多种结构形式式。这类锻件常常需要两个工步以上的可分。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。凹模模锻，即预成形和终锻。前四类，前四类，属于旋属于旋转体；转体；后两类后两类属于非属于非旋转体。旋转体。闭式精密模锻成形过程分析闭式精密模锻成形过程分析 闭式精密模锻成形主要有正挤、反挤、镦粗、闭式精密模锻成形主要有正挤、反挤、镦粗、侧向挤压和镦粗兼压入等几种变形方式侧向挤压和镦粗兼压入等几种变形方式，这里着，这里着重论述后三种方式的成形过程

22、。重论述后三种方式的成形过程。2.3 2.3 精密模锻成形过程的分析精密模锻成形过程的分析 镦粗式闭式模锻成形过程的分析镦粗式闭式模锻成形过程的分析成形过程大体可分为三个阶段：成形过程大体可分为三个阶段：开式锻粗阶段开式锻粗阶段 即自由镦粗阶段，从坯料与即自由镦粗阶段，从坯料与冲头或上模膛表面接触开始到坯料金属与模冲头或上模膛表面接触开始到坯料金属与模膛的侧壁接触为止。膛的侧壁接触为止。模膛充满阶段模膛充满阶段 从毛坯的鼓形侧面与凹模侧从毛坯的鼓形侧面与凹模侧壁接触开始，到整个侧表面与模壁贴合且模壁接触开始，到整个侧表面与模壁贴合且模膛角隙完全充满为止。这个阶段中，变形金膛角隙完全充满为止。这

23、个阶段中，变形金属流动受到模壁的阻碍，变形金属各部分处属流动受到模壁的阻碍，变形金属各部分处于不同的三向压应力状态。随着毛坯变形程于不同的三向压应力状态。随着毛坯变形程度的增加，模壁承受的侧向压力逐渐增大，度的增加，模壁承受的侧向压力逐渐增大，直到模膛完全充满为止。直到模膛完全充满为止。挤出端部飞边阶段挤出端部飞边阶段 充满模膛后的多余金属在继续充满模膛后的多余金属在继续增大的压力作用下被挤入凸凹模之间的间隙中，形增大的压力作用下被挤入凸凹模之间的间隙中，形成环形纵向飞边。成环形纵向飞边。第三阶段不可避免又不可缺少。形状特别复杂的闭第三阶段不可避免又不可缺少。形状特别复杂的闭式模锻件，金属挤入

24、凸凹模间隙形成飞边时才能把式模锻件，金属挤入凸凹模间隙形成飞边时才能把金属挤入未充满的角隙以保证获得合格锻件；坯料金属挤入未充满的角隙以保证获得合格锻件；坯料尺寸偏差较大时，多余金属也只挤进凸凹模的间隙尺寸偏差较大时，多余金属也只挤进凸凹模的间隙才能达到锻件要求的尺寸。才能达到锻件要求的尺寸。设计闭式模锻工艺时，最好在第二阶段末即在形成纵向飞边前结束。同时也应允许在分模处有少许充不满或仅形成很短的纵向飞边。成形力急剧增加镦粗压入式模锻变形过程镦粗压入式模锻变形过程 以环形件为例，其镦粗压入式闭式模锻过程可以分以环形件为例，其镦粗压入式闭式模锻过程可以分为三个阶段为三个阶段:第一阶段：如图第一阶

25、段：如图a a所示，坯料冲孔和镦粗，与开式模所示，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，其鼓形与模壁接触较迟。体积比开式模锻的小得多，其鼓形与模壁接触较迟。图7 镦粗压入式闭式模锻过程图7 镦粗压入式闭式模锻过程图7 镦粗压入式闭式模锻过程第二阶段：如图第二阶段：如图b b所示，金属流动特性与开式所示，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，第二阶段下底部充填。当金属与底部接触时，第二阶段结束。结束。第三阶段

26、：如图第三阶段：如图c c所示，模膛内部圆角半径处被所示，模膛内部圆角半径处被充满，直到出现纵向飞边为止。充满，直到出现纵向飞边为止。为了了解闭式模锻第二、三阶段金属流动的特点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所示七类锻件作了研究。图中标网格法对如图所示七类锻件作了研究。图中o-oo-o、a aa a、b-bb-b表示金属的分流轴或分流面，阴影区表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。示刚性区，箭头表示金属流动方向。1)1)在圆柱体闭式镦粗的第二阶段，变形区分布

27、状况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与锻件高径比有关。高径比大于高径比大于1(1(图图8a)8a)时，上半部和中心区的变形早时，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，把金属挤入上下角隙，变形区呈盆状。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高径比接近于或小于0.5(0.5(图图8b8b、c)c)时，中心部分时，中心部分相当于刚性区，变形区呈空心凹盆状。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，是由于显然，锻件高径比对变形区的这种影响，是由于毛

28、坯同凹模模壁间的接触摩擦所引起的。当毛坯同凹模模壁间的接触摩擦所引起的。当H/D1H/D1时，摩擦的作用有利于上角隙的充满，随时，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，最后集中着变形的继续进行变形区将逐渐缩小，最后集中到下角隙。到下角隙。当当H/D0H/D05 5时，摩擦影响很小，上下角隙几乎同时充满，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，或锻件形状复杂需形成纵向飞边方能充满全部角隙时，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飞边附

29、近。最后变形区将集中在飞边附近。2 2)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8d8dg g所示。所以，只要利用简单矩形截面的变形区所示。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，就能计算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。出任意复杂锻件闭式模锻的变形力。3)3)闭式模锻时，在图闭式模锻时，在图8e8eg g类锻件外轮缘上出现分流面，类锻件外轮缘上出现分流

30、面，分流面以外金属挤入外角隙，分流面以内金属挤入内分流面以外金属挤入外角隙，分流面以内金属挤入内角隙。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，需要形成变形区。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，其变形区模型如图纵向飞边才能充满角隙，其变形区模型如图8h8h所示。所示。因此，因此，对于复杂闭式模锻件，其变形区模型可有对于复杂闭式模锻件，其变形区模型可有三类：辐板镦粗和充满角隙三类：辐板镦粗和充满角隙

31、(图图8g)8g)；充满轮缘角隙，；充满轮缘角隙，其余同开式模锻其余同开式模锻(图图8h)8h)；多余金属挤入飞边；多余金属挤入飞边(图图8i)8i)。2 2侧向挤压模锻侧向挤压模锻 侧向挤压模锻也称侧向挤压，当锻件的枝芽部分同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。按照本体轴线垂直时则称径向挤压。按照挤压模锻时金属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曲式三类。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冲头一个冲头作用下同时或作用下同时或先后向几个不同的方向流动。先后向几

32、个不同的方向流动。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作用下同时或先后向一个或一个以上的方向流动。先后向一个或一个以上的方向流动。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过冲头挤压的方式使其产生弯曲变形产生弯曲变形。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，其侧向挤压模锻时，无论是哪种方式，其变形过变形过程大体可分为：自由镦粗、侧向挤压、充满模膛程大体可分为：自由镦粗、侧向挤压、充满模膛角隙和挤出多余金属等四个阶段角隙和挤出多余金属等四个阶段。自由镦粗、充。自由镦粗、充满模膛角隙和挤出多

33、余金属等三个阶段的变形过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、反挤压模锻中相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。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。这里，着重讨论侧向挤压阶段的金属流动。图图9 9为十字轴和为十字轴和T 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P P1 1的的作用下流入侧向通道时，其流出的金属首先同侧向通道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

34、，即使是自由流动阶段，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，在上部从也是底部的金属流动比上部的金属流动强烈，在上部从A A点到点到B B点形成凹坑而金属不贴紧上模壁，凹坑的大小点形成凹坑而金属不贴紧上模壁，凹坑的大小取决于取决于D/dD/d0 0值和侧孔轴线相对于冲头轴线间的夹角。值和侧孔轴线相对于冲头轴线间的夹角。在下部自在下部自E E点向左的金属不贴紧模底，而是形成凸起，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其凸起的径向尺寸小于侧孔直径d d0 0。变形金属在侧向通。变形金属在侧向通道中的整个自由流动阶段，其轴线

35、不垂直于冲头的运动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。方向。图9 模锻十字轴时侧孔中的金属流动如果把图如果把图9 9所示侧向挤压称为单冲头侧向挤压，那所示侧向挤压称为单冲头侧向挤压，那么，对于么，对于T T形件常常采用双冲头对向挤压，此时，形件常常采用双冲头对向挤压，此时，即使进入侧向通道中的金属处于自由流动状态，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 I、的轴线，而不的轴线，而不会出现单冲头侧向挤压时金属流动所出现的现象。会出现单冲头侧向挤压时金属流动所出现的现象。2.4 2.4 精密模锻变形力的计算精密模锻变形力的

36、计算确定精密模锻所需的变形力，是为了合理选择或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设计所需的模锻设备，正确设计模具和制订工艺方案。方案。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 对于回转体锻件精密成形，国内外普遍采用闭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，下面仅介绍闭式模锻变形力式模锻工艺，因此，下面仅介绍闭式模锻变形力的计算。的计算。1.1.圆柱体闭式镦粗力的计算圆柱体闭式镦粗力的计算 (1)(1)端部不出现飞边时的单位压力端部不出现飞边时的单位压力 设模膛下角隙最后充满，则变形区可简化为图设模膛

37、下角隙最后充满，则变形区可简化为图1212所示的半所示的半径为径为、厚度为、厚度为h h的球面与倾斜自由表面围成的球面体。的球面与倾斜自由表面围成的球面体。当从变形区内切取一个单元体当从变形区内切取一个单元体(图中阴影部分图中阴影部分)时，则作用时，则作用于其上的均布应力为于其上的均布应力为r r、r r+d+d及及。将作用于。将作用于单元体上的力列平衡微分方程，利用塑性条件和边界条件，单元体上的力列平衡微分方程，利用塑性条件和边界条件，积分并整理得闭式镦粗至端部尚未出现飞边时的单位压力积分并整理得闭式镦粗至端部尚未出现飞边时的单位压力的简化表达式：的简化表达式：图12 闭式镦粗变形单元体的受

38、力情况1.1.圆柱体闭式镦粗力的计算圆柱体闭式镦粗力的计算 (1)(1)端部不出现飞边时的单位压力端部不出现飞边时的单位压力 设模膛下角隙最后充满，则变形区可简化为图设模膛下角隙最后充满，则变形区可简化为图1212所示的半所示的半径为径为、厚度为、厚度为h h的球面与倾斜自由表面围成的球面体。的球面与倾斜自由表面围成的球面体。当从变形区内切取一个单元体当从变形区内切取一个单元体(图中阴影部分图中阴影部分)时，则作用时，则作用于其上的均布应力为于其上的均布应力为r r、r r+d+d及及。将作用于。将作用于单元体上的力列平衡微分方程，利用塑性条件和边界条件，单元体上的力列平衡微分方程，利用塑性条

39、件和边界条件，积分并整理得闭式镦粗至端部尚未出现飞边时的单位压力积分并整理得闭式镦粗至端部尚未出现飞边时的单位压力的简化表达式：的简化表达式：s s闭式镦粗变形条件下的流闭式镦粗变形条件下的流动应力；动应力；1 1变形区自由表面变形区自由表面与凹模壁的夹角；与凹模壁的夹角；D D凹模工作凹模工作简直径；简直径；a a角部径向未充满值。角部径向未充满值。(2)(2)端部出现纵向飞边时的单位压力端部出现纵向飞边时的单位压力 对于端部出现纵对于端部出现纵向飞边的闭式模锻，其变形过程与反挤相同，计算变向飞边的闭式模锻，其变形过程与反挤相同，计算变形力时需要考虑飞边的影响。若在飞边内取一单元体，形力时需

40、要考虑飞边的影响。若在飞边内取一单元体，如图如图1313所示，则由平衡方程、塑性条件和边界条件求所示，则由平衡方程、塑性条件和边界条件求出出z z向和向和x x向的正应力：向的正应力：图13 带纵向飞边的闭式模锻受力状况然后可导出端部出现纵向飞边时的单位变形力的简化然后可导出端部出现纵向飞边时的单位变形力的简化表达式：表达式：式中式中 u u2 2变形金属与凸模接触面上的摩擦系数；变形金属与凸模接触面上的摩擦系数；纵向飞边高度；纵向飞边高度；D D凹模直径；凹模直径；d d凸模直径。凸模直径。2 2闭式精密模锻变形力的一般计算公式闭式精密模锻变形力的一般计算公式 1)1)端部不出现纵向飞边，上

41、角隙先充满，下角隙后充端部不出现纵向飞边，上角隙先充满，下角隙后充满，或上下角隙同时充满时，其单位变形力为：满，或上下角隙同时充满时，其单位变形力为：2)2)端部出现纵向飞边时，其单位变形力为：端部出现纵向飞边时，其单位变形力为：式中式中 C Cp p锻件形状影响系数。相同变形条件下：对于简锻件形状影响系数。相同变形条件下：对于简单锻件单锻件C Cp p1,1,对于形状中等复杂程度的锻件对于形状中等复杂程度的锻件C Cp p1.21.2，对于，对于形状复杂的锻件形状复杂的锻件C Cp p1.31.31.41.4；s s变形条件下金属的流变形条件下金属的流动应力；动应力；I I后充满的下角部后充

42、满的下角部(或同时充满的角部或同时充满的角部)的变形的变形自由表面与凹模壁的倾角，自由表面与凹模壁的倾角，I I=u=u1 1(1.234 0.206a)(1.234 0.206a)，其中，其中a a为未充满值；为未充满值；R R、D D凹模筒的半径和直径；凹模筒的半径和直径；a a1 1、a a2 2锻锻件下、上角部的径向未充满值，约等于锻件相应处的圆角件下、上角部的径向未充满值，约等于锻件相应处的圆角半径半径(当上、下角同时充满时，取当上、下角同时充满时，取a a2 2=a=a1 1)；b b1 1、b b2 2锻件下、锻件下、上角部的轴向未充满值，可由上角部的轴向未充满值，可由和和a a

43、计算；计算；H H锻件高度；锻件高度；u u1 1变形金属上、下接触面间的摩擦系数；变形金属上、下接触面间的摩擦系数；u u2 2变形金属变形金属与凹模侧壁的摩擦系数；与凹模侧壁的摩擦系数；3 3闭式镦挤力的计算闭式镦挤力的计算 图图1414为闭式镦挤时的工作状态，为闭式镦挤时的工作状态，所需镦挤力可按下式计算：所需镦挤力可按下式计算：p=4.985(1-0.001D)Dp=4.985(1-0.001D)D2 2b b 式中式中 D D镦挤凸模直径；镦挤凸模直径；b b镦挤终了时金属材料的屈服强镦挤终了时金属材料的屈服强度。度。图14 闭式镦挤工作状态图二、长轴类锻件精密模锻变形力的计算二、长

44、轴类锻件精密模锻变形力的计算对于长轴类锻件的精密成形，目前主要是采用开对于长轴类锻件的精密成形，目前主要是采用开式模锻工艺，只不过是通过对飞边槽的优化设计，式模锻工艺，只不过是通过对飞边槽的优化设计，来减少飞边金属的损耗，切除飞边之后，再采取来减少飞边金属的损耗，切除飞边之后，再采取开式或闭式精整工序，进一步减少加工余量和提开式或闭式精整工序，进一步减少加工余量和提高锻件的尺寸精度。高锻件的尺寸精度。对于模锻变形力对于模锻变形力p p可采用如下公式进行计算。可采用如下公式进行计算。1 1托特托特(Tot)(Tot)公式公式 式中式中 WW锻件重量锻件重量(不包括飞边不包括飞边)；Y Yfi f

45、i飞边部分的屈服强度；飞边部分的屈服强度；Y Yfgfg锻件本体部分的屈服强度；锻件本体部分的屈服强度；b b飞边桥部宽度；飞边桥部宽度；h h飞飞飞飞边桥部高度。边桥部高度。2 2列别利斯基公式列别利斯基公式 A A包括飞边桥部的锻件水平投影面积包括飞边桥部的锻件水平投影面积;L;L锻件长度锻件长度;Y;Y屈服强度屈服强度三、异形件精密模锻变形力的计算三、异形件精密模锻变形力的计算 采用可分凹模模锻可以成功地实现异形件的精采用可分凹模模锻可以成功地实现异形件的精密成形，而可分凹模模锻时金属是在闭式或半闭密成形，而可分凹模模锻时金属是在闭式或半闭式状态下变形的。下面着重介绍以侧向挤压为主式状态

46、下变形的。下面着重介绍以侧向挤压为主要变形方式的闭式模锻变形力的计算。要变形方式的闭式模锻变形力的计算。1 1枝芽类锻件的闭式模锻力枝芽类锻件的闭式模锻力 (1)(1)分流式侧向挤压模锻分流式侧向挤压模锻 对于对于T T形接头和十字轴等带枝芽类锻件，采用如图所示形接头和十字轴等带枝芽类锻件，采用如图所示的闭式模锻是近年来发展起来的一种新工艺，其变形方式的闭式模锻是近年来发展起来的一种新工艺，其变形方式属于分流式侧向挤压。属于分流式侧向挤压。带枝芽类锻件的侧向挤压工艺，其挤压力的理论计算比带枝芽类锻件的侧向挤压工艺，其挤压力的理论计算比较困难，因为它既非轴对称问题，又非平面问题，然而，较困难，因

47、为它既非轴对称问题，又非平面问题，然而，从近似求解的角度出发，可从近似求解的角度出发，可把冲头下面圆柱体部分的金属把冲头下面圆柱体部分的金属变形视为具有侧向挤压力的镦粗，并假定其侧面与四个变形视为具有侧向挤压力的镦粗，并假定其侧面与四个(十字轴十字轴)或二个或二个(T(T形接头形接头)水平轴颈相连水平轴颈相连；且认为冲头和金；且认为冲头和金属接触面上的摩擦力达到了最大剪切应力，即属接触面上的摩擦力达到了最大剪切应力，即=s/2=s/2；又将每个侧枝的变形看成沿水平方向的正挤压。这个假设又将每个侧枝的变形看成沿水平方向的正挤压。这个假设由十字轴金属流动的网格实验可得到验证。基于这种假设，由十字轴

48、金属流动的网格实验可得到验证。基于这种假设，可绘出十字轴挤压最后瞬间的示意图。可绘出十字轴挤压最后瞬间的示意图。十字轴挤压终了时示意图 也可采用下面的公式计算：也可采用下面的公式计算：其张模力的计算公式为其张模力的计算公式为 F Ff f锻件的水平投影面积锻件的水平投影面积;F;Fc c挤压筒的横截面积挤压筒的横截面积;p;p0 0单位单位张模力张模力,可取可取p p0 0=(0.81)p=(0.81)p。由于侧向通道端部有小的排料。由于侧向通道端部有小的排料孔孔,故计算故计算p p0 0时时,其系数可取小值其系数可取小值,即取即取0.80.8。(2)(2)汇集式侧向挤压模锻汇集式侧向挤压模锻

49、 对于汇集式侧向挤压对于汇集式侧向挤压(下图下图)可采用与分流式侧可采用与分流式侧向挤压类似的分析和假设，其差别仅在于分流式向挤压类似的分析和假设，其差别仅在于分流式侧向挤压只有一个挤压筒，而汇集式侧向挤压有侧向挤压只有一个挤压筒，而汇集式侧向挤压有两个挤压筒，即两个挤压筒，即I I和和。T形接头挤压终了示意1)1)当侧枝通道没有余料孔时单位挤压力的计算。当侧枝通道没有余料孔时单位挤压力的计算。当挤入侧枝通道的金属与通道底面相碰后，当挤入侧枝通道的金属与通道底面相碰后，其变形情况相当于圆柱体闭式镦粗，所需单位其变形情况相当于圆柱体闭式镦粗，所需单位变形力变形力p p可按式可按式(2-6)(2-

50、6)计算。而处于冲头计算。而处于冲头I I或或下面圆柱体部分的金属变形可视为具有侧压力下面圆柱体部分的金属变形可视为具有侧压力p p作用的镦粗。作用在冲头作用的镦粗。作用在冲头I I或或上的挤压力上的挤压力计算公式推导如下：计算公式推导如下：由圆柱体镦粗平衡微分方程，根据边界条件和由圆柱体镦粗平衡微分方程，根据边界条件和塑性条件可得：塑性条件可得：挤压力为：挤压力为：单位挤压力为：单位挤压力为：若若d dD D，且，且h hd dD D，则其单位挤压力为：，则其单位挤压力为：式中式中 ii侧枝角部自由表面与模壁的夹角；侧枝角部自由表面与模壁的夹角；a a角隙角隙径向未充满值。径向未充满值。2)