下篇第8章-锤上模锻工艺与模具设计

主讲教师：刘维
锤上模锻工艺
根据所用锻压设备及其锻造变形方式，
通常将模锻分为锤上模锻、压力机模锻
及平锻机模锻等。

模锻锤包括蒸汽空气模锻锤、无砧座锤
、高速锤和液压模锻锤。

蒸汽空气模锻
锤应用最普遍，一般简称为模锻锤。

锤上模锻工艺
在压力作用下，毛坯在锻模型腔中被迫产生塑性变形，从而获得比自由锻更高质量的锻件。

它是大批量锻件生产的主要方法，具有以下特点：
①金属在型腔中的变形时在锤头的多次打击下逐步完成的，锤头的冲击力
使金属变形，可利用金属的流动惯性，迫使金属充填型腔。

②在锤上可实现多工步成形，锤头打击速度快，生产效率高。

③模锻锤的导向精度不高，锤头行程不固定，模锻件的尺寸精度不高。

④无顶出装置，锻件出模困难，模锻斜度可适当大些。

⑤生产操作方便，劳动强度比自由锻小。

模锻件的分类
●按照锻件分模线和主轴线（通过锻件各截面重
心的连线在平面图上的投影）的形状以及锻件在平面图上轮廓尺寸比例，将模锻件分为：
短轴类锻件
长轴类锻件
复杂类锻件
模锻件的分类
短轴类锻件：锻件在平面图上两个相互垂直方向的尺寸相等或相接近，在水平面上的投影为圆形或方形。

主要变形工步的锤击方向与主轴线平行，模锻时金属沿高度、宽度、长度方向同时流动，属于体积变形。

如齿轮、法兰盘、十字头等锻件。

模锻件的分类
长轴类锻件：轴线的长度大于其它两个方向的尺寸，锤击方向与轴线垂直，金属沿主轴线流动小，主要沿高度和宽度方向流动。

如连杆和直轴等。

模锻件的分类
复杂类锻件：具有短轴类和长轴类两类锻件特征的组合。

模锻件的工艺性
便于锻后拔模：如图所示零件，上、下端面及柱面上均带有侧凹，不论将分型面设于什么位置，都不能保证锻后拔模，因此，必须增设锻造余块（敷料）改变锻件外形轮廓。

模锻件的工艺性
力求形状简单、对称，避免截面差别过大的凸起、凹入或壁厚过薄：图a）所示零件最小和最大截面之比小于0.5，而且凸缘直径与壁厚相差过大，模锻时，凸缘端部不易充满，容易粘模。

而且凸缘厚度过薄，锻模散热性差。

图b）零件的内凹深度与宽度之比过大，上模极易折断和变形。

模锻件的工艺性
力求形状简单、对称，避免截面差别过大的凸起、凹入或壁厚过薄：如图所示零件锻造时薄壁处锻模受力严重，容易损坏。

此外，锻件平面面积过大，锻造过程中坯料易冷却，很难保证成形质量。

●模锻件的工艺性
零件上直径小于20mm的孔或孔深大于直径2倍时，不宜锻出，可考虑锻出凹穴，然后切削加工。

零件的非配合表面可设计成非加工面，保留锻件黑皮表面。

零件上与锻打方向平行的非加工表面应设拔模斜度，以便锻后拔模。

为防止产生折
叠和应力集中，非加工表面间的交接处用圆角过渡。

对不宜模锻成形的大型复杂零件，可考虑设计成锻-焊组合件，或分为几部分锻出后，采用机械连接方法组成构件。

开式模锻
按照锻模形式及锻后是否产生横向飞边，可分为开式模锻和闭式模锻两种。

开式模锻是目前应用最广泛的模锻方法。

开式模锻成形过程
a）第一阶段——镦粗变形过程：毛坯
在锤击作用下，发生镦粗变形（或局部
压入变形），高度减小，径向尺寸逐渐
增大，在金属和模壁接触之前，镦粗所
需的变形力不大。

开式模锻成形过程
b）第二阶段——飞边形成过程：金属
流动开始受到模壁的阻碍，金属流向高
度方向的同时，开始流入飞边槽，出现
少许飞边，所需变形力显著增大。

开式模锻成形过程
c）第三阶段——型腔充满过程：由于
飞边阻碍作用，在金属内部形成更为强
烈的三向压应力状态，金属向飞边流动
的同时，逐渐充满型腔各处，飞边厚度
减小，宽度增大，温度下降，变形抗力
明显上升，造成径向阻力增大，使整个
型腔得以充满。

开式模锻成形过程
d）第四阶段——打靠或锻足阶段：飞
边温度低，阻力大，为把多余金属排入
飞边槽，使上下模打靠，所需打击力最
大，压下量应小于2mm，所消耗的打
击能量为为整个锻件成形所需能量的
30%~50%。

开式模锻的应力应变分析
第一阶段：局部加载，整体受力，整体
变形。

假设模孔无斜度，变形金属分为
A、B两区。

A区受力类似于环形件墩粗
，A内和A外之间存在一个流动分界面。

B
区金属的变形类似于圆形砧内拔长。

开式模锻的应力应变分析
第二、三阶段：金属一方面充填型腔，
一方面飞边桥部流出形成飞边。

由于模
壁阻力，特别是飞边桥部的阻力，迫使
金属充满型腔。

金属向两个方向的流动
阻力大，处于三向压应力状态，变形抗
力显著增大。

A区金属变形类似于一般
环形件镦粗；B区金属变形类似于圆形
砧内摔圆；C区为弹性变形区，D区金属
变形类似于外径受限制的环形件镦粗。

开式模锻的应力应变分析
第四阶段：将多余金属挤入飞边仓部。

金属变形仅发生在分模面附近区域，其
他部位处于弹性变形状态。

第四阶段中
飞边厚度进一步减薄，温度降低，多余
金属从飞边桥部流出阻力急剧增大，而
第二、三阶段是锻件成形的关键阶段，
因此，从减小锻模所需的能量来看，希
望第四阶段尽可能短些。

变形力按第三
阶段计算。

@武汉理工大学锤上模锻工艺分析
要点小结
●锤上模锻工艺的特点
●模锻件的分类与工艺性
短轴类锻件、长轴类锻件、复杂类锻件
●开式模锻的变形分析
镦粗变形、飞边形成、型腔充满、打靠
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主讲教师：刘维
模锻件图
●模锻件图是确定模锻工艺和设计锻模的依据，
又是指导模锻工进行生产和检验人员验收锻件的主要技术文件。

冷锻件图用于锻件的检验，
热锻件图用于锻模设计和加工。

模锻件图的内容
分模面的位置
加工余量和公差
模锻斜度
圆角半径
冲孔连皮
技术条件等
●分模面位置的选择
确定分模面位置最基本的原则是：保证锻件形状尽可能与零件形状相同，以及锻件容易从锻模模膛中取出。

确定分模面时，应以镦粗成形为主，还应考虑材料利用率。

分模面的位置与模锻方法直接有关，它决定着锻件内部金属纤维方向。

分模面位置的选择
锻件分模位置一般都选择在具有最大轮廓线的地方，还应考虑下列要求：
①要保证锻件能从型腔中取出来，锻件的侧表面上不得有内凹的形状。

②分模的位置应尽量使型腔的深度最小和宽度最大，金属容易充满型腔。

③为了容易发现模锻时的锻件错移，分模面应尽量使上、下两部分对称，
而且应尽量避免使分模面在过渡面上。

④为了使模具制造方便，尽量采用平面分模，凸出部分也尽量不要高出分
模面。

⑤金属容易充满上模型腔，锻件较复杂部分应尽量安排在上模。

●加工余量和公差的确定
加工余量：模锻件是加工机械产品零件的毛坯，必须留有足够的机械加工余量。

加工余量的确定原则：在不影响产品零件加工的前提下，应尽
量选用小加工余量。

加工余量的大小取决于零件的轮廓尺寸、质量大小
、精度和表面粗糙度。

尺寸公差：指锻件的实际尺寸与锻件图规定的公称尺寸之间的偏差。

在模锻过程中，由于欠压、错模、锻模磨损、锻件表面氧化和锻件冷却收
缩不均等原因，使锻件尺寸在一定范围内上下波动。

尺寸公差的大小取
决于锻件外形尺寸、精度、表面粗糙度等级等。

●模锻斜度的选择
模锻斜度：为便于将成形后的锻件从型
腔中取出，锻模侧壁必须做成一定的斜
度。

外斜度：锻件外壁上的斜度。

内斜度：锻件内壁上的斜度，应比外斜度大一级。

匹配斜度：为了使分模线两侧的模锻斜度相互接头，而人为地增大斜度。

模锻斜度的选择
确定方法：锻件冷却时，外壁收缩离开
型腔，容易出模，而内壁收缩，包住型
腔凸出部分，出模困难，因此，内斜度
应比外斜度大一级。

但为了减少材料损
耗和机加工余量，应尽量选择小的模锻
斜度。

对于锻件本身具有的、大于常用模锻斜
度的斜度称为自然斜度。

●圆角半径的确定
圆角半径：为了便于金属在型腔内流动
，避免锻件产生折伤并保持金属流线的
连续性，提高锻模使用寿命，必须把锻
件上所有尖锐棱角做成圆弧。

锻件上向外突出的圆角半径，称为外圆角半径r；
向内凹进的圆角半径，称为内圆角半径R。

圆角半径的确定
外圆角半径r的作用：使金属易于充满，
避免锻模在热处理和模锻过程中开裂。

内圆角半径R的作用：使金属易于流动
，防止模锻件产生折叠，还防止模膛过
早磨损和被压塌。

较大的圆角半径，有利于金属充满型腔
、提高锻件质量和模具使用寿命；外圆
角半径过大，锻件在圆角处余量减小，
内圆角半径过小，增加金属的消耗。

圆角半径的确定
外圆角半径r按下式确定：
r=余量+c
式中，c为零件上相应处的圆角或倒角。

锻件内圆角半径R应比外圆角半径r大，
一般可取：R=(2~3)r。

为了便于模具制造，选用标准刀具，如
无特殊需求，锻件上同类圆角尽可能取
同一半径值。

冲孔连皮
冲孔连皮：具有通孔的零件，在模锻时不能直接锻出通孔，仅能冲出一个具有一定厚度的盲孔，即孔内还留有一定厚度的金属层。

作用：
①使锻件更接近于零件形状，减少金属消耗，减少机加工；
②减轻锻模的刚性接触，起缓冲作用，避免锻模的损坏。

冲孔连皮
形式：平底连皮（a）、斜底连皮（b）、带仓连皮（cd）、压凹（e）。

冲孔连皮
平底连皮是常用的连皮形式，其厚度S可根据右图确定。

冲孔连皮
当冲孔直径较大时，若采用平底连皮，
因连皮较薄且有大量金属外流，易在靠
近连皮处产生折伤，冲头容易压塌。

斜
底连皮具有一定的斜度，金属容易流动
，冲头不易磨损，但斜底连皮的冲切困
难。

其厚度根据平底连皮厚度S计算：
S大=1.35S，S小=0.65S
d1=0.25~0.35d
模锻件图的技术条件
产品图的主要轮廓线要用点划线在模锻件图上表示，便于表示各部分的加工余量。

通常也将零件尺寸用括号标注在相应锻件尺寸之下。

模锻件图的技术条件
凡是有关锻件质量而又不能在锻件图上表示的，都应写入锻件图的技术条件中。

一般来说，技术条件包含：未注明的模锻斜度和圆角半径、锻件沿中心线的错移量、允许表面缺陷值、锻件允许翘曲范围、允许残留飞边和毛刺的大小、锻件壁厚差的规定、热处理硬度值、锻件的清理方法、印记项目和位置，以及其他特殊要求。

要点小结
分模面的位置 加工余量和公差 模锻斜度
圆角半径
冲孔连皮
技术条件等
谢谢观看
主讲教师：刘维
终锻型腔
●锻件最后成形的型腔，通过它获得带飞边的锻
件，终锻型腔是按照热锻件图设计的。

●终锻型腔设计的主要内容：
绘制热锻件图
确定飞边槽
热锻件图的制订
①热锻件图的尺寸应比冷锻件图的相应尺寸增加一个收缩率。

②当吨位不足产生模锻不足，可适当减小锻件的高度尺寸，其值可接近负
偏差；当型腔承击面不足，易产生承击面塌陷时，可适当增加热锻件的
高度尺寸，其值接近正偏差。

③型腔容易磨损处，应在锻件的负公差范围内增加一定磨损量，以提高锻
模的使用寿命。

④锤上模锻时，锻坯受到与打击力相反方向的惯性力作用而有利于填充上
模，故常把形状复杂、不易充满的型腔设置在上模侧。

飞边槽的确定
开式模锻的终锻型腔周边必须设置飞边槽，其形状及尺寸大小对锻件成形影响很大。

飞边槽具有如下作用：
①容纳多余金属；
②增加金属流入型腔的阻力，迫使金属更好地充满型腔；
③缓冲作用，减轻上下模打击，防止锻模早期破裂和压塌；
④便于切边。

飞边槽的确定
型式Ⅰ：最常用的锤锻模飞边槽结构。

飞边槽的确定
型式Ⅱ：切边时须将锻件翻转或者整个型腔都设在下模的情况时采用。

飞边槽的确定
型式Ⅲ：用于锻件尺寸大而形状较复杂，在算料时不太准确，采用这种飞边型式，飞边仓部能容纳更多的金属。

飞边槽的确定
型式Ⅳ：为了更大的增加金属外流的阻力，迫使金属更好地充满深而复杂的型腔，多用于高筋、分叉或枝芽等难以充满的局部地方。