材料成形工艺12.07

Pm随面积缩减率R的增加而增加，当 R=1时，Pm增至无限大。R由图7-8确定， 挤压时R值为常数。开式模锻时，由于 工件自由表面的减小而使R值增大，因 此，如果能控制R值的增加就可减小工
作压力。
▪ 在闭式模锻行程末了，其R=1， 当工作压力无限增加时，变形金 属也不可能完全充满模膛。
▪ 如果在与锻件非重要部位对应的 模膛设置一溢流口，当模膛完全 充满时，就可避免工作压力的急 剧增高。
▪ 经实验研究表明，合适的分流孔尺寸（即满足第二条原则） 取决于枝芽模膛的结构特征，通常取：
dk 0.35 ~ 0Biblioteka 4 d• 式中，dk为分流孔直
径；d为锻件枝芽部分 或枝芽模膛直径。
四、模具设计特点
▪ 闭式锻模包括整体凹模和可分凹模在内，除了与普通锻模设计的 共性外，还需注意如下特点。
▪ （1）在凹模上必须设置分流腔。在机械压力机上进行闭式模锻时， 因压力机滑块工作行程固定，必须在模具上主要是在凹模上设置 分流腔。即使在行程不固定的螺旋压力机或液压机上进行闭式模 锻，为了保证锻件高度尺寸的精度，必须对滑块工作行程加以严 格限位，也应在凹模上设置分流腔，以便起到调节作用。
▪ （5）模具上应设置导向装置。为了确保锻件水平方向的尺寸精度， 在模具上通常应当设置导柱导套作为导向装置，对于一些小型圆盘 类或短的圆柱体精密锻件，也可采用间隙较小的凸凹模导向。
第七节 精密模锻的特点及应用
▪ 与普通模锻相比，精密模锻的主要优点是：机械加工余 量少甚至为零；尺寸精度较高，即精密模锻件的尺寸公 差比普通模锻件的尺寸公差小，一般仅为普通模锻件公 差的一半，甚至更小；表面质量好，即精密模锻件的表 面粗糙度较低，表面凹坑等缺陷和切边后留下的残余飞 边宽度限制更严等。
➢ 镦粗阶段（图7-2a） ➢ 充满角隙阶段（图7-2b） ➢ 挤出端部飞边阶段（图7-2c），
▪ 镦粗阶段（图7-2a）从坯料与冲头表面接触开始到坯料金属与凹模模膛最宽 处的侧壁接触为止。与开式镦粗一样，闭式镦粗也分整体闭式镦粗和局部闭 式镦粗两类。前者都是以坯料外径定位，后者都是以坯料的不变形部分定位。
一、常见闭式精密模锻锻件及成形工步选择
▪ 常见的闭式模锻件，并按照锻件形状且参考精密模锻时毛坯的轴线方向进行 分类，如表7-1所示。
第一类（饼盘类）锻件 其外 形为圆形而高度较小。
闭式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， 一般只需一个终锻工步即可； 对于结构复杂的，如编号为 135、144和145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 镦粗制坯和预锻工步，编号为 154、155所示圆锥齿轮锻件， 无论采用开式或闭式模锻，均 能直接终锻出齿形。
1）在毛坯上预留分流孔或形成 减压轴。图7-9为直齿圆柱齿轮 利用分流原理的闭式精密模锻成 形过程。图7-9a为分流孔原理， 即在毛坯中心钻出一直径为D0的 孔，当毛坯在凸模施加压力F的 作用下，分流面以外的金属向外 流动充满凹模齿廓，分流面以内 的金属向内流动，通过减压孔的 收缩而实现分流。图7-9b则是在 凸、凹模的中心孔中形成小圆柱 而实现分流。
1.模具的类型
▪ 闭式模锻模的类型通常按模锻设备和按凹模结构两种方法分类。
（1）按模锻设备分类 可分为锤 用锻模、螺旋压力机用锻模、机 械压力机（包括热模锻压力机、 曲柄压力机等）用锻模、液压机 用锻模和高速锤用锻模。
（2）按凹模结构分类 可分为整 体凹模和可分凹模。可分凹模按 分模面的基本形式又可分为水平 分模、垂直分模和混合式分模三 种，如图7-6所示。对用于一些 中空或多孔零件的多向闭式锻模， 其凹模的分块和冲头的个数常在 两块和一个以上，即多向闭式锻 模。
➢ 二是精锻成品零件，不机加工，完全经过精锻而得到成 品零件的实例尚小。但对于一些关键零件，将其形状复 杂难于切削加工的部分进行精密模锻成形，而其余部分 仍采用切削加工。如齿轮的齿形、叶片的叶身等直接精 锻成形或仅留抛光余量，而花键槽、叶根等仍采用切削 加工。这种精锻与切削加工相结合的方法，其应用越来 越广泛。精密模锻工艺的发展趋势是，由接近形向净形 发展。
▪ 闭式模锻分为整体凹模和可分凹模模锻。
▪ 当前，可分凹模模锻主要沿两条技术路线发展。
➢ 一是由通用模架和可更换的凸、凹模镶块构成 可分凹模组合结构，安装在通用锻压设备如热 模锻压力机或普通曲柄压力机、液压机和螺旋 压力机上使用，实现一些小型锻件的可分凹模 模锻；
➢ 二是采用专用设备，如机械式、液压式或机 械—液压联合式的单动、双动、三动和多向模 锻压力机，实现各种复杂锻件的闭式模锻。
第七章 其他体积金属塑性成形工艺 第一节 挤压成形工艺
▪ 一、挤压的基本方法，特点及应用范围
➢ 挤压是在挤压冲头的强大压力和一定的速度条件作用下， 迫使毛坯金属从凹模型腔中挤出，从而获得所需的挤压 件。
➢ 按毛坯的温度不同可分为冷挤压，即在室温下对毛坯进 行挤压；温挤，即将毛坯加热到金属再结晶温度下某个 适合的温度范围内进行挤压；热挤压，即将毛坯加热到 一般的热锻温度范围内进行挤压。
2.分流降压腔的设计
（1）分流腔的设置原则 ▪ 1）分流腔的位置应选择在模膛最后充满的部位。确保模
膛完全充满后多余金属才分流。 ▪ 2）多余金属分流时在模膛内所产生的压力比模膛刚充满
时所产生的压力没有增加或增加很小，以免增加总的模锻 力和加快模膛的磨损。
▪ （2）几种典型的分流降压腔设计
▪ 分流降压腔，首先根据这两条设计原则，然后根据锻件的形状、尺寸和坯料 的下料精度来设计其结构及尺寸。
➢ 坯料在封闭的模膛内成时，变形金属处于更加强大的 三向压力状态，有利于提高金属材料的塑性和产品的 机械性能；可分凹模闭式模锻常常可减少甚至取消制 坯工步，省去切边和辅助工序，平均提高生产率 25%~50%。
▪ 闭式模锻的主要问题是，对于一些大中型锻件， 模具寿命低，需采取多种措施逐步解决。国内外 总的趋势是，闭式模锻发展快，应用广。
▪ 充满角隙阶段（图7-2b）即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膛角隙完全充满为止。在这一阶段中，变形金属的流 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。
▪ 挤出端部飞边阶段（图7-2c），即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，形成环形纵向飞边。
▪ （2）有深凹穴且形状复杂的模膛的布置。对于水平可分凹模，有 深的凹穴和形状复杂的模膛，最好布置在上模，这样不仅有利于 金属更好地充满模膛，而且也便于清除氧化皮和润滑剂残渣。由 于上模与热锻件接触时间较短，温度较低，因而模具寿命较长。 在模膛深穴处应有通气孔，以便排出空气，保证模膛充满，通气 孔直径一般为1~1.5mm。
2.减少模膛工作压力的设想和分流降压腔的设计
▪ 1.减少模膛工作压力的设想和依据
▪ 通常，模锻时的工作压力主要包括材料的理想变形抗力和摩擦阻力。理想
变形抗力可用下式表示： pi
ym
ln R 1 R
式中，ym为锻件材料的名义流动应力；
R为变形强度，即相对面积缩减率。
由图7-7所示曲线可以看出，工作压力
三、 闭式模锻模具设计
▪ 设计闭式模锻模具时，应根据锻件图、工艺参数、金属流 动分析、变形力和功的计算、设备参数和模具受力等情况， 确定如下内容：
▪ 1）模具工作零件的结构、材料、硬度并核算其强度。 ▪ 2）从模膛中迅速取出锻件的方法。 ▪ 3）确定多余金属分流降压腔的位置、形状和尺寸。 ▪ 4）模具整体结构设计和零件设计。
（2）反挤压 挤压时，金属的流动 方向与凸模的运动方向相反，如图 8-11b所示。反挤压法适用于制造 断面为圆形、方形、长方形，“山” 形、多层圆和多格盒形的空心件。
2. 挤压特点及应用范围
▪ （1）冷挤压特点及应用范围
➢ 采用冷挤压加工可以降低原材料消耗，材料利用率高达 70%~80%。在冷挤压中，毛坯金属处于三向压应力状态，有利 于提高金属材料的塑性且经挤压后金属材料的晶粒组织更加细 小而密实；金属流线不被切断加上所产生的加工硬化特性，可 使冷挤压件的强度大为提高；可以获得高的尺寸精度和较低的 表面粗糙度。
▪ （3）当凹模为可分凹模时，其可分凹模的夹紧力必须大于或等于 模锻时变形金属在分模面上产生的张模力，防止变形金属流入分模 面而形成飞边。
▪ （4）模具的推出装置。精密模锻，尤其是闭式精密模锻，为了能 迅速地从模膛中推出锻件和使模具可靠地工作，在模具设计和制造 中，对推出装置应给予足够的重视。在机械压力机、螺旋压力机和 液压机等设备上精密模锻时，可利用设备上的推出装置迅速将锻件 从模膛中推出。
▪ 与切削加工相比，精密模锻的主要优点：因锻件毛坯的 形状和尺寸与成品零件接近甚至完全一致，因而材料利 用率高；因精密塑性成形，金属纤维的分布与零件形状 一致，因而使零件的力学性能有较大的提高等。所以， 精密模锻也称少无切屑工艺。
▪ 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， 将精密模锻件直接进行精加工而得到成品零件，如齿轮 坯、叶片、小型连杆、管接头、中小型阀体、中小型万 向节叉、十字轴、轿车等速万向节等锻件。是目前的主 要应用方面。
第六节 闭式模锻工艺及模具设计特点
开式模锻（图7-1a）时锻件沿分模面周围形成 横向小飞边， 闭式模锻（图7-1b）时不形成横向飞边而仅形 成极小的纵向飞边。
▪ 闭式模锻比开式模锻具有更多的优点：
➢ 锻件不产生飞边，模锻斜度更小甚至为零，若用可分 凹模闭式模锻还可锻出垂直于锻击方向的孔或凹坑， 材料利用率平均提高20%左右；
➢ 按毛坯材料种类的不同可以分为有色金属及其合金挤压； 黑色金属及其合金挤压。
1.挤压的基本方法
▪ 根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系。最基本的 挤压方法分为正挤和反挤。
（1）正挤压 挤压时，金属的流动 方向与凸模的运动方向一致（图811a）。挤压件的断面形状可以是 圆形、椭圆形、扇形、矩形或棱柱 形，也可以是非对称的等断面挤压 件和型材。
➢ 目前，冷挤压已在机械、汽车、仪表、电器、轻工、宇航、船 舶、军工等工业部门得到较为广泛的应用。
▪ 表7-1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旋转体；后两类，即枝芽类和叉形类属于非旋转体。
二、闭式模锻过程及模锻力的计算
▪ 1. 闭式模锻的变形过程 ▪ 闭式模锻按变形金属充满模膛的方式可分为镦粗式和挤压式两类。 ▪ （1）镦粗式闭式模锻的变形过程 ▪ 镦粗式闭式模锻也称闭式镦粗，其变形过程可以分为三个阶段（图7-2）：
▪ 第四类（杯筒类）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。
▪ 第五类（枝芽类）锻件 包括单枝芽、多枝芽的实心和空心类锻件。这类锻件 多采用可分凹模闭式模锻或多向闭式模锻。
▪ 第六类（叉形类）锻件 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。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。
▪ 第二类（法兰突缘类）锻件。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。闭式模锻时，一般只需一个终锻工步。
▪ 第三类（轴杆类）锻件 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。这类锻件中，对于编号为313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；其余的轴杆类锻件一般都采用闭式局部镦粗成 形。
▪ 这不仅有利于减轻模膛的负荷， 提高模具使用寿命；有利于充满 模膛；而且还有利于降低下料精 度的苛刻要求。
▪ 图7-8 相对面积缩减率R的概念
▪ 摩擦阻力可用下式表示：
Ff
C W
t
▪ 式中，C为比例常数； 为接触
面上的摩擦系数；W/t为工具宽
与变形金属厚度之比。
▪ 由该式可看出，除减小摩擦系数 外，减小工具宽度与变形金属厚 度之比是很重要的，因为接触宽 度中间部分通常成为变形金属的 分界点，而工作压力朝分界点方 向增加，减小宽度尺寸对减小摩 擦力是很有效的。