第十一章 锤上模锻工艺及模具设计

计算法 h 0.015 S
四、钳口的选定
1、钳口作用： （1）放置钳子用来夹持坯料； （2）使锻件容易从型腔中取出； （3）作浇型检验型腔的浇口。
图11-14 钳口
2、钳口位置：（如图11－15） 在终锻型腔和预锻型腔的前端一般要设计钳口。
图11-15 常用钳口
第四节 预锻型腔的设计
作用： 1、改善复杂锻件在终锻型腔中的流动情况； 2、避免在锻件上形成折伤，更好地充满成形； 3、减少终锻型腔的磨损，提高锻模的寿命。
第十一章 锤上模锻工艺及模具设计
模锻件的分类 模锻件图的制定 终锻型腔的设计 预锻型腔的设计
其它型腔设计 毛坯体积计算与尺寸确定
锻锤吨位的确定 锻模的结构设计与锻模材料
返回
1．锤上模锻： 是在压力作用下，毛坯在锻模型腔中产生塑性成形，获得比自由
锻更高质量锻件的方法，适合大批量生产。
2．特点：
(1) 金属在型腔中的变形是在锤头的多
图11-1 模锻锤结构简图 1—滑阀 2—节气阀 3—气缸垫板 4—月牙板
5—螺栓 6—横向调节器 7—纵向调节器 8—踏板 9—下砧 10—下模 11—上模
12—锤头 13—锤杆
第一节 模锻件的分类
模锻件分为三类：（见表11－1） 1、第一类 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， 属于体积变形。
2．尺寸公差：是指锻件的实际尺寸与锻件图规定的公称尺寸之间的 偏差。
（1）在模锻过程中，锻件尺寸在公差范围内波动，其大小取决于锻件 外形尺寸、精度、表面粗糙度等级。 （2）国家标准GB12362-90规定了钢质模锻件公差及机械加工余量。
三、模锻斜度的选择
1、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。模锻斜度有两种：
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。
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。
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，多用于型腔的局部地方。
型式Ⅴ ：主要用于提高模具使用寿命，并便于将锻件放在切边凹模 的细颈上的情况。
4、将多余金属挤入飞边仓部。
图11-11 第四百度文库段子变形区的网格变化
图11-12 第四阶段变形区的应力应变图
三、飞边槽的确定
（1）飞边槽的作用 1）容纳多余的金属。 2）增加金属流入型腔的阻力，迫使金属更好地充满型腔。 3）起缓冲作用，减轻上下模打击，防止锻模早期破裂和压塌。 4）便于切边
（2）飞边槽型式 型式Ⅰ：一般都采用此种型式。
四、圆角半径的确定
1、圆角半径：锻件上所有尖锐棱角都必须做成圆弧，圆弧的半径 称为圆角半径。
外圆角半径r：锻件上向外凸出的圆角半径。作用是使金属 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：向内凹进的圆角半径。作用是使金属易于流 动，防止模锻件产生折叠，还防止模膛过早磨损和被压塌。
图11-17 ａ）预锻 ｂ）终锻
图11-18 预锻型腔水平面上拐角处的圆角型式
（2）型槽的宽与高： 预锻型槽的高度应比终锻型槽的大2～5mm，宽度则比终锻型
腔小1～2mm；横断面面积比终锻型腔稍大些。 预锻型槽不设飞边槽。
（3）模锻斜度：与终锻型槽的相同
图11-19 预锻与终锻的尺寸关系
（4）特殊剖面 锻件个别部位需特殊设计时，以剖面的形式画出。下面介绍 几种特殊剖面 。
缺点： 1、终锻型腔不能设在锻模的中心，产生偏心打击，引起上下模产生错移； 2、增加了模块尺寸； 3、对于尺寸较大的或复杂的锻件，需要预锻时，生产率降低。
预锻型腔一般用于有工字形截面、叉形和带有较高筋的复杂锻件。
图11-16 连杆
一、预锻型腔的设计
以终锻型腔或热锻件图为依据进行设计,与终锻型腔不同的在于： （1）预锻型槽的圆角半径要比终锻型腔的大
图11-6e
带连皮的模锻件，不需绘出连皮的形状和尺寸。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。
六．锻件图的技术条件
1、有关锻件质量而又没在锻件图形上表示的，都写入技术条件。
2、内容：
（1）未注明的模锻斜度和圆角半径；
（2）锻件沿中心线的错移量；
（3）允许表面缺陷值； （4）锻件允许翘曲范围； （5）允许残留飞边和毛刺的大小； （6）锻件壁厚差的规定；
图11-8e 金属流动过程
三、开式模锻的应力应变分析
锤上开式模锻时，上模和下模间的间隙不断变小，变形结束时， 上下模完全打靠。从坯料开始接触模具到上下模打靠，锻造坯料最大 外廓始终敞开，即飞边的仓部未完全充满。
开式模锻的成形过程大体分为三个阶段：
1、锻粗阶段： 锻粗阶段是开式模锻的第一阶段。压下量△H1，模锻力为P1。此时整
在设计冷锻件图时，应考虑下列因素： 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
一、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
图11-10 开式模锻时各变形区的应力应变图
3、打靠阶段： 打靠阶段是开式模锻的第三阶段。压下量△H3，模锻力为P3。此时
金属已完全充满模膛，但上、下模面尚未打靠（锤上模锻结束时要打靠）， 多余金属挤入飞边槽，锻造变形力急剧上升，变形区缩小为模锻件中心部 分区域。
图11-10 开式模锻时各变形区的应力应变图
图11-6a
图11-7 平底冲孔连皮厚度的确定
2）斜底连皮(图11-6b)
当锻件内孔较大（d>2.5d1或d>60mm），采用平底连皮锻造时，锻
件内孔处的多余金属不易向四周排除，容易在连皮周边产生折叠，冲 头部分也易过早磨损或压塌，此时应采用斜底连皮，如图11-6b所示。
图11-6b
s大 1.35s s小 0.65s d1 (0.25 ~ 0.35)d
维方向。
锻件分模位置一般都选择在具有最大轮廓线的地方。此外，还应考 虑下列要求：
（1）保证锻件能从型腔中取出，锻件的侧表面上不得有内凹的形状；
（2）分模的位置要尽量使型腔的深度最小和宽度最大，使金属容易 充满型腔。
（3）容易发现锻件的错移，分模面应尽量使上、下两部分对称，避 免分模面选择在端面上；
实际情况可根据零 件图的要求和模锻车 间具体情况，经供需 双方协商后制定的。
（7）热处理硬度值；
（8）锻件的清理方法；
（9）印记项目和位置；
（10）其它特殊要求等。
第三节 终锻型腔的设计
终锻型腔：是锻件最后成形的型腔，通过它获得带飞边的锻件，其按 照热锻件图进行设计。
一、热锻件图的绘制
热锻件图是根据冷锻件图制定的，但两者不完全一样，需要注意： 1.热锻件图的尺寸应比冷锻件图的尺寸增加一个收缩率。 2.当吨位不足产生模锻不足时，适当减小锻件的高度尺寸使其值接近 负偏差；当型腔承击面不足，适当增加热锻件的高度尺寸使其值接近正偏 差。 3.型腔容易磨损处，应在锻件负公差的范围内增加一定磨损量。 4.锻件上形状复杂且较高的部分应尽量放在上模。
终锻型腔 =热锻件图+飞边
二、开式模锻成形过程
锤上模锻时，金属的流动过程大概可分为四个阶段： 第一阶段 镦粗变形过程（如图11－8a）
坯料发生镦粗变形或局部压入变形，在金属与模壁接触时结束，镦 粗所需的变形力不大。
第二阶段 飞边形成过程（如图11－8b）
金属流向高度方向的同时，开始流入飞边槽，出现少许飞边，变形 力显著增大。
个坯料都产生变形，在坯料内部近似存在分流面。分流面外的坯料金属流 向法兰部分，分流面内的金属流向凸台部分。
图11-9 孔板件镦粗时各变形区的应力应变图
2、充满模膛阶段： 充满模膛阶段是开式模锻的第二阶段。压下量△H2，模锻力为P2。
这时下模膛已经充满，凸台部分尚未充满，金属开始流入飞边槽。随着 桥部金属变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸台和角部， 直到完全充满模膛，变形区仍然遍布整个坯料。
（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）锻件较复杂部分应尽量安排在上模。
二、加工余量和公差的确定
1．加工余量：锻件上凡是尺寸精度和表面品质达不到零件图要求的部 位，需要在锻后进行机械加工，这些部位应预留加工余量。
确定加工余量的原则：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、重量大小、 精度和表面粗糙度等。
次打击下逐步完成的，冲击力使金属变形具
有流动惯性，有利于金属充填型腔。
(2) 在锤上可实现多种工步成形，锤头
打击速度快，生产效率高，模具常采用整体
结构。
(3) 由于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，锻件起模困难，模锻
斜度宜适当大些。(5) 操作方便、劳动强度 比自由锻小。
1）叉形劈开部分：劈开台的形式有两种（图11-20）。
图11-20 劈开台
2）工字形断面设计（图11-21）
工字形断面的预锻型腔设计方法一： 当h＜2b时，B’=B－(2～3)mm,图11-22a; 当h＞2b时，B’=B－(1～2)mm,图11-22b。
图11-4 锻件圆角半径
2、圆角半径的取法： 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寿命。
外圆角半径r ＝余量＋c。 内圆角半径R应比外圆角半径r大，一般可取：
R＝（2～3）r
五、冲孔连皮
定义： 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，称为冲孔连皮。
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。 自然斜度：锻件本身具有的、大于常用的模锻斜度。 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。
锻件成形后，外模锻斜 度有助于锻件出模，内 模锻斜度的金属由于收 缩反而将模膛的突起部 分夹得更紧。
图11-8a
图11-8b
第三阶段 型腔充满过程（如图11－8c）
三向压应力状态，金属向飞边流动，变形抗力上升，径向阻力增大， 促使整个型腔得以充满。
第四阶段 打靠或锻足阶段（如图11－8d）
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， 所需的打击力最大。
图11-8c
图11-8d
压下量与打击力的关系如图
2、第二类 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，近 似认为是平面变形。
3、第三类 复杂外形锻件 具有以上两类锻件特征的组合。
第二节 模锻件图的制定
模锻件图:模锻件图是确定模锻工艺和设计锻模的依据， 是指导生产和验收锻件的主要技术文件。
锻件图分为: 冷锻件图:冷锻件图用于锻件的检验； 热锻件图：热锻件图用于锻模设计与加工。
型式Ⅵ、 Ⅶ ：均为楔形飞边，主要依靠飞边桥部斜面产生的水平分 力阻止金属外流。型式Ⅵ用于预锻型腔，型式Ⅶ用于终锻型腔。
型式Ⅷ ：扩张型飞边，主要用于锻件形状简单，容易充满的情况。
3．飞边槽尺寸确定 （1）飞边槽最主要的尺寸是桥部高度尺寸h飞，宽度b。 （2）h飞增大，阻力减小，h飞减小，阻力增大；桥部b增加时阻力增 大。 （3）确定方法： 锻锤吨位法
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。
形式： 平底连皮 斜底连皮 带仓连皮
（1）冲孔连皮的形式
图11-6 冲孔连皮的形式
（2）连皮尺寸的确定方法 1）平底连皮(图11-6a) 是常用的连皮形式，其厚度s可根据图11-7确定。
3）带仓连皮 如果锻件要经过预锻成形和终锻成形，在预锻模膛中可采用斜底连皮，
在终锻模膛中可采用带仓连皮。带仓连皮的厚度s和宽度b可按飞边槽桥部高 度h和桥部宽度b确定。仓部体积应能够容纳预锻厚斜底连皮上多余的金属。
图11-6c
图11-6d
（4）压凹 当锻件内孔直径较小，不易锻出连皮，应改为压凹形式，如图11-6e。 通过压凹变形有助于小头部分饱满成形。