第六章模锻成形工序分析课件

1、锻造工艺学第六章第六章 模锻成形工序分析模锻成形工序分析v模锻利用模具使毛坯变形而获锻件的锻造方法。模锻利用模具使毛坯变形而获锻件的锻造方法。v按成形方法的不同，模锻工艺可分为开式模锻、按成形方法的不同，模锻工艺可分为开式模锻、闭式模锻、挤压和顶镦四类。闭式模锻、挤压和顶镦四类。v模锻按使用的设备不同分为模锻按使用的设备不同分为锤上模锻锤上模锻、热模锻、热模锻压力机上模锻、曲柄压力机上模锻、平锻机上压力机上模锻、曲柄压力机上模锻、平锻机上模锻及摩擦压力机上模锻等。模锻及摩擦压力机上模锻等。锻造工艺学模锻特点：模锻特点： (1)(1)可以锻造形状较复杂的锻件，尺寸精度较高，表可以锻造形状较复杂的

2、锻件，尺寸精度较高，表面粗糙度较低；面粗糙度较低； (2) (2)锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高；锻件的机械加工余量较小，材料利用率较高； (3) (3)操作简单劳动强度较小；操作简单劳动强度较小； （4 4）生产率较高，锻件成本低；）生产率较高，锻件成本低； (5(5）设备投资大，模具成本高；）设备投资大，模具成本高； （6 6）生产准备周期、尤其是锻模的制造周期都较长，）生产准备周期、尤其是锻模的制造周期都较长，只适合大批量生产；只适合大批量生产； （7 7）工艺灵活性不如自由锻。）工艺灵活性不如自由锻。锻造工艺学锻造工艺学第一节第一节 概述概述控制锻件的最终形状和尺寸控制锻件的最

3、终形状和尺寸控制金属的流动方向控制金属的流动方向控制塑性变形区控制塑性变形区提高金属的塑性提高金属的塑性 控制坯料失稳提高成形极限控制坯料失稳提高成形极限锻造工艺学控制锻件的最终形状和尺寸控制锻件的最终形状和尺寸设计模具注意事项：设计模具注意事项：1 1）热锻时应考虑锻件和）热锻时应考虑锻件和模具的热收缩；模具的热收缩；2 2）精密成形时还应该）精密成形时还应该考虑模具的弹性变形。考虑模具的弹性变形。锻造工艺学控制金属的流动方向控制金属的流动方向 各质点向着阻力最小方向移动，各质点向着阻力最小方向移动， 因此依靠不同的工具，采取不同的加载方式在变形因此依靠不同的工具，采取不同的加载方式在变形体

4、内建立不同的应力场实现对金属流动物体内方向的控体内建立不同的应力场实现对金属流动物体内方向的控制制锻造工艺学控制塑性变形区控制塑性变形区 主要靠利用不同工具在坯料内产生不同的应力状态，主要靠利用不同工具在坯料内产生不同的应力状态，使部分金属满足屈服准则，另一部分金属不满足屈服准使部分金属满足屈服准则，另一部分金属不满足屈服准则，达到控制变形区的目的则，达到控制变形区的目的锻造工艺学提高金属的塑性提高金属的塑性 金属的塑性与应力状态有很大关系，静水压力越大，金属的塑性与应力状态有很大关系，静水压力越大，材料的塑性越高，而各种应力状态是通过相应的工具在坯材料的塑性越高，而各种应力状态是通过相应的工

5、具在坯料中建立的。料中建立的。锻造工艺学控制坯料失稳提高成形极限控制坯料失稳提高成形极限锻造工艺学控制坯料失稳提高成形极限控制坯料失稳提高成形极限锻造工艺学 第一节第一节 开式模锻开式模锻锻造工艺学一、开式模锻变形过程一、开式模锻变形过程第第阶段是由开始模压到金属与模具侧壁接阶段是由开始模压到金属与模具侧壁接触为止；触为止；第第阶段结束到金属充满模膛为止是第阶段结束到金属充满模膛为止是第阶阶段；段；金属充满模膛后，多余金属由桥口流出，此金属充满模膛后，多余金属由桥口流出，此为第为第阶段。阶段。锻造工艺学一、开式模锻变形过程一、开式模锻变形过程第第阶段：由开始模压到金属与模具侧壁接触为止阶段：由

6、开始模压到金属与模具侧壁接触为止锻造工艺学一、开式模锻变形过程一、开式模锻变形过程第第阶段：第阶段：第阶段结束到金属充满模膛为止阶段结束到金属充满模膛为止锻造工艺学一、开式模锻变形过程一、开式模锻变形过程第第阶段：金属充满模膛后，多余金属由桥口流出阶段：金属充满模膛后，多余金属由桥口流出锻造工艺学二、开式模锻各阶段的应力应变分析二、开式模锻各阶段的应力应变分析 变形金属可分为变形金属可分为A A、B B两区，两区，A A区为主要受力区，区为主要受力区，B B区的受力主要是区的受力主要是由由A A区的变形引起的；区的变形引起的；A A区可分为内外两区，其间有一个流动分界面。区可分为内外两区，其间

7、有一个流动分界面。第第阶段阶段锻造工艺学二、开式模锻各阶段的应力应变分析二、开式模锻各阶段的应力应变分析 金属也有两个流动方金属也有两个流动方向，金属一方面充填模腔向，金属一方面充填模腔，一方面由桥口处流出形，一方面由桥口处流出形成飞边，这时由于模壁阻成飞边，这时由于模壁阻力，特别是飞边桥口部分力，特别是飞边桥口部分的阻力作用，迫使金属充的阻力作用，迫使金属充满模膛。满模膛。 这一阶段金属处于三这一阶段金属处于三向压应力状态，变形抗力向压应力状态，变形抗力迅速增大迅速增大 第第阶段阶段锻造工艺学二、开式模锻各阶段的应力应变分析二、开式模锻各阶段的应力应变分析第第阶段阶段锻造工艺学二、开式模锻各

8、阶段的应力应变分析二、开式模锻各阶段的应力应变分析 主要是将多余金属排入飞边。此时流动界面已不存主要是将多余金属排入飞边。此时流动界面已不存在，变形仅发生在分模面附近的一个区域内，其它部位在，变形仅发生在分模面附近的一个区域内，其它部位第第阶段：阶段：则处于弹性状态；多于金属由桥口流出时阻力很大，使则处于弹性状态；多于金属由桥口流出时阻力很大，使变形抗力急剧增大变形抗力急剧增大锻造工艺学二、开式模锻各阶段的应力应变分析二、开式模锻各阶段的应力应变分析第第阶段是锻件成形的关键阶段；阶段是锻件成形的关键阶段；第第阶段是模锻变形力最大的阶段。阶段是模锻变形力最大的阶段。 所以研究锻件的成形问题，主要

9、研究第所以研究锻件的成形问题，主要研究第阶段；而计算变形力时，则应按第阶段；而计算变形力时，则应按第阶段阶段锻造工艺学三、开式模锻时影响金属成形的主要因素三、开式模锻时影响金属成形的主要因素模膛（模锻件）的具体尺寸和形状；模膛（模锻件）的具体尺寸和形状；飞边槽桥口部分的尺寸和飞边槽的位置；飞边槽桥口部分的尺寸和飞边槽的位置；终锻前坯料的具体形状和尺寸；终锻前坯料的具体形状和尺寸；坯料本身性质的不均匀情况，主要指由于温度不坯料本身性质的不均匀情况，主要指由于温度不均匀引起的各部分金属流动极限的不均匀情况；均匀引起的各部分金属流动极限的不均匀情况；设备工作速度。设备工作速度。锻造工艺学1 1、模、

10、模膛（模锻件）尺寸和形状的影响膛（模锻件）尺寸和形状的影响模壁与变形金属的摩擦系数模壁与变形金属的摩擦系数 变形金属与模壁的摩擦阻力小，变形金属与模壁的摩擦阻力小，有利于金属充满模腔有利于金属充满模腔模壁斜度：模壁斜度： 模壁斜度是为了模锻后锻件模壁斜度是为了模锻后锻件易于取出，但模壁斜度对金属充易于取出，但模壁斜度对金属充填模腔不利填模腔不利锻造工艺学1 1、模、模膛（模锻件）尺寸和形状的影响膛（模锻件）尺寸和形状的影响孔口圆角半径：孔口圆角半径： 孔口圆角半径越小，在孔口处金属质点要拐一个很大孔口圆角半径越小，在孔口处金属质点要拐一个很大的角度再流入孔内，需消耗较多的能量，不易充满模膛的角

11、度再流入孔内，需消耗较多的能量，不易充满模膛模膛的宽度与深度：模膛的宽度与深度： 模膛愈窄时，金属向孔内流动时的阻力越大，孔内金模膛愈窄时，金属向孔内流动时的阻力越大，孔内金属的降温也越严重，充满模膛越困难属的降温也越严重，充满模膛越困难模具温度：模具温度： 模具温度较低时，金属流入孔部后，温度很快降低，模具温度较低时，金属流入孔部后，温度很快降低，变形抗力增大，充填模膛困难变形抗力增大，充填模膛困难锻造工艺学2 2、飞边槽、飞边槽的影响的影响飞边槽飞边槽仓部仓部阻止金属外流，迫使金属充满模膛。阻止金属外流，迫使金属充满模膛。另外，使飞边减薄，以便于切除。另外，使飞边减薄，以便于切除。用以容纳

12、多余的金属，以免金属流到用以容纳多余的金属，以免金属流到分模面上，影响上下模打靠。分模面上，影响上下模打靠。桥口桥口锻造工艺学2 2、飞边槽的影响、飞边槽的影响锻造工艺学飞边槽桥口飞边槽桥口的摩擦阻力的摩擦阻力sshbhb飞飞21 桥口阻止金属外流的作用主要是由于沿上下接桥口阻止金属外流的作用主要是由于沿上下接触面摩擦阻力作用的结果。触面摩擦阻力作用的结果。桥口阻力（摩擦力在桥口处引起的径向压应力）为：桥口阻力（摩擦力在桥口处引起的径向压应力）为：锻造工艺学飞边槽桥口飞边槽桥口阻力的影响因素阻力的影响因素桥口阻力大小与桥口阻力大小与b b和和h h飞飞有关，桥口越宽，高度越小，有关，桥口越宽，

13、高度越小，阻力越大阻力越大桥口阻力与飞边部分的变形金属的温度有关，温度越桥口阻力与飞边部分的变形金属的温度有关，温度越低，桥口部分阻力越大；模锻时，飞边同时与上下模接低，桥口部分阻力越大；模锻时，飞边同时与上下模接触时间越长，金属冷却的越快，桥口部分的阻力越大触时间越长，金属冷却的越快，桥口部分的阻力越大同一锻件的不同部分充满得难易程度不同，在锻件上同一锻件的不同部分充满得难易程度不同，在锻件上较难充满的部分加大桥口阻力，从模具制造方便出发，较难充满的部分加大桥口阻力，从模具制造方便出发，生产中常常是加大此处的桥口宽度；对锻件上难充满的生产中常常是加大此处的桥口宽度；对锻件上难充满的部分，还常

14、常在桥口部分增加一个制动槽。部分，还常常在桥口部分增加一个制动槽。 锻造工艺学桥口有制动槽的飞边槽桥口有制动槽的飞边槽锻造工艺学飞边槽发展的过程飞边槽发展的过程1 1、一般的飞边槽、一般的飞边槽2 2、小飞边模锻、小飞边模锻3 3、楔形飞边槽、楔形飞边槽4 4、扩张形飞边槽、扩张形飞边槽5 5、无飞边模锻、无飞边模锻锻造工艺学一般飞边槽一般飞边槽 模锻初期，由于模锻初期，由于h h飞飞较大，产生的阻力小，毛坯在高较大，产生的阻力小，毛坯在高度中间处变形最大，因此，大量的金属流入飞边槽度中间处变形最大，因此，大量的金属流入飞边槽锻造工艺学小飞边模锻小飞边模锻 改变分模面的位置，将飞边装置设置在变

15、形较困难改变分模面的位置，将飞边装置设置在变形较困难的毛坯端部，模锻初期，金属的流动就受到了侧壁的限的毛坯端部，模锻初期，金属的流动就受到了侧壁的限制制锻造工艺学小飞边模锻小飞边模锻 对某些形状的锻件，在模锻最后阶段，变形区集中对某些形状的锻件，在模锻最后阶段，变形区集中分布在分模面附近，远离分模面的部分不容易充满。分布在分模面附近，远离分模面的部分不容易充满。锻造工艺学楔形飞边槽楔形飞边槽 主要依靠桥口斜面产生的水平分力阻止金属外主要依靠桥口斜面产生的水平分力阻止金属外流，飞边部分金属消耗减少一倍；这种飞边与锻件流，飞边部分金属消耗减少一倍；这种飞边与锻件连接处较厚，切边较困难连接处较厚，切

16、边较困难锻造工艺学扩张型飞边槽扩张型飞边槽 在模锻的第一第二阶段，桥口部分对金属外流有一定阻力作用；而最在模锻的第一第二阶段，桥口部分对金属外流有一定阻力作用；而最后阶段，对多余金属的外流无阻碍作用，可以较大程度的减小变形力，使后阶段，对多余金属的外流无阻碍作用，可以较大程度的减小变形力，使上下模压靠。上下模压靠。 主要用于形状简单，比较容易充满成形，但由于某些原因变形力主要用于形状简单，比较容易充满成形，但由于某些原因变形力较大，常易产生模锻不足（欠压），模具易磨损的锻件。较大，常易产生模锻不足（欠压），模具易磨损的锻件。锻造工艺学无飞边模锻无飞边模锻 凸凹模间隙方向与模具运动的方向平行，间

17、隙很小，且间隙大小凸凹模间隙方向与模具运动的方向平行，间隙很小，且间隙大小在变形过程中不变；在变形过程中不变； 易产生毛刺，充不满，变形抗力大，模具易损坏易产生毛刺，充不满，变形抗力大，模具易损坏锻造工艺学3 3、设备工作速度的影响、设备工作速度的影响 设备工作速度高时，金属流动的速度也快，这将使设备工作速度高时，金属流动的速度也快，这将使摩擦系数有所降低，金属流动的惯性和变形热效应的作摩擦系数有所降低，金属流动的惯性和变形热效应的作用也显得突出了。正确的利用这些因素的作用，有助与用也显得突出了。正确的利用这些因素的作用，有助与金属充填模膛，得到外形复杂、尺寸精确的锻件金属充填模膛，得到外形复

18、杂、尺寸精确的锻件锻造工艺学第二节第二节 闭式模锻闭式模锻闭式模锻（无飞边模锻）的特点：闭式模锻（无飞边模锻）的特点：减少飞边材料损耗减少飞边材料损耗节省切边设备节省切边设备有利于金属充满模膛，有利于进行精密模锻有利于金属充满模膛，有利于进行精密模锻闭式模锻时金属处于明显的三向压应力状态闭式模锻时金属处于明显的三向压应力状态，有利于低塑性材料的成形，有利于低塑性材料的成形锻造工艺学闭式模锻闭式模锻闭式模锻进行的必要条件：闭式模锻进行的必要条件：坯料体积准确；坯料体积准确；坯料形状合理并能在模膛内准确定位；坯料形状合理并能在模膛内准确定位；能够较准确地控制打击能量或模压力；能够较准确地控制打击能

19、量或模压力；有简便的取件措施或顶料机构。有简便的取件措施或顶料机构。锻造工艺学闭式模锻的变形过程分析闭式模锻的变形过程分析 闭式模锻分为三个变形阶段：闭式模锻分为三个变形阶段：第第阶段是基本成形阶段：阶段是基本成形阶段：由开始变形到金属基本充由开始变形到金属基本充满模膛，此阶段变形力的增加相对较慢，继续变形时变满模膛，此阶段变形力的增加相对较慢，继续变形时变形力将急剧增加形力将急剧增加第第阶段是充满阶段：阶段是充满阶段：由第一阶段结束到金属完全充由第一阶段结束到金属完全充满模膛为止，此阶段结束时变形力比第一阶段末可增大满模膛为止，此阶段结束时变形力比第一阶段末可增大2-32-3倍，但变形量却很

20、小倍，但变形量却很小第第阶段是形成纵向飞边阶段：阶段是形成纵向飞边阶段：此时坯料基本已成为此时坯料基本已成为不变形的刚体，只有在极大的模压力作用下，或在足够不变形的刚体，只有在极大的模压力作用下，或在足够的打击能量下，才能使端部的金属产生变形流动，形成的打击能量下，才能使端部的金属产生变形流动，形成纵向飞边纵向飞边锻造工艺学闭式模锻的变形过程简图闭式模锻的变形过程简图锻造工艺学闭式模锻的变形过程分析闭式模锻的变形过程分析由以上分析可以看出：由以上分析可以看出： 1 1）闭式模锻过程易在第二阶段末结束，即应在形成飞）闭式模锻过程易在第二阶段末结束，即应在形成飞边前结束，应该允许在分模面处有少量充

21、不满或仅形成很矮边前结束，应该允许在分模面处有少量充不满或仅形成很矮的飞边的飞边 2 2）坯料体积的精确性对锻件尺寸和是否出现纵向飞边有）坯料体积的精确性对锻件尺寸和是否出现纵向飞边有重要影响重要影响 3 3）打击能量或模压力是否合适对）打击能量或模压力是否合适对闭式模锻的成形情况有重要影响闭式模锻的成形情况有重要影响 4 4）坯料形状和尺寸比例是否合适，）坯料形状和尺寸比例是否合适，在模膛中定位是否正确对金属分布的在模膛中定位是否正确对金属分布的均匀性有重要影响均匀性有重要影响锻造工艺学第三节第三节 挤压挤压 挤压是金属在三个方向的不均匀压应力的作用下，挤压是金属在三个方向的不均匀压应力的作

22、用下，从模孔中挤出或流入模膛内以获得所需尺寸、形状的制从模孔中挤出或流入模膛内以获得所需尺寸、形状的制品或零件的锻造工序。品或零件的锻造工序。冶金厂冶金厂 型材型材机械制造厂机械制造厂 锻件和零件锻件和零件锻造工艺学一、挤压工艺特点一、挤压工艺特点提高金属的变形能力提高金属的变形能力生产制品综合质量高生产制品综合质量高 挤压变形可以改善金属材料的组织，提高其力学性能，与挤压变形可以改善金属材料的组织，提高其力学性能，与轧制、锻造等加工方法相比，挤压制品的尺寸精度高、表面质轧制、锻造等加工方法相比，挤压制品的尺寸精度高、表面质量好。量好。节约原材料节约原材料 挤压属于少、无切削加工，大大节约了原

23、材料。挤压属于少、无切削加工，大大节约了原材料。 产品范围广产品范围广 锻造工艺学二、挤压工艺分类二、挤压工艺分类按照金属流动方向和加压方向的关系分：按照金属流动方向和加压方向的关系分： 正挤压：金属被挤出方向与加压方向相同；正挤压：金属被挤出方向与加压方向相同； 反挤压：金属被挤出方向与加压方向相反；反挤压：金属被挤出方向与加压方向相反； 复合挤压：一部分金属的挤出方向与加压方向相同，另复合挤压：一部分金属的挤出方向与加压方向相同，另一部分金属的挤出方向与加压方向相反，是正挤和反挤的一部分金属的挤出方向与加压方向相反，是正挤和反挤的复合；复合；按照坯料温度分：按照坯料温度分： 冷挤压、温挤压

24、和热挤压冷挤压、温挤压和热挤压热挤压主要用于大型钢锭，以获得具有相当长度的棒材或各种型热挤压主要用于大型钢锭，以获得具有相当长度的棒材或各种型材的半成品。材的半成品。温挤压和冷挤压则主要采用小型坯料，可获得成品零件或只需要温挤压和冷挤压则主要采用小型坯料，可获得成品零件或只需要进行少量机加工的半成品。进行少量机加工的半成品。锻造工艺学项目项目变形方法变形方法冷挤压冷挤压温挤压温挤压变形温度范围（变形温度范围（）室温室温200200850850产品精度（产品精度（mmmm）0.030.030.250.250.050.050.250.25零件组织零件组织晶粒细化晶粒细化零件表面质量零件表面质量无氧

25、化、脱氧无氧化、脱氧几乎没有氧化、脱氧几乎没有氧化、脱氧工序数量工序数量多多比冷挤压少比冷挤压少能量消耗能量消耗少少较少较少劳动条件劳动条件好、难于组织连好、难于组织连续生产续生产好、易于组织连续生产好、易于组织连续生产锻造工艺学径向挤压：径向挤压： 挤压时金属的流动方向与凸模轴线方向相垂直挤压时金属的流动方向与凸模轴线方向相垂直（如图（如图7.1.27.1.2）所示）所示 减径挤压：减径挤压： 是一种变形程度较小的变态正挤压法，毛坯断面是一种变形程度较小的变态正挤压法，毛坯断面仅作轻度缩减（如图仅作轻度缩减（如图7.1.37.1.3） 。主要用于制造直径差。主要用于制造直径差不大的阶梯轴类挤

26、压件以及作为深孔薄壁杯形件的修不大的阶梯轴类挤压件以及作为深孔薄壁杯形件的修整工序。挤压花键（如图整工序。挤压花键（如图7.1.4)7.1.4)二、挤压工艺分类二、挤压工艺分类锻造工艺学锻造工艺学锻造工艺学锻造工艺学变形过程分为四个阶段：镦粗变形阶段、稳定侧挤阶变形过程分为四个阶段：镦粗变形阶段、稳定侧挤阶段、充填侧腔阶段和挤压完成阶段段、充填侧腔阶段和挤压完成阶段锻造工艺学锻造工艺学锻造工艺学三、挤压的变形分析三、挤压的变形分析按变形情况将坯料分为按变形情况将坯料分为、四个区域。四个区域。区为弹性变形区；区为弹性变形区；区为塑性变形区；也是正挤压的主要变形区；区为塑性变形区；也是正挤压的主要

27、变形区；区被称作区被称作“死区死区”，该区变形阻力较大，不参与塑性变，该区变形阻力较大，不参与塑性变形；形；区被称作已变形区。区被称作已变形区。挤压成形时，坯料在三向压应力作用下产生一向伸长双向压缩变形。挤压成形时，坯料在三向压应力作用下产生一向伸长双向压缩变形。压应力状态提高材料的塑性，但也增大了变形抗力。压应力状态提高材料的塑性，但也增大了变形抗力。锻造工艺学四、挤压时常见缺陷的分析四、挤压时常见缺陷的分析挤压时常见的缺陷：挤压时常见的缺陷：“死角区死角区”剪裂和折迭剪裂和折迭挤压挤压“缩孔缩孔”裂纹裂纹锻造工艺学死区形成原因死区形成原因凹模底部摩擦。越靠近凹模侧壁处摩擦阻力越大，凹模底部

28、摩擦。越靠近凹模侧壁处摩擦阻力越大，而孔口部分较小，因此而孔口部分较小，因此“死区死区”一般呈三角形。一般呈三角形。热挤压时，越靠近筒壁处，金属温度降低越多，变热挤压时，越靠近筒壁处，金属温度降低越多，变形也越困难。形也越困难。锻造工艺学“死区死区”的剪裂和折迭的剪裂和折迭在挤压过程中此区金属有两种可能情况：在挤压过程中此区金属有两种可能情况：一般情况下此区金属还是可以变形的；一般情况下此区金属还是可以变形的；如果摩擦阻力很大或此处金属温度降低较大时，此区如果摩擦阻力很大或此处金属温度降低较大时，此区成为真正成为真正“死区死区”。锻造工艺学解决措施解决措施改善润滑条件改善润滑条件 挤压成形时，

29、单位压力和摩擦阻力都很大。因此，坯料的软化处理挤压成形时，单位压力和摩擦阻力都很大。因此，坯料的软化处理和良好的润滑在挤压成形中占有非常重要的地位。和良好的润滑在挤压成形中占有非常重要的地位。对冷挤压而言，为达到充分软化的目的，毛坯必须进行退火处理，对冷挤压而言，为达到充分软化的目的，毛坯必须进行退火处理，需要进行多次挤压的工件，一般要在各道挤压工序之间进行中间退火。需要进行多次挤压的工件，一般要在各道挤压工序之间进行中间退火。对于有色金属，如铝合金和黄铜等，要求退火软化后的硬度控制在对于有色金属，如铝合金和黄铜等，要求退火软化后的硬度控制在70HBS以下，低碳钢则以下，低碳钢则110130HBS以为宜。以为宜。在挤压成形中，良好的润滑可以降低模具与变形金属