精密模锻.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,精 密 模 锻,内容简介,引言,精密模锻的优点,精密模锻的分类,精密锻造的现状和发展,精密模锻成形过程的分析,精密模锻变形力的计算,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,精密模锻的辅助工序,精密模锻模具设计,精密模锻实例分析,精密成形技术即近净成形技术或净成形技术,(,near net shape technique and/or net shape technique,）是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，就可用作机械构件的成形技术。,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。,引 言,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、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,材料利用率高,。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。有些件精锻后只需少量加工，有些件不用加工可直接投入使用。如五吨卡车传动轴十字轴，普通锻造工艺每件用料,1.69kg,，精密模锻工艺每件用料只有,0.9kg,。,零件性能好,。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。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,。,Audi,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，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。,产品的尺寸一致性好，精度高,。冷锻的凹模和冲头一般用高速钢制造，正常情况下加工,2000,件直径方向只磨损,0.01mm,左右。如果使用硬质合金凹模，正常寿命可达,100,万件以上，加工,10,多万件才磨损,0.01mm,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、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。,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,。五吨卡车的后刹车凸轮轴的花键，切削加工花键部分每件,3,分钟，挤压花键每件只需,0.4,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 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 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，精密锻造工艺的材料利用率高，尺寸精度高，所以近些年发展很快。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，有关论文表明，近几年 锻件成本下降了2030。,轿车采用精锻件的发展过程,在我国，大部分汽车厂还处在 1965年以前精锻件的水平，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车中的等速连接轴滑套和钟形壳等精锻件。图中 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，让我国的汽车成本降下来，使我国的汽车在世界上有一定的竞争力。,目前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。,为了满足成形零件的要求,降低生产成本,需要不断的开发成形精度高、模具寿命长、生产效率高的精密锻造成形新工艺。,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,）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,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表。,第一类,(,饼盘类,),锻件。其,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精密模锻，均能直接终锻出齿形。,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。,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模锻或多向模锻。,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。,前四类，属于旋转体；后两类属于非旋转体。,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、侧向挤压和镦粗兼压入等几种变形方式,，这里着重论述后三种方式的成形过程。,2.3,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,成形过程大体可分为三个阶段：,开式锻粗阶段,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膛的侧壁接触为止。,模膛充满阶段,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。这个阶段中，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,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。,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。,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,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,:,第一阶段：如图,a,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,b,所示，金属流动特性与开式的不同，模壁限制了径向流动，只能向模膛上下底部充填。当金属与底部接触时，第二阶段结束。,第三阶段：如图,c,所示，模膛内部圆角半径处被充满，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,o-o,、,a,a,、,b-b,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。,1),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,。,高径比大于,1(,图,8a),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,0.5(,图,8b,、,c),时，中心部分相当于刚性区，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，是由于毛坯同凹模模壁间的接触摩擦所引起的。当,H/D1,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，最后集中到下角隙。,同时，模锻时进行良好的润滑和冷却，也可减少磨损。,其特点是当模锻直径不同的齿轮坯时，只需更换上模、下模及模套即可。,如图所示，孔分流腔适用于带有中心孔的圆盘类锻件的闭式模锻。,对有利于金属流动和减小摩擦来说，希望粗糙度低些。,图7 镦粗压入式闭式模锻过程,并且认为，生产批量在300500件以上，经济上就是合理的。,(2)设计碳钢和低合金钢锻坯的经验数据,十字轴挤压终了时示意图,1)当模膛中所有难于充满的部位在未充满之前，变形金属不应当被挤入到分流腔，即分流腔的位置应选择在模膛最后充满的部位；,闭式模锻时，一般只需一个终锻工步。,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,H/D0,5,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近。,2,),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，,如图,8d,g,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，就能计算出任意复杂锻件闭式模锻的变形力。,3),闭式模锻时，在图,8e,g,类锻件外轮缘上出现分流面，分流面以外金属挤入外角隙，分流面以内金属挤入内角隙。,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,8h,所示。,因此，,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,(,图,8g),；充满轮缘角隙，其余同开式模锻,(,图,8h),；多余金属挤入飞边,(,图,8i),。,2,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本体轴线垂直时则称径向挤压。按照,挤压模锻时金属流动的特点，侧向挤压又可分为分流式、汇集式和弯曲式三类,。,分流式,侧向挤压即毛坯金属在,一个冲头,作用下同时或先后向几个不同的方向流动。,汇集式,侧向挤压即毛坯金属在,两个冲头,作用下同时或先后向一个或一个以上的方向流动。,弯曲式,侧向挤压即毛坯金属通,过冲头挤压的方式使其产生弯曲变形,。,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,变形过程大体可分为：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,。自由镦粗、充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。,图,9,为十字轴和,T,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,P,1,的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，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,A,点到,B,点形成凹坑而金属不贴紧上模壁，凹坑的大小取决于,D/d,0,值和侧孔轴线相对于冲头轴线间的夹角。在下部自,E,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,d,0,。变形金属在侧向通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。,图,9,模锻十字轴时侧孔中的金属流动,如果把图,9,所示侧向挤压称为单冲头侧向挤压，那么，对于,T,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，其枝芽的轴向也是垂直于冲头,I,、,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。,2.4,精密模锻变形力的计算,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方案。,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，国内外普遍采用闭式模锻工艺，因此，下面仅介绍闭式模锻变形力的计算。,1.,圆柱体闭式镦粗力的计算,(1),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,12,所示的半径为,、厚度为,h,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,(,图中阴影部分,),时，则作用于其上的均布应力为,r,、,、,r,+d,及,。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，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：,图,12,闭式镦粗变形单元体的受力情况,1.,圆柱体闭式镦粗力的计算,(1),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,12,所示的半径为,、厚度为,h,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,(,图中阴影部分,),时，则作用于其上的均布应力为,r,、,、,r,+d,及,。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，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：,s,闭式镦粗变形条件下的流动应力；,1,变形区自由表面与凹模壁的夹角；,D,凹模工作简直径；,a,角部径向未充满值。,(2),端部出现纵向飞边时的单位压力 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，计算变形力时需要考虑飞边的影响。若在飞边内取一单元体，如图,13,所示，则由平衡方程、塑性条件和边界条件求出,z,向和,x,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表达式：,式中,u,2,变形金属与凸模接触面上的摩擦系数；,纵向飞边高度；,D,凹模直径；,d,凸模直径。,2,闭式精密模锻变形力的一般计算公式,1),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：,2),端部出现纵向飞边时，其单位变形力为：,式中,C,p,锻件形状影响系数。相同变形条件下：对于简单锻件,C,p,1,对于形状中等复杂程度的锻件,C,p,1.2,，对于形状复杂的锻件,C,p,1.3,1.4,；,s,变形条件下金属的流动应力；,I,后充满的下角部,(,或同时充满的角部,),的变形自由表面与凹模壁的倾角，,I,=u,1,(1.234 0.206a),，其中,a,为未充满值；,R,、,D,凹模筒的半径和直径；,a,1,、,a,2,锻件下、上角部的径向未充满值，约等于锻件相应处的圆角半径,(,当上、下角同时充满时，取,a,2,=a,1,),；,b,1,、,b,2,锻件下、上角部的轴向未充满值，可由,和,a,计算；,H,锻件高度；,u,1,变形金属上、下接触面间的摩擦系数；,u,2,变形金属与凹模侧壁的摩擦系数；,3,闭式镦挤力的计算,图,14,为闭式镦挤时的工作状态，所需镦挤力可按下式计算：,p=4.985(1-0.001D)D,2,b,式中,D,镦挤凸模直径；,b,镦挤终了时金属材料的屈服强度。,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,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，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高锻件的尺寸精度。,对于模锻变形力,p,可采用如下公式进行计算。,1,托特,(Tot),公式,式中,W,锻件重量,(,不包括飞边,),；,Y,fi,飞边部分的屈服强度；,Y,fg,锻件本体部分的屈服强度；,b,飞边桥部宽度；,h,飞,飞边桥部高度。,2,列别利斯基公式,A,包括飞边桥部的锻件水平投影面积,;L,锻件长度,;Y,屈服强度,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要变形方式的闭式模锻变形力的计算。,1,枝芽类锻件的闭式模锻力,(1),分流式侧向挤压模锻,对于,T,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较困难，因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,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,(,十字轴,),或二个,(T,形接头,),水平轴颈相连,；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,=s/2,；又将每个侧枝的变形看成沿水平方向的正挤压。这个假设由十字轴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。,十字轴挤压终了时示意图,也可采用下面的公式计算：,其张模力的计算公式为,F,f,锻件的水平投影面积,;F,c,挤压筒的横截面积,;p,0,单位张模力,可取,p,0,=(0.81)p,。由于侧向通道端部有小的排料孔,故计算,p,0,时,其系数可取小值,即取,0.8,。,(2),汇集式侧向挤压模锻,对于汇集式侧向挤压,(,下图,),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,I,和,。,T,形接头挤压终了示意,1),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，其变形情况相当于圆柱体闭式镦粗，所需单位变形力,p,可按式,(2-6),计算。而处于冲头,I,或,下面圆柱体部分的金属变形可视为具有侧压力,p,作用的镦粗。作用在冲头,I,或,上的挤压力计算公式推导如下：,由圆柱体镦粗平衡微分方程，根据边界条件和塑性条件可得：,挤压力为：,单位挤压力为：,若,d,D,，且,h,d,D,，则其单位挤压力为：,式中,i,侧枝角部自由表面与模壁的夹角；,a,角隙径向未充满值。,2),当侧枝通道开有余料孔（孔径,dk,，长度,k,）时单位挤压力的计算。,若,d=D,，则单位挤压力为,2.7,影响精密模锻件尺寸精度的主要因素,一、毛坯体积的波动,二、模膛的尺寸精度和磨损,三、模具温度和锻件温度的波动,四、零件结构的工艺性,五、锻件高度尺寸的变化同各种影响因素的关系,一、毛坯体积的波动,在开式精密模锻中，因为模腔周围设有飞边槽，正常情况下，多余金属全部挤入飞边槽，毛坯体积波动并不影响锻件的尺寸。,在闭式精密模锻中,毛坯体积的波动直接引起锻件尺寸的变化。当不产生飞边或飞边体积不大时,毛坯体积偏差增大将使锻件尺寸偏差增大。,引起坯料体积偏差的原因：下料不准确；加热时坯料烧损质量不一样。,对于如图所示的轴对称锻件，假设模膛水平尺寸不变，那么，毛坯体积的波动仅引起锻件高度尺寸,H1,变化。根据体积不变条件有：,H,1,=VH,1,/V,式中,V,、,V,分别为毛坯体积及其允许的偏差。若不形成飞边，即等于锻件体积及其允许的偏差。,图,19,闭式模锻轴对称锻件的模膛,a),锤上模锻,b),机械压力机上模锻,坯料体积波动控制方法：,精密下料，使下料的质量偏差控制在,1%,以内；,采用调节和补偿方法，对于开式精密模锻通过在分模面周围生成小飞边来调节和补偿，而闭式精密模锻通过设置多余金属分流腔孔来调节和补偿。,二、模膛的尺寸精度和磨损,模膛的尺寸精度和在模锻过程中的磨损对锻件尺寸精度有直接影响，在同一模膛的不同位置，由于变形金属的流动情况和所受到的压力不同，其磨损程度也不相同。,对于开式精密模锻，在大量生产中可采用如下模具磨损公差：,模具的外长度、外宽度和外径尺寸的磨损公差是用外长度、外宽度和外径尺寸乘以表,2,中相应的材料系数而得。这个公差加在锻件外长度、外宽度和外径尺寸的正偏差上。,模具的内长度、内宽度和内径尺寸的磨损公差按同样方法计算,但这个公差加在内长度、内宽度和孔径尺寸的负偏差上。,模具内、外尺寸上单面公差均为计算总值的一半。模具磨损公差不能应用于中心线到中心线间的距离尺寸。,表,2,计算模具磨损公差的材料系数,锻 件 材 料,系 数,锻件材料,系 数,碳钢,低合金钢,高铬马氏体和低碳高铬铁素体不锈耐热钢,(,如,1Crl3,、,2Crl3),镍铬奥氏体不锈钢,(,如,1Cr18Ni9Ti),耐热合金,钛合金,0,004,0.005,0,006,0,007,0.008,0,009,难熔合金,锻铝合金,超硬铝合金,镁合金,黄铜,铜,0,012,0,004,0,007,0,006,0.002,0,002,如果采用少无氧化加热，毛坯通常是没有或只有少量氧化皮，模具的磨损量比模锻有氧化皮的毛坯时可减少约,16,。,当然采用性能更好的模具材料以及对模具进行渗氮等表面处理，可显著地提高模具的耐磨性能。,同时，模锻时进行良好的润滑和冷却，也可减少磨损。,由此，应根据上述多种情况的综合来确定模具的磨损公差。这些计算和考虑均可应用于闭式模锻时模具磨损公差的设计。,在机械压力机上闭式精密模锻时，模壁磨损将引起锻件水平尺寸的增大。若毛坯体积不变，且不产生飞边，或所产生飞边体积不变，此时为获得充满良好的锻件，应减小锻件高度尺寸,H,1,，即调整滑块以改变模具封闭高度来实现。此时，锻件高度尺寸公差,H,1,就不能由垂直方向的磨损决定，而应是锻件水平尺寸磨损公差的函数。,在新模具中，锻件水平方向尺寸取最小值，而高度方向尺寸取最大值；当模具磨损达最大值时，锻件水平尺寸达最大值，而高度方向尺寸达最小值。,按照体积不变条件，锻件高度尺寸公差由水平尺寸公差决定，其关系为：,矩形截面锻件,H1,A1H1/A1+B1H1/B1,圆柱形锻件,H1=2D1H1/D1,A,1,、,B,1,锻件长边和短边尺寸，,A,1,、,B,1,锻件长边和短边尺寸偏差；,H1,、,H1,锻件高度尺寸及其偏差；,D1,、,D1,锻件直径及其偏差。,图,21,在冷镦机上闭式模锻,3,万个,六角螺母后的磨损深度,由磨损特征可以看出，模膛入口至中部模壁的磨损程度最大，而从中部至模底的磨损程度由最小减小至,0,。磨损深度分布曲线的形状与模膛侧向压力分布曲线的形状极为相似，由此可得出模壁磨损深度同其所承受的压力间的关系。,三、模具温度和锻件温度的波动,在模锻过程中模具的温度是波动的。,热模锻时即使采取良好的冷却措施，模具温度一般也在,300,以上。室温下的冷态体积成形，由于金属变形发热导致模具升温，尤其在挤压成形时模具温度也常常升至,100,以上甚至到,200,。,而模具温度的波动会引起模膛容积的变化可按下式计算：,式中,V1,Vt,V0,，模膛容积的变化值；,V0,预定温度下的模膛容积；,Vt,锻造时实测温度下的模膛容积；,1,+,2,+,3,三个互相垂直方向上模膛尺寸相对变化量。,如果模具温度分布均匀，当模具实测温度与预定温度相差,t,时，则,V1/V0=3=3t,式中,模具材料的线膨胀系数。对于淬硬钢,0.000012,由模具温度和锻件温度波动引起的锻件尺寸变化，可按下式计算：,A,A11t1+A22t2,式中,A-A,方向锻件尺寸对公称尺寸的波动值；,A1,在预定温度下,A,方向的锻件尺寸；,t1,模锻结束时锻件温度对预定温度的波动值；,A2,在预定温度下,A,方向的模膛尺寸；,t2,模锻结束时模具温度对预定温度的波动值；,1,、,2,锻件材料和模具材料的线膨胀系数。,计算,A,时，应该注意，提高终锻时的锻件温度将使锻件尺寸减小，而提高模具温度则使锻件尺寸增大。,此外，模具的弹性变形对锻件尺寸精度也有直接影响，润滑剂不均匀和润滑剂残渣会使锻件个别尺寸减小，锻件冷却时也可能变形，必须根据具体情况进行计算。,注意：在热模锻中，如果各种波动因素都处于极限状态，而初始毛坯有精确的体积，这时，模膛和变形金属间的体积波动达,5.4,。,这表明，在闭式模锻中，单纯追求精确的毛坯体积并不能达到预想的效果，必须从下料、加热、模具的耐磨性等多方面采取措施，才能获得良好的效果。尤其在模膛中适当的部位设置余料分流腔，即采用半闭式模锻，可大大降低对上述各种因素的严格限制。,四、零件结构的工艺性,对于闭式精密模锻件而言，由于毛坯在封闭模膛中经塑性变形而获得，故零件的结构即几何形状也是影响锻件尺寸精度的因素之一。这就要求设计者在可能的范围内应考虑其模锻变形特点，设计出适合于闭式精密模锻工艺的锻件形状。而在制订闭式精密模锻工艺方案时，应根据变形过程中金属的流动特点，考虑零件结构对锻件尺寸精度的影响，采取相应的技术措施。,以汽车传动轴万向节的闭式挤压模锻为例,(,图,),该锻件的耳部即叉形端部若完全按零件图来锻造，即使内侧面平行地预留,0.5,1mm,的余量，待锻件冷却后，叉形口部的尺寸也会小于根部尺寸。,而将根部至耳朵顶端内侧相连接成自然的斜度后，所得锻件就不会出现叉形口部尺寸比根部尺寸小的现象，而将口部尺寸由零件的,60mm,减小至锻件的,57mm,，并自上而下地形成斜度，所得锻件的工艺性能更稳定。,五、锻件高度尺寸的变化同各种影响因素的关系,如果已知毛坯尺寸的偏差，那么毛坯体积的最大变化率为：,式中,d,bmin,毛坯最小直径；,L,毛坯长度偏差。,按轧材下料的圆柱形毛坯考虑，应有：,锻件高度尺寸的变化值,H,与模膛磨损、温度波动等各影响因素间的关系为：,式中,V,毛坯体积的绝对变化值；,D,锻件或模膛最大直径；,m,毛坯的高度与直径之比,;1,、,2,毛坯直径的正、负偏差绝对值。,闭式精密模锻工艺的制订,一、锻件的工艺性分析,锻件的工艺性分析，主要考虑锻件的用料、几何形状、尺寸精度和表面质量、生产批量及设备条件等。,（,1,）锻件材料,凡是采用开式精密模锻方法能锻造的任何合金材料，都可以进行闭式精密模锻，一些塑性较差的材料采用闭式精密模锻更为有利。,铝合金、镁合金等轻金属和有色合金适宜于采用闭式精密模锻。因为模锻温度低，不易产生氧化，模具磨损小且锻件表面粗糙度低等。,钢质锻件通常采用热态闭式精密模锻。在低温下钢的变形抗力大，对模具的强度和耐磨性要求较高。同时要求模具有较高的红硬性和抗热疲劳性能等。,(2),锻件形状,所有旋转体锻件和部分形状复杂的锻件还可进行闭式精密模锻。,如齿轮坯、轴承、突缘等旋转体锻件最适合于整体凹模闭式精密模锻。,形状复杂的锻件，只要模锻时能从闭式凹模模膛中取出，就可采用整体凹模闭式精密模锻；若不能采用整体凹模闭式精密模锻，可采用可分凹模闭式精密模锻。,(3),锻件尺寸精度和表面质量,在闭式精密模锻的工艺分析和模具设计中，应考虑上述影响锻件精度的诸因素，进行具体分析计算，以确定锻件的尺寸精度。但是，由于影响因素比较复杂，使得理论上不易准确地计算。实际上，如能在生产中严格控制各因素，则锻件的尺寸精度约比模膛精度低,2,级。,就精密模锻而言，目前，温锻件的尺寸精度可达,4,级，热锻件可达,5,级左右。表面粗糙度则取决于毛坯加热时的氧化程度、模膛的表面粗糙度、模锻时的冷却和润滑以及锻件的冷却条件等。通常，表面粗糙度为,Ra12.5,6.3um,。,二、闭式精密模锻工艺过程的制订,制订闭式精密模锻工艺过程的主要内容如下：,1),根据产品零件图绘制锻件图；,2),确定模锻工序和辅助工序，决定中间毛坯的形状和尺寸；,3),确定加热方法和加热规范；,4),确定清除毛坯表面氧化皮或脱碳层的方法；,5),确定毛坯尺寸、重量及其允许的公差，选择下料方法；,6),选择设备；,7),确定毛坯和模具润滑、冷却方法；,8),确定锻件冷却方法和冷却规范；,9),确定锻件热处理方法。,下面将分别叙述锻件图的制订、模锻工序、中间毛坯的形状及尺寸的确定等问题。,锻件图的制订,1,确定分模面,确定闭式精密模锻件分模面的原则，与开式精密模锻相同，应考虑,模膛易于充满、锻件能从模膛中取出和便于模具加工,等。,在闭式精密模锻中，毛坯金属在凸凹模构成的封闭模腔中变形。锻件形状越复杂，金属流动越困难，因此，应尽可能造成以镦粗或挤压或两者复合的方式成形。,对于整体凹模闭式精密模锻，分模面应选择在锻件与冲头,(,凸模,),接触的端面上；,对于复杂锻件的可分凹模模锻，其可分凹模分模面的选择与开式模锻完全相同。,根据锻件的形状特点，分模面有三种基本形式，即水平分模、垂直分模和混合式分模。对于一些中空或多孔零件，可采用多向闭式模锻，其凹模的分块和冲头的个数常在两块和一个以上，即有多个分模面。,可分凹模的基本型式,a),分平分模,b),垂直分模,c),混合分模,分模面的位置与模锻方法直接有关，而且它决定着锻件内部金属纤维的流线方向。金属纤维流线方向对锻件性能有较大影响。,合理的锻件设计应使最大载荷方向与流线方向一致,。若锻件的主要工作应力是多向的，则应设法造成与其相适应的多向流线。,为此，必须将锻件材料的各向异性,(,即纵向、横向和宽度方向的性能,),与零件外形联系起来，选择恰当的分模面，以保证锻件内部的金属纤维方向与主要工作应力方向一致。,2.,机械加工余量和公差,即使采用可分凹模模锻，锻件上总会有些不便模锻成形的部分,(,如小孔和某些凹槽等,),。凡不便模缎成形的部分，可以加上敷料，以简化锻件的形状。,锻件上凡是尺寸精度和表面质量达不到产品零件图要求的地方，锻后需进行机械加工，这些地方应根据加工方法的要求预留加工余量。其余量和公差的大小根据锻件重量、加工精度要求和形状复杂系数,参考,JB383485(,精密级,),确定。,3,模锻斜度,当模具中没有顶出装置时，锻件应给出模锻斜度，以保证顺利脱模。此时精度模锻与普通模锻一样，,若锻件材料为铝、镁合金时，外模锻斜度分别为,35,和,13,，内模锻斜度分别为,5,7,和,3,5,；,若锻件材料为钢、钛、耐热合金时，外模锻斜度分别为,57,和,35,内模锻斜度分别为,7,、,10,、,2,和,5,、,7,、,9,。模锻斜度公差值为,30,或,1,。,模具中设有顶出装置时,可以不设模锻斜度或只设很小的模锻斜度，如,30,或,1,。,4,圆角半径,锻件的圆角半径直接影响着模锻时的金属流动、模膛充满、模锻力、模具磨损、切削加工余量和锻件转角处的流线切断等。,闭式精密模锻件内外圆角半径的确定与开式精密模锻件的相同。,其外圆角半径和内圆角半径分别为,r,余量,+a R,(2,3)r,式中,a-,零件上相应处的圆角半径或倒角。,表,3,闭式模锻件的最小圆角半径,(mm),锻件高度,H,正常级模锻件,较高级模锻件,R1,和,R2,R3,、,R4,和,R5,R1,和,R2,R3,、,R4,和,R5,5,以下,5,10,10,15,15,25,25,40,40,80,0