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1、材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程第二节 第二节 自由锻基本工自由锻基本工 序分析序分析材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程10.1 10.1 镦粗镦粗材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、定义：使毛坯高度减小而横截面增大的成形工序。 、镦粗用于：、由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高 度较小的锻件； 、冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面；、 提高锻件的机械性能和减小机械性能的异向性 ； 、反复进行镦粗和拔长可以破碎合金工具钢中的 碳化物，并使其均匀分布。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程
2、材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、主要质量问题：侧表面易产生纵向或呈 45方向的裂纹；锭料镦粗后上、下端常保留铸态组 织；高坯料镦粗时常由于失稳而弯曲等。、变形流动特点：、一般坯料（H/D=0.82）在平板间镦粗时 ，外观呈现鼓形（中间直径大，两端直径小）。通过网 格实验（对试件变形前后网格的测量和计算）可以看出 镦粗时坯料内部的变形是不均匀的。变形程度沿轴向和 径向的分布如下图： 、镦粗工序的主要质量问题和变形流动特、镦粗工序的主要质量问题和变形流动特 点（以园截面坯料为例）点（以园截面坯料为例）材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程图8-1 平砧镦粗 图8-2平砧
3、镦粗时坯料子午面 的网格变化 图8-3 平砧镦粗时等效应变分布情况材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程变形区按变形程度大小大致分为三个区 ：材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程区域：受摩擦的影响小，温度降低也慢，“大变形 区”。应力状态也有利于变形。区域：受摩擦的影响小，温度降低稍慢，介于、 之间，称为“小变形区”。 区域：、工具与坯料端面之间摩擦力最大，该区 变形十分困难，“难变形区”。、在接触面上，由 于中心处的金属流动还受到外层的阻碍，愈靠近中心 部分受到的摩擦阻力愈大，变形愈困难。、在平板 间热镦粗坯料时，与工具结触的上下端金属由于温度 降低快，变形抗力大，变形
4、愈困难。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程变形不均匀性产生的原因变形不均匀性产生的原因: :工具与坯料端面间的摩擦， 区受到摩擦的 影响最大，愈靠近中心处金属还受到外层金属的 阻碍，形成近似锥形的困难变形区，而 区受 摩擦影响较小，变形较大； 平板间热镦粗时，与工件接触的区温度下 降较快，变形抗力较大，较区变形困难； 区变形大， 区变形小，使得区金属外 流时对区金属产生压力，从而在切向产生拉应 力，愈靠近坯料表面切向拉应力愈大。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、高坯料：H0/D03.0 ，呈双鼓形图8-5 较高坯料镦粗时形成双鼓形图8-6 较高坯料镦粗时的受力情况
5、材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程较高坯料镦粗时产生双鼓形是由其应力场决定的。与 工具接触的上、下端金属由于摩擦等因素的影响，形 成近似锥形的困难变形区，外力通过它作用到坯料的 其它部分，在困难变形区的外圈切一个薄环，该环受 内压力作用，处于径向、轴向受压切向受拉的应力状 态。由于受异号应力作用，上、下端外圈金属较坯料 中部易于满足塑性条件，优先进行塑性变形，导致双 鼓形的形成。在锤上镦粗时，每次的锤击力不大时，打击能量首先 被上、下端金属的塑性变形所吸收，更易产生双鼓形 。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、更高坯料：H0/D03.0 ，镦粗时容易失稳而弯 曲，尤
6、其当坯料端面与轴线不垂直，或坯料有初弯 曲，或坯料各处温度和性能不均，或砧面不平时更 容易产生弯曲。弯曲了的坯料如不及时校正而继续 镦粗则要产生折迭。、矮坯料：H0/D00.5 ，按变形程度大小也可分为 三个区，但由于相对高度较小，内部各处的变形条件 相差不太大，内部变形较一般坯料（H0/D0= 0.82.0 ）镦粗时均匀些，鼓形程度也较小。 材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、区金属变形程度小、温度低，镦粗锭料时此区铸态组织不易 破碎和再结晶，仍保留粗大的铸态组织。区金属变形程度大、温 度高，铸态组织被破碎和再结晶充分，形成细小晶粒的锻态组织， 锭料中部的原有间隙也被焊合了。（
7、内部组织不均匀）、区变形大，区变形小，区金属向外流动时便对区金属 作用有径向压应力，并使其在切向受拉应力。愈靠近坯料表面切向 拉应力愈大。当切向拉应力超过材料的强度极限或切向变形超过材 料允许的变形程度时，便引起纵向裂纹。低塑性材料由于抗剪切的 能力弱，常在侧表面产生45方向的裂纹。、不同高径比尺寸的毛坯进行镦粗时，产生的鼓形特征和内部变 形分布也不同，参见下图。 、从变形流动特点分析产生质量问题的原因从变形流动特点分析产生质量问题的原因材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程高径比H/D3的毛坯进行镦粗时，容易产生纵向弯曲 ，变形失去稳定。 控制高径比：圆钢H/D不 超过2.53，方
8、形或矩 形截面毛坯的高径比不 大于3.5 4 。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程 H0/D0=2.5HO/D0=1.45H0/D0=10.67H0/D0=0.22图103材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、使用润滑剂和预热工具：镦粗低塑性材料时常用 润滑剂有：玻璃粉、玻璃棉、石墨粉等；为防止变形金属 很快冷却，镦粗用的工具均应预热200300 。、采用凹形毛坯：锻造低塑性大型锻件时，镦粗前 将坯料压成凹形（下图），4 4、保证内部组织均匀，防止侧表面裂纹产生、保证内部组织均匀，防止侧表面裂纹产生 应采取的措施：应采取的措施：凹形坯料镦粗时沿径 向有压应力分量产生
9、，对侧表面的纵向开 裂起阻止作用。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、采用软金属垫热镦粗大型和较大型的低塑性锻件时，在工具和坯料之间放 置一块温度不低于坯料温度的软金属垫板（一般用碳素钢），变形金属不直接受到工具的作用，软垫的变形抗力较低，先变形 并拉着坯料作径向流动，坯料的侧面内凹；继续镦粗时软垫直径 增大，厚度变薄，温度降低，变形抗力增大，坯料明显地镦粗， 侧面内凹消失，呈现园柱形，再继续镦粗时，最后获得程度不太 大的鼓形。 材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程由于镦粗过程中坯料侧面内凹，沿侧表 面有压应力分量产生，产生裂纹的倾向 显著降低。又由于坯料上下端面部分
10、也 有了较大的变形，故不再保留铸态组织 了。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、采用铆镦、迭镦和套环内镦粗：铆镦：预先将坯料端部局部成形，再重击镦粗把内凹部 分镦出，然后镦成园柱形。对于小坯料可先将坯料斜放， 轻击，旋转打棱成下图的形状。对于较大的坯料可先用赶铁赶成上右图的形状。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程迭镦：将两件迭起来镦粗，形成鼓形，然后各自换成下 图的形状继续镦粗消除鼓形。迭锻不仅能使变形均匀，而 且能显著地降低变形抗力。图106材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程在套环内镦粗：在坯料的外围加一个碳钢的外套，靠 套环的径向压力来减小由于变形
11、不均而引起的附加拉 应力。 材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、采用反复镦粗拔长的锻造工艺：使镦 粗困难变形区在拔长时受到变形，使整个 坯料各处变形都比较均匀。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程毛坯在单个垫环上或在两个垫环间 进行的镦粗成为垫环镦粗，采用的毛 坯直径大于环孔直径镦挤。 图107图108 垫环镦粗的关键 ：能否锻出所要求 的凸肩高度。5 5、垫环镦粗、垫环镦粗材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程毛坯高度与直径之比（ H0/D0）、环孔与毛坯 直径之比(d/D0)、变形 程度（H）、环孔斜 度（）及摩擦条件等 （图10-7）。 垫环镦粗时，金
12、属可朝两个方向流动，即径向流动和 轴向流动。必然存在一个不产生流动的分界面（分流面 ）。分流面的位置经常变动，与下列因素有关：图107材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程6、局部镦粗只在毛坯的局部长度（端部或中间）内进行镦粗称为 局部镦粗。金属流动特征与平砧镦粗相似，但受不变形部分“刚 端”的影响。局部镦粗成形时，毛坯尺寸最好按杆部直径选取，为 避免产生纵向弯曲，毛坯变形部分高径比应小于2.53 。图10-10材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程7、镦粗时的注意事项：1）、为防镦粗产生纵向弯曲，圆柱体坯料高径比不 应超过2.53，在22.2的范围内更好。对于平行 六面体
13、，高度和较小基边之比应小于3.54。镦粗前坯料端面应平整，并与轴线垂直。镦粗前坯 料加热温度应均匀，镦粗时要把坯料围绕它的轴线 不断地转动，坯料发生弯曲时必须立即校正。2）、镦粗时每次压下量应小于材料塑性允许的范 围。如果镦粗后进一步拔长，应考虑到拔长的可能 性，即不要镦得太矮。禁止在终锻温度下镦粗。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程3）、对有皮下缺陷的锭料，镦粗前应进行倒 棱制坯，目的是焊合皮下缺陷，使镦粗时侧 表面不致产生裂纹，同时也去掉钢锭的棱边 和锥度。 4）、为减小镦粗所需的力量，坯料应加热到 该种材料所允许的最高温度。 5）、镦粗时坯料高度应与设备空间尺寸相适 应。材
14、料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程10.2 10.2 拔长拔长 材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程定义：使毛坯横截面减小而长度增加的成形工 序。分为矩形截面坯料拔长、圆截面坯料拔长 、空心坯料拔长。作用：轴杆类零件；改善锻件内部质 量。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程10.2.1、矩形截面坯料拔长：拔长是在长坯料上局部进行压缩，属于局部加 载、局部受力、局部变形的情况。当毛坯沿轴向 逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦粗工序的 组合，还受两端不变形金属的影响。材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程
15、材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程1、拔长变形特点：当毛坯沿轴向逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦粗工序的 组合，还受两端不变形金属的影响。矩形截面拔长时，当相对送进量（进料长度L与宽度a之比L/a，也 叫进料比）较小时，金属多沿轴向流动，轴向的变形程度 较 大，横向的变形程度 较小；随着L/a的不断增大， 逐渐减小， 逐渐增大。在L/a=1处， ，即拔长时沿 横向流动的金属量少于沿轴向流动 的量；而在自由镦粗时， = ， 这是由于拔长时两端不变形金属的 影响造成的，它阻止了变形区金属 横向的变形和流动。 材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程2 2、矩形截面坯料拔长时
16、的生产率、矩形截面坯料拔长时的生产率 ： 总压缩次数N等于沿坯料长度上各遍压缩所需 送进次数的总和+修正锻件所需的压缩次数，沿坯料长度进行第k遍压缩的次数:材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程、相对压缩程度 ：大时，压缩所需的遍数和总的压缩次数减少，生产率 高。但在实际生产中 受到一定的限制：如果金属的塑 性差， 应按金属塑性所允许的数值确定；如果金属的塑 性好，每次的变形程度可以大些，但是每次压缩后应保证 an/hn1.5时，A0.4B当B / H0.5B 圆形截面坯料：A0.3D措施：保证有足够的压缩长度和较大 的压缩量，端部所留的长度应满足：材料科学与工程学院塑性成形工艺与模具设计精品课程7）倒角时对角线裂纹a)倒角时的裂纹 b) 圆形砧内倒角原因：不均匀变形和附加拉应力引起的措施：倒角时轻锻，
