开式模锻

金属在不完全受限制的模膛内变形流动，模具带有一个容纳多余金属的飞边槽

开式模锻是金属在不完全受限制的模膛内变形流动，模具带有一个容纳多余金属的飞边槽。模锻开始时，金属先流向模膛，当模膛阻力增加后，部分金属开始沿水平方向流向飞边槽形成飞边。随着飞边的不断减薄和该处金属温度的降低，金属向飞边槽处流动的阻力加大，迫使更多金属流人模膛。当模膛充满后，多余的金属由飞边槽处流出。

基本介绍

开式模锻具有模膛和飞边两部分。当上下模闭合时，一方面金属流向模膛以充满成形，另一方面多余金属流出模膛，成为飞边，如图1所示。其流动过程的关键在于：当填充阻力小于流向飞边的阻力时，则金属流向模膛。某一时刻，填充阻力增大至大于流向飞边的阻力，金属便流向飞边。由于随着上模下移，飞边减薄，流向飞边的阻力增大，以至于大于充填阻力，金属改向流入模膛，保证模膛完全充满。

成形过程

开式模锻成形过程中金属的流动过程大致可分为4个阶段，如图2所示。

(1)自由变形或镦粗变形阶段。坯料在这一阶段属于局部加载，整体受力，毛坯在模膛中受压发生镦粗变形，高度减小ΔH1，径向尺寸逐渐增大，直到毛坯与槽壁接触为止，镦粗所需的变形力不大。

(2)开始形成毛边阶段，在这一阶段里，毛坯继续受压(压下量ΔH2)逐步充满模膛形成少许毛边。在此阶段金属有两个流动的方向，金属一方面充填模膛，一方面由模桥口处流出形成毛边。这时由于模壁阻力，特别是毛边桥口部分的阻力(当阻力足够大时)作用，迫使金属充满模膛，金属径向流速减慢，所需变形力明显增大。

(3)充满模膛阶段。毛边形成后，随着模锻变形的继续进行，压下量(ΔH3)的增大，毛边逐渐减薄，宽度增大、温度下降，金属流人毛边的阻力急剧增大，由于毛边的阻碍作用，在变形金属内部形成更强烈的三向压应力，当这个压应力大于金属充填模膛深处和圆角处的阻力时，迫使金属继续流向模膛深处和圆角处，充填模膛内各棱角和肋条处，直到整个模膛完全充满为止。

(4)锻模完全闭合，挤出多余金属，锻件最终成形阶段。由于工艺因素的影响，通常坯料体积略大于模膛体积，因此当模膛充满后，上、下模并未闭合，尚需继续压缩至上下模闭合，将多余金属完全排入飞边槽，以保证锻件高度尺寸符合图纸要求。但要尽量缩短这一过程，因为此阶段变形抗力急剧上升，这时的能量消耗占整个模锻过程所消耗能量的30%～50%，因此，图中的ΔH4越小越好，对减小模锻变形力至关重要。同时，这一阶段对锻件避免组织缺陷、提高锻件质量和生产率均有很大影响。

应力应变分析

第Ⅰ阶段

开式模锻的第Ⅰ阶段是由开始模压到金属与模具侧壁接触为止，这个阶段的变形犹如孔板间镦粗(在没有孔腔时犹如自由镦粗)。假设模孔无斜度，如图5-2所示，该阶段属于局部加载，整体受力，整体变形。变形金属可分为A、B两区，A区为直接受力区，B区的受力主要是由A区的变形引起的。A区的受力情况犹如环形件镦粗，故又可分为内外两区，即A内和A外，其间有一个流动分界面。但这时由于B区金属的存在使A内区金属向内流动的阻力增大，故与单纯的环形件镦粗相比，流动分界面的位置要向内移。B区内金属的变形犹如在圆型砧内拔长。各区的应力应变情况如图5-2所示。

各变形区金属主要沿最大主应力增大的方向流动，如图5-2中箭头所示，即A内区和B区金属向内流动，流入模孔；A外区金属向外流动。在坯料内每一瞬间都有一个流动分界面，分界面的位置取决于两个方向金属流动阻力的大小。

第Ⅱ阶段

在第Ⅱ阶段，金属也有两个流动方向：一部分金属充填模膛；另一部分金属由桥口处流出形成飞边，并逐渐减薄。这时由于模壁阻力，特别是飞边桥口部分的阻力(当阻力足够大时)作用，迫使金属充满模膛。由于这一阶段金属向两个方向流动的阻力都很大，处于明显的三向压应力状态，变形抗力迅速增大。

根据对第Ⅱ阶段变形的应力应变分析，这一阶段凹圆角充满后变形金属可分为五个区，如图5-3所示。A区内金属的变形犹如一般环形件镦粗，A外为外区，A内为内区。B区内金属的变形犹如在圆型砧内拔长。C区为弹性变形区，D区内金属的变形犹如外径受限制的环形件镦粗。各区的应力应变简图和金属流动方向如图5-3所示。如果凹圆角未充满，金属的变形和分区情况还要更复杂一些。

第Ⅱ阶段是锻件成形的关键阶段，研究锻件的成形问题，主要研究第Ⅱ阶段。

第Ⅲ阶段

第Ⅲ阶段主要是将多余的金属排入飞边槽。此时流动分界面已不存在，变形仅发生在分模面附近的区域内，其他部位则处于弹性状态。变形区的应力应变状态与薄件镦粗相同，如图5-4所示。

此阶段由于飞边厚度进一步减薄和冷却等原因，多余金属由桥口流出时的阻力很大，使变形抗力急剧增大。因此，第Ⅲ阶段是模锻变形力最大的阶段。计算变形力时，按第Ⅲ阶段计算。从减小模锻所需的能量来看，希望第Ⅲ阶段尽可能短些。

影响因素

开式模锻时影响金属成形的主要因素

从开式模锻变形金属流动过程可以看出，变形金属的具体流动情况主要取决于各流动方向上阻力问的关系，此外，载荷性质(即没备工作速度)等也有一定影响。歼式模锻时影响金属变形流动的主要因素有：模膛的结构、琶边槽的尺寸和位置、坯料的形状和尺寸、温度不均引起的各部分金属变形抗力的差异、设备工作速度等。

模膛结构

从模膛结构看，使金属以镦粗方式比以挤入方式更容易充填模膛。除此以外，模膛的阻力与下列因素有关：

(1)变形金属与模壁的摩擦系数；

(2)模壁斜度；

(3)孔口圆角半径：

(4)模膛的宽度与深度；

(5)模具温度。

孔壁加工的表面光滑和润滑较好时，摩擦阻力小，有利于金属充满模膛。

模膛制成一定的斜度是为了模锻后锻件易于从模膛内取出，但是模壁斜度对金属充填模膛是不利的。因为金属充填摸膛的过程实质上是一个变截面的挤压过程，当模壁斜度愈大时，所需的挤压力F也愈大。

模具孔口的圆角半径R对金属流动的影响很大，当R很小时，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，故不易充满模膛，而且R很小时，还可能产生折叠和切断金属纤维。同时此处温度升高较快，模具容易被压塌。R太大，则增加金属消耗和机械加工量。总的看来，为保证锻件质量，圆角半径尺应适当。

模膛窄和深时，使金属以挤入方式成形，金属向孔内流动时的阻力增大，孔内金属温度窬易降低，充满模膛困难。

模具温度较低时，金属流人孔部后，温度很快降低，变形抗力增大，使充填模膛困难，尤其当孔口窄(小)时更为严重。

飞边槽的影响

常见的飞边槽形式如图5-23所示。它包括桥口和仓部。桥口的主要作用足阻止金属外流，迫使金属充满模膛；另外，它使飞边厚度减溥，以便于切除。仓部的作用是容纳多余的金属，以免金属流到分模面上，影响上、下模打靠。

设汁飞边槽主要是确定桥口的高度和宽度。桥口阻止金属外流的作用是由于沿上、下接触面摩擦阻力作用的结果。这一摩擦阻力的大小为2bτ，(没摩擦力达最大值，等于τ)。由该摩擦力在桥口处引起的径向压应力(或称桥口阻力)为：

即桥口阻力的大小与b和h飞有关。桥口愈宽，高度愈小，亦即b/h飞愈大，阻力愈大。

从保证金属充满模膛出发，希望桥口阻力大一些。但是若过大，变形抗力将会很大，可能造成上、下模不能打靠等问题。因此阻力的大小应取得适当，应当根据模膛充满的难易程度来确定，当模膛较易充满时，b/h飞取小一些，反之取大一些。如对镦粗成形的锻件[图5-24(a)]，因金属容易充满模膛，b/h飞应取小一些。时挤入成形的锻件[图5-24(b)]，金属较难充满模膛，b/h飞应取大一些。

桥f二I部分的阻力除了与b/h飞有关外，还与飞边部分的变形温度有关。变形过程中，如果此处金属的温度降低很快，则此处金属的变形抗力高，从而使桥口处的阻力增大。

设备工作速度

设备工作速度高时，金属变形流动的速度也快。这将使摩擦系数有所降低；同时，金属流动的惯性和变形热效应等都有助于充填模膛。例如，在高速锤上模锻时，由于变形金属具有很高的流动速度，变形金属容易充填模膛，可以锻出厚度为1.0～1.5 mm的簿肋；相比而言，在模锻锤上一般是1.5～2mm；而在压力机上，则是2～4mm。

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