锻模设计方法

锻模设计锻模是金属在热态或冷态下进行体积成形时所用模具的统称 由于各种模锻设备的工作特点有所不同 其锻模的结构有较大差别 而在模膛设计上也稍有差异 因此 本章是锤锻模为主进行介绍 一个完善的锻模设计过程 首先应当考虑的是 能够获得满足尺寸精度要求和组织性能良好的锻件 同时要满足生产率的要求 其次还应考虑锻模要具有足够的强度和较高的寿命 并且制造简单 安装 调整 维修方便等要求 因此 设计锻模时应当进行综合分析 第一节锤用锻模在前一章中已经介绍了锤上模锻通常生产长轴类和短轴类锻件锻造工步如图7 43至图7 44所示 常用的模锻工步是 终锻 预锻 拔长 滚压 弯曲 镦粗等 本节介绍其模膛设计和锻模结构设计 一 模锻模膛设计模锻模膛包括终锻模膛和预锻模膛 所有锻件都要用终锻模膛 而预锻模膛则不一定都需要 要根据具体情况采用 终锻模膛和预锻模膛所起的作用及设计方法均不同 下面分别介绍 1 终锻模膛设计终锻是模锻工艺过程最重要的成形工步 模锻件的几何形状和尺寸是靠终锻模膛来保证的 任何锻件的模锻工艺过程都必须有终锻 终锻模锻是锻件最后成形的模膛 通过它获得带飞边的锻件 终锻模膛是根据热锻件图设计的 模膛设计的主要内容是绘制热锻件图 确定飞边槽尺寸及钳口尺寸 1 热锻件图的制定和绘制热锻件图是将锻件图的所有尺寸计入收缩率而绘制的 一般情况 热锻件图形状与锻件图形状是完全相同的 但在某些情况下 为了保证按热锻件图制造终锻模膛 能锻出合格的锻件 热锻件图的某些地方与锻件图是有差异的 这时应根据具体情况给予具体处理 1 终锻模膛易磨损处 应在锻件负公差范围内预先增加磨损量 以提高锻模寿命 保证锻件的合格率 2 锻件上形状复杂且较高的部分应尽量放在上模 3 当设备的吨位偏小 模锻不足现象严重时 应使热锻件图高度尺寸比锻件图上相应高度减小一些 接近于负偏差或更小一些 以抵消模锻不足的影响 4 锻件的某些部位在切边或冲孔时易产生变形而影响加工余量时 则应在热锻件图的相应部位适当地增加一定的弥补量 以提高锻件的合格率 5 当锻件的形状不能保证坯料在下模膛内或切边模确定位 则应在热锻件图上增加必要的定位余块 以保证多次锻击过程中的定位以及切飞边时的定位 在绘制热锻件图时需将分模面和冲孔连皮的位置 尺寸全部注明 还要写明末注明圆角半径 模锻斜度与收缩率 但不需注明锻件公差 技术条件和零件的轮廓线 2 飞边槽及其设计在本书第六章第二节中已介绍了飞边槽的作用 即 增加金属流出模膛的阻力 迫使金属充满模膛 容纳多余金属 锻造时飞边起缓冲作用 减弱上下模的打击 防止模具的压塌和开裂 型式I 一般都采用此种型式 因桥口在上模 受热时间短 温度较低 桥口不易过热和磨损 型式 当锻件的上模部分形状较复杂 切边需翻转时 为简化切边凸模形状而采用此型式 当整个锻件模膛完全位于下模时 为了简化锻模的制造亦采用此型式 型式 此种结构的飞边槽特点是仓部较大 能容纳较多的金属 适用于大型和形状复杂的锻件 型式 一般只用于锻件形状复杂 难以充满的局部地方 如高肋 叉口与枝芽等处 它能较大地增加桥口阻力 迫使金属充满深而复杂的模膛 2 飞边槽尺寸的确定 飞边槽最主要的尺寸是桥口高度h飞 宽度b h飞增大 阻力减小 而h飞减小则阻力增大 桥口宽度b增加时阻力也增加 具体见前面讲解内容 锻件的尺寸 准确地说是锻件在分模面上的投影面积 既是选择飞边槽尺寸的依据 也是选择设备吨位的主要依据 故生产中通常按设备吨位来选定飞边槽尺寸 3 钳口及其尺寸1 钳口的作用与型式 钳口是指在锻模的模锻模膛前面所做的空腔 它是由夹钳口与钳口颈两部分组成 用途是 I夹钳口在模锻时用来放置棒料及钳夹头 钳口颈用于加强夹钳料头与锻件之间的连接强度 齿轮类锻件在模锻时无夹钳料头 钳口是作为锻件起模之用 在锻模制造时 钳口作为浇铸模膛检验件 金属盐或铅 的浇口 钳口型式如图8 7及图8 8 图8 9所示 其中图8 7是常用型式 图8 8是用于模锻齿轮类锻件 图8 9则是用于模锻重量比较大的锻件 如果有预锻模膛 因预锻与终锻两模膛之间的距离较小 为了便于模具加工 可将两模膛的钳口开通 如图8 10所示 2 钳口尺寸的确定 钳口的尺寸 如图8 7所示 主要依据夹钳料头的直径及模膛壁厚等尺寸来确定 应能保证夹料钳子能进行自由操作 在调头锻造时应能放置下锻件的相邻端部 详细情况可参阅 锻模设计手册 中的有关部分 2 预锻模膛设计终锻时常见的缺陷有折迭和充不满等 这些缺陷都是由于终锻时金属不合理的变形流动流动引起的 与锻件本身的尺寸 形状 终锻前的坯料情况和模膛结构 型式等有关 对终锻时容易产生折迭和不易充满的锻件 常采用预锻工步以便合理地分配坯料各部分的金属体积 以避免折迭的产生和有利于金属充满模膛 同时可以减少终锻模膛的磨损 但应说明 并非所有可能产生上述缺陷的锻件都必需采用预锻 因为不少锻件通过采用完善的制坯工步也有可能获得良好的质量 而且采用预锻模膛后也带来一些不利的因素 1 折迭折迭是金属在变形流动的过程中 已氧化的表层金属汇合在一起而形成的 各种不同形状的锻件 模锻时能否形成折迭以及形成折迭的部位和条件那是有一定规律 仅就工字形断面的锻件和带孔锻件 从防止折迭出发介绍预锻模膛的设计 图8 11是工字形锻件和带孔锻件模锻时形成折迭的部位 图8 12是折迭形成过程的示意图 模锻时折迭产生的条件主要是 1 靠近接触面附近的金属要有流动 见图8 12 2 该部分金属必需沿水平方向外流 3 由中间部分排出的金属量较大 三个条件中 靠近接触面a b附近的金属能否流动是与锻件的尺寸直接有关的 一般是不易改变的 而其余条件是可以人为控制的 因此 为防止折迭产生 应当控制上面的三个条件 2 充不满模锻时 引起充不满的原因可能是 在模膛深而窄的部分由于阻力大不易充满 在模膛的某些部分 例如叉形件的内端角 由于金属很难流到而不易充满 制坯时某些部分坯料体积不足 或操作时由于放偏 某部分金属量不足引起充不满等 二 制坯模膛设计前一章已经以连杆为例说明制坯工步的作用是初步改变原坯料的形状 合理地分配坯料 以适应锻件横截面积和形状的要求 使金属能较好地充满模膛 不同形状的锻件采用的制坯工步也是不同的 例如长轴类锻件在锤上模锻时常用的制坯工步是拔长 滚压 弯曲 成形等 而短轴类锻件则常用镦粗或成形镦粗 形状较复杂的锻件 等制坯工步 上述各制坯工步所用的模膛分别叫做拔长模膛 滚压模膛 弯曲模膛 成形模膛等等 1 滚压模膛设计滚压工步用以改变坯料的形状 减小某一部分截面积 增大另一部分的截面积 以获得接近计算毛坯图形状和尺寸的坯料的制坯工步 另外 滚压还可以起到清除氧化皮的作用 将接近于计算毛坯平均直径的棒料放在滚压模膛内 然后进行锤击 图8 27 首先杆部的高度减少 宽度增加 部分金属流入头部 由于钳口的阻止作用 使头部坯料加粗 而坯料总长稍有增加 滚压变形可以近似地看作是拔长和镦粗的组合 杆部拔长 头部镦粗 2 拔长模膛使坯料某部分的截面积减小 长度增加的变形工步叫拔长工步 用来完成拔长工步的模膛拔长模膛 拔长模膛按横截面形状可分为开式和闭式两种 开式模膛的横截面形状为矩形 如图8 37b所示 这种型式结构简单 制造方便 应用较广 闭式模膛的横截面形状为椭圆形 如图8 37b所示 这种型式拔长效果较好 但操作较难 要求把坯料准确地放置在模膛中 否则坯料易弯曲 般用于L杆 d杆 1 5的细长锻件 按在锻模上的布置情况分为直式 图8 37a 和斜式 图8 37b 两种 按工作特点也可分成两种 种是杆部的最小高度和最大长度靠模具控制 所示 另一种是杆部的高度及长度完全靠操作者控制 如图8 37b所示 第二节其它设备模锻一 热模锻压力机用锻模模锻锤目前虽然应用很广 但由于其结构和工艺性存在不少缺点 其发展受到一定限制 在大批量和专业化生产条件下 国内外先进的模锻厂目前都普遍采用热模锻压力机代替模锻锤 相对于模锻锤 热模锻压力机主要的工作特点是 滑块的行程一定 滑块的运动速度低 工作时是静压力 有上下顶出装置 有良好的导向装置 承受偏载的能力较强等 由于上述特点 表7 2中的前三类模锻件在热模锻压力机上大都可以生产 但是 由于滑块的行程一定 在其上不便于进行拔长和滚压等制坯工步 因此 它只能完成截面积变化不大 10 一15 的制坯工作 当遇到截面积变化较大的锻件时 制坯工作应放在其它设备 锤 辊锻机等 上进行 或采用成形坯料 包括型钢和周期性断面坯料等 因为有上下顶出装置 某些顶镦类锻件可以在热模锻压力上生产 由于热模锻压力机工作时是静压力 金属充填模膛的能力不如模锻锤好 在模膛设计上与锤锻模稍有差异 在热模锻压力机上常常要用到预锻工步 有时一次预锻还不够 还需要两次或多次预锻 在热模锻压力机上常用的变形工步是 终锻 预锻 镦粗 成形镦粗 压挤 压扁 弯曲 成形等 常生产的锻件类型如表8 8所示 二 螺旋压力机用锻模在中 小批量生产和精密成形中 螺旋压力机是应用较广的一种锻压设备 相对于模锻锤 螺旋压力机的工作特点是 也是靠冲击力使金属变形 但滑块的打击速度低 约3 4m s 每分钟的打击次数少 有顶出装置 承受偏载的能力较差等 在螺旋压力机上坯料在模膛中的变形一般是在多次打击下完成的 由于有下顶出装置 某些锻件可以立起来顶镦 由于螺旋压力机不宜受偏心载荷 因此易用于单模膛的最后终锻 模膛的中心距离应不超过丝杠的节圆半径 而且由于其每分钟的打击次数少 对需要拔长 滚压 弯曲 预锻工步的锻件 般需要用其它设备来制坯 或顺序地用两台螺旋压力机来完成 通常在螺旋压力机上所完成的变形工步是 终锻 预锻 镦粗 顶镦 弯曲 成形 压扁等 在螺旋压力机上所生产的锻件类型如表8 10所示 三 平锻机用锻模在前一章已经介绍 平锻机模锻通常用于生产顶镦类锻件 见第五章表7 2 其模锻工步如图7 56和7 59所示 常用的模锻工步是终锻 预锻 顶镦 冲孔 穿孔 切边等 平锻机是曲柄压力机类设备 因此也具有热摸锻压力机的某些特点 即工作压力是静压力 而且由机架本身承受 滑块行程一定 有良好的导向