開式模鍛是金屬在不完全受限制的模膛內變形流動，模具帶有一個容納多餘金屬的飛邊槽。模鍛開始時，金屬先流向模膛，當模膛阻力增加後，部分金屬開始沿水平方向流向飛邊槽形成飛邊。隨著飛邊的不斷減薄和該處金屬溫度的降低，金屬向飛邊槽處流動的阻力加大，迫使更多金屬流人模膛。當模膛充滿後，多餘的金屬由飛邊槽處流出。
基本介紹
- 中文名：開式模鍛
- 外文名：open-die forging
- 組成部分：模膛和飛邊
- 影響因素：模膛結構、設備工作速度等
- 重要套用：金屬成形製造
- 類別：金屬冶煉
基本介紹,成形過程,應力應變分析,第Ⅰ階段,第Ⅱ階段,第Ⅲ階段,影響因素,模膛結構,飛邊槽的影響,設備工作速度,
基本介紹
開式模鍛具有模膛和飛邊兩部分。當上下模閉合時，一方面金屬流向模膛以充滿成形，另一方面多餘金屬流出模膛，成為飛邊，如圖所示。其流動過程的關鍵在於：當填充阻力小於流向飛邊的阻力時，則金屬流向模膛。某一時刻，填充阻力增大至大於流向飛邊的阻力，金屬便流向飛邊。由於隨著上模下移，飛邊減薄，流向飛邊的阻力增大，以至於大於充填阻力，金屬改向流入模膛，保證模膛完全充滿。
開式模鍛示意圖
開式模鍛示意圖成形過程
開式模鍛成形過程中金屬的流動過程大致可分為4個階段，如右圖所示。
開式模鍛金屬成形過程
開式模鍛金屬成形過程(1)自由變形或鐓粗變形階段。坯料在這一階段屬於局部載入，整體受力，毛坯在模膛中受壓發生鐓粗變形，高度減小ΔH1，徑向尺寸逐漸增大，直到毛坯與槽壁接觸為止，鐓粗所需的變形力不大。
(2)開始形成毛邊階段，在這一階段里，毛坯繼續受壓(壓下量ΔH2)逐步充滿模膛形成少許毛邊。在此階段金屬有兩個流動的方向，金屬一方面充填模膛，一方面由模橋口處流出形成毛邊。這時由於模壁阻力，特別是毛邊橋口部分的阻力(當阻力足夠大時)作用，迫使金屬充滿模膛，金屬徑向流速減慢，所需變形力明顯增大。
(3)充滿模膛階段。毛邊形成後，隨著模鍛變形的繼續進行，壓下量(ΔH3)的增大，毛邊逐漸減薄，寬度增大、溫度下降，金屬流人毛邊的阻力急劇增大，由於毛邊的阻礙作用，在變形金屬內部形成更強烈的三向壓應力，當這個壓應力大於金屬充填模膛深處和圓角處的阻力時，迫使金屬繼續流向模膛深處和圓角處，充填模膛內各稜角和肋條處，直到整個模膛完全充滿為止。
(4)鍛模完全閉合，擠出多餘金屬，鍛件最終成形階段。由於工藝因素的影響，通常坯料體積略大於模膛體積，因此當模膛充滿後，上、下模並未閉合，尚需繼續壓縮至上下模閉合，將多餘金屬完全排入飛邊槽，以保證鍛件高度尺寸符合圖紙要求。但要儘量縮短這一過程，因為此階段變形抗力急劇上升，這時的能量消耗占整個模鍛過程所消耗能量的30%～50%，因此，圖中的ΔH4越小越好，對減小模鍛變形力至關重要。同時，這一階段對鍛件避免組織缺陷、提高鍛件質量和生產率均有很大影響。
應力應變分析
第Ⅰ階段
開式模鍛的第Ⅰ階段是由開始模壓到金屬與模具側壁接觸為止，這個階段的變形猶如孔板間鐓粗(在沒有孔腔時猶如自由鐓粗)。假設模孔無斜度，如圖5-2所示，該階段屬於局部載入，整體受力，整體變形。變形金屬可分為A、B兩區，A區為直接受力區，B區的受力主要是由A區的變形引起的。A區的受力情況猶如環形件鐓粗，故又可分為內外兩區，即A內和A外，其間有一個流動分界面。但這時由於B區金屬的存在使A內區金屬向內流動的阻力增大，故與單純的環形件鐓粗相比，流動分界面的位置要向內移。B區內金屬的變形猶如在圓型砧內拔長。各區的應力應變情況如圖5-2所示。
各變形區金屬主要沿最大主應力增大的方向流動，如圖5-2中箭頭所示，即A內區和B區金屬向內流動，流入模孔；A外區金屬向外流動。在坯料內每一瞬間都有一個流動分界面，分界面的位置取決於兩個方向金屬流動阻力的大小。
第Ⅱ階段
在第Ⅱ階段，金屬也有兩個流動方向：一部分金屬充填模膛；另一部分金屬由橋口處流出形成飛邊，並逐漸減薄。這時由於模壁阻力，特別是飛邊橋口部分的阻力(當阻力足夠大時)作用，迫使金屬充滿模膛。由於這一階段金屬向兩個方向流動的阻力都很大，處於明顯的三向壓應力狀態，變形抗力迅速增大。
根據對第Ⅱ階段變形的應力應變分析，這一階段凹圓角充滿後變形金屬可分為五個區，如圖5-3所示。A區內金屬的變形猶如一般環形件鐓粗，A外為外區，A內為內區。B區內金屬的變形猶如在圓型砧內拔長。C區為彈性變形區，D區內金屬的變形猶如外徑受限制的環形件鐓粗。各區的應力應變簡圖和金屬流動方向如圖5-3所示。如果凹圓角未充滿，金屬的變形和分區情況還要更複雜一些。
第Ⅱ階段是鍛件成形的關鍵階段，研究鍛件的成形問題，主要研究第Ⅱ階段。
第Ⅲ階段
第Ⅲ階段主要是將多餘的金屬排入飛邊槽。此時流動分界面已不存在，變形僅發生在分模面附近的區域內，其他部位則處於彈性狀態。變形區的應力應變狀態與薄件鐓粗相同，如圖5-4所示。
此階段由於飛邊厚度進一步減薄和冷卻等原因，多餘金屬由橋口流出時的阻力很大，使變形抗力急劇增大。因此，第Ⅲ階段是模鍛變形力最大的階段。計算變形力時，按第Ⅲ階段計算。從減小模鍛所需的能量來看，希望第Ⅲ階段儘可能短些。
影響因素
開式模鍛時影響金屬成形的主要因素
從開式模鍛變形金屬流動過程可以看出，變形金屬的具體流動情況主要取決於各流動方向上阻力問的關係，此外，載荷性質(即沒備工作速度)等也有一定影響。殲式模鍛時影響金屬變形流動的主要因素有：模膛的結構、琶邊槽的尺寸和位置、坯料的形狀和尺寸、溫度不均引起的各部分金屬變形抗力的差異、設備工作速度等。
模膛結構
從模膛結構看，使金屬以鐓粗方式比以擠入方式更容易充填模膛。除此以外，模膛的阻力與下列因素有關：
(1)變形金屬與模壁的摩擦係數；
(2)模壁斜度；
(3)孔口圓角半徑：
(4)模膛的寬度與深度；
(5)模具溫度。
孔壁加工的表面光滑和潤滑較好時，摩擦阻力小，有利於金屬充滿模膛。
模膛製成一定的斜度是為了模鍛後鍛件易於從模膛內取出，但是模壁斜度對金屬充填模膛是不利的。因為金屬充填摸膛的過程實質上是一個變截面的擠壓過程，當模壁斜度愈大時，所需的擠壓力F也愈大。
模具孔口的圓角半徑R對金屬流動的影響很大，當R很小時，金屬質點要拐一個很大的角度再流入孔內，需消耗較多的能量，故不易充滿模膛，而且R很小時，還可能產生摺疊和切斷金屬纖維。同時此處溫度升高較快，模具容易被壓塌。R太大，則增加金屬消耗和機械加工量。總的看來，為保證鍛件質量，圓角半徑尺應適當。
模膛窄和深時，使金屬以擠入方式成形，金屬向孔內流動時的阻力增大，孔內金屬溫度窬易降低，充滿模膛困難。
模具溫度較低時，金屬流人孔部後，溫度很快降低，變形抗力增大，使充填模膛困難，尤其當孔口窄(小)時更為嚴重。
飛邊槽的影響
常見的飛邊槽形式如圖5-23所示。它包括橋口和倉部。橋口的主要作用足阻止金屬外流，迫使金屬充滿模膛；另外，它使飛邊厚度減溥，以便於切除。倉部的作用是容納多餘的金屬，以免金屬流到分模面上，影響上、下模打靠。
設汁飛邊槽主要是確定橋口的高度和寬度。橋口阻止金屬外流的作用是由於沿上、下接觸面摩擦阻力作用的結果。這一摩擦阻力的大小為2bτ，(沒摩擦力達最大值，等於τ)。由該摩擦力在橋口處引起的徑向壓應力(或稱橋口阻力)為：
從保證金屬充滿模膛出發，希望橋口阻力大一些。但是若過大，變形抗力將會很大，可能造成上、下模不能打靠等問題。因此阻力的大小應取得適當，應當根據模膛充滿的難易程度來確定，當模膛較易充滿時，b/h飛取小一些，反之取大一些。如對鐓粗成形的鍛件[圖5-24(a)]，因金屬容易充滿模膛，b/h飛應取小一些。時擠入成形的鍛件[圖5-24(b)]，金屬較難充滿模膛，b/h飛應取大一些。
橋f二I部分的阻力除了與b/h飛有關外，還與飛邊部分的變形溫度有關。變形過程中，如果此處金屬的溫度降低很快，則此處金屬的變形抗力高，從而使橋口處的阻力增大。
設備工作速度
設備工作速度高時，金屬變形流動的速度也快。這將使摩擦係數有所降低；同時，金屬流動的慣性和變形熱效應等都有助於充填模膛。例如，在高速錘上模鍛時，由於變形金屬具有很高的流動速度，變形金屬容易充填模膛，可以鍛出厚度為1.0～1.5 mm的簿肋；相比而言，在模鍛錘上一般是1.5～2mm；而在壓力機上，則是2～4mm。
