闭式镦粗中金属充满模膛角隙过程的分析

由上述分析可知，闭式镦粗时金属充满模膛角隙是最重要的阶段，有必要对其作进一步的分析与研究。

（1）金属充满模膛角隙时所引起的形状变化 闭式镦粗模锻第一阶段结束前，即当圆柱体坯料被压缩到其侧面与凹模模壁接触时，依坯料的高径比的不同可能出现如图2-7所示的形状。所产生的一个普遍现象是：沿整个外圆或其中一部分接触表面受摩擦阻力的影响，自BQ段至靠近冲头和凹模底的两端总是形成锥形。

随着冲头下行，毛坯自BQ段向上和向下不断扩大同凹模侧壁的接触面积，即BQ段的长度增加，而AB段和QO₂段的长度减小。AB段和QO₂段长度的减小速度取决于它是处在O₁附近还是O₂点附近。如图2-7所示，线段O₁A的长度用a₁表示，O₂J的长度用a₂表示，这些线段分别为原毛坯上、下端倒角的边长，通过其长度的变化来说明在进一步的镦粗压缩过程中模膛角隙充满的程度。

图2-7 高、低锻件被镦粗到模壁接触时的形状

a）双鼓形 b）高锻件（H＞D_n） c）低锻件（H＜D_n）

高度大于其直径（即H＞D_n）的锻件，被认为是高锻件；而H＜D_n的锻件，则被认为是低锻件。两种锻件在闭式模锻成形过程中，变形金属同凹模壁接触前和接触后的流动特性是不同的。高锻件在自由镦粗阶段有产生纵弯的趋势，一旦产生纵弯就有可能在进一步的镦粗中形成叠层，有时导致整圈的环形叠层。而低锻件在一般的变形速度下不会出现这种现象。

金属流动特性和在模膛角隙处所形成的形状取决于在给定时刻毛坯的尺寸比和接触摩擦的大小。例如，在压缩具有小锥角的高锥形毛坯（见图2-7b）时，当形成的锥度越大（基础半径AB变得越短），即使冲头端面很光滑且润滑良好，靠近冲头处的金属也几乎没有变形。这是由于在镦粗过程中，斜边AB靠近冲头底面的部分不断向上翻转而增大同冲头底部的接触面积，以至不断减小甚至消除了轴向剖面斜边AB及冲头与凹模侧壁构成的直角三角形。

试验表明，流动区分布在离毛坯锥形段中心部分距离较大的范围内。锥角θ越小，斜边AB越长（AB＞＞2R₀）。当进一步压缩镦粗时，在这样长的斜边内形成塑性成形的时间先后及时间长短将是不一致的，即细而长的锥形段的塑性变形将出现不均匀，可能导致折叠缺陷。如果AB边相对于对称轴线间形成的三角形空间很小，那么压缩这个锥体时有可能在侧表面产生环形折叠的危险。在闭式模锻具有细而高的轮毂的齿轮锻件时，在轮毂端部的外围有时产生这种缺陷。

在镦粗具有π／6倒角的低锥形毛坯时，当AB＞＞2R₀（见图2-7）时，在开始阶段，其金属流动区同镦粗高毛坯时的金属流动区相似。然而，进一步压缩毛坯时，能够导致沿所有已形成的塑性变形区均匀扩展，直到开始充满模膛的角隙。

对于很低的毛坯（AB＜＜2R₀），在闭式镦粗时，金属强烈变形区向附近区域迅速扩展而充满角隙。如果在角隙处，强烈变形区沿整个斜边扩展，那么在轴向剖面上距对称轴较远的变形区会经过A和B向对称轴移动。

为了弄清在充满角隙的过程中，毛坯端部斜边（倒角）长度连续变化和自然形成的侧面形状，还进行了以下试验：采用直径为40mm的平底凹模，试件尺寸是这样确定的，即在镦粗时，当试件被压缩到同凹模壁接触的时刻，能得到尺寸AB＜D₀。所用试件尺寸和凹模表面粗糙度如表2-3所示。

表2-3 试件尺寸和凹模表面粗糙度

试验中，试件被安放在模底的中央，分3～4个阶段压缩：第一阶段为镦粗试件至其金属同凹模模壁接触为止；第二阶段为金属充满凹模模膛中段；第三或第四阶段快结束时，只在冲头和凹模模壁之间形成的角隙尚未完全充满。每个阶段结束后，高、低锻件在充满角隙时形状的变化如图2-8所示。

如图2-8所示，高锻件在第一变形阶段之后，形成同模壁的接触段BB，然后，接触段BB快速地向上和向下延长，而斜边BA迅速地向冲头端面和模底倾斜，夹角（ω_b、ω_H）减小到π／4以下。变形金属形成的自由表面形状类似于经过粗加工的凹模（图2-8中的No.7和No.13）和经过磨削加工的凹模（No.6和No.14）角隙处的流动。随着角隙的充满，所形成的曲率增加，在靠近冲头和模底附近的角隙内形成凸鼓形。

当采用其直径与凹模直径差别很小的高毛坯进行闭式镦粗时，在第一变形阶段后，毛坯中段形成圆柱体，而两端变为有直侧面AB和JQ的两个截锥体，如图2-7所示。

为了测试在闭式模锻中各阶段的变形情况，采用了图2-9所示的试验装置。金属充满角隙的过程可通过指示器上的探针的移动反映出来，变形后的试件借助于工具显微镜测量各网

图2-8 高、低锻件在充满角隙时形状的变化

a）D₀＝32.04 H₀＝28.80 b）D₀＝30.26 H₀＝30.52 c）D₀＝17.08 H₀＝31.01 d）D₀＝16.80 H₀＝39.00

格节点位移的变化，可以确定其变形程度，如图2-10所示。图2-10a上的点表示试件的初始轮廓和每一变形阶段后的形状；图2-10b上的点仅表示第二和第三阶段变形后，模膛角隙的充满情况。为了比较试件在变形后的实际形状，在角部刻划了密实的弧线来描述轮廓，弧线在角平分线处同实际倒角的斜边相切。结果表明，主动角隙（上部的ω_b）处的充满比被动角隙（下面的ω_H）处的充满要好得多。这一点通过实弧线同轮廓上的点的接近程度可以直观地看出。通过实测表明，第三阶段之后，在试件角部的金属沿角平分线相对于初始位置移动了6～7mm，此时试件已变得与实弧线轮廓几乎完全吻合。

（2）金属充满角隙时所形成的强烈流动区 在闭式模锻中，一般都使坯料金属体积大于模膛容积，从而使多余金属从模膛中最后充满的部位被挤出来，最后充满的部分允许充满到不同的程度，如模锻齿轮的轮毂、螺栓的头部和枝叉类锻件的枝叉或叉形的端部等，其充满程度可以有一定的差别。在半闭式模锻中，多余金属被挤入专门设置的分流腔中。研究强烈流动区，必须确定其边界和提供描述应力—应变状况的方法。

图2-9 测定角隙充满过程的试验装置

图2-10 试件随角隙充满而变化的情况

a）锻件初始尺寸（mm）：D₀＝40，H₀＝38，倒角C7；流动半径（mm）：r_b＝10.5、5.50、1.45，r_H＝13.8、8.50、3.00；最终尺寸（mm）；D_k＝40.3，H_k＝35.3 b）锻件初始尺寸（mm）：D₀＝40，H₀＝10，倒角C3；流动半径（mm）：r_b＝4.10、1.82、1.69；r_H＝6.20、2.35、2.30；最终尺寸（mm）：D_k＝40.3，H_k＝8.0

为了确定金属流入模膛角部时塑性变形区的边界，用铝和软钢（10、15和20号钢）进行了试验。为了更精确地确定圆柱形铅试件在闭式模锻时轴向剖面上塑性变形区的扩展，试件端部倒角π／4，并自轴向剖面划上坐标网格，然后粘在一起。为了提高刻线精度，可在工具显微镜的光学筒上固定一细小的指针来刻划。试件直径同凹模内径精确地配合。

变形后观察坐标网格的变化情况。在比值H₀／D₀＝3时，根据角隙的充满程度，即以圆角半径的变化（从r₀＝7到r_k＝3）来衡量。在试件轴向剖面上，所有的坐标点清楚地呈现出塑性变形。所研究的点越是靠近角隙位置，其坐标线的变形程度越大。

图2-11所示为试件1／4个轴向剖面上的被动角的变形情况。试件初始尺寸为D₀＝40mm、H₀＝43.9mm。在轴向剖面上刻划尺寸为2mm×2mm的坐标网格，沿半径r₀处倒角的斜边长度为10mm。当变形主圆角半径为r_k时，其斜面长度为4mm，这时在角部的形状与圆弧非常准确地相符。

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图2-11 试件1／4个轴向剖面上的被动角的变形情况

试件初始尺寸（mm）：D₀＝40，H₀＝43.9，在M点终变形的主方向－5％和4％，点画线表示角隙充满时轴向剖面上终变形的主变形方向。

由图2-11可以看出，在角部附近的若干方向上主应变量达到25％～34％，而离开最大应变值以后幅度很快降到1％。由于在小弹一塑性变形时铅的不均匀流动，在若干网格点上应变主轴急剧地转换。在这些点上沿主轴的应变大小产生突变。随着变形程度的增加，在小的体积范围内变形不均匀性减小了，且主轴的转换逐渐地变得平缓了。

因此，可以得出结论：在流入闭式模膛的角隙时，所有金属体积处于塑性状态。所以，在求解充满角隙问题时，在角隙处任何点上的金属体积内都能够采用塑性条件。

当试件被压缩到H／D＝1时，最终变形的强烈程度可按式（2-7）计算：

圆柱体试件（H₀＝43.9mm，D₀＝40mm）被镦粗至角部充满时在轴向剖面上的强烈变形区如图2-12所示。图中，BB₁O₁O₂fAB区即为金属流动最强烈的区域，其余部分也是塑性变形区，但其变形程度小。

图2-12 圆柱体试件（H₀＝43.9mm，D₀＝40mm）被镦粗至角部充满时在轴向剖面上的强烈变形区

图2-13为初始尺寸为D₀＝40mm、H₀＝43.9mm的圆柱体在两端倒角C7，对应的斜边长度为的铅试样，经闭式镦粗至斜边长约为4mm时的有限元模拟结果。从图上的网格变形及应变分布情况可看出，其角部由直线斜边（见图2-13a）变为圆弧（见图2-13b），这与图2-11所示的试验结果完全一致；两条F等值线之间所包围的区域为强烈变形区，在该强烈变形区内角部两条H线之间的区域和端面心部两条H线之间的区域为更加强烈的变形区，这是由于在镦粗时其周向应变大所引起的；由边缘到中心线B线以上为没有发生变形的刚性区；B线与下面的F线之间为小变形区。总体上应变的分布情况与图2-12所示的试验结果基本相同，但更仔细、更精确。

图2-13 两端倒角C7的圆柱体试件（D₀＝40mm、H₀＝43.9mm）闭式镦粗过程的有限元模拟

a）初始状态 b）结束状态

以上为高试件闭式镦粗时角隙充满过程的网格法与有限元法研究。对于低试件闭式镦粗时角隙充满过程，用网格法研究可得到类似的结果。图2-14所示为圆柱体试件（H₀／D₀＝0.27）被镦粗至角部充满时在轴向剖面上的强烈变形区。其不同之处在于低试件充满角隙时的金属变形比高试件的更均匀。

图2-14 圆柱体试件被镦粗至角部充满时在轴向剖面上的强烈变形区

（3）饼盘类锻件闭式模锻的研究 为了了解闭模锻第二、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图2-15所示的七类锻件进行了研究。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。由图和以上的分析可以得到以下结论^［28］：

图2-15 闭式模锻充满角隙阶段的变形区模型

a）模型一 b）模型二 c）模型三 d）模型四 e）模型五 f）模型六 g）模型七

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（见图2-15a）时，上半部和中心区的变形早已结束，相当于刚性区；下半部在上半部的作用下继续镦粗，坐标网格向外胀曲，把金属挤进上下角隙，变形区呈盒状。高径比大于或小于0.5（见图2-15b、c）时，中心部分相当于刚性区，变形区呈空心凹面盒状，另外由于图2-15b中零件的高径比大于0.5，所以上部变形区厚度比下部变形区厚度略小。

图2-16 变形结束时的变形区分布

a）μ₂＞0 b）μ₂≈0 c）形成纵向飞边

显然，锻件高径比对变形区的这种影响是由于毛坯同凹模壁间的接触摩擦引起的。当H／D＞1时，摩擦作用有利于上角隙的充满，所以随着变形的继续进行，变形区将逐渐缩小，最后集中到下角部（见图2-16a）；当H／D≤0.5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（见图2-16b）。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（见图2-16c）。

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2-15d～2-15g所示。所以，只要利用简单矩形截面的变形区模型（见图2-16）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2-15e～2-15g类锻件外轮缘上出现分流面，分流面以外的金属挤进外角隙，分流面以内的金属挤进内角隙。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2-17b所示。因此，对于复杂闭式模锻件，其变形区模型可分为三类：辐板镦粗和充满角隙（见图2-15g）；充满轮缘角隙，其余同开式模锻（见图2-17a）；多余金属挤入飞边（见图2-17b）。

图2-17 不同情况的最后变形区

a）充满轮缘角隙 b）多余金属挤入飞边