分流腔的结构形式与设计计算

分流腔有不同的结构形式，如纵向缝隙式、侧向缝隙式、中心孔式和窗框式等。到底采用哪种形式取决于锻件的结构性能和所采用的工艺方案等。如果是轴对称锻件，当为盘类锻件且采用整体凹模闭式模锻时，则利用凸凹模的间隙作为纵向分流腔；当采用水平可分凹模模锻时，一般采用环形侧向缝隙式分流腔，且设置在锻件高度的中部；当为直齿圆柱齿轮精密模锻时，则应采用中心孔或分流柱的方式分流。

纵向缝隙式分流腔和中心孔分流腔的设计与计算实际上在3.6节闭式模锻时多余金属的分流形成及分流过程分析与计算中已有详细论述，下面则对这两种以外的分流腔的设计与计算进行论述。

（1）孔式分流腔 如图4-4所示，孔式分流腔适用于带有中心孔的圆盘类锻件的闭式模锻。这种分流腔结构简单，其位置设在终锻模冲孔凸台的中心部位。当锻件的孔径d≥50mm时，分流孔设在上模和下模，图4-4即为这种情况；当锻件的孔径d＝40～50mm时，分流孔完全设在下模。

可以看出，孔式分流腔的结构与开式模锻中带仓连皮的内飞边槽相似。因此，设计时，分流腔桥部的宽度、高度和过渡处的圆角半径均可按带仓连皮桥部对应的尺寸选择，而对应于仓部的分流空间则按以下原则确定：

V_d≥V_b－V_f

式中 V_d——分流腔空间容积，为仓部与桥部空间体积之和；

V_b——坯料体积，按坯料长度和截面尺寸的上偏差计算；

V_f——锻件体积，按各公称尺寸的下偏差计算。

图4-4 带连皮的闭式模锻

a）镦粗 b）冲孔 c）终锻

当锻件中心带有凸起或不长的杆部时，则在凹模上对应的孔形型腔可适当加深，以此作为自然的多余金属分流腔，这就相当于轴分流，还可降低模膛内的压力值。当锻件直径与中心孔径之比较大时，将变形金属挤入中心所需的力会增大，这会引起模具产生较大的弹性变形，进而导致锻件出现端部飞边。如果所采用的中心孔分流腔使得模膛直径与中心孔径之比具有最小值，那么变形阻力将减小，当变形金属清晰地充满模膛时，锻件端部可能不会产生飞边，而由于多余金属在中心分流孔中形成的枝叉长度不长，故脱模时容易从孔中退出。设计时，还应预留容纳附加金属体积的空间，保证多余金属全部流入中心孔分流腔时也不会引起模膛内压力的增高。

实践表明，对于阶梯齿轮或具有小台阶的法兰的闭式模锻，当D／D_p（D为锻件直径，D_p为中心孔直径）＝1.2～4.5时，可得到很好的效果。在这种情况下，可在凹模的中心孔中装设弹性推出机构，当多余金属流入孔中时将弹簧压缩，其阻力增大，模锻结束后，靠弹簧的伸张力将锻件推出。

中心孔式分流腔的直径等于锻件中心凸台或杆部直径，而深度必须大于凸台或杆的长度，具体按式（4-1）确定：

式中 ΔL——由于锻件体积同坯料体积不一致而导致凸台或杆长的变化（mm）；

ΔV——多余金属体积（mm³）；10～15mm——顶出装置顶部至最大长度的凸台或杆长端面间的附加距离。

例：已知一齿轮锻件直径D＝140mm，圆角半径为3mm，轮缘高为25mm，凸台直径为65mm，在新的模具中模锻时的多余金属体积为216mm³，试确定中心孔式分流腔的尺寸。

首先确定中心分流孔直径，因锻件带有中心凸台，故分流孔直径应与凸台直径相等，取65mm的孔径。然后确定分流孔的深度，由上式得

取孔深为20mm。

（2）通过附加轴向载荷使变形金属流动形成中心孔穴 无顶帽形零件的成形原理如图4-5所示。在普通挤压的最后阶段施以附加轴向载荷，使变形金属流动而形成孔穴。图4-5表示饼形坯料被挤压而向外流动受到凹模壁的约束时，金属向内流动，模口内中心部分金属隆起，背面形成空穴，与凹模运动相反的凸模同时动作，使变形金属易于流动，结果使带法兰的空心零件得以准确成形（见图4-5b）。在挤压过程中，凸模的压入速度与压力机在凹模与模板间的速度比在不同挤压比的情况下保持稳定。

实际上，所需凸模的挤压速度可通过被挤金属体积自动地确定，并提供合适的凸模载荷。图4-6所示为芯轴载荷P_m对挤压载荷P_e的影响。可以看出，当凸模压力太小时，毛坯中心仍存在空穴，即凸模挤入时没有很好地配合金属流动，使工作压力增加。当凸模载荷适当增加，在空穴壁部产生附加拉伸作用时，工作压力就减小。当凸模载荷过大时，工件壁部就产生局部缩颈。此外，变形金属轴对称向心流动有利于凸模的对中，壁厚也显得均匀。

图4-5 无顶帽形零件的成形原理

a）一般挤压 b）中间部分成形 c）中间部分成形和冲孔

1—凹模 2—模体 3—底板 4—芯轴 5—分步凹模

图4-6 芯轴载荷P_m对挤压载荷P_e的影响

图4-5c是凹模采用分级形式的情况，空心部分顶部在凸模行程终了时被冲穿，形成无顶帽形零件。若保持冲切时的工作压力，金属向内流动而在冲切区引起很高的压应力，便可得到无撕裂的精密冲切。

图4-7为带凸台齿轮的成形工艺，是采用上述分流减压原理的典型例子。成形这种零件时，凸模外轮廓和挤压筒内轮廓与零件的齿形一致。毛坯直径与齿根圆直径相同，金属受压缩向内流动形成凸台，向外流动形成齿形。行程终了时，芯轴作为冲头冲穿空穴部分的顶部。对相同体积的金属材料，从减小工作压力和便于定位出发，坯料直径选大些为好。

图4-7 带凸台齿轮的成形工艺

a）放入饼坯 b）空心部分成形 c）冲孔d）顶件

可以看出，由于抑制了完全的封闭状态，减小了金属向凸台流动的工作压力，并增加了相对面积缩短率（即变形强度，锻件与模具的接触面积／锻件总的表面积），同时由于芯轴载荷在空穴部分壁部所产生的附加拉应力也进一步减小了工作应力，有助于金属向外流动，从而改善了金属在模膛内的填充状态。

此外，根据金属流动特性，也可提高产品精度。由于大量的金属流向凸台，在成形完成之前，法兰部分的压入量也变得相当大。同时，一些金属向外流向齿形部分，凹模圆角充不满的现象也减少了。在专门设计的对向凹模压力机上用这种工艺可生产出精密薄片齿轮零件。

（3）环形侧向分流腔 它的作用及机理在前面已有论述，这里着重论述其设计计算过程。环形侧向分流腔的结构形式如图4-8所示，可分为两种：一种由桥部和仓部所组成；另一种仅为宽度尺寸较大的桥部而无仓部，只不过是相应的尺寸都小一些而已。其主要尺寸是分流腔的外圆半径D₂和同模膛连接处的圆角半径r_H。

图4-8 环形侧向分流腔的结构形式

根据两条必须遵循的原则、坯料尺寸精度和闭式模锻的特点，分流腔的两个主要尺寸r_H和D₂分别计算如下：

式中 r_H——分流腔圆角半径（mm）；

H——锻件高度（mm）；

μ——摩擦系数

r₁——模膛（对应于锻件最大外圆）圆角半径（mm）；

D₁——毛坯金属与模底接触的圆周直径，；

D_n——模膛或锻件直径（mm）；

d₂——金属水平流动面积对应圆周直径，当H＜D_n时，通常取d₂＝D_n－H′；

H′——锻件在高度方向上的最大尺寸（mm）；

r——由于拉应力所形成的圆角半径（mm）；

A——金属流动表面形成的系数，A＝0.83～2。

式中 D₂——分流腔外径（mm）；

d_H——坯料的公称直径（mm）；

L——坯料的公称长度（mm）；

Δ₁、Δ2——坯料直径的负偏差和正偏差（mm）；

ΔL₁、ΔL₂——坯料长度的负偏差和正偏差（mm）。

根据对轴对称锻件闭式模锻成形过程的试验研究和理论分析，得到模膛内各圆角被金属充满时和多余金属被挤入侧向环形分流腔形成小飞边时变形抗力的计算公式。

对于模膛内各圆角被金属充满即整个模膛被充满时，其所需变形力的计算又分两种情况考虑，即当H≥D_n（高锻件）时

当H＜D_n（低锻件）时

式中 P₁——变形力（N）；

D₁——毛坯金属同模底接触的圆周直径（mm），与锻件直径的关系为D₁＝D_n－2rA；

A——金属流动表面形成的系数，A＝0.83～2。

D_n——模膛或锻件直径（mm）；

r——由于拉应力所形成的圆角半径（mm）；

α——靠近模底停滞区侧表面形成的斜度，通常取α＝45°；

σ_s——锻造温度下坯料金属材料流动应力（MPa）。

式（4-4a）和式（4-4b）中的有关尺寸符号如图4-9所示。

当模膛充满后多余金属被挤入环形分流腔形成小飞边时，其变形力可按式（4-5）计算：

式中的尺寸符号如图4-9所示，D为小飞边外径，γ＝1.1。

分析式（4-4）可知，随着小飞边外径D的增大，会导致变形力P₂的增大。然而对于较为精确的坯料尺寸即允许的尺寸偏差范围，增量的值不大。因此，作为侧向缝隙式的环形分流腔在接收被挤入的多余金属时，可使总的变形力P₂没有明显的增加，相当好地满足了第二条原则。

下面以图4-10所示的闭式模锻为例，计算其所需环形分流腔的尺寸，并检验是否满足第二条原则。

图4-9 轴对称件闭式模锻角部充满时的金属流动特性

图4-10 闭式模锻图

图4-10锻件的原毛坯尺寸d_H＝60^＋_－01..51 mm，L＝（114±1.0）mm；由图中尺寸可以看出：r₁＝3mm，d₂＝D_n－H′＝（110－44）mm＝66mm，H＝34mm，D₁＝D_n－2r₁＝（110－6）mm＝104mm（假设）。假设μ＝0.5，将已知数据代入式（4-2），得

对应的侧向小飞边由式（4-3）得

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则分流腔外径为

D₂＝（D＋10）mm＝（152＋10）mm＝162mm

下面核算变形力。A取平均值，即A＝1.12；假定终锻温度t＝800℃，对应的金属流动应力σ_s＝60MPa。当形成半径r＝r_H＝2.7mm时，D，按式（4-4b）计算变形力，即

当最大的多余金属形成最大的小飞边时，按式（4-5）计算其变形力，得

两者之差等于298kN，这个差值仅为模膛充满时变形力的8％。可见，形成小飞边时变形力没有明显的增加，这说明所设计的环形分流腔的尺寸是合理的。

对于圆盘类锻件的锻模，其缝隙式环形分流腔设在锻件高度的中部，则分流腔的宽度也可按容纳最大体积的多余金属来确定，即

式中 D_H——飞边外径（mm）；

D_n——锻件外径（mm）；

ΔV——多余金属体积（mm³）

t——飞边厚度（mm）。

（4）热挤压带法兰实心锻件端部环形分流腔 这种分流腔的结构如图4-11所示。可以看出，它与上述侧向环形分流腔的结构相似，其区别在于前者适用于闭式镦粗工艺，而该分流腔适合于齿轮、联轴器和法兰类实心零件热态闭式挤压成形工艺，其原理也是在成形结束时毛坯上的多余金属被挤入环形分流腔。实际经验表明，分流腔的尺寸应保证既要使模膛易于充满又要使模具具有经济合理的寿命，而经济合理的寿命长短又取决于多余金属挤入分流腔时所产生的流动阻力。经试验确定，当多余金属在分流腔中流动时，其流动阻力不超过充满模膛所需压力的7％。由此可见，高度h值是高度固定缝隙式分流腔的关键结构参数。

图4-12所示为挤压变形力P同分流腔缝高与实际飞边半径之比h／R₁的关系曲线。表4-1所示为与曲线对应的试验数据。图4-13所示为锻件法兰半径相对值R₀／R₁与h／R₁间的关系曲线。由试验得到过横坐标上h／R₁＝0.110、0.121、0.140、0.168的点作垂线与曲线相交，这些交点对应的纵坐标点R₀／R₁＝1.25、1.5、1.75、2.0。按这些点确定的参数进行设计，模具寿命可达到最高。

图4-11 热挤压带法兰实心锻件端部环形分流腔的结构

图4-12 P-h／R₁关系曲线

表4-1 与图4-12曲线对应的试验数据

由图4-13可看出，随着R₀／R₁增加，缝高h与工作筒半径R₀之比也增大。根据单位变形力的波动不超过7％，可得到缝高与工作筒半径R₀的近似关系为

h＝0.082R₀ （4-6）

设转移到分流腔中的多余金属体积为V_k，由试验确定V_k的计算公式如下：

因分流腔外半径R_i很少影响到多余金属在分流腔中的流动阻力，它的大小可取（1.1～1.15）R₀，代入式（4-7）后得R_i／R₀≈0.12，则

V_k＝0.75R₀²h （4-8）

将式（4-6）代入式（4-8），得

V_k＝0.06R₀³ （4-9）

按式（4-9）得到的体积大约比原毛坯上多余金属体积的2倍略小。

按上述各式确定的分流腔尺寸为最佳尺寸。

（5）纵向分流腔 如图4-14所示，分流腔与锻件轴线平行，也是由桥部和仓部所组成。这种分流腔结构参数主要有余料仓数量n、桥部长度a、宽度b和仓部直径d。

图4-13 R₀／R₁-h／R₁关系曲线

图4-14 轴对称锻件纵向分流腔的设置

1—凸模 2—凹模 3—模套 4—模垫 5—余料仓

根据锻件的结构特点，n可取1、2、4，采取对称分布，便于锻后切去飞边。桥部的长与宽同锻件直径或横截面积的大小相关，一般取a＝（0.15～0.20）D，b＝（0.05～0.10）D，但a尽量取小值，b尽量取大值。考虑到单仓时至少能容纳坯料总体积5％的余料［对热轧棒料按中等剪切精度下料时，当坯料长径比为0.5～2时，坯料体积相对偏差，故按选取料仓直径d。

分流腔结构参数对单位变形力的影响如图4-15所示。图示曲线为在a与b不变的条件下，单位变形力p、桥部相对高度c（即锻件高径比）和余料仓的数量n之间的关系。由图可见，当c值由0.25增加到0.75时，p值降低约10％；当n由1增加到4时，p值约降低15％。

图4-15 p、c、n关系曲线

（6）带闭压装置的浮动模膛 对于图4-16所示旋转体零件的闭式模锻，利用闭压装置作半封闭端，让锻件的高度尺寸H₁可以变化，以调节坯料体积的变化，这样可以防止由于坯料体积过大而造成模膛压力过高和设备过载。闭压装置还可以作为顶出锻件的装置。在这种情况下，在锻件上所能获得的最小外圆角半径R_c与平均单位压力p的关系如图4-17所示，其数学表达式为

图4-16 在带闭压装置的模具中闭式模锻轴对称的示意图

1、2、3、4—塑性变形区 5—刚性区

h_n—塑性变形区的高度

图4-17 图4-16所示闭式模锻时的平均单位压力与、的关系曲线

为了获得某一圆角半径R_c所需闭压装置的总闭压压力为

式中 p——平均单位闭压压力（MPa）；

P——总闭压压力（N）；

σ——在锻造变形温度和变形速度条件下金属材料的流动应力（MPa）；

R₁——锻件环形孔的半径（mm）；

R₂——锻件外圆角半径（mm）；

R_c——锻件环形部分的外圆角半径（mm）。

（7）端部轴向分流孔 对于带枝叉类的锻件，可在枝叉模膛的端部开一轴向分流孔。当模膛充满之后，坯料上的多余金属从4个（三销轴需3个，T形接头只需2个）端部的分流孔中挤出形成小的圆柱形枝叉，模锻结束后，将小枝叉去掉。因为十字轴、三销轴和T形接头端部模膛是最后充满的部位，分流孔设置在枝叉模膛的端部是符合第一条原则的。

经试验研究表明，当十字轴、三销轴或T形接头锻件本体上无难以充满的凸台时，合适的分流孔尺寸（即满足第二条原则）取决于枝叉模膛的结构特征，通常取

式中 d_k——分流孔直径；

d——锻件枝叉部分或枝叉模膛直径。

当枝叉锻件本体上有圆形或方形凸台时，尤其是凸台截面尺寸越小，d_k相对于d的尺寸应越小，对于不同的锻件结构可通过试验确定。

（8）端部侧向分流孔 图8-160所示传动轴万向节叉内侧的凸起（虚线）表示叉形模膛相应部位内侧上的凹坑，即为分流孔（或工艺调节空间）。叉形件采用闭式分流挤压形工艺时，叉形耳朵内侧是最后充满的部位，分流空间的大小取决于坯料的精度，其原则是分流空间必须略大于坯料体积的最大偏差值，而具体尺寸则按多余金属分流时不会导致模膛内部压力有明显增大来确定。

（9）端部角隙 对于某些锻件的闭式模锻，可在锻件需要加放切削加工余量的端部模膛上预留工艺补偿间隙即分流空间。三通管接头多向闭式模锻如图4-18所示。三通管接头多种形式的分流空间称作端部角隙。在设计模具时，使冲头Ⅲ与旁通型腔构成的封闭腔长度比锻件旁通的长度尺寸略长。模锻时，坯料体积的波动反映在锻件旁通端部周边圆角半径大小的变化上。其设计依据是保证锻件旁通端部形成的最大圆角半径在预留的切削加工余量所允许的范围内。

（10）轴向环形储料槽 图4-19所示为小外筒垂直可分凹模闭式冲孔（反挤压）工艺。储料槽设计在靠近模膛上端，因闭式冲孔时模膛上端是最后充满的部位，其结构仍是由桥部和仓部组成。设置储料槽后，多余金属通过桥部挤入料仓，不会沿冲头与凹模间的端部间隙形成薄而长的纵向飞边，这样可防止张模力的过大增长，也可减少模具的磨损。

（11）直齿锥齿轮闭式模膛分流腔的设置^［1］ 如图4-20所示，通常是将锥齿轮精锻件的分模面选择在最大轮廓的位置上，如图中水平虚线所示；而闭式冷精锻时，其分模面则选择在齿尖的位置，如图中水平实线所示。此外，应将齿形模膛沿齿顶延伸至分模面，或从虚线所示的齿轮大端端面向轴线方向旋转一定角度后延伸至分模面。一般地，圆锥角较小时采用前一种方法，圆锥角较大时采用后一种方法。锻件的尺寸依靠严格控制坯料的体积或质量公差来控制。

图4-18 三通管接头多向闭式模锻

图4-19 小外筒垂直可分凹模闭式冲孔（反挤压）工艺

由此可知，当锥齿轮闭式冷精锻结束时，图4-20所示的两段倾斜的虚线即为锥齿轮锻件齿轮大端的端面（实际端面为圆弧面），端面与分模面之间的空间“A”即为分流腔，或叫溢流口，或叫工艺补偿空间。形成了分流腔“A”，就能使锻件的相对面积缩减率R＜1，可抑制变形抗力P_t的无限增大，因而可减少模膛压力，进而减少其磨损，有利于模具使用寿命的提高。同时，因其对坯料体积波动的调节作用，也可降低对下料精度的苛刻要求，从而降低下料成本。如前所述，若将分模面选择在锥齿轮锻件的最大轮廓处，即图4-20中水平虚线所示的位置，则凹模中轮齿的大端齿尖高出分模面，闭式冷精锻时，其垂直作用力很容易将齿尖压塌；而金属填充过程中产生的水平分力容易使齿尖沿露出分模面的部分被剪切破坏。将分模面取在齿尖所在的平面，则全部齿形都埋在分模面以下，不存在露出分模面上的齿尖部分，从而可避免齿尖被压塌和剪切破坏现象的发生，这更有利于模具使用寿命的提高。

（12）大模数圆柱齿轮闭式模膛分流腔的设置^［35］ 王岗超等针对大模数圆柱齿轮采用浮动凹模闭式模锻时其分流腔的设置问题，在不破坏金属纤维流线沿齿形轮廓分布、分流金属分布在齿轮的不重要部位且易于加工、保证锻件完全充满且避免载荷急剧上升的设置原则的基础上，提出了两种截面形状的分流腔，如图4-21所示。两种分流腔均是将齿形型腔的标准齿顶线沿径向加深。图4-21a的加深部分为圆弧形，图4-21b的加深部分为矩形。

图4-20 分流腔的设置

图4-21 齿顶分流腔

a）圆弧形 b）矩形

为了比较两种分流腔的分流效果，设计了圆柱齿轮样件：模数m＝3mm、齿数z＝25、压力角α＝20°、顶高系数为1、顶隙系数为0.5、齿厚t＝15mm。运用DEFORM-3D软件，采用刚塑性有限元技术，以美国标准AISI-4120材料为坯料，对包括传统闭式模锻即未设分流腔的成形过程进行了模拟分析，所得成形载荷对照表如表4-2所示。

表4-2 成形载荷对照表

由表中数据可知，矩形分流腔的分流降压效果最好，其原因是当分流腔为圆弧形状时，自标准齿顶到分流腔顶，其截面积不断收缩变小，其顶部自由表面积与锻件总的表面积之比即变形强度R增加；而矩形分流腔的两个侧面是平行分布，相应的变形强度R保持不变。研究人员还在2000kN液压机上用工业纯铝对矩形分流腔闭式模锻和传统闭式模锻进行了试验研究，所得成形载荷分别为800 kN和400 kN，后者为前者的50％，与模拟结果相吻合。