开式模锻成形过程中的金属流动分析

开式模锻是最广泛使用的模锻方法，适用于各种类型的锻件和各种类型的锻压设备。开式模锻之所以称作“开式”模锻，就是在模锻全过程中，型槽四周一直敞开着，开式模锻的终锻型槽在整个分型面上都有飞边槽（也称毛边槽），是多余金属流出的地方。由于飞边槽的存在，当上下锻模接近时，飞边减薄，金属流入飞边比充满型槽困难，迫使金属流入并充满型槽。开式模锻的优点在于飞边起到了调节补偿、缓冲作用，保证了生产工艺的稳定性和复杂平面图的锻件成形，但是其飞边材料损耗为锻件重量的10%～50%，平均约为30%，而材料费占模锻件成本的60%～70%。

1.开式模锻的充形过程

开式模锻的变形过程如图1-3所示，在一般情况下，可以划分为三个阶段：自由变形（自由镦锻）阶段、形成飞边和充满型槽阶段和锻足（打靠）阶段。各变形阶段相应的工作行程分别为ΔHⅠ、ΔHⅡ和ΔHⅢ，总的工作行程∑ΔH=ΔHⅠ+ΔHⅡ+ΔHⅢ。

开式模锻模具的分型面与模具运动方向垂直，模锻过程中分型面之间的距离逐渐减小，在模锻的第Ⅱ阶段（充满阶段）形成横向飞边，依靠飞边的阻力使金属充满型槽。

图1-3 开式模锻的变形过程

（1）自由变形阶段 由上模型槽表面与坯料接触开始（ΔHⅠ），至坯料变形后与飞边槽开口处接触为止（ΔHⅡ）。这个阶段坯料的变形与自由锻变形工序相同，分别相当于自由镦粗、局部镦粗、开式冲孔和挤入等。这个阶段的变形抗力相对于后两个变形阶段是最小的，而且尚未形成飞边损耗。在实际生产中，此阶段使金属最大限度地充满型槽最为有利。或者终锻前采用预成形工步，使坯料断面在终锻时，能以镦粗和冲孔方式代替挤入方式填充型槽。

（2）形成飞边和充满型槽阶段 由金属横向流入飞边槽开始（ΔHⅡ），至金属完全充满型槽为止（ΔHⅢ）。在这个阶段中，金属有两种流动：一种是金属横向挤入飞边槽形成飞边。在飞边槽桥部由于摩擦和飞边的变形产生横向流动阻力，随着飞边的增宽、变薄和降温，横向流动阻力迅速增大，影响变形抗力也迅速增大。当飞边增宽至桥部宽度后，飞边继续变薄和降温，继续使横向流动阻力和变形抗力有所增大。另一种发生的金属流动，迫使金属挤入具有较小主压应力的型槽未充满部位。这个阶段的变形抗力、消耗的变形功和飞边损耗，都随此阶段变形行程ΔHⅡ的增加而急剧增加。因此，应尽可能减小此阶段的变形行程ΔHⅡ。变形行程ΔHⅡ的大小决定于型槽断面的几何形状和尺寸、第I阶段变形后型槽断面的充满程度和飞边的横向流动阻力等因素，此外还与模锻设备的工作特性有关。采取增大飞边横向流动阻力的工艺措施，可以在一定限度内减小ΔHⅡ和减少飞边损耗。

（3）锻足阶段 由金属完全充满型槽开始（ΔHⅢ），至上、下模完全闭合（打靠）为止，将多余金属由飞边挤出，保证锻件高度尺寸。在这个阶段中，变形仅发生在飞边桥部附近的椭圆形区域内，其他区域为不变形的刚性区。在此阶段，由于飞边继续变薄和降温，变形抗力继续增大，达到开式模锻的最大值，开式模锻所需的变形力即按此值计算。从降低变形力、减少变形功和飞边损耗来看，都要求ΔHⅢ尽可能小些。但从保证锻件的成形和模锻成批生产的稳定性来看，都不能没有这个阶段（即应使ΔHⅢ>0）。因为实际生产中有一些工艺因素经常是在一定范围内波动的，例如型槽的磨损、实际锻造温度的波动、实际坯料的体积（或断面面积）的波动、坯料放入型槽的偏位等，对于复杂形状锻件的各个不同断面，不可能同时充满型槽。这些情况都必须靠一定数值的ΔHⅢ，作为补偿和调节环节。统一以上两个方面的矛盾，按照锻件重量和复杂程度，一般应使0.5mm>ΔH_Ⅲ＞0mm，2.5mm＞ΔH_Ⅲ＞0mm。

由于锻件的复杂程度和使用的模锻设备不同，以上三个阶段的变形过程，可以只在一个终锻型槽里完成，也可以在预锻和终锻两个型槽里顺序完成。虽然在单型槽单击或多击和多型槽单击或多击的各种情况下，开式模锻的三个变形阶段的具体情况是有差异的，但总是要经历并完成这三个阶段的变形过程。改善开式模锻变形过程的基本原则之一，就是扩大ΔH_Ⅰ，缩短ΔH_Ⅱ，保证必要的较小的ΔH_Ⅲ。

开式模锻若不能完成上述三个阶段的变形过程，则会造成模锻件的两种常见缺陷：充不满与锻不足（欠压）。充不满是上下模已闭合，而第Ⅱ阶段变形尚未完成。造成充不满的基本原因是ΔH_Ⅰ太短，第Ⅱ阶段变形开始太早和飞边横向流动阻力太小。锻不足多发生在设备吨位不足的情况下，或飞边流动阻力过大，造成设备吨位不足。

2.金属平面流动

观察生产中使用过的各种开式模锻锻模（见图1-4），由于金属剧烈流动，在预锻和终锻型槽的凸起部位和飞边桥部的表面留下了磨损痕迹。这些流动痕迹反映了模锻时金属流动变形的一些特性。

图1-4 终锻型槽流动磨损痕迹示意图

a）齿轮锻件 b）拉杆锻件

图1-4a所示为典型的短轴线类回转体（饼类）锻件，金属是以轴线为中心沿半径方向对称流动，由圆心向外发散分布，这种特性称为轴对称变形。图1-4b反映了长轴线类锻件模锻时金属的变形特性，在锻件端部（尤其在大头部位）具有轴对称变形特性，但在杆部流痕与轴线方向垂直分布，说明金属沿轴线方向没有流动，而只在垂直于轴线的平面内流动，这种特性称为平面变形。在图1-5中给出了体积模锻时金属流动的平面和方向。这样可以将实际上是立体的（三维）模锻变形过程，简化为平面（二维）的问题，即以断面来进行分析。

图1-5 金属流动的平面和方向

a）流动平面 b）锻件形状 c）流动方向

用断面表示开式模锻的变形过程，对于轴对称变形和平面变形，二者的情况是相似的，都是将简单几何形状的坯料断面（如椭圆断面、矩形断面等），变形为相应的带有飞边的锻件断面（即带有飞边槽的型槽断面），如图1-6所示。二者的差别主要在于：平面变形的断面面积变形前后相等，而轴对称变形是变形前后体积相等，反映在断面上则金属离心向外流动时断面积减小，反之向心挤入流动时断面面积增大。(www.xing528.com)

3.型槽充型的三种形式

模锻核心内容是迫使坯料塑性流动时能尽可能好地充满锻模型槽。

在开式模锻成形过程中，金属坯料以变形、挤入和流动充填型槽，经常采用的加压方式有三种：镦粗、冲孔（劈叉）、压入。其中，以镦粗变形的变形抗力最小，冲孔（劈叉）变形的变形抗力次之，挤入变形的变形抗力最大。在实际工作中，短轴线类回转体（饼类）锻件的充填方式如图1-7所示，长轴线类（杆类）锻件充填方式如图1-8所示。

图1-6 锻件及锻坯横截面示例

P—锻坯形状 E—锻件形状

图1-7 短轴线类回转体（饼类）锻件充填方式

a）自由镦粗 b）局部镦粗 c）开式冲孔 d）挤入

图1-8 长轴线类（杆类）锻件充填方式

a）椭圆→圆 b）椭圆→矩形 c）矩形→工字型

对于复杂断面的型槽，终锻前采用预成形工步，使坯料断面在终锻时，能以镦粗和冲孔代替挤入可以改善金属充满型槽的程度。

4.飞边糟

飞边槽的尺寸选择原则是既能保证金属较好地充满终锻型槽，又能只有较少的金属损耗在毛边上。

图1-9所示为对照图1-3开式模锻变形过程的锤上模锻时锻造变形力-行程曲线。P₀点为锻模与毛坯开始接触。在P₁点以前，金属在型槽中流动的阻力不大。达P₁点开始形成飞边，P₁点后金属开始从型槽流向飞边，此时流动阻力增大，变形力显著上升，迫使金属流向型槽内尚未充满的地方。达P₂点后，型槽已完全充满，但上、下模尚未打靠。此时，型槽内的多余金属将继续挤入飞边槽。由于位于飞边桥部的金属厚度不断减少和温度降低，金属的流动阻力显著增大，从而使锻造变形力急剧上升，达P₃点时模锻结束。

图1-9 变形力-行程曲线

合理的飞边槽尺寸，应使在P₁点时金属流入飞边的阻力大于金属充满型槽的阻力。而合理的锻坯形状和尺寸，应使P₁点的压力增大，即金属流入飞边以前，型槽已基本充满；并使P₃点靠近P₂点，即当型槽完全充满后，上下模分型面恰好打靠。

影响阻流作用大小的主要参数是桥部的宽高比b/h_飞和桥部高度h_飞。b/h_飞越大，h_飞越小，则阻流作用越大。相对而言，b/h_飞是比桥部高度h_飞影响更大的因素，增大b/h_飞，可以较大地加强阻流作用，从而更有利于型槽充满或减少飞边损耗，而且在b/h_飞≈5时所需的变形能量最小。但过大的b/h_飞除了有增大变形力和变形功的坏作用之外，没有什么好处。生产实践经验也表明，b/h_飞=4～6比较适宜。