锻锤的打击效率与刚性特性优化研究

锻锤的打击过程分为两个阶段（见图3-1-3）。

第一阶段为加载阶段。打击开始时锤头的速度为v₁，砧座的速度v₂=0。在此阶段，随着砧块（或模具）彼此接近而致使锻件成形。第一阶段结束时，锤头和砧座达到一致的下沉速度u，这时锻件变形最大，砧座及基础下沉，落下部件的动能转化为锻件的塑性变形能、锤击系统内部的弹性变形能和系统运动的动能。

图3-1-3 有砧座锤的打击过程

对对击锤，v₂≠0，上、下锤头相互靠拢，对如图3-1-2所示的钢带式无砧座锤，m₂＞m₁，u的方向朝上，这能改善打击时钢带的受力状况。

第二阶段为卸载阶段。第一阶段末锤击系统所具有的弹性变形能在第二阶段释放，导致打击终了后锤头和砧座或上下锤头的反向分离，其速度分别达到u₁和u₂，此时二者开始分离。有砧座锤砧座以初速度u₂的初速度打击基础，严重的地面冲击振动由此产生，无砧座锤上、下锤头是在空中对击，地面上基本上无冲击振动。

在锤击系统中，巨大的锻击力是系统的内力，其他力的作用均可略去不计，故碰撞前后系统的总动量应守恒，即：

m₁v₁+m₂v₂=m₁u₁+m₂u₂=（m₁+m₂）u （3-1-3）

导致锤击系统运动状态发生变化的材料性质，可用恢复系数K来表示；即：

恢复系数表示锤击系统在锻击后相对速度与锻击前相对速度的比值，此处可将其体现为锻件的弹塑性指标。K值随锻件温度的增高而减少，其值在0～1之间。

由式（3-1-3）和式（3-1-4）可确定打击过程结束时锤头和砧座（或上、下锤头）的最后速度，即：

打击终了时，锤击系统具有的动能E_kt为：

锻锤打击能量E₀消耗在锻件的塑性变形能E_w为：

E_w=E₀-Ekt(www.xing528.com)

在进行锻造时，希望锻件的塑性变形能在锻锤的打击能量中所占的比例越高越好，这可用打击效率η来表示。由上述各式，可导出η的表达式，即

λ为有砧座锤砧座与锤头的质量比。以表达。

由式（3-1-8）可知：锻锤的打击效率决定于K和λ值。恢复系数K值取决于锻件的锻造温度。温度越高，K值越小，打击效率就越高，反之，锻造温度过低甚至打冷铁，对锻锤的能量利用不利。自由锻工艺的锻件一般能在较高的锻造温度下变形，故自由锻锤的K值可取为0.3，而模锻件在终锻模膛内终锻成形时，已接近终锻温度，所以，模锻锤的K值应取为0.5。上式又可显示：为了获得高的打击效率，有砧座锤必须要有一个巨大的砧座。对自由锻锤，因锻件塑性好，K值低，锻件易于成形，为了减少金属消耗，降低制造成本，其λ值一般取10～15。

图3-1-4 砧座与锤头的重量比λ对打击效率和打击刚性的影响

对于有砧座锤，取K=0.3，v₁=9m/s，v₂=0，根据式（3-1-8），当给出一定的λ值时，可得出如图3-1-4所示的打击效率η的变化曲线，当λ值超过10以后，打击效率的提高就不甚显著，但从打击过程对模锻件变形质量的影响来看，砧座受力时的退让量越小越好，这就引出打击刚性越大越好的概念。

打击刚性可用第一阶段末系统的共同下沉速度u和第二阶段末钻座的下沉速度u₂来衡量，在v₂=0时，u和u₂由式（3-1-3）和式（3-1-6）可得：

此二速度的变化曲线如图3-1-4所示，在λ超过10以后其下降的幅度非常显著，即打击刚性逐渐提高，因此，为了提高打击效率和打击刚性，必须增加模锻锤砧座的质量，一般应使λ值在20～25，如果要求模锻精度较高者，可取λ=30。

对击锤的打击效率η为：

由分析计算可知，要获得最高的打击效率，必须在打击瞬间保持上锤头和下锤头（或机身）的动量相等。考虑上、下锤头运动时间相等，可导出：

r为上、下锤头的质量比，也是速度比和行程比。图3-1-2所示为钢带式的对击锤，其r=·1，虽然有打击效率高、对地面无冲击振动的优点，但因有下锤头大行程带来模锻操作不便的缺点，促使机身微动式对击锤的发展，式（3-1-12）就是这种无砧座锤的基本设计准则。这类设备在国、内外都有很大的发展。