金属变形受锻造因素影响的分析

1.锻造基本规律

（1）体积不变原理 在锻造前后，毛坯的重量和体积基本上是不变的，也就是说，变形前的体积等于变形后的体积。实际上，在变形前后体积是有一些的改变，如孔洞被压实，密度有所增大，以及表面被氧化等，不过这种体积改变小得可以忽略不计。因此，可以认为，锻造变形是一部分的体积移向另一部分，而不发生体积的改变。这样，我们可以利用计算体积的方法，根据已知量算出有关的未知量。

（2）最小阻力定律 锻工车间生产饼类锻件时，常采用圆柱形毛坯镦粗得到。但是如果改用方形毛坯镦粗，也能得到圆饼锻件，这是由于最小阻力原理的作用的结果。金属颗粒在外力作用下，会产生塑性流动，并且总是沿着阻力最小的方向移动。在锻压行业里，这一现象被称为最小阻力规律。这里所说的阻力，包括摩擦力和工具形状对金属流动的限制止力等。这一规律阐述了金属质点流动的可能性以及流动的方向问题。

根据这个定律，钢料在自由变形的情况下，各个晶粒都在移动，每个晶粒总是采取最短的路线，即是从该动点到断面周界的垂直线，顺着最小阻力的方向移动。例如，压缩一个圆柱体，则它的各晶粒必沿着最短的路线——半径进行移动，因为圆的周界最小，所以变形后的断面仍是圆的（见图1-4a）。

当压缩一个断面为正方形的柱体时，它的各颗粒沿着各边垂直的方向移动。我们在方形断面上划出对角线，能够看出来每个颗粒都是沿着箭头的方向向四边移动，在每个方向上都是这样的。受力变形后，方形的四边向外弯曲，因为越接近四边形的中点颗粒的流动量越多。当压下量增加时，方形断面逐渐变成近似圆形的断面。如果仍要保持方的断面，那么在对角线处的颗粒必须要多走路程，由于阻力增加，事实上，这样变形是不可能的。因此，方柱体毛坯在平砧间镦粗时（见图1-4b），若接触面上沿各个方向的摩擦因数相同，因为对边距离最短，沿该方向尺寸增加遇到的阻力最小，沿该方向尺寸则显著增加。对角线方向距离最大，所以沿该方向尺寸增加的较慢。随着镦粗程度的增加，方形断面逐渐变成圆形断面。

当压缩一个断面为长方形的柱体时，在变形区断面上连接两个二等分角线的交点，如此把断面分成四个区域。压缩时，每个区域的颗粒沿着长方形的各边垂直方向移动，大多数颗粒是向垂直于长方形的大边移动的。这样移动的结果，长方形断面变成椭圆形，最后成圆形，如图1-4c所示。

图1-4 不同断面形状坯料的镦粗变形

a）圆柱坯料 b）正方体坯料 c）长方体坯料

把长方形时的变形区，按最小阻力定律分为四个流动区域。其梯形区域流出的金属多于三角形区域流出的金属，可判断锻造时金属如何流动，在今后的章节中会经常应用；同时，它也是工艺制订和实际操作中了解金属流动方向的依据。

2.工具与金属接触面上的摩擦对变形的影响

由于毛坯与工具在接触面上存在着摩擦，从而使金属变形受到了阻碍，引起金属的不均匀变形。

由摩擦所引起的内部不均匀变形，可用最常见的圆柱镦粗来说明。圆柱体坯料在平砧间镦粗时，由于砧面与坯料间的摩擦力，以及砧对坯料端面的冷却作用，镦粗后呈鼓形，中间粗，两端细。内部变形也不均匀，按变形程度的大小，大致可以分为三个区（见图1-5），第Ⅰ区变形最小，第Ⅱ区变形最大，第Ⅲ区变形中等。由于第Ⅱ区变形很大，它对于圆柱表面就有一个很大的胀力，因此在镦粗低塑性材料（如高速工具钢）时，表面就容易生裂纹。但事情都是一分为二的，摩擦对金属成形有不利的一面，但也有有利的一面。辊锻时，摩擦就有利于轧辊咬入轧件；模锻时，飞边的桥部分做得很薄，就是利用桥口部分的摩擦阻力来阻止型槽内金属外流，从而有助于型槽各处充满。

图1-5 镦粗时的内部变形区分布

Ⅰ—最小变形区 Ⅱ—最大变形区 Ⅲ—中等变形区

3.工具形状对变形的影响(www.xing528.com)

工具形状不同，造成金属沿各个方向的变形阻力也不一样，如图1-6a、b所示，在半圆形砧或V形砧内拔长时，工具的侧表面压力迫使金属沿轴向伸长，这就是利用砧拔长效率较高的原因。图1-6c所示的工具则产生相反的结果，金属利于横向伸展。小农具锻造中的开片工序，时常采用弧形砧，迫使工件向横向展宽，以得到所需要的锻件形状。

图1-6 工具形状对金属塑性变形和流动的影响

a）半圆形砧 b）V形砧 c）弧形砧

4.不变形部分的金属对变形部分金属的影响及变形金属相互间的影响

例如，金属在拔长时，由于变形部分金属的横向展宽受到两端不变形部分的牵制（见图1-7），因此，横向展宽量就比自由镦粗时少。又如冲孔时（见图1-8），冲子下面金属的流动受到周围环形金属的阻碍，由于金属本身是一个整体，冲子下面的金属流动时，又拉着周围的金属向下移动，造成了所谓的“拉缩”现象。

图1-7 拔长时不变形外端对变形金属的影响

图1-8 冲孔时变形部分金属相互影响

当环壁很薄时，严重的拉缩导致坯料外径上小下大、上端面拉缩凹进、底部翘底的严重畸形（“走样”）。如果环壁很厚，径向阻力大，坯料直径不易扩大，冲孔后上小下大的现象就不显著，拉缩也较小。

5.坯料本身性质不均匀对变形的影响

坯料本身性质不均匀对变形部分有很大的影响。例如，坯料两端加热温度不一样，在镦粗时，温度高的一端就变形大，低的一端则变形小。这一特点在生产上常被采用，如局部镦粗时，往往要将不变形部分用水冷却。镦锻铆钉时则采用局部加热。

6.锻锤吨位对金属变形的影响

当锻锤打击能量不足时，变形多集中在工件的表层；打击能量足够时，变形才可深入到工件中部去。

总之，锻件在锻造过程中的成形问题与很多因素有关，只有弄清楚各种因素对变形的影响，并根据具体情况制造条件，化不利因素为有利因素，就能又快又好地进行锻造加工。