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镦粗长轴类锻件避免失稳的研究 |
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作者：华中理工大学 杨雨春 夏巨谌 胡国安 |
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摘要：从塑性理论出发，在分析锥模聚料变形过程的基础上，指明了锥模并不能有效防止长轴类锻件镦粗失稳，提出了以活动芯套改变变形区长度以彻底解决长轴类锻件压缩失稳的一种新型镦粗工艺。
关键词：镦粗；失稳；活动芯套
一、前言
镦粗工序广泛应用于锻造生产中，使坯料的高度减小横截面增大成为所需的几何形状，同时大大提高制件的机械力学性能指标。对于高径比较大的长轴类锻件，镦粗刚开始时就会发生塑性失稳，引起金属的空间分布发生变化，轴线弯曲，不加控制就会发展为纵弯折叠，形成废品，特别是由于金属在模膛中分布不规则，部分模膛无法充满而另一部分模膛中金属过多向分模面流动，导致成形力的急剧增大，产生较大偏载，损坏模具及设备，严重时会闷车，对生产危害极大，应努力防止。传统方法是限制其变形量，即采用如下两条局部镦粗规则：
局部镦粗第一规则：当坯料局部镦粗长度与直径之比值φ＜Ψ允许时，可将坯料一次镦粗成任意形状而不产生缺陷。通常，Ψ允许≤1.5～3.2。
局部镦粗第二规则：当φ＞Ψ允许时，坯料需多次在模具型腔内积聚，直至φ＜Ψ允许。
但采用这两条规则设计工艺，并不能从根本上解决塑性失稳，并且工步数较多，工序复杂。很多零件就采用其它方式生产，如气门多采用挤压工艺，但存在着对坯料要求较严、模具寿命较低、生产成本较高等缺点。
二、聚料的变形过程
聚料工序并不能有效防止塑性失稳，以锥模聚料为例，利用坯料不变形部分作夹紧定位，对伸出部分坯料l进行局部镦粗变形，金属变形过程如图1所示。
在锥模下行的过程中，首先是锥底部分碰到坯料的上端面，坯料在锥模的压迫下开始塑性变形，如图1a。变形金属的长度l值始终等于锥底到下模的距离值，由于φ＝l／d＞Ψ允许，金属发生失稳，坯料的轴线弯曲，圆柱面外鼓，直至碰到模具锥面而不能继续向外弯曲，如图1b，坯料就被锥模约束住，失稳就被控制住不能发展下去。变形主要在模具型腔中进行，直至充满模膛，如图1c。由此可见，锥模聚料工序中虽有塑性失稳，金属变形被模具型腔约束住，只要锥度设计合理，金属能够充满模膛，失稳的影响并不大。但当φ值相对Ψ允许较大时，需经多次聚料，工序复杂。
图1锥模聚料变形过程示意图
三、活动芯套镦粗的变形过程
镦粗工序中，只要φ＝l／d＞Ψ允许，金属就会失稳。若能使变形金属的长度l始终小于d.Ψ允许，就能彻底消除失稳。采用活动芯套进行镦粗，金属变形区域的长度l始终很小，在整个变形过程中都不会出现塑性失稳。
如图2所示，活动芯套以复位弹簧和导杆连接在下模上，与下模及顶杆是滑动配合，坯料置于活动芯套之中、顶杆之上。在模锻过程中，上模首先与活动芯套接触，如图2a所示。上模继续下行，把活动芯套压下，露出坯料，暴露部分的金属就发生镦粗变形，如图2b所示。由于变形部分金属的长度l值亦即上模与活动芯套之间的间隙值，始终较小，在整个变形过程中轴线不会弯曲，不会失稳，如图2c所示。在模锻终了时刻，活动芯套碰到限位垫块而位置固定，能保证模具几何型腔的完整性与唯一性。
图2活动芯套镦粗变形过程示意图
采用活动芯套进行镦粗时，影响变形金属的长度值l的因素很多，须进行深入的理论分析，如用有限元法求解或是通过试验才能得到。金属的变形类似于电镦，是以堆积的方式进行，顶部变形较大，工艺设计时应以不出现裂纹为准则。还需注意的是，坯料和活动芯套间的摩擦较大，须保持良好的润滑。
四、结论
高径比较大的长轴类锻件采用镦粗方式进行生产时，用局部镦粗规则设计工艺并不能消除塑性失稳，且需多次聚料，工序复杂。若用挤压方式进行生产，模具寿命较低，生产成本较高。用活动芯套进行镦粗，就能避免轴线失稳，且具有工艺简单、适应面广、材料利用率高、模具寿命较高、生产率较高、生产成本较低等优点，可望应用于汽车半轴、发动机气门、螺钉螺栓等的精密模锻工艺中。但该方法由于是堆积变形，锻件的质量问题还须深入研究，有待生产实践的检验与完善。
作者简介:杨雨春 华中理工大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室(430074)
参考文献
［1］王祖唐，关廷栋，肖景容等.金属塑性成形理论.北京：机械工业出版社，1989.
［2］张志文.锻造工艺学.北京：机械工业出版社，1988.(end)
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(4/1/2007) |
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