第四章锤上模锻

第四章锤上模锻 模锻概念：将上下模块分别固定在锤头与砧座上，使加热的金属坯料在模膛内受力产生塑性变形而流动充型，获得与型腔形状一致的锻件的加工方法。模锻我国模锻锤系列：1t、2t、3t、5t、10t、16t ‥‥‥

本章内容： （1）锤上模锻特点与应用（2）锤上模锻方式与变形特点（3）模锻件的分类及其锻件图设计（4）模锻变形工步确定（5）坯料尺寸确定及其模锻锤吨位选择（6）模锻形槽设计（7）锤锻模结构设计（8）锻锤材料选择及使用维护本章重点难点内容本章重点难点内容

1－1 锤上模锻特点及其应用范围 模锻工艺特点： (1)工艺灵活，适用性广，可实现形状复杂的锻件，通过型槽设计能完成各类锻造工步。 (2)锤头的行程、打击速度可调节，金属充型能力强，加工余量较小，材料利用率高，生产率高。 (3)锻造流线分布合理，能提高锻件的使用寿命，批量生产生产成本低。 (4)设备投资大，锻造震动对厂房要求高。 (5)模锻锤导向差，锻件精度不够高。 (6)低塑性的材料不宜锤上模锻。

锤上模锻的应用： 批量较大的锻件锻造。可以进行拔长、镦粗、滚挤、弯曲、卡压、成形、预锻、终锻等批量较大的锻件，批量小时成本较高。模锻设备：蒸汽－空气模锻锤、高速锤、螺旋锤等。蒸汽－空气模锻锤

模锻工艺的演变过程 胎模锻自由锻胎模锤锻模

4－2 锤上锻模方式与变形特征 开式模锻；闭式模锻；单型槽（件）模锻；多型槽（件）模锻。锻模方式开式模锻闭式模锻

单型槽（件）模锻 多型槽（件）模锻

一、开式模锻 1）定义：金属锻造时，变形金属的流动不完全受模腔限制的一种锻造方法。锻造时多余金属沿垂直于作用力的方向流动，形成毛边，流动受阻，迫使金属充满型腔. 2)变形过程第一阶段：自由变形或镦粗阶段。第二阶段：毛边槽开始形成阶段。第三阶段：充满型槽阶段。第四阶段：镦粗或打靠阶段。四个阶段

自由变形或镦粗阶段 抗力小变形过程及其抗力变化抗力增加毛边槽开始形成阶段抗力增大充满型槽阶抗力急剧增加

3）各个阶段变形区的应力分析 第一阶段变形：如同在孔板间镦粗。分为A区和B区。A区直接受力区，B区受A区变形引起变形。第二阶段变形：金属流动有两个方向，充型和流向毛边。两个方向流动阻力大，处于明显三向应力状态。开式模锻各变形区应力应变

第三阶段变形：多余金属排向毛边，变形仅发生在分模面附近的一个区域，其它位置处于弹性状态。第三阶段变形：多余金属排向毛边，变形仅发生在分模面附近的一个区域，其它位置处于弹性状态。变形第三阶段网格和应力应变（1）型槽的具体尺寸和形状。（2）毛边槽尺寸和形状。（3）锻件的分模位置。（4）设备工作速度及其运动特性。（5）坯料的性质。 4）影响变形金属流动的因素

在锻造工艺上起重要作用的是毛边槽。 容纳多余金属；造成水平方向阻力，有利于充型；缓冲上下模的冲击。毛边槽的作用毛边槽的结构

毛边槽的结构设计与变形方式有关。 镦粗充型压入充型镦粗成形：金属容易充满型腔，b/h毛应取小些。压入成形：金属难充满型腔，充型b/h毛应大些。

二、闭式模锻 1）定义：金属锻造变形过程中，金属的流动始终在封闭的型腔内，不能排出，迫使金属充型而不形成毛边的一种锻造方法。闭式模锻时不设毛边槽，减少毛边材料，无需切变设备，有利于精密锻造，但下料要准确。位置1 位置2 闭式模锻过程锻造过程压力变化

2)变形过程：可分为三个阶段。 第一阶段：基本成形阶段。开始变形到基本充满型腔。第二阶段：充满阶段。充满型槽各处。第三阶段：形成纵向飞边阶段。多余金属形成毛刺。变形过程带纵向毛边锻件充满阶段变形特点

3）闭式模锻与开式模锻比较 与开式模锻相比，闭式模锻特点如下：（1）省去毛边材料的消耗和切毛边工序。（2）模锻时材料在封闭的形腔变形，材料处于明显的三向压应力状态，提高材料的塑性，有利于低塑性材料锻造。（3）流线分布更合理，提高锻件的力学性能。（4）要求计算毛坯坯料准确，型内定位准确，锻件出模困难，模具上需要设计顶出机构。（5）应用受到一定限制，应用范围窄。金属分布不均顶杆

4－3 锻件分类及锻件图设计 1）锻件分类：4类。圆饼类、长轴类、顶镦类、复合类。　第　一　类圆饼类　　　　　锻件模锻工序：镦粗制坯，终锻成形

模锻工序： 考虑拔长、滚挤、弯曲、卡压、成形等制坯工步，预锻和终锻成型．　第　二　类长轴类　　　　　锻件模锻工序：要考虑顶镦、聚料、冲孔等制坯、预锻和终锻成形　第　三　类顶镦类　　　　　锻件

　第　四　类复合类　　　　　锻件考虑具体形状结合基本工序来定 2.锻件图设计生产工艺规程制定锻模设计锻件检验后续机械加工模锻锻件图设计是的重要技术文件。锻件图设计必须的资料：零件图。

冷锻件图 热锻件图锻件检验、后续机械加工及热锻件图依据。锻件图的分类是用于设计和制造锻模的依据。一般所说的锻件图为冷锻件图。 1）选择分模面位置和形状; 2）确定机械加工余量、余块和锻件公差； 3）确定模锻斜度; 4）确定圆角半径; 5）确定冲孔连皮的形状和尺寸； 6）制定锻件技术条件; 7）绘制锻件图. 锻件图设计的内容和问题

一、确定分模面 1）分模面：组成模块型腔的各模块的分合面称为分模面。分模面影响锻件出模和材料利用率 2）分模线：分模面与锻件表面的交线称为分模线，是锻件最重要最基本的结构要素。锻件分模位置

3）分模面确定原则： （1）分模面应取在最大投影面上，有利于充型和出模。不好好好不好

（2）有利于制模方便，分模面尽量为平面，必要时采用折线分模.（2）有利于制模方便，分模面尽量为平面，必要时采用折线分模. 好不好

3）有利于纤维分布 好不好 4）有利于检查错移和锻模机械加工 H≤（ 3~4）D 不好好好不好

二、确定机械加工余量和公差 余量：锻件设计时添加的包覆零件外层的金属。余量设计目的是为提高表面质量及保证尺寸而设置的，锻件图上凡是需机械加工的表面，都留有余量。加工余量的大小与锻件的形状复杂程度、尺寸精度、表面光洁度、锻件材料和模锻设备等有关。公差：保证锻件的尺寸误差在余量范围之内的尺寸设计。加工余量与公差确定确定方法：（1）按锻锤吨位大小确定；（2）按锻件的形状和尺寸确定。（1）尺寸公差。（2）形状位置公差。（3）技术要求公差。公差的分类

（一)影响锻件加工余量与公差的因素 1.锻件的形状及复杂系数S 式中：Gd为锻件重量，Vd锻件体积。 Gb：外廓包容体质量，Vb外廓包容体体积。锻件的外廓包容体 S分为四级，S1、S2、S3、S4。由简单到复杂，Ｓ值越小锻件越复杂。

2.锻件的重量和公差尺寸的大小 确定方法：根据锻件图的名义尺寸进行计算，并按质量和尺寸査相关表格。一般质量大，锻造设备吨位大者，取余量和公差大一些。 3.锻件的材质系数按照锻造的难易程度分为四级。材质系数不同，公差不同。 M0: Al、Mg合金； M1：低碳低合金钢； M2：低碳高合金钢； M3：不锈钢、高温耐热合金和Ti合金。材质系数一般M编号值越大，公差余量越大。 4.锻件精度等级及其锻压设备精度等级不同，加工余量和公差不同。锻造设备不同，公差和余量不同，可参考相关手册图标。

5.分模形式和模具状况 平直分模及弯曲对称分模公差小，模具材质和磨损状况不同而不同。（二）常见的几种类型的公差 1.长度、宽度及高度公差。锻件的名义尺寸质量大小精度等级形状复杂系数锻件材料公差确定可按来确定。长度尺寸宽度尺寸高度尺寸厚度尺寸锻件尺寸分类

锻件尺寸分类 外表尺寸外表尺寸正负偏差按＋2/3和 -1/3比例分配。如A尺寸：内表面尺寸如a尺寸：内表面尺寸正负偏差按＋1/3和 -2/3比例分配。

2.厚度公差 通过分模线厚度方向公差。锻件所有的厚度公差应该一致。厚度公差按锻件最大厚度尺寸查表确定。厚度公差正负偏差按＋3/4，-1/4或2/3、 -1/3比例分配。 3.冲孔公差内表面公差，公差正负偏差按＋1/4 和－3/4比例分配。 4.错移公差分模面上一侧的任一点和另一侧的对应点之间的允许偏差，其方向平行与主分模线。错移量m：错移

公差确定：参考相关手册。公差确定的步骤： 根据同轴度毛边大小分模线形状锻件质量材质系数形状系数锻件轮廓尺寸确定公差。

举例图表法确定锻件的公差

内外表面加工余量

5.残留毛边及毛边过切面 由锻件存在错移或切边模刃口尺寸与锻件尺寸存在偏差造成。锻件本体到剪切边距离切出平面到理论分模线交点的距离

（三）模锻加工余量的确定 三、模锻斜度 1.定义：为便于取模，必须将型槽壁部做成一定斜度，称之模锻斜度。锻模斜度分为内斜度和外斜度之分，内斜度比外斜度大一级。锻件在型槽中的受力

A放大 模锻件上的模锻斜度 2.模锻斜度度量和做法模锻斜度表示可用角度和斜度余量表示。模锻斜度表示

连接斜度 反引等斜度自然斜度

改变分模面形成自然斜度 变换锻模斜度 3.模锻斜度的大小可查相关模锻设计手册的表格。如表4－4~6。

四、圆角半径 锻件上所有的转接要用圆弧连接，形成圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角。圆角过小，会造成应力集中容易产生裂纹，取模困难，纤维分布不合理，力学性能下降，严重时会形成回流，形成折叠. 圆角过大造成加工余量增加，复杂件会造成锻不足。圆角半径过小造成裂纹或压塌圆角半径对流线影响

圆角半径大小锻件尺寸有关，高度尺寸越大，圆角半径越大。圆角半径大小锻件尺寸有关，高度尺寸越大，圆角半径越大。内圆角半径：r＝余量＋零件相应处圆角半径外圆角半径：R＝（2～3）r 具体圆角半径数值可查阅相关手册表格。模锻前模锻中模锻最后折叠与圆角半径的关系

五、肋和腹板 肋：零件的加强结构设计。分类：周边肋、中心肋、正交肋、符合肋。形状：H、U、L、T、＋型等。凸台：连接支撑部分。形式：轮毂型、凸耳型、凸块型。肋与凸台的形状和位置

高度宽度肋与凸台尺寸的习惯表示法六、冲孔连皮连皮：模锻时不能直接锻出透孔，在设计热锻模图时必须在孔内留有一层连皮。锻后在切边机上冲除掉。连皮作用：避免锻模凸出部分相互接触，造成磨损或打塌；容纳多余金属。

连皮种类： 尺寸确定：由内孔直径、内孔深度确定。平底连皮是常用的连皮形式. （１）平底连皮尺寸确定：斜底连皮是d＞2.5h或60mm的锻件。（２）斜底连皮

尺寸确定：s由毛边槽桥部高度h确定，b由毛边槽桥部宽度来确定。尺寸确定：s由毛边槽桥部高度h确定，b由毛边槽桥部宽度来确定。带仓连皮用于形状复杂的锻件。（３）带仓连皮尺寸确定： S＝0.4d；R1＝5h 拱底连皮用于d＞15h的锻件。（４）拱底连皮

d≤25mm或h≥1.7d时采用压凹形式，不锻 出连皮。压凹h1＝（0.5～0.8）d 压凹用于内孔较小锻件。（５）压凹　　连皮有时用来生产小锻件，以节约金属损耗．复合模锻

七、模锻锻件图及锻件技术条件 锻件图表示方法与自由锻锻件图相同。有连皮锻件，不必绘出连皮形状和尺寸。未注明的锻模斜度和圆角。允许的错移量和残余毛边的宽度。允许表面缺陷深度。表面清理方法。锻后热处理工艺和硬度要求。注明需要进行组织和力学性能检验的取样位置。其它特殊要求。如弯曲度，同心度等。技术条件内容锻件图绘制。技术条件表示方式。余量及其公差确定。取样位置确定。重点关注

举例：某航空发动机1级涡轮模锻件设计实例。举例：某航空发动机1级涡轮模锻件设计实例。锻件名称：Ⅰ级涡轮盘锻件类别：Ⅱ类。锻件材料：GH4033A 锻造方案：饼坯在16t模锻锤上锻造。公差及其余量确定：由锻件尺寸查表确定。涡轮盘锻件图

4－4 模锻变形工步的确定 1.模锻工艺一般流程模锻工艺一般流程

2.模锻工步分类 模锻工步：最终成形，包括预锻和终锻。制坯工步：改变坯料形状和体积分配，有利于预锻和终锻成形。模锻工艺主要任务之一是制定制坯工步。分类切断工步：切断锻好的锻件和钳口。镦粗压扁开式拔长闭式拔长开式滚挤闭式滚挤混合滚挤不对称滚挤卡压成形弯曲常用的制坯工步镦粗

压扁开式拔长闭式拔长开式滚挤闭式滚挤混合式滚挤

第四章 锤上模锻