锻压工艺及模具设计作业
1. 最小阻力定律在设计锻模时有何实际意义?
答：在变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。在开式模锻中，在分模面上设置毛边槽，可以造成足够大的水平阻力，阻止金属在水平方向流动，迫使金属充满型槽，很好地提高金属的充型能力。对难以填充的型腔，必要时可在分模面上局部设阻力沟。 2. 锻造加热的目的是什么？
答：提高金属塑性，降低变形抗力。
3. 碳钢锻造温度范围如何确定？为什么中碳钢的终锻温度位于奥氏体单相区，而低高碳钢终锻温度处在双相区？
答：确定始锻温度时，应保证坯料在加热过程中不产生过烧现象，同时也要尽力避免发生过热。因此，碳钢的始锻温度则应比铁一碳平衡图的固相线低150～250℃。碳钢的始锻温度随着含碳量的增加而降低。合金钢通常随着含碳量的增加而降低得更多。在确定终锻温度时，既要保证金属在终锻前具有足够的塑性，又要保证锻件能够获得良好的组织性能。所以终锻温度不能过高，温度过高，会使锻件的晶粒粗大，锻后冷却时出现非正常组织。相反温度过低，不仅导致锻造后期加工硬化，可能引起锻裂，而且会使锻件局部处于临界变形状态，形成粗大的晶粒。因此，通常钢的终锻温度应稍高于其再结晶温度。按照以上原则，碳钢的终锻温度约在铁一碳平衡图A，线以上25～75℃。中碳钢的终锻温度位于奥氏体单相区，组织均匀，塑性良好，完全满足终锻要求。低碳钢的终锻温度虽处在奥氏体和铁素体的双相区，但因两相塑性均较好，不会给锻造带来困难。高碳钢的终锻温度是处于奥氏体和渗碳体的双相区，在此温度区间锻造时，可借助塑性变形，将析出的渗碳体破碎呈弥散状，而在高于Acm线的温度下终锻将会使锻后沿晶界析出网状渗碳体。 4. 自由锻工序如何分类？各工序变形有何特点?
答：自由锻主要工序包括镦粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲等。使坯料高度减小而横截面增大的锻造工序称为镦粗。使坯料的横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长。采用冲子将坯料冲出通孔或盲孔的锻造工序称为冲孔。减小空心毛坯壁厚而使其外径和内径均增大的锻造工序称为扩孔。将坯料弯成规定外形的锻造工序称为弯曲。 5. 锻件纤维组织是如何形成的？它对锻件性能有何影响
答：在锻造时，晶界过剩相的形态也要发生改变，其中硅酸盐、氧化物等质硬而脆，很难变形，只能击碎，沿着主变形方向呈链状分布，硫化物有较好的塑性，可随晶粒一同变形，沿着主变形方向拉长连续分布。使金属组织具有一定方向性，通常称为“纤维组织”，其宏观痕迹即“流线”。金属纤维方向对锻件性能有较大影响。合理的锻件设计应使最大载荷方向与金属纤维方向一致。若锻件的主要工作应力是多向的，则应设法造成与其相应的多向金属纤维。为此，必须将锻件材料的各向异性与零件外形联系起来考虑，选择恰当的分模面，保证锻件内部的金属纤维方向与主要工作应力一致。
6. 金属在模膛内的变形过程分为哪三个阶段？变形力与行程的关系如何？
答：(1)镦粗阶段；(2) 形成毛边充满模膛阶段；(3)打靠阶段。在镦粗阶段模腔内阻力小，变形力较小，行程△H1较大；在形成毛边充满模膛阶段，模腔内阻力增大金属处于较强的三向压应力状态，变形力增大，行程△H2较小；在锻足打靠阶段，将多余金属经毛边挤入仓部，变形力急剧增大，行程△H3最小。
7. 合理的模锻过程与哪些设计参数有关？怎样选择设计参数才能使变型过程趋于合理？ 答：合理的模锻过程应保证在充满的前提下把变形力，变形功，飞边的损耗 ，减少到最低限度，为此，要采取相应的工艺措施，合理设计毛边槽的宽高比，从而加大??1，缩小尽量减小
??2，
??3。
8. 开式模锻与闭式模锻的应力应变状态一样吗？
答：不一样，两者在模锻时都是处于三向压应力状态，但闭式模锻没有毛边槽，三向压应力更强，金属塑性更好。且闭式模锻中金属的纤维组织按零件轮廓分布，流线连续不会被切断。
9. 锻件公差为何不对称分布？
答：高度方向影响尺寸发生偏差的根本原因是锻不足，而型槽底部磨损及分模面压陷引起的尺寸变化是次要的，即正公差是主要的，水平方向锻槽磨损，锻件错移难以避免，且引起尺寸增大，正公差占主导地位，负公差是锻件尺寸的下限，不宜过大，而正公差的大小不会导致锻件报废。正公差偏大有利于稳定工艺，提高锻模使用寿命，因而正公差有所放宽。综上所叙，锻件的公差正公差大于负公差。 10. 锻件为何要设高度公差？
答：受到各种工艺因素的影响，锻件的实际尺寸不可能与名义尺寸完全相等，高度方向影响尺寸发生偏差的根本原因是锻不足，在高度方向会有偏差，设高度公差，规定高度方向允许的尺寸偏差范围，对控制锻模工作寿命和锻件检验都是必要的。 11. 锻件内圆角半径和外圆角半径大小对锻件成形和锻模有何影响？
答： 锻件的外圆角对应模具的内圆角，其作用是避免锻模在热处理和模锻过程中因应力集中而导致模具开裂，并保证金属充满型槽。若外圆角半径过小，金属充填模具型槽相应处十分困难，而且易在该处引起应力集中使其开裂；若外圆角半径过大，将增加机械加工余量和金属损耗。锻件上内圆角对应模具的外圆角，其作用是使金属易于流动充满型槽，防止产生折叠和型槽过早被压塌。如锻件内圆角半径过小，则金属流动时产生的纤维容易被割断，导致力学性能下降，还容易产生回流最后形成折叠导致锻件报废，或使模具上凸出部分压塌而影响锻件出模。若内圆角半径过大，将增加机械加工余量和金属损耗，对某些复杂锻件，内圆角半径过大，使金属过早流失，造成局部充不满。 12. 为什么锻件内拔模斜度要大于外拔模斜度？
答：外模锻斜度上的金属由于收缩而有助于锻件出模，内模锻斜度的金属由于收缩反而将模膛的突起部分夹得更紧。所以，在同一锻件上内模锻斜度比外模锻斜度大。 13. 为何锤上模锻时上模型槽比下模型槽易充型？
答： 锤上模锻是靠锤头冲击坯料使坯料变形，因为锤头运动速度很快，由于惯性作用，金属相对上模有很大的向上运动的速度，很易于在上模型槽内充型。
14. 何为计算毛坯图？修正计算毛坯截面图和计算毛坯直径图的依据是什么？
答：计算毛坯图：长轴类锻件终锻前，常须要把原本等截面的材料沿轴向预制成近似终锻件的各截面面积不等的中间毛坯，使中间毛坯上每一横截面面积等于带毛边锻件的相应截面积，该毛坯称计算毛坯，计算毛坯图可用计算毛坯截面图和计算毛坯直径图表示。由于锻件形状差异大，对于具有孔腔或凹部的锻件，沿轴向截面积发生突变处，将不利于金属充型，也不利于型槽加工，因而应根据终锻时金属流动情况和体积不变原则，把初算得到的计算毛坯截面图与直径图进行修正。
15. 设计终锻模膛应以什么为依据？ 答：以热锻件图为依据，热锻件图以冷锻件图为依据但有所区别，热锻件图的尺寸标注，高度方向以分模面为基准，考虑金属材料和模具的冷缩现象并计算收缩率，为保证锻件成型质量，允许热锻件图上个别部位与冷锻件图有所差异并根据具体情况处理。
16. 预锻的目的是什么？设计预锻型槽应以什么为依据？应根据什么原则来设计？ 答：预锻的主要目的是为了在终锻前进一步分配金属，分配金属是为了确保金属无缺陷流动，易于充满型槽，减少材料流向毛边的损失，减少终锻型槽磨损（减少金属流动量），取得所希望的流线和便于控制锻件的力学性能。设计预锻型槽以终锻型槽或热锻件图为依
据。设计原则是经预锻型槽成型的坯料，在终锻型槽中最终成型时，金属变形均匀，充填性能好，产生的毛边最小。
17. 所有模锻件都须要设预锻型槽吗？
答：不是，锻件力学性能和质量要求高，形状复杂时可采用预锻。因预锻型槽的加设易带来偏心力矩，造成偏心打击，使上下模错移，影响锻造质量并降低锻模寿命，设置预锻型槽，增加了模锻的工序，提高了锻造成本。因而对形状简单，力学性能和质量要求不高的锻件，不宜设置预锻型槽。
18. 锻模设计时，终锻型槽和预锻型槽应如何布排？
答：⑴型槽排布应遵循一定原则：尽量使型槽中心和锻模中心重合，即型槽的反作用合力点与理论打击中心重合，减少锤杆偏心力矩和偏心载荷，保证模具寿命。⑵对于有预锻模腔的锻模，型槽布排应使预终锻的型槽中心处于键槽中心线上，由于预锻的作用力只有终锻的一半，故应使终锻型槽中心到燕尾中心的距离是预锻型槽中心到燕尾中心的一半以内，且保证预锻型槽中心位于燕尾宽度之内，以防止产生偏心力矩。预锻和终锻型槽之间在锻模上的位置分布应使锻造加工方便进行。
19. 确定锻件制坯工步主要考虑哪些因素？如何确定？
答：长轴类锻件制坯一般采用抜长、滚挤、弯曲、卡压、成型等。其目的是将等截面的原材料预制成计算毛坯的形状，将杆部多余的金属转移到头部。转移金属量的多少和难易度与繁重系数有关，四个繁重系数为：α＝dmax / d均 ，β＝L计 / d均 ，k＝（d拐-dmin）/ L计，G=锻件重量。其中L计为计算毛坯长度，α为金属流向头部的繁重系数，β为轴向流动的繁重系数，K为杆部斜率，dmax为计算毛坯最大直径，dmin为计算毛坯最小直径，d拐为杆部与头部转接处的直径。知道了繁重系数，再结合长轴类锻件的制坯选用图表来制定工步。即计算毛坯图→计算繁重系数→结合经验图表选择制坯工步。
20. 滚挤型槽轮廓根据什么来确定？在设计滚挤型槽时为何要区分滚挤坯料的状态？
答：⑴滚挤型槽轮廓应根据计算毛坯轮廓来确定，主要保证高度h及宽度b等尺寸；⑵毛坯状态指原型材和已经抜长的坯料。若型槽宽度太小易带生毛边，翻转90°再滚挤则易产生折叠。若宽度过大，聚料效率下降。加工原型材时，须要将大量金属从杆部挤到头部，型槽宽度可设置合适，而经抜长的坯料杆部直径已经接近要求值，杆部型槽宽度可设置小些。 21. 锤上模锻常须要设置锁扣，而不用导柱导套的原因？
答：锤头运动速度快，冲击和震动很大，且工作时承受的冲击和行程不固定，故采用锁扣装置而不采用导柱导套。
22. 曲柄压力机和模锻锤比较各有什么特点？应用范围有何不同？
答：⑴曲柄压力机：锻件精度高，机架具有封闭性，整个系统形成封闭的受力系统，刚性大、变形小、震动小；锻件内部变形深透均匀，流线分布良好，力学性能一致；易产生大毛边；具有静压力特性，金属流动慢，充型能力较低。常用于挤压、局部镦粗操作，不适用抜长、滚挤等操作。⑵锤上模锻：工艺灵活，适用性广，锤头行程和打击速度均可调节，能实现轻重缓急的不同程度打击，可实现镦粗、抜长、滚挤、弯曲、预锻、终锻等各类工艺，锤上模锻锤头运动速度快，金属流动有惯性，充型能力强；生产效率高，震动很大。 23. 简叙锤上模锻和曲柄压力机上模锻毛边的主要作用及区别？ 答：⑴锤上模锻：开式模锻才设置毛边槽，其作用为：造成足够大的水平方向的阻力，迫使金属充满型槽，保证锻件尺寸准确；缓冲锤击；容纳多余金属。⑵曲柄压力机：金属充型均匀，近似于静压成型，而且上下模不靠合，毛边槽的阻力作用相对减小，毛边槽主要起排泄和容纳多余金属的作用。
24. 设计终锻模膛应以什么为依据？ 答：以热锻件图为依据，热锻件图以冷锻件图为依据但有所区别：热锻件图的尺寸标注，
高度方向以分模面为基准；考虑金属材料和模具的冷缩现象并计算收缩率；为保证锻件成型质量，允许热锻件图上个别部位与冷锻件图有所差异并根据具体情况处理。 25. 为何曲柄压力机上模锻多采用模座加镶嵌式结构？
答：曲柄压力机滑块运动速度低，打击力较小，工作平稳，装有顶出装置，上下模不打靠，打击过程中锻模承受过剩能量少，不须考虑锻模的承击面，采用模座加镶嵌式结构不须担心模具强度问题，而且采用镶嵌式结构，节约了大量模具钢，降低了模具制造成本；只需更换工步镶块，即可完成工步或终锻成型。 26. 简叙螺旋压力机的工作特点。
答：具有模锻锤和曲柄压力机双重工作特性，单位时间打击次数少，打击速度较模锻锤低，有顶出装置。
27. 试叙平锻工艺的特点和应用范围。
答：工艺特点：⑴锻造过程中坯料水平放置，其长度不受工作空间的限制，适用于锻造长杆类锻件和长棒类锻件的连续锻造；⑵有两个分模面，可以锻造出一般锻压设备难易锻成的在两个方向有型槽或孔的锻件；⑶导向性好，行程固定，锻件长度方向尺寸稳定性比锤上模锻高。应用范围：可进行开式和闭式模锻，可进行终锻成型和制坯，也可进行弯曲、压扁、切料、穿孔、切边等工步，不适宜模锻非对称锻件。 28. 试叙顶镦规则，顶镦规则说明了什么工艺条件？
答：⑴①顶镦第一规则：当长径比φ?3且端部较平时，可在平锻机上一次行程中自由镦粗到任意大的直径而不发生弯曲；②顶镦第二规则：在凹模内顶镦时，若Dm?1.5d0时，外露的坯料长度f?d0（或当Dm?1.25d0，f?1.5d0时，φ>φ允），可进行局部镦粗而不发生折叠。③顶镦第三规则：在凸模内顶镦时，若当Dm?1.5d0时，镦粗长度f?2d0（或当Dm?1.25d0，f?3d0时φ>φ允），可进行局部镦粗而不产生折叠。顶镦第一规则说明了细长杆局部镦粗时，不产生纵向弯曲的工艺条件，顶镦第二、第三规则说明了细长杆局部镦粗时，虽产生纵向弯曲，但不至于引起折叠的工艺条件。
29. 下图是一个传动杆锻件的截面线图，每一截面的总面积（F锻 + F飞）列于下表中： 截面号 截面积（mm） 21 226 2 600 3 680 4 600 5 415 6 530 7 8 9 10 226 1256 1590 1256 如在坐标上作图，x轴的比例为1：1， y轴的比例为1：20，得到曲线下的面积为7350 2
mm。
1、 计算并作出计算毛坯直径图和平均直径图。 2、 计算锻件重量和下料毛坯尺寸。
3、 确定锻件制坯工步，并设计计算相应的制坯型槽。
解：解1、（1）d计=1.13F，分别计算10个截面的d计列于下表中，作图； 截面号 截面积（mm） d计（mm） h计
21 226 17 14 2 600 3 680 4 600 5 415 23 23 6 7 8 9 10 530 1256 1590 1256 226 26 26 40 46 45.1 52 40 46 17 14 27.68 29.5 27.68 25 34 25 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 10 13 13 10 126 16 14 14 232 分模面 滚压模膛的纵剖面图
（2） F均=
V7350?20??634 d均=1.13634?28; 作图。 L232?6解2、（1）G=V???7350?20?7.85?10?1.15(kg)
锻压工艺及模具设计习题解
