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錐形板鐓粗在大鍛件鍛造中的應用

  • 2009-1-12 15:25:29
  • 來源:佳工機電網
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關 鍵 詞:,鍛造,鍛件
文獻摘要:錠料鐓粗是大鍛件鍛造中一種重要的成形方式。由于鋼錠內部不可避免地存在縮孔、疏松、偏析和夾雜物等缺陷,如果鐓粗過程中變形和力學條件不當,在變形初期就很容易發展成為裂紋,導致整個錠料的報廢。如何創造有利的力學條件,防止錠料在鐓粗過程中開裂,這是一個既有重大理論意義,又有重大經濟價值的課題。
 
    錠料鐓粗是大鍛件鍛造中一種重要的成形方式。由于鋼錠內部不可避免地存在縮孔、疏松、偏析和夾雜物等缺陷,如果鐓粗過程中變形和力學條件不當,在變形初期就很容易發展成為裂紋,導致整個錠料的報廢。
    這是大鍛件鍛造中出現廢品的一個重要原因,給國家帶來巨大的經濟損失。
 
  如何創造有利的力學條件,防止錠料在鐓粗過程中開裂,這是一個既有重大理論意義,又有重大經濟價值的課題。不少專家學者作了大量研究工作,提出采用球形板和碟形板鐓粗的建議(圖1)。
 
圖1鐓粗板的三種形式
(a)平板(b)球形板(c)碟形板
 
  作者認為采用球形板和碟形板鐓粗固然可以提高錠料內部的靜水壓力,提高材料的塑性,防止裂紋的產生,但是靠近球形板和碟形板附近會出現范圍較大的難變形區,致使該區域內鑄態晶粒的破碎不完全,內部孔隙難以鍛合,材料的機械性能無法改善,這同樣會使鍛件質量不能達標。
 
  文獻[1]提出采用錐形板鐓粗,這是一種新穎的設想。這項新工藝已成功地在生產中應用,有效地防止裂紋的產生。按傳統的觀點,錐形板鐓粗比平板鐓粗更容易使錠料開裂,為什么事實上采用錐形板鐓粗又確實能抑制裂紋的產生呢?本文從理論上對此作以下分析。
 
  利用主應力法可以推導出,平板鐓粗時(圖2),接觸面上的正壓力σz為:
 
  
 
 
 
圖2平板鐓粗
 
  錐形板鐓粗(圖3),接觸面上的應力σz為:
 
  
 
  式中k1=tanα+tanβ
 
  k2=-k1s+τ(2+tan2α+tan2β)
 
  下面列舉實例說明之。
 
  例:設直徑為d,高度為h的圓坯料分別在平板和錐形板間鐓粗。假設摩擦力τ=0.5S,錐角α=β=20°,并設h=d/2,將這些數據分別代入(1)、(2)式,知平板鐓粗正應力為:
 
  
 
  其分布曲線如圖2,為線性分布。
 
  錐形板鐓粗正應力σz為:
 
  
 
  其分布曲線如圖3,按對數曲線分布。比較圖2和圖3,可知,錐形板鐓粗的正應力明顯地小于平板鐓粗的正應力,因而靜水壓力也相應地減小,材料塑性因而降低,內部缺陷容易發展,錠料容易開裂。這就是人們不愿采用錐形板鐓粗的原因。
 
 
圖3錐形板鐓粗(后期)
 
  為什么文獻[1]提出,而且經實踐證明,采用錐形板鐓粗能抑制錠料內部裂紋的產生呢?比較平板鐓粗和錐形板鐓粗的區別即可發現,平板鐓粗時,圓坯端面與平板同時接觸,坯料內外部同時開始鐓粗變形。由于接觸表面的摩擦引起的徑向壓應力σr不是很大。
 
  
 
  而錐形板鐓粗則不同(圖4),錐形板首先是以中心錐尖與圓坯端面接觸,然后接觸錐面逐漸擴大,相應地鐓粗變形區也是由內而外逐步擴大。在端面還沒有與錐形板接觸的外圍,并未開始鐓粗變形,而是在內部鐓粗金屬的脹擠下,徑向外流。因此,可將整個圓坯分成兩區,外區相當受內壓的厚壁筒,將內區緊緊箍住。而內區則相當于在很高的側壓力作用下鐓粗。設變形過程中某瞬間的接觸錐面最大半徑為ρ(圖4),則側壓力為:
 
  
 
 
圖4錐形板鐓粗(前期)
 
  而內區的軸向應力σz為:
  
 
  將(6)式代入之,得:
 
  
 
  由(6)(7)式可知,開始鐓粗時,ρ=0,側壓力q最大,直到圓坯端面全部與錐形板接觸,這時ρ=d/2,側壓力q=0。可見,在ρ=d/2以前的內部鐓粗是帶側壓力q的鐓粗,其靜水壓力高,材料塑性好,因此,可抑制內部裂紋的產生,有利于內部缺陷的鍛合。等到ρ=d/2以后,鐓粗已進入后期,缺陷已有所彌合,材料性能已有所改善,產生裂紋的可能性就大大降低了。當然如果根據錠料的高度和直徑,恰當地選定錐形板的角度α、β,那么,抑制裂紋產生的效果也就會更好。
 
  采用錐形板鐓粗,方法簡單,效果顯著,在大鍛件鍛造行業中將發揮重要作用。
 
  參考文獻
 
  [1]劉助柏.塑性成形新技術及其力學原理.北京:機械工業出版社,1995.
 
  [2]汪大年.金屬塑性成形原理.北京:機械工業出版社,1985.
 
 
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