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張宇 汽車離合器精密鍛壓模具設(shè)計(jì)
引言
鍛造是金屬加工方法之一，在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要地位。鍛造一般屬于體積成形，是通過(guò)金屬體積的轉(zhuǎn)移和分配，來(lái)獲得機(jī)械零件或接近于零件尺寸的毛坯，鍛造的產(chǎn)品稱為鍛件。模鍛是適合于大批量生產(chǎn)鍛件的鍛造方法。模鍛時(shí)，使用特制、開設(shè)有與鍛件形狀一致或相近的型腔（模膛）的鍛模，將鍛模安裝在鍛造設(shè)備上，金屬毛坯置于鍛模的模膛中，鍛造設(shè)備通過(guò)鍛模對(duì)毛坯施加載荷，是毛坯產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)變形流動(dòng)又受到模膛空間的限制。
金屬材料通過(guò)模鍛塑性成形，可以獲得形狀尺寸精確、表面光潔程度較高的鍛件，同時(shí)其內(nèi)組織能夠得到顯著改善，使用性能得到提高。并且，模鍛具有很高的生產(chǎn)率，模鍛件機(jī)械加工余量較小，材料利用率較高；鍛件流線分布合理，零件使用壽命高；生產(chǎn)操作簡(jiǎn)單方便。在工程應(yīng)用中承受較大或復(fù)雜載荷的零件，常采用模鍛方法進(jìn)行大批量生產(chǎn)。
模鍛成形在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。例如汽車、拖拉機(jī)、機(jī)械、航空、航天、軍工等領(lǐng)域，某些需要考慮形狀尺寸和內(nèi)部質(zhì)量的穩(wěn)定性，以及有某些特殊性能要求的零件，也經(jīng)常采用模鍛方法生產(chǎn)。由于社會(huì)需求和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，各種先進(jìn)的、特殊的模鍛方法不斷產(chǎn)生和發(fā)展。例如精密模鍛、液態(tài)模鍛、粉末鍛造、擺動(dòng)輾壓、自動(dòng)輾環(huán)、高速模鍛、超塑模鍛等，所加工的材料，也從普通鋼和一般的有色金屬，發(fā)展到特殊鋼、高溫合金、鋁鎂合金、復(fù)合材料等。
鍛造是歷史久遠(yuǎn)的生產(chǎn)行業(yè)，也是飛速發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域，從依靠簡(jiǎn)單機(jī)械裝置驅(qū)錘的古老鍛造模式，發(fā)展到以高壓蒸汽、壓縮空氣、液體等多種介質(zhì)驅(qū)動(dòng)多種鍛造機(jī)器，使用多樣化模具體系進(jìn)行的近現(xiàn)代化模鍛生產(chǎn)，進(jìn)而到采用計(jì)算機(jī)控制的、全自動(dòng)的、集成化模鍛生產(chǎn)線或柔性化鍛造加工系統(tǒng)，傳統(tǒng)的成產(chǎn)方式正在被先進(jìn)生產(chǎn)方式改造、取代。因此鍛造工作者需要不斷“充電”來(lái)適應(yīng)學(xué)科、行業(yè)的發(fā)展。
本次設(shè)計(jì)的主要是鍛模，是對(duì)于汽車離合器的精密鍛壓模具設(shè)計(jì)。由于能力和時(shí)間有限，又是初次設(shè)計(jì)與分析，沒有什么經(jīng)驗(yàn)，僅憑的是別人總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，還有許多不恰當(dāng)?shù)牡胤剑e(cuò)誤和不妥之處肯定在所難免，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
第一章 模具的概述
1.1模具的概念、作用和優(yōu)點(diǎn)
模具的概念
在工業(yè)生產(chǎn)中，用各種壓力機(jī)和裝在壓力機(jī)上的專用工具，通過(guò)壓力機(jī)的壓力，使金屬或非金屬材料在專用工具內(nèi)變形、流動(dòng)獲得所需形狀和尺寸的制件，這種專用工具統(tǒng)稱為模具。
模具的作用
模具是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的重要工藝裝備。采用模具生產(chǎn)制品及零件，具有生產(chǎn)效率高，節(jié)約原材料成本低廉，保證質(zhì)量等一系列優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和主要發(fā)展方向。
模具是成型金屬、塑料、橡膠、玻璃、陶瓷等制件的基礎(chǔ)工藝裝備，是工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展和實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削加工技術(shù)不可缺少的工具。如汽車、拖拉機(jī)、電器、電機(jī)、儀器儀表、電子等行業(yè)有60%~80%的零件需要用模具加工，輕工業(yè)日用品的生產(chǎn)需要用模具更多，螺母、螺釘、墊圈等標(biāo)準(zhǔn)零件，沒有模具就無(wú)法大量生產(chǎn)。由此看來(lái)，模具是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的主要工藝裝備之一。
模具是一種高效率的工藝裝備，用模具進(jìn)行各種材料的成形可實(shí)現(xiàn)高速度的大批量生產(chǎn)，并能在大批量生產(chǎn)條件下穩(wěn)定的保證制件的質(zhì)量、節(jié)約原材料。因此，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具的應(yīng)用日益廣泛，是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。許多現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。模具工業(yè)的水平和發(fā)展?fàn)顩r已被認(rèn)為是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。
模具加工制品的優(yōu)點(diǎn)
利用模具加工制品及零件主要有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)制品與零件的高速度大量的生產(chǎn)；
(2)節(jié)約原材料，可實(shí)現(xiàn)少切削，無(wú)切削加工；
(3)制件質(zhì)量穩(wěn)定，有良好的互換性；
(4)操作工藝簡(jiǎn)單，利用模具生產(chǎn)制品時(shí)，不需要操作者有較高的技藝水平；
(5)利用模具批量生產(chǎn)的零件和制品成本低廉；
(6)所加工出的的零件與制品可一次成形，不需要進(jìn)行再加工；
(7)能制造出用其他加工工藝方法難以加工、形狀比較復(fù)雜的零件制品；
(8)容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和半制動(dòng)化。
1.2 模具的分類和成形特點(diǎn)
模具的分類
模具分類方法很多，過(guò)去常使用的有：按模具結(jié)構(gòu)形式分類，如單工序模，復(fù)式?jīng)_模等；按使用對(duì)象分類，如汽車覆蓋件模具、電機(jī)模具等；按加工材料性質(zhì)分類，如金屬制品用模具，非金屬制用模具等；按模具制造材料分類，如硬質(zhì)合金模具等；按工藝性質(zhì)分類，如拉深模、粉末冶金模、鍛模等。這些分類方法中，有些不能全面地反映各種模具的結(jié)構(gòu)和成形加工工藝的特點(diǎn)，以及它們的使用功能。為此，采用以使用模具進(jìn)行成形加工的工藝性質(zhì)和使用對(duì)象為主的綜合分類方法，將模具分為十大類，見表1各大類模具，又可根據(jù)模具結(jié)構(gòu)、材料、使用功能以及制模方法等分為若干小類或品種。其具體分類：
1.沖壓模具（沖模）
模具品種：沖裁模（無(wú)、少?gòu)U料沖裁、整修、光潔沖裁、深孔沖裁精沖模等），彎曲模具，拉深模具，單工序模具（沖裁、彎曲、拉深、成形等），復(fù)合沖模，級(jí)進(jìn)沖模；汽車覆蓋件沖模，組合沖模，電機(jī)硅鋼片沖模
適用范圍:板材沖壓成形
2.塑料成型模具
模具品種：壓塑模具，擠塑模具，注射模具（立式、式、角式注射模具）；熱固性塑料注射模具，擠出成形模具（管材、簿膜扁平機(jī)頭等）發(fā)泡成形模具，低刀具工具泡注射成形模具，吹塑成形模具等
適用范圍:塑料制品成形加黃巖工藝（熱固性和熱塑性模塑料）
3.壓鑄模
模具品種：熱室壓鑄機(jī)用壓鑄模，立式冷室壓鑄機(jī)用壓鑄模，臣式冷室壓鑄機(jī)用壓鑄模，全立式壓鑄機(jī)用壓鑄模，有色金屬（鋅、鋁、銅、鎂合金）壓鑄，黑色金屬壓鑄模
適用范圍:有色金屬與黑色金屬壓力鑄造成形工藝
4.鍛造成形模具
模具品種：模鍛和大型壓力機(jī)用鍛模，螺旋壓力機(jī)用鍛模，平鍛機(jī)鍛模，輥鍛模等；各種緊固件冷鐓模，擠壓模具，拉絲模具，液態(tài)鍛造用模具等
適用范圍:金屬零件成形，采用鍛壓、擠壓
5.鑄造用金屬模具
模具品種：各種金屬零件鑄造時(shí)采用的金屬模型
適用范圍:金屬澆鑄成形工藝
6.粉末冶金模具
模具品種：成形模；手動(dòng)模：實(shí)體單向壓制、實(shí)體雙向壓制手動(dòng)模；實(shí)體浮動(dòng)壓模；機(jī)動(dòng)模：大型截面實(shí)體浮動(dòng)壓模，極掌單向壓模，套類單向、雙向壓模，套類浮動(dòng)壓模；整形模；手動(dòng)模；徑向整形模，帶外臺(tái)階套類全整形模，帶球面件整形模等。
機(jī)動(dòng)模：無(wú)臺(tái)階實(shí)體件自動(dòng)整形模，軸套拉桿式半自動(dòng)整形饃，軸套通過(guò)式自動(dòng)整形模軸套全整形自動(dòng)模，帶外臺(tái)階與帶外球面軸套全整形自動(dòng)模等
適用范圍:粉末制品壓坯的壓制成形黃巖藝。主模具電加工設(shè)備用于銅基、鐵基粉末制品；機(jī)械零件，工具材料與制品易熱零件等
7.玻璃制品模具
模具品種：吹一吹法成形瓶罐模具，壓一吹法成形瓶罐模具，玻璃器皿用模具等
適用范圍:玻璃制品成形工藝
8.橡膠成型模具
模具品種：橡膠制品的壓膠模、擠膠模、注射模。橡膠輪胎模，“O”形密封圈橡膠模等
適用范圍:橡膠壓制成形工藝
9.陶瓷模具
模具品種：各種陶瓷器皿等制品用的成形金屬模具
適用范圍:陶瓷制品成形工藝
10.經(jīng)濟(jì)模具（簡(jiǎn)易模具）
模具品種：低熔點(diǎn)合金成形模具，薄板沖模，疊層沖模，硅橡膠模，環(huán)氧樹脂模，陶瓷型精鑄模，疊層型腔塑料模，快速電鑄成形模等
適用范圍:適用多品種少批量工業(yè)產(chǎn)品用模具，有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值
各類模具的成形特點(diǎn)
(1) 冷沖模的成形特點(diǎn)
冷沖模是指在室溫下把金屬或非金屬材料放在模具內(nèi)，通過(guò)壓力機(jī)和模具對(duì)板料施加壓力，使板料發(fā)生分離或變形制成所需零件的模具。各類冷沖模成形特點(diǎn)是：
圖1-1 落料沖裁模成形特點(diǎn) 圖1-2 沖孔沖裁模成形特點(diǎn)
1）沖裁模。沖裁模的成形特點(diǎn)是：將一部分材料與另一部分材料分離。圖1-1所示為落料沖裁模結(jié)構(gòu)形式，它的成形特點(diǎn)是將材料封閉的輪廓分開，而最終得到的是一平整的零件。而圖1-2所示是一沖裁模結(jié)構(gòu)，它是將零件內(nèi)的材料與封閉的輪廓分離，使零件得到孔。
2）彎曲模。彎曲模的成形特點(diǎn)是：將板料或沖裁后的坯料通過(guò)壓力在模具內(nèi)彎成一定的角度和形狀。如圖1-3所示的壓彎膜，是將平直的板料壓成帶有一定角度的彎曲形狀。
圖1-3 彎曲模成形特點(diǎn) 圖1-4 拉深模成形特點(diǎn)
3）拉深模。拉深模的成形特點(diǎn)是：將經(jīng)過(guò)沖裁所得到的平板坯料，壓制成開口的空心零件。如圖1-4所示的模具是將平板的坯料拉深成筒形零件。
4）成形模。成形模的成形特點(diǎn)是：用各種局部變形的方法來(lái)改變零件或坯料的形狀。如圖1-5所示的縮口模，它是將空心件或管狀毛坯的端部由外向內(nèi)壓縮，以縮小其口徑成為所要求的零件形狀。
圖1-5 成形模成形特點(diǎn) 圖1-6 冷擠壓模成形特點(diǎn)
5）冷擠壓模。冷擠壓模的成形特點(diǎn)是：在室溫下，在模具型腔內(nèi)將金屬坯料加壓，使其產(chǎn)生塑性變形，擠壓成所需的形狀、尺寸及性能的零件制品。如圖1-6所示，是將一部分金屬在壓力作用下，沖擠到凸凹模形成的型腔內(nèi)，是毛坯變成所需的空心零件。
（2）型腔模的成形特點(diǎn)
圖1-7 鍛模成形特點(diǎn)
1）鍛模。鍛模的成形特點(diǎn)是：將金屬毛坯，加熱后放在模膛內(nèi)，利用鍛錘的壓力使材料發(fā)生塑性變形，待充滿型腔后，形成所要求形狀的零件，如圖1-7所示。
2）塑料壓縮模。壓縮模的成形特點(diǎn)是：將塑料放在模具型腔中，在壓機(jī)上通過(guò)加熱板對(duì)其加熱、加壓后使其軟化充滿型腔，保持一定的溫度機(jī)保壓一定時(shí)間后，軟化的塑料就固化成一定形狀的零件，如圖1-8所示。
圖1-8 壓縮模成形特點(diǎn) 圖1-9 擠塑模成形特點(diǎn)
3）塑料擠壓模。擠壓模的成形特點(diǎn)是：將塑料放入專用的加料室內(nèi)，通過(guò)壓力機(jī)加熱、加壓，使受熱而軟化的塑料熔液經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)擠入模具型腔內(nèi)，待型腔填滿固化后而形成所需的制品，如圖1-9所示。
4）塑料注射模。注射模的成形特點(diǎn)是：將熱塑性塑料放入專用的注射機(jī)料筒內(nèi)，通過(guò)加熱使其熔化成流動(dòng)狀態(tài)，再以較高速度和壓力，通過(guò)推桿將其注入模具型腔內(nèi)，待其固化后，形成所需的零件，如圖1-10所示。
5）合金壓鑄模。合金壓鑄模的成形特點(diǎn)是：把經(jīng)加熱熔化成液體的有色金屬合金，放入壓鑄機(jī)的加料室內(nèi)，用壓鑄機(jī)活塞加壓后使其進(jìn)入模具型腔內(nèi)，待冷卻后固化成所需形狀的零件，如圖1-11所示。
圖1-10 注射模成形特點(diǎn) 圖1-11 合金壓鑄模成形特點(diǎn)
1.3 模具的加工方法和發(fā)展趨勢(shì)
傳統(tǒng)模具加工法
滾筒(加工)、波紋加工、拉刀切削、定中心、切削、外圓車削、放電加工、電解研磨、壓花加工、面車削、銼刀修潤(rùn)、卷邊加工、滾齒加工、搖動(dòng)加工、拋光/研磨修潤(rùn)、雷射加工、車床車削、刨削加工、拋亮光、鉸孔修潤(rùn)、粗切削、圓形加工、鋸削、清除鋼碇缺陷、成形加工、表面研磨、切縫切削、錐度車削、螺紋切削、超音波加工、逆銑加工、手工修潤(rùn)。
新的模具技工方法
1.高速切削技術(shù)
高速切削加工技術(shù)按其目的而言可分為兩類：以實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間最大材料去除量為目的的加工和以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工表面與細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)為目的的加工。模具的高速切削加工都是這兩類技術(shù)的綜合運(yùn)用。高速切削加工技術(shù)引進(jìn)到模具加工行業(yè)，主要應(yīng)用于以下三個(gè)方面：一是淬硬模具型腔的直接加工。二是EDM電極加工。三是快速樣件制造。
2.微型模具加工技術(shù)
按其加工原理不同可分為三大類：光制作技術(shù)，如LIGA技術(shù)、UV-LIGA技術(shù)、電子束光刻技術(shù)、激光加工技術(shù);腐蝕技術(shù)，如刻蝕技術(shù);微機(jī)械加工技術(shù)，如微細(xì)車削、微細(xì)銑削、微細(xì)磨削、微細(xì)電火花等傳統(tǒng)加工法。
3. 采用離散制造原理,直接快速制造金屬模具零件。
制造中先采用超聲波焊接, 實(shí)現(xiàn)層與層之間的固體連接,每一層焊接完成后,根據(jù)計(jì)算機(jī)中CAD數(shù)據(jù)信息,驅(qū)動(dòng)刀具進(jìn)行單層平面輪廓加工,然后再堆積成形新層。
4.日本大隈公司開發(fā)出了一種加工模具的新方法
粗加工時(shí)采用“機(jī)槍切削法”，即采取高速進(jìn)給、而切入量較小的一種加工方法。精加工時(shí)則采用“超負(fù)荷加工方法”荷減小，加工穩(wěn)定，刀具壽命延長(zhǎng)，加工效率大大提高。
模具技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
模具產(chǎn)品主要是向著更大型、更精密、更復(fù)雜及更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，模具產(chǎn)品的技術(shù)含量不斷提高，模具制造周期不斷縮短，模具生產(chǎn)朝著信息化、無(wú)圖化、精細(xì)化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，模具企業(yè)向著技術(shù)集成化、設(shè)備精良化、產(chǎn)批品牌化、管理信息化、經(jīng)營(yíng)國(guó)際化的方向發(fā)展。
其開發(fā)動(dòng)向?yàn)椋?
1.以最適應(yīng)的成型加工條件為目標(biāo)的各種控制技術(shù)及其高度化、專家系統(tǒng)，開環(huán)和閉環(huán)控制日益普及，并設(shè)計(jì)各種高性能螺桿，開發(fā)薄膜、片材、中空制品等多層復(fù)合成型設(shè)備。
2.開發(fā)精微控制、低噪音及性能優(yōu)良的全電動(dòng)性注塑機(jī)，電動(dòng)和油壓并用的電動(dòng)注塑機(jī)。
3.可減低殘留應(yīng)力的加工機(jī)械，如各種低壓成型或適應(yīng)壓力成型的加工機(jī)械，模內(nèi)壓力控制法、注塑壓縮成型機(jī)等。
4.多材、多色成型機(jī)，如多層專用加工機(jī)、夾芯注塑機(jī)、成型機(jī)、回收利用專用機(jī)、 成型機(jī)、軟硬材料一體成型機(jī)等。
5.大型化塑機(jī)也是當(dāng)前發(fā)展方向之一。
6.個(gè)性化也是當(dāng)前塑機(jī)發(fā)展的另一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)。
1.4模具的材料選擇
模具材料以模具鋼為主。鍛造模具失效主要原因是受力過(guò)大、過(guò)熱、磨損和熱疲勞。對(duì)于大多數(shù)模鍛錘和鍛造壓力機(jī)用的鍛模模塊，其工作硬度一般不大于HRC50。鍛模一般截面較大，應(yīng)選用淬透性較高的鋼種，以提高模塊心部的性能。為了提高熱作模具的使用壽命，往往選擇純凈度高、等向性好、經(jīng)過(guò)爐外精煉、電渣重熔和多向鍛造的高質(zhì)量模具鋼
1.其分類為：
按用途：
熱鍛模用鋼、熱擠壓模用鋼、壓鑄模用鋼，更可細(xì)分為錘鍛模用鋼、機(jī)鍛模用鋼、熱擠壓模用鋼、熱鐓模用鋼、熱沖裁模用鋼、壓鑄模用鋼。
按性能：
高韌性熱作模具鋼、高熱強(qiáng)性熱作模具鋼、高耐磨性熱作模具鋼，也可分為低耐熱性熱作模具鋼、中耐熱性熱作模具鋼、高耐熱性熱作模具鋼。
按成分：
低合金熱作模具鋼、中合金熱作模具鋼、高合金熱作模具鋼，也可分為鎢系熱作模具鋼、鉻系熱作模具鋼、鉻鉬系熱作模具鋼、鉻鎢鉬系熱作模具鋼。
非專用熱作模具鋼：
奧氏體耐熱鋼、高速工具鋼、馬氏體時(shí)效鋼、析出硬化鋼、冷熱兼用基體鋼等。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是精密鍛壓模具因此所要選擇的模具材料為熱作模具鋼，其成分特點(diǎn)：
(1)含碳量處于中等水平，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.3%~0.6%；
(2)加入Cr、Ni、Mn等元素，提高鋼的淬透性和強(qiáng)度等性能；
(3)加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高熱穩(wěn)定性及紅硬性；
(4)適當(dāng)提高Cr、Mo、W在鋼中的含量，可提高鋼的抗熱疲勞性。
2.熱作模具的使用性能要求：
(1)較高的高溫硬度
(2)優(yōu)良的耐熱疲勞性能
(3)較高的高溫強(qiáng)度和韌性
(4)良好的耐磨性
3.鍛壓模具用鋼的選用
1.錘鍛模：受沖擊負(fù)荷，韌性要求較高。
中、小型錘鍛模首選：5CrMnMo
大型錘鍛模首選：5CrNiMo
特大型錘鍛模：5Cr2NiMoVSi
2.壓力機(jī)鍛模：沖擊負(fù)荷較小，負(fù)荷較大，要求熱強(qiáng)性較高。
壓力機(jī)鍛模首選：4Cr5MoSiV
表1-1常用的鍛壓模具鋼的選用
4Cr5MoSiV1
第二章 模鍛生產(chǎn)工藝
2.1 模鍛成形方法
圖2-1 開式模鍛 圖2-2 閉式模鍛
按目前實(shí)際生產(chǎn)中主要采用的方式，模鍛可分為開式模鍛（見圖2-1）與閉式模鍛（見圖2-2）。開式模鍛要形成飛邊（也成毛邊），因而稱為有飛邊模鍛；而閉式模鍛在正常情況下不產(chǎn)生飛邊，因而又稱為無(wú)飛邊模鍛。
2.1.1模鍛成形過(guò)程
1.開式模鍛的充形過(guò)程
圖 2-3 開式模鍛變形過(guò)程
開式模鍛的變形過(guò)程如圖2-3所示，在一般情況下擬將整個(gè)變形過(guò)程分為四個(gè)階段，現(xiàn)分述如下：
第Ⅰ階段(自由變形或稱鐓粗變形階段)。在這一階段，坯料在型槽中發(fā)生鐓粗變形，對(duì)于某些形狀的鍛件可能伴有局部壓入變形。當(dāng)被鐓粗的坯料與模膛側(cè)壁接觸時(shí)，表明此階段結(jié)束。此時(shí)變形金屬處于較弱的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形抗力也較小。
第Ⅱ階段(形成毛邊階段)。第Ⅰ階段結(jié)束后，由于金屬流動(dòng)受到模膛壁的阻礙，坯料在垂直于作用力方向的自由流動(dòng)受到限制，繼續(xù)壓縮時(shí)，金屬流動(dòng)方向有兩個(gè)，一個(gè)平行于受力方向，流向模膛深處，一個(gè)繼續(xù)沿垂直于作用力方向流向毛邊槽，形成少許毛邊。此時(shí)變形抗力明顯增大，毛邊橋部?jī)?nèi)側(cè)的金屬處于較強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)。
第Ⅲ階段(充滿型槽階段)。毛邊形成后，隨著變形的繼續(xù)進(jìn)行，毛邊逐漸減薄，形成一個(gè)阻力圈，使得金屬流向毛邊槽的阻力急劇增大。當(dāng)這個(gè)阻力大于金屬流向模膛深處和圓角處的阻力時(shí)，迫使金屬繼續(xù)向模膛深處和圓角處流動(dòng)，直到整個(gè)模膛完全充滿為止。此階段變形金屬處于更強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形抗力急劇增大。
第Ⅳ階段(鍛足或稱打靠階段)。通常坯料體積略大于模膛容積，因此，當(dāng)模膛完全充滿后，尚須繼續(xù)壓縮至上下模接觸（即打靠）。多余金屬全部排入毛邊槽，以保證高度尺寸符合要求。這一階段變形僅發(fā)生在分模面附近的不大區(qū)域內(nèi)，其它部位則在靜水壓力作用下壓合空洞、疏松或使變形體處于彈性變形狀態(tài)。此階段由于毛邊厚度進(jìn)一步減薄和冷卻，多余金屬由橋口流出的阻力很大，這時(shí)變形區(qū)處于最強(qiáng)的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，變形抗力也最大。有研究表明，此階段的壓下量雖小于2mm，它消耗的能量卻占總能量的30%～50%。
2.閉式模鍛成形過(guò)程
圖2-4 閉式模鍛變形過(guò)程
閉式模鍛變形過(guò)程分為三個(gè)階段如圖2-4所示：開式鐓粗階段、充滿角隙階段和擠出端部飛邊階段。
(1).粗階段 開式鐓粗即為自由鐓粗，即由開始變形（△HⅠ）至金屬基本充滿型槽（△HⅡ）。從坯料與沖頭或上型槽表面接觸開始到坯料金屬與型槽（最寬處）的側(cè)壁接觸為止。在這一階段中，金屬充滿型槽中某些容易填充的部分。此階段結(jié)束后繼續(xù)變形時(shí)，變形抗力將急劇增高。
(2).角隙階段 即從毛坯的鼓形側(cè)面與凹模側(cè)壁接觸開始（△HⅡ）到金屬完全充滿型槽為止（△HⅢ）的階段。在這一階段中，變形金屬的流動(dòng)受到模壁的阻礙，變形金屬各部分處于不同三向壓應(yīng)力狀態(tài)。隨著毛坯變形程度的增加，模壁承受的側(cè)向壓力逐漸增大，直到型槽完全充滿。在該階段開始時(shí)，坯料的變形區(qū)位于未充滿處附近的兩個(gè)剛性區(qū)之間。在此階段結(jié)束時(shí)的變形力比第Ⅰ階段末可增大2～3倍，變形區(qū)隨著變形過(guò)程的進(jìn)行逐漸縮小，最后消失，但變形量△HⅡ卻很小。
(3).出端部飛邊階段 即從充滿型槽后（△HⅢ）的多余金屬在繼續(xù)增大的壓力作用下擠入凸、凹模之間的間隙中，形成環(huán)形縱向飛邊。飛邊不僅增大了能量消耗，而且會(huì)加速模具的磨損，因此鐓粗式閉式模鍛的最佳模鍛鍛力應(yīng)是指最難成形的四角充滿后模鍛過(guò)程立即停止時(shí)動(dòng)力。
閉式模鍛一般適用于軸對(duì)稱變形或近似軸對(duì)稱變形的鍛件，應(yīng)用最多的是短軸類的回轉(zhuǎn)體鍛件。
2.1.2模鍛時(shí)金屬的流動(dòng)方向判別
判別方法
金屬流動(dòng)是指金屬內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)。流動(dòng)是由于塑性變形引起的，而流動(dòng)的情況又決定了變形最終的形狀和尺寸。模鍛時(shí)，毛坯內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)向什么方向流動(dòng)，是模鍛工藝設(shè)計(jì)者必須弄清楚的問題。解決這個(gè)問題目前還沒有十分精確的公式，前人曾提出許多比較適用的觀點(diǎn)，但也還有不完善的地方。確定金屬流動(dòng)方向的一般步驟是:
① 根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)毛坯進(jìn)行分區(qū)，在每個(gè)區(qū)中作出應(yīng)力狀態(tài)圖，確定最大主應(yīng)力；
② 根據(jù)應(yīng)力分布情況定出最大主應(yīng)力增大的方向，確定質(zhì)點(diǎn)主要流動(dòng)方向；
③ 根據(jù)次要主應(yīng)力增大方向確定質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)方向的偏移情況。
2.1.3模鍛的分類
鍛模的分類見表2-1。
表2-1 鍛模的分類
項(xiàng)號(hào)
分類方法
模具名稱
應(yīng)用范圍
1
按模鍛設(shè)備分類
1. 模鍛錘用鍛模
2. 摩擦壓力機(jī)用鍛模
3. 自由鍛錘用固定鍛模及不固定鍛模（胎模）
2
按工藝用途分類
1. 模鍛用鍛模
2. 切邊、沖孔鍛模
用于成品鍛件
用于切除飛邊及穿孔
3
按有無(wú)飛邊分類
1. 開式模鍛用鍛模
2. 閉式模鍛用鍛模
各種鍛件
軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體鍛件
4
按模腔數(shù)量分類
1. 單腔鍛模
2. 多腔鍛模
用于胎模鍛和摩擦壓力機(jī)模鍛
多用于錘上模鍛
2.1.4 鍛造工藝的基本工序和工步
一般情況下鍛件生產(chǎn)流程為：備料——加熱——鍛造工序——后續(xù)工序。
鍛造工序按加工方法的不同，又可分為自由鍛工序、胎模鍛工序和模鍛工序。利用鍛造設(shè)備的上、下砧和簡(jiǎn)單的通用工具使坯料在壓力下產(chǎn)生塑性變形的鍛造方法，稱為自由鍛工序。自由鍛工序?qū)﹀懺煸O(shè)備要求低，通常在自由鍛錘上進(jìn)行，因此鍛件精度低。
利用簡(jiǎn)單的可移動(dòng)模具，在自由鍛錘上鍛造，稱為胎模鍛工序。它通常用于批量不大、精度要求不高的鍛件生產(chǎn)。
利用專門的鍛模固定在模鍛設(shè)備上使壞料變形而獲得鍛件的鍛造方法稱為模鍛工序。生產(chǎn)中模鍛工序往往又要分成好幾個(gè)工步來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)。工步是在鍛造加工時(shí)采用一種模具在鍛造設(shè)備一次或多次動(dòng)作下，使坯料產(chǎn)生一種方式的變形并獲得一定的外觀變形量的步驟。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上連桿鍛件在錘上模鍛時(shí)，就要經(jīng)過(guò)拔長(zhǎng)、滾壓、預(yù)鍛、終鍛四個(gè)工步。
目前生產(chǎn)中所用鍛造工序和工步名稱很多。除按加工方法不同區(qū)分外，還可以按成形特點(diǎn)命名，如鐓粗工序、拔長(zhǎng)工序、彎曲工序等。表2-2只列舉其中常見的一部分。
表2-2 常用鍛造工序及工步舉例
分類
序號(hào)
名稱
加工示意圖
成形特點(diǎn)說(shuō)明
自
由
鍛
工
序
1
鐓粗
工序
把坯料沿軸向壓縮，使坯料橫截面增大，軸向長(zhǎng)度縮小
2
拔長(zhǎng)
工序
使坯料在送進(jìn)過(guò)程中橫截面縮小，沿軸向長(zhǎng)度增加
3
沖孔
工序
在軸向高度不大的盤形坯料上沖出大于25㎜ 的孔
4
彎曲
工序
將坯料中心軸線壓彎成所需的角度和形狀
分類
序號(hào)
名稱
加工示意圖
成形特點(diǎn)說(shuō)明
模
鍛
工
序
1
拔長(zhǎng)
制坯
工步
利用鍛模模膛，同時(shí)操作坯料，一面翻轉(zhuǎn)，一面送進(jìn)，使坯料長(zhǎng)度增加，截面積減小。一般要多次連續(xù)鍛打才能完成。有去除氧化皮功能
2
壓扁
（鐓粗）
制坯
工步
利用鍛模上壓扁平臺(tái)或鐓粗臺(tái)，在鍛造力作用下，使坯料截面積增大高度減小。鍛造力與坯料軸線垂直，稱壓扁制坯工步鍛造力與坯料軸線一致稱鐓粗制坯工步
3
滾壓
制坯
工步
利用鍛模模膛，同時(shí)操作坯料不斷翻轉(zhuǎn)，在多次連續(xù)鍛打下，使坯料一處截面積增大，另一處截面積減小，起聚料作用，同時(shí)有滾光和去除氧化皮功能
4
卡壓
制坯
工步
又稱壓肩制坯工步。坯料在鍛模模膛中只受鍛壓力一次作用，使高度減小寬度增加，有少量聚料作用
5
彎曲
工步
利用模具使坯料軸線彎曲成形
分類
序號(hào)
名稱
加工示意圖
成形特點(diǎn)說(shuō)明
模
鍛
工
序
6
擠壓
工步
坯料放在鍛模內(nèi)，在沖頭壓力下擠壓成形。又分正擠、反擠、復(fù)合擠、徑向擠等。圖示為正擠
7
預(yù)鍛
工步
使制坯后的中間坯料進(jìn)一步變形，使它更接近鍛件形狀，以改善坯料在終鍛時(shí)流動(dòng)條件，避免產(chǎn)生充填不滿和折疊，并提高終鍛模膛的壽命
8
終鍛
工步
使坯料在終鍛模膛中最終成形，生產(chǎn)出符合鍛件圖要求的鍛件
后
續(xù)
工
序
1
切邊
（沖孔）
工序
利用切邊或沖孔模在壓力機(jī)上切除飛邊或沖孔連皮，使鍛件符合鍛件圖的要求
2
熱處理
工序
按圖樣要求進(jìn)行退火或調(diào)質(zhì)等熱處理；有要求的還要進(jìn)行噴丸，酸洗等表面處理
3
校正
工序
為消除鍛件在鍛后產(chǎn)生的彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，使之符合鍛件圖技術(shù)要求而進(jìn)行的修整工序稱為校正
4
精壓
工序
是利用平板或模具對(duì)鍛件進(jìn)行少量壓縮以達(dá)到高的精度（形狀和尺寸）和細(xì)的表面粗糙度的一種工序
2．2 模鍛變形的力學(xué)與金屬學(xué)基礎(chǔ)
2.2.1基本物理量
（1）外力（載荷） 外力是重要的模鍛工藝參數(shù)，外力由模鍛設(shè)備借助于模具施加給毛坯。選擇模鍛設(shè)備、進(jìn)行模具設(shè)計(jì)都須考慮外力及其對(duì)成型的影響。
（2）應(yīng)力 金屬是通過(guò)原子間的結(jié)合力而結(jié)合成為整體的。要使金屬產(chǎn)生變形，外力就必須克服原子間的相互作用力，是原子離開平衡位置向另一個(gè)平衡位置移動(dòng)。
（3）應(yīng)變 毛坯內(nèi)某質(zhì)點(diǎn)處發(fā)生的變形大小用“應(yīng)變”表示
2.2.2 塑性變形
一、塑性變形實(shí)質(zhì)
1、單晶體塑性變形
（1）當(dāng)無(wú)外力，晶格正常排列。
（2）外力作用使原子離開平衡位置，晶格變形。
（3）當(dāng)剪應(yīng)力足夠大，沿晶面移動(dòng)一個(gè)或幾個(gè)原子距離。
2、多晶體塑性變形
多晶體是多個(gè)位向不同變形總和。特點(diǎn)：
（1）變形過(guò)程復(fù)雜。 （2）變形抗力比單晶體大的多。
二、熱變形后金屬組織與性能
1、氣孔、縮孔、縮松能鍛合，提高致密度。
2、生成再結(jié)晶組織，細(xì)化晶粒。
3、生成纖維組織，使材料有方向性。
鑄錠組織不均，晶粒粗大，氣孔、夾雜，塑性變形后，再結(jié)晶消除加工硬化組織，夾雜沿變形方向分布，呈纖維狀。變形增加越明顯，使材料有方向性。
三、金屬變形程度
常用鍛造比表示 Y=F0/F F0表示變形前面積
F表示變形后面積
鋼錠Y=2-3 合金鋼Y=3-4 高速鋼Y=5-12
四、冷、熱變形比較
熱變形特點(diǎn)：
（1）均勻、細(xì)化晶粒 （2）消除加工硬化
（3）高溫、塑性好 （4）氧化嚴(yán)重
（5）精度差 （6）設(shè)備貴，維修費(fèi)高
冷變形特點(diǎn)：
（1）不加熱 （2）精度、表面質(zhì)量好
（3）硬度、強(qiáng)度高 （4）材料有方向性
（5）設(shè)備貴，存在殘余應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。
2.2.3塑性條件（屈服準(zhǔn)則）
材料質(zhì)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，此單向應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)發(fā)生屈服，開式產(chǎn)生塑性變形。但是，當(dāng)材料處于復(fù)雜受力條件下，質(zhì)點(diǎn)處于多向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，就必須考慮所有方向應(yīng)力分量綜合作用的效果，實(shí)驗(yàn)研究表明：只有當(dāng)各應(yīng)力分量之間符合某一定關(guān)系時(shí)，質(zhì)點(diǎn)才能進(jìn)入塑性狀態(tài)，這種關(guān)系成為屈服準(zhǔn)則。
目前常用的屈服準(zhǔn)則是密席斯準(zhǔn)則：“當(dāng)材料質(zhì)點(diǎn)處得等效應(yīng)力達(dá)到時(shí)，質(zhì)點(diǎn)發(fā)生屈服?！?
或
設(shè)代數(shù)值 ＞＞，其中為與 有關(guān)的系數(shù)。這里是指在變形溫度下金屬的抗力，即所謂“真實(shí)抗力”，可在資料或金屬抗力圖上查取。
因?yàn)榕髁闲螤詈湾懩ＤＬ判螤畈煌魈幗佑|情況不同，鍛模內(nèi)壞料各部分所受外力不同，應(yīng)力亦不同。變形首先發(fā)生在已符合塑性條件的區(qū)域，這樣的區(qū)域稱為塑變區(qū)。其余區(qū)域稱為彈性區(qū)或剛性區(qū)。隨著時(shí)間變化，金屬坯料的形狀發(fā)生了改變，它和模膛接觸情況在變化，外力和應(yīng)力都在變化。所以塑變區(qū)和其余區(qū)域的界線在模鍛過(guò)程中是在變化的。
在塑變區(qū)和其余區(qū)域界線附近，由于兩種區(qū)域變形量不同而存在附加應(yīng)力。這種附加應(yīng)力總是成對(duì)出現(xiàn)，其中的拉應(yīng)力往往是金屬坯料在鍛造時(shí)發(fā)生塑性破裂的原因。
2.2.4塑性變形體積不變條件
塑性變形的機(jī)理是金屬在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑移，原子離開原來(lái)的位置到達(dá)新的平衡位置。塑性變形不產(chǎn)生體積的變化。可以描述為：
可見塑性變形時(shí)，三個(gè)正應(yīng)變分量不可能全為正。
2.2.5 塑變圖
圖2-5是圓柱體坯料在平砧上自由鐓粗時(shí)坯料剖面內(nèi)塑變區(qū)的分布圖。圓柱體的變形分為三個(gè)不同的區(qū)域。第Ⅰ區(qū)為坯料兩端與上、下錘砧相接觸的圓錐體。其表層受到錘砧表面摩擦阻力作用變形十分困難，是彈性區(qū)或剛性區(qū)。Ⅱ區(qū)在坯料中心，受接觸摩擦力影響很小，主要受垂直方向鍛壓力的作用金屬由四角向上、下端面流動(dòng)，是劇烈變形區(qū)。Ⅲ區(qū)是圓柱側(cè)面所圍成的厚度不等的圓環(huán)形。其外側(cè)是自由表面，受端面摩擦力影響較小。隨著Ⅱ區(qū)坯料不斷變形，Ⅲ區(qū)直徑也逐漸擴(kuò)大呈現(xiàn)鼓形，其變形量在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間，又稱小變形區(qū)。Ⅲ區(qū)受到Ⅱ區(qū)脹大時(shí)引起切向拉應(yīng)力，鐓粗操作不當(dāng)會(huì)造成圓柱側(cè)面縱向裂紋。綜上所述，主要塑變區(qū)是Ⅱ區(qū)。它和Ⅰ區(qū)分界面上作用有正應(yīng)力和切應(yīng)力。這些應(yīng)力沿分界面積分總和的垂直分量是理論鍛造力。
圖2-5 圓柱體坯料鐓粗時(shí)塑變圖
高度和直徑比例不同的圓柱體坯料在同一平砧上自由鐓粗時(shí)，當(dāng)原始高度Ho和原始直徑Do之比在2.5～1.5之間時(shí)，出現(xiàn)雙鼓形。當(dāng)鐓粗到H/D=1時(shí)雙鼓形變?yōu)閱喂男巍?
圖2-6是高度和直徑比例不同的圓柱體坯料在同一平砧上自由鐓粗時(shí)的塑變圖。當(dāng)原始高度Ho和原始直徑Do之比在2.5～1.5之間時(shí)，出現(xiàn)雙鼓形。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)如前述，Ⅳ區(qū)為中心均勻變形區(qū)。Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)為塑變區(qū)。當(dāng)鐓粗到H/D=1時(shí)雙鼓形變?yōu)閱喂男巍?
圖2-6 不同比例圓柱體的塑變圖
圖2-7是終鍛模膛內(nèi)飛邊已形成時(shí)的塑變圖。
圖2-7 模鍛件終鍛時(shí)塑變圖
2.2.6金屬的塑性和塑性指標(biāo)
塑性是材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形，而不破壞其完整性的能力。影響金屬塑性的因素主要有兩個(gè)方面：一是材料本身的內(nèi)在條件，如晶格類型、化學(xué)成分和金相組織等；二是外部施加的變形條件，如變形溫度、變形速率和受力狀態(tài)等。材料的塑性不是固定不變的。同一種材料在不同的變形條件下，會(huì)表現(xiàn)出不同的塑性。
衡量塑性高低的數(shù)量指標(biāo)成為塑性指標(biāo)。塑性指標(biāo)有很多種，實(shí)驗(yàn)方法不同，對(duì)應(yīng)的塑性指標(biāo)也不同。在單向拉伸實(shí)驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)的塑性指標(biāo)是斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ。在落錘鐓粗實(shí)驗(yàn)中，對(duì)應(yīng)的塑性指標(biāo)是極限壓縮變形程度ε。
影響塑性的主要因素有:化學(xué)成分，組織，變形溫度和變形速度。
2.3鍛模的基本失效形式及外觀檢查
鍛模在上述復(fù)雜條件下工作，其失效形式也復(fù)雜多樣。其基本失效形式有型腔部分的模壁斷裂、燕尾開裂、型腔表面的熱疲勞、塑性變形和磨損。
一、模具的斷裂
模具的斷裂不僅影響生產(chǎn)，而且危及人身安全，是最危險(xiǎn)的一種失效形式。
1、模具斷裂的類型 按斷裂的性質(zhì)，可分為早期脆性斷裂和機(jī)械疲勞斷裂兩種類型。
模具的早期脆性斷裂一般發(fā)生在模具首次使用時(shí)，是在錘擊次數(shù)較少時(shí)就會(huì)發(fā)生，有時(shí)僅錘擊一次就發(fā)生斷裂。其斷口的形貌特征是從斷裂源開始，裂紋呈人字花紋向外擴(kuò)展。（鍛模在首次使用時(shí)，操作工一定要十分注意。）
模具的機(jī)械疲勞斷裂是在模具經(jīng)受多次鍛擊后發(fā)生的斷裂，其宏觀和微觀斷口也具有一般疲勞端口的特征，但宏觀斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)一般較小。
圖2-8 斷裂圖
兩種斷裂形式可以從斷口的特征加以區(qū)別。疲勞破裂斷口一般可分為兩部分：一部分是疲勞裂紋發(fā)展形成的疲勞破裂部分，這部分由于疲勞裂紋隨著鍛打過(guò)程時(shí)進(jìn)時(shí)停常常呈現(xiàn)出貝殼形狀；一部分是突然斷裂部分，這部分的裂紋是急速發(fā)展的，端口成凸凹不平的粗糙狀態(tài)。
圖2-9 燕尾轉(zhuǎn)角處開裂
前者也就是通常所說(shuō)的“舊茬”，后者稱“新茬”。脆性斷裂由于是產(chǎn)生裂紋后急速擴(kuò)展的，所以端口不呈貝殼形狀。
2、模具斷裂的形式 常見的模具斷裂形式主要有四種。
圖2-9燕尾轉(zhuǎn)角處開裂第一種是燕尾根部轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生的裂紋造成燕尾斷裂。據(jù)國(guó)內(nèi)資料介紹和模具失效的情況看，有10％～30％的錘鍛模因燕尾開裂而失效。
第二種是沿高度方向開始于模腔深處的縱向裂紋造成模具破裂。其主要原因：其一是鍛模的高度（厚度）不夠，在鍛擊時(shí)模腔側(cè)壁承受很大的壓力，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)便引起破裂；其二是當(dāng)模腔內(nèi)圓角不足、有深而狹窄的凹槽、型槽根部留有加工刀痕，這時(shí)易造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞。
第三種是模壁被打斷。其原因主要是兩方面：其一是模壁太薄，強(qiáng)度不夠；其二是模腔較深時(shí)模壁斜度和底部圓角小且留有加工刀痕。模壁破裂多發(fā)生于閉式鍛模和鑲塊鍛模。
第四種是鍛模凸鎖扣被擠斷。由于下模溫度升高比上?？欤菀壮霈F(xiàn)卡?，F(xiàn)象，所以，鍛模采用角鎖扣結(jié)構(gòu)時(shí)通常把凸鎖扣布置在下模上，其配合面為斜面配合。
造成鍛模斷裂的因素較多，主要有：模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成應(yīng)力集中、模具材料冶金質(zhì)量不高或鍛件質(zhì)量缺陷、熱處理缺陷和機(jī)械加工缺陷、模具的不正確安裝等。這些因素均可誘發(fā)裂紋萌生，并導(dǎo)致早期斷裂和機(jī)械疲勞斷裂。
二、型腔表面的熱疲勞
所謂“熱疲勞”是指模具在循環(huán)熱應(yīng)力的反復(fù)作用下所產(chǎn)生的疲勞裂紋和破壞。鍛模尤其是大鍛模，工作過(guò)程中模具型腔表面受急熱、急冷的作用而內(nèi)層的溫度變化較小。因而，表層的熱脹冷縮受到內(nèi)層的約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果熱應(yīng)力大于材料的屈服點(diǎn)，便會(huì)產(chǎn)生壓、拉塑性應(yīng)變。模具經(jīng)過(guò)一定的周次產(chǎn)生循環(huán)的塑性應(yīng)變，導(dǎo)致型腔表面產(chǎn)生許多細(xì)小的裂紋，即熱疲勞裂紋。
三、型腔表面的磨損
鍛模在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷雙重作用下，一方面坯料對(duì)型腔表面產(chǎn)生沖擊性的接觸應(yīng)力，另一方面坯料塑變流動(dòng)對(duì)型腔表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦。在型腔表面與坯料滑動(dòng)摩擦較小的部位（在模具的突出部），由于較大接觸應(yīng)力的重復(fù)作用，易使形腔表面產(chǎn)生小塊剝落，形成痘狀麻坑。在型腔表面受坯料滑動(dòng)摩擦較大的部位（在模腔的口部和飛邊槽橋部），由于摩擦切應(yīng)力和熱負(fù)荷的作用，易產(chǎn)生氧化磨損和熱粘著磨損，坯料與模具型腔局部發(fā)生粘合，繼而在粘合處產(chǎn)生擦傷溝槽，在粘合處產(chǎn)生破壞。
四、模具形腔的塑性變形
鍛模的塑性變形常發(fā)生在模具形腔中受力大且受熱溫升高的部位，如肋、凸臺(tái)等突出部位。模具型腔在坯料的高溫、變形過(guò)程摩擦產(chǎn)生的溫升作用下（高于模具的回火溫度），使模具材料的屈服強(qiáng)度下降，表面產(chǎn)生了軟化層，在軟化層較深的部位，則會(huì)產(chǎn)生棱角堆塌或使型腔深處產(chǎn)生凹陷等塑變現(xiàn)象。
因此，在鍛造過(guò)程中，要選用合理的變形速度、操作方法和冷卻、潤(rùn)滑方式，盡量減少坯料在模具中的停留時(shí)間，同時(shí)應(yīng)合理的調(diào)節(jié)錘擊速度和打擊能量，尤其是在模具打靠時(shí)應(yīng)避免重?fù)簟Ｔ诿鞒錆M模膛后，錘頭（滑塊）的多余能量主要由模具和設(shè)備的彈性變形所吸收，坯料被壓縮后，使模具的內(nèi)腔撐大，模具承受很大的應(yīng)力，反復(fù)多次的沖擊載荷作用，勢(shì)必造成模具的塑變和破裂。
模具外觀檢查
1、模具表面不允許有裂紋、碰傷、腐蝕和嚴(yán)重氧化的缺陷，毛邊、毛刺去除干凈。模腔各部的過(guò)渡處圓角半徑符合要求，圓弧連接應(yīng)平緩圓滑，不允許有尖銳轉(zhuǎn)角，不允許有加工中因進(jìn)刀太深留下的局部刀痕和接刀痕跡。
2、模具各部的表面粗糙度符合圖紙要求，模槽部分必須進(jìn)行拋光處理，尤其是模腔窄槽底部、燕尾根部轉(zhuǎn)角凹槽、鑲塊模座楔鐵槽底部轉(zhuǎn)角處、定位鍵槽底部和鉗口部位是檢查的重點(diǎn)，不允許有肉眼可見的刀痕。
3、對(duì)于采用電火花加工的模具，要求在電加工后進(jìn)行一次低溫補(bǔ)充回.
2．4 模鍛工藝制定的主要內(nèi)容
2. 4. 1 制定與模鍛變形相關(guān)的工藝
1,設(shè)計(jì)鍛件圖 根據(jù)產(chǎn)品零件圖、鍛件精度、和其他生產(chǎn)條件，確定分模面、加工余量及公差、模鍛斜度、圓角半徑，設(shè)計(jì)沖孔連皮，繪制模鍛件圖；
2，確定工藝方案 根據(jù)鍛件形狀尺寸和實(shí)際生產(chǎn)條件確定變形工藝方案，主要是工步的種類和順序；
3,設(shè)計(jì)工步和相應(yīng)的模膛 設(shè)計(jì)順序是先設(shè)計(jì)終鍛模膛，再設(shè)計(jì)預(yù)鍛模膛和制坯模膛（與變形過(guò)程相反）。在鍛件圖基礎(chǔ)上根據(jù)鍛件收縮率繪出熱鍛件圖，熱鍛件圖就是終鍛模膛加工圖，然后設(shè)計(jì)鉗口和飛邊槽；
4,確定模鍛設(shè)備噸位 按終鍛工步計(jì)算鍛壓力，確定模鍛設(shè)備類型及噸位并校核飛邊槽設(shè)計(jì)；
5，確定原材料規(guī)格 根據(jù)制坯模膛的要求,坯料總體積和加熱中的損耗及工藝余塊、料夾頭等確定下料長(zhǎng)度；
6,繪出鍛模裝配總圖，給出鍛模技術(shù)條件，再繪制鍛模零件圖。
2.4.2 制定模鍛變形前和變形后的工藝
1，確定加熱、冷卻和熱處理規(guī)范；
2，確定切邊工藝并設(shè)計(jì)切邊模具；
3，確定清理、校正等工藝和設(shè)備；
4，匯總設(shè)計(jì)結(jié)果，填寫模鍛工藝卡片。
2.5 模鍛件圖設(shè)計(jì)
模鍛的鍛件圖分為冷鍛件圖和熱鍛件圖兩種。冷鍛件圖是制定模鍛工藝、設(shè)計(jì)鍛模和檢驗(yàn)鍛件的依據(jù)，此外，機(jī)械加工車間也要依據(jù)冷鍛件圖來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)加工時(shí)所用的工卡具。熱鍛件圖用于鍛模設(shè)計(jì)和加工制造。冷鍛件圖就簡(jiǎn)稱為鍛件圖。鍛件圖是模鍛生產(chǎn)最基本的技術(shù)文件之一。
鍛件圖是根據(jù)產(chǎn)品零件圖設(shè)計(jì)的。繪制模鍛件圖的主要工作內(nèi)容是：確定分模面的形狀和位置；確定加工余量、鍛件公差和鍛造余塊；確定模鍛斜度；確定模鍛圓角半徑；確定沖孔連皮；確定鍛件技術(shù)條件等。
2.5.1 分模面設(shè)計(jì)
分模面是鍛模上、下兩部分的分界面。分模面的位置和形狀選擇正確與否，會(huì)影響到鍛件成形、鍛件出模、鍛件質(zhì)量、材料利用率和鍛模、切邊模制造的復(fù)雜程度等。確定分模面位置時(shí)，經(jīng)常要考慮的原則如下：
1，使鍛件容易從模膛中取出。鍛件分模應(yīng)選擇在具有最大的水平投影尺寸的位置上；
2，使鍛模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造，保證合模精度，并防止上、下模錯(cuò)移，盡可能選擇平面分模；
3，便于發(fā)現(xiàn)上、下模在模鍛過(guò)程中的錯(cuò)移，分模位置應(yīng)選在鍛件側(cè)面的中部；
4，頭部尺寸較大并且上下不對(duì)稱的長(zhǎng)軸類鍛件，有時(shí)不宜用直線式分模；
5，便于鍛模和切邊模加工制造和減少金屬損耗，短軸類鍛件的H≦D時(shí)，應(yīng)取徑向分模而不宜軸向分模。
6，有金屬流線方向要求的鍛件，應(yīng)考慮到鍛件在工作中的承力情況。
2.5.2 加工余量、鍛件公差和鍛造余塊
1，加工余量
由于毛坯表面在高溫下產(chǎn)生氧化、脫碳以及其他污染現(xiàn)象，毛坯體積變化以及終端溫度的波動(dòng)，鍛件表面敷料等原因，普通的模鍛方法一般不能滿足最終零件對(duì)形狀和尺寸精度、表面粗糙度的要求。因此，鍛件的全部或部分表面，在模鍛后還需進(jìn)行機(jī)械加工，在這些表面就應(yīng)該留有供機(jī)械加工用的金屬層，稱為機(jī)械加工余量。鍛件上凡是需要機(jī)械加工的部位，都應(yīng)給予加工余量。
加工余量的大小主要取決于零件的形狀尺寸、加工精度和表面粗糙度的要求，以及鍛造時(shí)設(shè)備模具精度和操作技術(shù)水平等。過(guò)大的加工余量，將增加機(jī)械加工工時(shí)和金屬消耗；加工余量不足，則將增加鍛件的廢品率。對(duì)于外形尺寸，鍛件的公稱尺寸等于零件的公稱尺寸與加工余量之和；對(duì)于內(nèi)孔尺寸，鍛件的公稱尺寸等于零件的公稱尺寸與加工余量之差。對(duì)于零件的非機(jī)械加工表面（黑皮），則無(wú)需貼放加工余量，這時(shí)，鍛件的公稱尺寸就是零件的公稱尺寸。
2，鍛件公差
圖2-10 鍛件尺寸
模鍛過(guò)程中，各種影響因素的波動(dòng)，造成每個(gè)鍛件在成形條件上的具體差異，于是鍛件的實(shí)際尺寸不可能準(zhǔn)確無(wú)誤地達(dá)到鍛件的公稱尺寸，也允許有一定的誤差，叫做鍛件公差。允許鍛件實(shí)際尺寸大于其公稱尺寸的部分成為上偏差，允許鍛件實(shí)際尺寸小于其公稱尺寸的部分成為負(fù)偏差。鍛件上不論是否需要機(jī)械加工的部分，都應(yīng)注明鍛件公差。普通鍛件公差約為加工余量的1/4～1/3。
3，鍛造余塊
圖2-11 鍛造余塊、余量、余面
根據(jù)鍛造工藝的需要，零件上較小的孔、狹窄的凹槽、直徑差較小的而長(zhǎng)度不大的臺(tái)階等難于鍛造的地方，可以填滿金屬，使它們?cè)阱懠D上不再出現(xiàn)。這部分附加的金屬叫做鍛造余塊。添加鍛造余塊可以簡(jiǎn)化鍛件形狀，減少鍛造難度，但會(huì)增加機(jī)械加工工時(shí)和金屬損耗。因此，是否增加鍛造余塊，應(yīng)根據(jù)零件形狀、鍛造技術(shù)水平、加工成本等綜合考慮確定。
4，確定方法
確定加工余量和鍛件公差的的方法較多。模鍛件的加工余量根據(jù)估算鍛件質(zhì)量、加工精度及鍛件復(fù)雜系數(shù)查表；鍛件公差根據(jù)鍛件尺寸、重量、精度級(jí)別、形狀復(fù)雜系數(shù)等查表確定。主要公差項(xiàng)目有：尺寸公差、錯(cuò)差、殘留飛邊公差、直線度和平面度公差、中心距公差、表面缺陷等。各查表因素確定方法如下：
（1）鍛件估算重量 根據(jù)零件公稱尺寸，附加上估計(jì)的初定余量進(jìn)行計(jì)算。
（2）鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)S 是鍛件重量（或體積 ）與其外廓包容體（如圖2-12、2-13所示）的重量（或體積 ）的比值，即：
鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)可分為四個(gè)等級(jí)，見表2-3:
表2-3 鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)等級(jí)
級(jí)別
形狀復(fù)雜系數(shù)
形狀復(fù)雜程度
級(jí)別
形狀復(fù)雜系數(shù)
形狀復(fù)雜程度
0.63～1
簡(jiǎn)單
0.16～0.32
復(fù)雜
0.32～0.63
一般
≤0.16
較復(fù)雜
圖2-12 a)、b)圓形鍛件鍛件的外廓包容體
圖2-13 c)、d)非圓形鍛件鍛件的外廓包容體
（3）鍛件材質(zhì)系數(shù)按材料可鍛難易程度，鋼質(zhì)模鍛件可分為和兩級(jí)。
①含碳量小于0.65%的碳鋼或合金元素總含量小于3.0%的合金鋼；
②含碳量大于或等于0.65%的碳鋼或合金元素總含量大于或等于3.0%的合金鋼。
（4）鋼質(zhì)鍛件公差等級(jí) 分為普通級(jí)和精密級(jí)。普通級(jí)公差是指用一般模鍛方法能達(dá)到的精度；精密級(jí)公差適用于精密鍛件。
2.5.3 模鍛斜度
為了鍛后能夠順利取出鍛件，模膛的側(cè)壁必須要有一定的斜度，相應(yīng)地在鍛件上也就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的斜度，個(gè)斜度叫做模鍛斜度。模鍛斜度可以在鍛件側(cè)表面上人為地添加敷料來(lái)形成，也可以是鍛件側(cè)表面上固有的斜度（自然斜度）。鍛件在冷縮時(shí)趨向離開模壁的部分為外模鍛斜度，用表示；反之為內(nèi)模鍛斜度，用表示（見圖2-14）。模鍛錘、鍛壓機(jī)和螺旋壓力機(jī)上鍛件的外模鍛斜度，按鍛件各部分的高度與寬度以及長(zhǎng)度與寬度的比值、確定，數(shù)值見表2-4。內(nèi)模鍛斜度按外模鍛斜度值加大2°或3°(15°除外）。當(dāng)模鍛設(shè)備具有頂料機(jī)構(gòu)時(shí)外模斜度可縮小2°或3°，但一般不宜小于3°。
注：為便于模具制造，采用標(biāo)準(zhǔn)刀具，模鍛斜度可按下列數(shù)值選用：0°15′，0°30′，1°，1°30′，3°，5°，7°，10°，12°，15°。在同一鍛模上不宜選用過(guò)多種模鍛斜度。
圖2-14 鍛件的內(nèi)外模鍛斜度
表2-4 模鍛錘、熱模鍛壓力機(jī)、螺旋壓力機(jī)鍛件外模鍛斜度數(shù)值
≤1
＞1～3
＞3～4.5
＞4.5～6.5
＞6.5
≤1.5
5°00′
7°00′
10°00′
12°00′
15°00′
＞1.5
5°00′
5°00′
7°00′
10°00′
12°00′
2.5.4 圓角半徑
為了利于金屬塑性流動(dòng)，并考慮到模鍛強(qiáng)度，鍛件上各個(gè)凸出或凹下的轉(zhuǎn)角部位都不允許呈銳利的尖角，應(yīng)設(shè)計(jì)為適當(dāng)半徑的圓角。鍛件各面交線都應(yīng)是圓角。在制件公差允許條件下圓角半徑應(yīng)盡可能大。
（1）外圓角半徑
模膛內(nèi)凸處的圓角半徑 稱外圓角半徑，它與鍛件上的內(nèi)圓角半徑相呼應(yīng)。太小，會(huì)使脫模困難，還會(huì)造成模鍛時(shí)金屬流動(dòng)形成的纖維被割斷甚至產(chǎn)生折疊。一般情況下 取值按下式確定：
式中 Δ——加工余量；
——零件上相應(yīng)處的圓角半徑或?qū)Ы恰?
（2）內(nèi)圓角半徑
模膛內(nèi)凹處的圓角半徑 稱為內(nèi)圓角半徑，它與鍛件上的外圓角半徑相呼應(yīng)。太小，會(huì)使鍛件成形困難，導(dǎo)致鍛模因應(yīng)力集中開裂。一般情況下 值按下式確定：
為便于模具制造時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)刀具，圓角半徑按下列數(shù)值選用（單位：㎜）：1,1.5,2,2.5,3,4,5,6,8,10,12,16,20,25,30。同一鍛模上圓角半徑值不宜取得過(guò)多。
2.5.5 沖孔連皮
模鍛件不能直接鍛出透孔，必須在孔內(nèi)保留一層連皮，然后再切邊壓力機(jī)上切除。連皮的厚度應(yīng)適當(dāng)：若s過(guò)薄，則鍛擊力大，容易造成合模困難，并且加速模膛凸出部分的磨損或塌陷；若s過(guò)厚，則浪費(fèi)金屬，沖切連皮困難，還會(huì)使鍛件形狀走樣。沖孔連皮的主要類型有：
1，平底連皮
當(dāng)鍛件內(nèi)徑孔較小時(shí)（d＜2.5h或25mm＜d＜60mm）,可以采用平底連皮。
2，斜底連皮
當(dāng)鍛件內(nèi)孔較大時(shí)（d＞2.5h或d＞60mm）,若仍用平底連皮，則內(nèi)孔處的多余金屬不易向四周排除，而且容易在連皮周邊處產(chǎn)生折疊，模膛內(nèi)的沖頭部分也會(huì)過(guò)早地磨損或壓塌。為此，應(yīng)采用斜底連皮。
3，帶倉(cāng)連皮
若鍛件需要經(jīng)過(guò)預(yù)鍛和終鍛成形，可以在預(yù)鍛模膛中用斜底連皮，而在終鍛模膛中采用帶倉(cāng)連皮。這樣，內(nèi)孔中多余的金屬不是向外排出，而是終鍛時(shí)擠入連皮倉(cāng)部，可以避免折疊。帶倉(cāng)連皮周邊較薄，易于沖除且鍛件形狀不走樣。連皮厚度s和寬度b，按飛邊槽橋部高度h和橋部寬度b確定。
2.5.6 飛邊槽的設(shè)計(jì)
在終鍛模膛中，都設(shè)有飛邊槽，故在產(chǎn)品成形時(shí)都帶有飛邊，飛邊槽的作用是：
1） 阻流作用。即封閉住模膛，鍛造時(shí)阻止金屬外流，以保證充滿模膛。
2） 容納多余金屬金屬。由于毛坯尺寸和模膛尺寸的偏差及使用過(guò)程中的磨損，很難使金屬毛坯的體積和模膛容積恰好相等；為了充滿模膛，實(shí)踐中必須是毛坯尺寸具有比模膛容積稍大的體積。模鍛時(shí)，多余的金屬排向飛邊槽形成飛邊，這就可以防止由于充不滿而產(chǎn)生的廢品。
3） 飛邊槽具有緩沖器作用，可減弱上模對(duì)下模的打擊，以防止模具的壓塌或崩壞。
圖2-15 飛邊基本結(jié)構(gòu)
飛邊槽的基本結(jié)構(gòu)型式，如圖2-15所示。從圖中可以看出，飛邊槽的結(jié)構(gòu)分為橋部和倉(cāng)部?jī)刹糠?。橋部較為扁平，它的主要作用是阻流，同時(shí)有利于模鍛后對(duì)飛邊的切除。倉(cāng)部的容積較大，它的作用是容納金屬。
表2-5 錘上模鍛飛邊槽尺寸 （mm）
飛邊槽的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)模鍛的方法不同而確定。
表2-6 胎膜鍛飛邊槽結(jié)構(gòu)尺寸 （mm）
表2-7 摩擦壓力機(jī)模鍛飛邊槽尺寸 （mm）
2.5.7 技術(shù)條件
上述各項(xiàng)確定后，便可繪制鍛件圖。用粗實(shí)線繪制鍛件的輪廓，用雙點(diǎn)劃線繪出零件的主要輪廓；鍛件的公稱尺寸和鍛件公差標(biāo)注于尺寸線上面，零件的公稱尺寸用括號(hào)括起，標(biāo)注于尺寸線下面，這樣便于了解各部分的加工余量是否滿足要求；帶沖孔連皮的鍛件，不需要繪出連皮，因?yàn)榘凑斟懠D驗(yàn)收鍛件時(shí)，連皮已經(jīng)被切除。有關(guān)鍛件質(zhì)量及其他檢驗(yàn)要求，凡在圖上無(wú)法表示的，均列入技術(shù)條件說(shuō)明中。一般的技術(shù)條件內(nèi)容如下：
①鍛件熱處理及硬度要求；
②未注明的模鍛斜度和圓角半徑；
③允許的表面缺陷深度；
④允許的錯(cuò)移量和殘余飛邊的寬度；
⑤需要取樣進(jìn)行金相組織和力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注明鍛件上的取樣位置；
⑥表面清理方法；
⑦其他要求，如鍛件同心度、直線度、平面度等。
常用技術(shù)條件可參照《鋼質(zhì)模鍛件通用技術(shù)條件》（GB 12361—90）。
第三章 離合器嚙合套的精密鍛壓模具設(shè)計(jì)
3.1 課題主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
本課題內(nèi)容為離合器嚙合套精密鍛壓模具設(shè)計(jì)，用精密模鍛的方法加工離合器，用于替代以前的機(jī)械加工件，希望可以節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率。
用傳統(tǒng)方法加工離合器，毛坯的背面和內(nèi)表面需車削加工。齒部需要單獨(dú)銑削，每銑削一個(gè)齒面之后，需要轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度銑削齒的另外一個(gè)面，如此反復(fù)，直到把所有的齒都銑削完。這樣加工的工作量大，特別是加工精度要求高的零件時(shí)，對(duì)于操作工人的要求較高。而嚙合套在日常生活中必不可少，因此需要尋求另一種高效加工法。設(shè)計(jì)它的精密鍛壓模具具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.可以進(jìn)行成批生產(chǎn)，大量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高；2.能獲得較好的精度和光潔度，甚至不需要進(jìn)行機(jī)加工，這樣能夠大量的節(jié)約金屬材料和加工工時(shí)；3.能夠獲得較理想的金屬流線和致密的組織，從而提高零件的機(jī)械性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命；4.易于實(shí)現(xiàn)工藝工程的機(jī)械化和自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
零件圖：
鍛件簡(jiǎn)圖
3.2主要設(shè)計(jì)步驟
鍛壓模的設(shè)計(jì)步驟的主要內(nèi)容：
1，分析鍛壓件的工藝性
根據(jù)設(shè)計(jì)課題要求，分析鍛壓件形狀特點(diǎn)，尺寸大小，結(jié)構(gòu)工藝性，精度要求及所用材料是否符合鍛壓工藝要求。
2，制定鍛壓件的工藝方案
在分析了鍛壓件的工藝性后，從產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、設(shè)備占用情況、模具制造的難易程度和模具壽命高低、工藝成本、操作方便和安全程度等方面，進(jìn)行綜合分析、比較，然后確定適合具體生產(chǎn)條件的最經(jīng)濟(jì)的工藝方案。
3，確定毛坯形狀、尺寸和下料方式
在最經(jīng)濟(jì)的原則下，決定毛坯的形狀、尺寸和下料方式。
4，確定鍛模類型及結(jié)構(gòu)型式
根據(jù)所確定的工藝方案和鍛壓件的形狀特點(diǎn)、精度要求、生產(chǎn)批量、模具制造條件、操作方便及安全的要求，以及利用現(xiàn)有通用機(jī)械化、自動(dòng)化裝置的可能，選定鍛模類型及結(jié)構(gòu)型式，繪制模具結(jié)構(gòu)草圖。
5，進(jìn)行必要的工藝計(jì)算
計(jì)算