锻模理论1

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辊轧


窄模之间的挤压（拉拔）是一个间断不连续的过程，如果希望沿一个长工件减小其厚度，那么，就必须在工件作轴向渐进运动时进行多次的行程动作。这一任务可以通过辊轧（图4-11）变得连续。图4-9和图4-11的相似点是很明显的。模块的宽度现在被接触弧长（图4-11b中的L）所替代，而给定部分的伸长量亦由该接触弧长决定。由于存在于接触弧长中更显著的摩擦力差距，越大的滚筒将会导致越显著的横向扩展和越少的伸长。同样，越小的滚筒得到更多的伸长。


开模锻造


在我们迄今所讨论的示例中，材质都至少有一个方向是自由的，因此，无法对工件所有自由度进行密切控制。三自由度控制要求模块中有凹腔，并由此得名“开模锻造”。
在最简单的开模锻造的例子（图4-12）中，一个圆柱体（或长方体）工件放在底模（4-12a）中，模块上没有控制溢出材质流的结构准备。当两模受力聚合时，工件经历塑性变化直至它的受扩边缘接触到凹模内腔壁（图4-12b）。在两模间腔壁尖端处，一小部分材质开始向凹腔外溢出，形成所谓的“飞边”。随着两模不断接近，飞边会逐渐地变薄。由此，飞边快速地冷却，并且对变形的阻碍也在增加。在这种情况下，飞边成为工具的一部分，帮助工件内部产生高压。高压使材质流向凹腔内先前未充填的部分，以使在整个动作行程结束时，凹模内腔中充满工件材质（图4-12c）。
飞边的形成过程同样可以参看图4-13所示。当然，即使在所示形状最简单的情况下，材质流动条件仍然是十分复杂的。在挤压过程中，材质首先被压入内腔以便将来形成变形的轴心部分，接下来，材质开始扩展，然后溢出部分开始形成飞边（图4-13a）。在这一阶段，腔体仍然未被全部填满，而成功与否取决于飞边中能否产生足够高的压力以使材质（至此已开始逐渐冷却）被压入内腔中复杂的微细结构。垂直方向的自由度定位如图4-13b所示，通常可以通过使两相对模表面贴合来达到。
飞边在很多时候成为材质流动不可逾越的障碍。首先，飞边的逐渐变薄导致需要更大的压力来产生进一步的变形。其次，相对较薄的飞边在与模体表面的密切接触中快速冷却，它的屈服强度也相应地上升。第三，飞边的进一步变形需要已形成的环状飞边的加宽，这也要求更大的力。
因此，飞边可以保证即使在不理想条件下的内腔填充，但是这是在飞边区域有极大压力的前提下。像这样依赖额外模压力保证填充的方法往往是不理想的，因为它会降低模具寿命而且动力要求很大。锻模制造旨在通过各种方法改善金属流动性、使得飞边中极高的压力变得多余。为了减少模具表面的压力，通常设置飞边槽来容纳飞边并允许上下模具贴合来控制垂直（或厚度）方向上的变形。

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锻模理论3
飞边会在稍后的修整工步中被去处，这样也意味着一部分材质的损失。尽管飞边通常是模具内腔充填的副产品，太大的飞边不仅是一种浪费，而且也造成模具上很高的压力。
开模锻造如上所描述的说明了绝大多数的商业锻造生产。尽管某些术语在这本手和其它的地方是可替换的，闭式模具锻造的方法是一种特殊的开模锻造，它无须靠形成飞边来完成凹模内腔的完全填充。在完全闭式模具锻造（也称为“无飞边锻造”）中，材质在一个少溢出或无溢出多余材质的模腔内成型。在最简单的例子中，首先发生的是压缩变形（图4-14b），筒形试样受容积腔内壁的限制，从而使工件内部的压力上升，并使模腔内的所有部分被填充满（图4-14c）。就材质流而言，无论空腔是贯穿在容器内还是冲头上都不重要（图4-15a）。如果预先将容积腔分置在两个半模上，就可能产生过切形（图4-15b），或在条料一端形成镦粗端（图4-15c），就像在水平锻造机（杆端镦粗机）。
粗看之下，完全闭式模具锻造对于金属流动性没有任何困难。金属材质没有其它选择：无论模腔的形状或尺寸是怎样的，它都必须将其完全填充。然而，闭式模具锻造对于模具设计方面要比有飞边形成的开模锻造要求更高。举例来说，在锤上开模锻造过程中，一些材质分布的问题可能需要更多的击打来进行校正以完成最终的锻造，而在闭式模具锻造中就不太可能遇上，因为在锻造机（镦粗机）和压力机上进行并且常常是计划用一次锻打完成工作的。
闭模锻造有许多附加的要求。在没有飞边形成的情况下，工件体积的精确控制对于完全填充而不产生由于过盈填充带来的极端压力是很必要的。另一个潜在问题是气体与润滑油的分离，模具上的通气孔有时用来防止过量压力的增强，又保证模腔被完全填充。这一过程的其他一些特点我们将在随后的章节“无飞边锻造”中讨论。

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锻模理论4
挤制成型


在挤制过程中，工件放在一个容器中并被冲柱的运动挤压直到工件内部压力达到流动应力为止。在这一点到来时，工件被镦粗并填充到容器中。但压力进一步增加，材质开始通过一个小开孔流出，形成挤制产品。这个小开孔理论上可以在容器或冲柱的任何地方（图4-16）。依靠冲柱和挤制件间的相对方向或运动，可以进行向前的直接挤制（图4-16a）和反向的逆向挤制运动（图4-16c）。
挤制产品既可以是实心的，也可以是空心的。对于后者，工件的外径可以如图4-17a中所示的那样减小，或允许其保留原始尺寸（图4-17b），管型挤制件是典型的前挤制空心件（图4-17a），而逆向挤制则应用于容器的大规模生产（图4-17b）。


冲孔


冲孔是一种用来生产空心体的方法。它与逆向挤制很相近，但冲孔时更激烈的冲头与工件材质的相对运动使它与挤制区别开来。容器尺寸、工件和冲头直径决定了金属流动的快慢与否（图4-18a）或者容器内壁与冲孔表面是否是轴向脱开（图4-18b）。各种金属成型方法（先前的章节所涉及的）转化成特定的锻造方法，每种方法按所采用的锻造设备和工具准备。

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锻模理论5
预制


合理的锻件设计是成功的集约化生产所必要的，但仅仅这点是无论如何不够的。锻件的形状很少有简单到允许锻造在单一模腔内进行。尝试将工件放在单一模腔内，通过重复锻打来得到最终轮廓往往会导致许多潜藏的问题。很大一部分多余的材质不得不形成飞边，同样的，由于过度冷却导致很高的变形阻力。这样的生产率是很低的。同时，过度升温会导致过早的模具损毁。此外，由于相对最优方向晶粒较少和追求规模导致的较低的表面质量，使得锻件质量下降。
如果解除终锻模膛大部分的变成型工作，并使它只需要将锻件形成最终外廓，生产质量和效益就可以得到提高和改善。这也是经过弯曲或滚轧或预锻模处理的坯料预制往往很理想的原因。
尽管预制过程构成了一个附加的操作工步且增加了整个生产的总成本，但被更高的生产率、模具寿命的延长和质量的提高这些规模化生产中的重要因素中所得到的收益所抵消了。当然，如果生产规模有限，上述意义就会小很多。因此，一次终锻成型可以偶尔应用于极小批量的生产中。

中锻如果绝大多数的变形发生在一个与终锻模膛相似但形状简化后的模膛（中锻模膛）中，那么终锻模膛的“责任”就会大大降低。设计中锻模膛形状的指导思想是以金属流在中锻模及终锻操作中的释放为基准的。圆径通常取得很大，特别是大量材质将被替除的地方。然而中锻摸的设计取决于锻件的外形，能确定的普遍适用的原则很少。中锻同时应用在锤上模锻和压力机模锻上，尽管在中锻模膛的设计和功能上两者存在着不同之处。

材质的分布很多锻件是通过其独有的材质分布来描述的。在这些例子中，使材质分布大致符合最终的形状要求可以提高锻造的经济性。拥有细长杆体和沉重杆端的连杆件就是一个很好的例子。材质分布的方法很多，它们涵盖了整个锻造技术领域

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锻模理论6
材质的分布很多锻件是通过其独有的材质分布来描述的。在这些例子中，使材质分布大致符合最终的形状要求可以提高锻造的经济性。拥有细长杆体和沉重杆端的连杆件就是一个很好的例子。材质分布的方法很多，它们涵盖了整个锻造技术领域。

预制过程在锤上模锻中很常见，但他也应用于压力机、平锻机（镦粗机）、锻造滚筒或特种锻模机械中。在最简单的预制操作工步中切割过的坯料放在空气锤的一端，对其进行镦粗以达到增加直径和去处氧化层表皮的双重目的（图4-19）。当只有一端的坯料发生减少，该操作则称为“拔长”，它一般用拔长工具膛或锻造滚筒完成（图4-20）。
填隙常被用于锻造坯料中心部分横截面积需要减少的情况。起边或滚轧则用来增大坯料的横截面。材质在起边和滚轧过程中不可避免地发生扩展，为了保证坯料在后续锤打时其宽度在预期的限度内，坯料往往会旋转90度。填隙和起边之后可以根据要求进行弯曲处理。
很多锻件要求在坯料的一端发生积聚，这一过程可以通过平锻机（镦粗机）上的锻造来完成。另外，当然，所选择的坯料应是有足够横截面来为最大截面提供材质，较小的截面则可通过挤制或拔长完成。
相对于填隙、起边甚至是弯曲的产品，滚轧锻造（图4-21）可以胜任大多数预制过程中要求形状的生产。在各种预制处理方法中，这一过程是很经济的，所能提供的生产率也很高。

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锻模理论7
锤上锻和压力机锻造锤上锻造由一系列使用重复锤打的凹模膛实现。一次双杆的连杆锻造就是一个典型的例子。条料首先经过填隙后减小了截面积变为一根I型梁，并在接下来的滚轧、中锻直至最后锻造成型。飞边的修整则由压力机上的分离工具完成。
锻件的质量和锤上锻造过程中的效益及生产率取决于工具水平和操作人员的技术能力，而在压力机和平锻机上锻造时，操作人员的技术能力就显得不如锤上锻造时重要，其他的则是一样的。
在压力机上，坯料在每一个模膛内往往只击打一次，这样，每一个模膛的设计就显得格外重要。锻造的工序包括了预锻、中锻和终锻以及接下来的在修整压力机上的热修整和冲孔操作。
锻锤和压力机也可以合作使用。如曲柄，首先在一个小压力机上锻出一个钳体，然后预锻通常在锻锤上的三个模膛中进行。小钢坯在第一个滚轧模膛内轧圆，在第二个滚轧模膛内完成材质分布，最后，出来的曲柄件被送入弯曲机。预锻后的坯料转运到机械压力机，在那里完成中锻和终锻。在修整结束后，曲柄件在特种压力机上扭转到位。

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锻模理论8
环型辊轧


无缝辊轧环过程可以提供一种独特的产品：均质化圆周晶粒流、机制构造的释放以及在材料、尺寸、数量和几何形状上的多种用途。无缝轧辊环的圆周纹理显示了通常很高的切线力和展现阻碍切应力的延展性。此外，长度方向上的性质一般都遵循任何指定的要求。
我们生产的无缝滚轧环有成千上万不同的横截面形状（见图4-22），直径从几个英寸到超过20英尺。一些环只有不到1磅，而另一些甚至可以超过数万磅。
无缝轧辊环通常要比相似的闭模锻件要便宜，后者需要很大的倒角和更昂贵的工具准备。在很多情况下，一些小的圆环部分可以组合起来像一个单一轧辊环一样来制造。经常地，我们从一个无缝辊轧环上切割下弯转的部分（圆环部分的分段）成为独立的分段，这在经济上是很有利的。在切割前对环件进行制造处理常常带来可观的节约效益。环型辊轧在承受扭矩反作用的载体如齿轮、联轴器和转子隔板的应用有很多。，还有在承受内外压力的应用如压力容器和阀的部分。
环型辊轧是一种古老的热成型过程。久远至1842年，有记录显示，在英格兰的曼彻斯特，R.B.Jackson和Bordmer公司建造了一个辊轧机用来生产无缝环。随着时间的推移，生产的环件从热炸面包圈形冲料到无数多样化的重量、尺寸和截面形状，这一相对简单的成型过程有了巨大的变化。
今天，随着尖端高技术应用于建设现代化环型辊轧生产线，环型辊轧已经发展为严格控制工艺过程中的一门艺术。严格的控制扩展到冲料以及掌握环型辊轧机工作的过程。
环型辊轧已经历了一个相当快速的成长过程，伴随着电子控制以及最近出现的微处理器的发展，将有助于推广机械工具的设计创新。随着现代环型辊轧机的出现，环件生产从小钢坯预热到最后辊轧环叠放到托板可以达到完全的自动化。环型辊轧机的高精度复杂化导致了辊轧机不再是那些受高度限制或者干脆升级到压力机或锻锤用高度的老式辊轧机那样，只能承担径向辊轧的生产。这种类型的辊轧机在20世纪初生产了很多早期的轮胎和环件。
到20世纪中叶，一种数字显示环件尺寸的径向/轴向结合的辊轧机出现了。在这一时期，主要的工作在于径向/轴向部件利用固体装置进行可变速传动。在这一时期，在小型环件市场中只有几磅重的环件用机械桌式辊轧机进行辊轧生产。这些仅利用径向辊轧就大批量地生产齿轮冲料或小型的汽车用轴承环。
对于现代的环型辊轧机，有以下几个特征：


1) 同时控制径向与轴向部件的进给率一定，这样可以用轴向的减小量来预先测定径向增量，使其保持预期的比率；
2) 所有环件的数字化测量，包括壁厚；
3) 根据按辊轧相位对环件尺寸的早期测量，可以计算出体积，再与最终要求的体积相比较，一旦超过即警告操作者，并允许有一个或多个的环件轴线吸收超出的部分。

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锻模理论9
环型辊轧件的制造要求从一个经切割至重量的坯料，通过压力机或在某些情况下用带心砧的锻锤锻造至冲下料或炸面包圈形锻件中的任一个。从这个炸面包圈形锻件就可以开始辊轧了（图4-23）。
无缝辊轧环件可以在多种设备上生产，且有很多经过个人生产者修改来为他们竞争的主要市场服务。所有的方法给使用者带来的基本上是同一种产品：带有大致圆周晶粒方向的无缝构件。预制过程是将工件预热至锻造温度再放在I.D.轧辊上。经过对外壁加压，环件发生旋转，横截面积减小，导致O.D.与I.D.的逐渐扩展。
环型辊轧机有两种一般类型：卧式与立式，两者主要由工件旋转的方向来区分。卧式辊轧机可以容纳更大范围的环件尺寸。它们更适合辊轧尺寸超过30英寸的大型环件。同时，它们也适用于小型环件（图4-24）。辊轧设备又可以分为三个基本类型：

径向辊轧机（图4-25）既可以是立式的也可以是卧式的，它每一边都带有用来做旋转导向轧辊的O.D.轧辊，与这三个轧辊相反的是一个安装在滑块上的I.O.轧辊，它往往会滑入O.D.轧辊，导致预制件旋转并在壁厚减小的同时增大径向尺寸。在辊轧循环过程中，通常不控制工件的长度，而在辅助设备中长度控制则是必要的。

径向/轴向辊轧机（图4-26）除了有控制长度的附加轴向轧辊之外，与径向辊轧机相似。在I.D.轧辊之后辊轧机的中心线上，有一个可移动的包容装置，里面就包含了上述的附加轴向轧辊。这些轧辊，一个或几个被驱动时，会在轴向平面内移动。在辊轧循环过程中，当直径增大时轴向包容装置往回移动，顶部的轴向轧辊就向预先设定的长度靠近。


机台或机械辊轧机（图4-27）是卧式辊轧机，在中间有一个驱动式O.D.轧辊，它被四个安装在旋转机台上以与O.D.轧辊不同的速度，围绕不同中心旋转的I.D.轧辊所包围。凸轮导向的轧辊在短辊轧过程中，产生力作用在环件的O.D.上并增大O.D.面积。轴向长度由O.D.轧辊通过时控制，径向尺寸控制则由I.D.轧辊与O.D.轧辊旋转中心的相对调整来完成。在有了良好的重量控制之后，这些辊轧机可以保证极佳的尺寸可靠性，可以控制O.D.或I.D.，可以很容易地实现自动化。机台辊轧机是为那些轻重量、小直径、大体积的生产所设计的。

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锻模理论10
生产环件可供选择的方法包括使用锻锤在鞍台或心砧上进行锻造。
拘限或闭式系统有时也用于卧式环件辊轧机上。驱动轧辊在其边上有凸缘，这限制了工件金属，保证了环件的要求宽度。凸缘轧辊的用途没有直轧辊那么多，而且它们在空转轧辊上需要更大直径的侧边部分。在深槽上辊轧要求有一个大直径的主凸缘轧辊和一个在空转轧辊上的凸碟，它可以在辊轧过程中进入驱动轧辊的辊道。这同时也要求在冲料上的冲孔必须扩大到能通过空转轧辊上的凸碟结构。
圆环横截面能够通过直轧辊的辊轧来得到，但是很可能在边沿表面上发生诸如空洞、突脊和毛刺头等问题。，这样，就必须在锻锤或压力机上作进一步的锻造了。因此，通常将带拘限系统或起边轧辊与直轧辊一起使用效果更好。用凸缘驱动轧辊或直轧辊进行辊轧是比用起边轧辊辊轧更简单的处理方法。
起边轧辊应用于绝大多数的卧式环件辊轧。它们经过推拔（起锥）以使它们的表面速度适应环件边缘的表面速度。较低的驱动起边轧辊安装在机架的基部，而较高的那个轧辊则安放于在机架上层部分滑动的滑块上：这样，起边轧辊就可以容纳不同宽度的环件了。在辊轧轮廓中，环件内部和外部的表面轮廓有空转轧辊和驱动轧辊共同完成，而边沿面则由起边轧辊来控制，如图4-29所示。外部的深轮廓只有通过足够的预制冲料才能完成，而内部的轮廓，即使是很复杂的廓形，辊轧起来也没有太大的难度。