锥形板镦粗在大锻件锻造中的应用

锥形板镦粗在大锻件锻造中的应用

锭料镦粗是大锻件锻造中一种重要的成形方式。由于钢锭内部不可避免地存在缩孔、疏松、偏析和夹杂物等缺陷，如果镦粗过程中变形和力学条件不当，在变形初期就很容易发展成为裂纹，导致整个锭料的报废。这是大锻件锻造中出现废品的一个重要原因，给国家带来巨大的经济损失。

如何创造有利的力学条件，防止锭料在镦粗过程中开裂，这是一个既有重大理论意义，又有重大经济价值的课题。不少专家学者作了大量研究工作，提出采用球形板和碟形板镦粗的建议（图1）。

图1镦粗板的三种形式

（a）平板（b）球形板（c）碟形板

作者认为采用球形板和碟形板镦粗固然可以提高锭料内部的静水压力，提高材料的塑性，防止裂纹的产生，但是靠近球形板和碟形板附近会出现范围较大的难变形区，致使该区域内铸态晶粒的破碎不完全，内部孔隙难以锻合，材料的机械性能无法改善，这同样会使锻件质量不能达标。

文献[1]提出采用锥形板镦粗，这是一种新颖的设想。这项新工艺已成功地在生产中应用，有效地防止裂纹的产生。按传统的观点，锥形板镦粗比平板镦粗更容易使锭料开裂，为什么事实上采用锥形板镦粗又确实能抑制裂纹的产生呢?本文从理论上对此作以下分析。

利用主应力法可以推导出，平板镦粗时（图2），接触面上的正压力σz为：

图2平板镦粗

锥形板镦粗（图3），接触面上的应力σz为：

式中k1＝tanα＋tanβ

k2＝-k1s+τ（2+tan2α+tan2β）

下面列举实例说明之。

例：设直径为d，高度为h的圆坯料分别在平板和锥形板间镦粗。假设摩擦力τ＝0.5S，锥角α＝β＝20°，并设h＝d/2，将这些数据分别代入（1）、（2）式，知平板镦粗正应力为：

其分布曲线如图2，为线性分布。

锥形板镦粗正应力σz为：

其分布曲线如图3，按对数曲线分布。比较图2和图3，可知，锥形板镦粗的正应力明显地小于平板镦粗的正应力，因而静水压力也相应地减小，材料塑性因而降低，内部缺陷容易发展，锭料容易开裂。这就是人们不愿采用锥形板镦粗的原因。

图3锥形板镦粗（后期）

为什么文献[1]提出，而且经实践证明，采用锥形板镦粗能抑制锭料内部裂纹的产生呢?比较平板镦粗和锥形板镦粗的区别即可发现，平板镦粗时，圆坯端面与平板同时接触，坯料内外部同时开始镦粗变形。由于接触表面的摩擦引起的径向压应力σr不是很大。

而锥形板镦粗则不同（图4），锥形板首先是以中心锥尖与圆坯端面接触，然后接触锥面逐渐扩大，相应地镦粗变形区也是由内而外逐步扩大。在端面还没有与锥形板接触的外围，并未开始镦粗变形，而是在内部镦粗金属的胀挤下，径向外流。因此，可将整个圆坯分成两区，外区相当受内压的厚壁筒，将内区紧紧箍住。而内区则相当于在很高的侧压力作用下镦粗。设变形过程中某瞬间的接触锥面最大半径为ρ（图4），则侧压力为：

图4锥形板镦粗（前期）

而内区的轴向应力σz为：

将（6）式代入之，得：

由（6）（7）式可知，开始镦粗时，ρ＝0，侧压力q最大，直到圆坯端面全部与锥形板接触，这时ρ＝d/2，侧压力q＝0。可见，在ρ＝d/2以前的内部镦粗是带侧压力q的镦粗，其静水压力高，材料塑性好，因此，可抑制内部裂纹的产生，有利于内部缺陷的锻合。等到ρ＝d/2以后，镦粗已进入后期，缺陷已有所弥合，材料性能已有所改善，产生裂纹的可能性就大大降低了。当然如果根据锭料的高度和直径，恰当地选定锥形板的角度α、β，那么，抑制裂纹产生的效果也就会更好。

采用锥形板镦粗，方法简单，效果显著，在大锻件锻造行业中将发挥重要作用。

参考文献

［1］刘助柏.塑性成形新技术及其力学原理.北京：机械工业出版社，1995.

［2］汪大年.金属塑性成形原理.北京：机械工业出版社，1985.