1、液压机上镦粗与拔长新理论与新工艺的研究刘助柏 王连东 李兆夫摘 要 在镦粗工艺理论方面，提出了圆柱体镦粗的刚塑性力学模型的拉应力理论和静水应力力学模型的切应力理论，设计了锥形板镦粗的新工艺。在拔长工艺理论方面：应用方柱体镦粗的两个新力学模型与拔长的刚端影响问题，论证了只有砧宽比一个工艺参数的不足，而应补充一个新的工艺参数料宽比，才能正确描述拔长体中心区域的应力状态与有效控制锻件质量；并进一步解决了该拔长理论工艺参数量值的合理匹配与确定；在“锻造条件对毛坯内部空洞闭合的影响”研究中，提出了增加料宽比对横向拉应力控制的“新FM(Free from Mannesmann effect)锻造法”；并在
2、此基础上提出了横向无拉应力锻造法。用上述理论指导工艺生产，可大幅度提高锻件的质量。关键词 镦粗 拔长 刚塑性 静水应力 料宽比Research for New Theories and New Technologies of Upsetting and Stretching in a Hydraulic PressLiu Zhubai Wang Liandong Li ZhaofuAbstract In the upsetting technology theory,a tension stress theory of a rigid-plastic mechanical model and
3、a shearing stress theory of a hydraulic stress mechanical model are proposed for upsetting a cylinder between flat platens,and a new type technology for upsetting between cone-platens is advanced.In the stretching technology theory,based on the two new mechanical models for upsetting a square body a
4、nd the rigid influence problem,it is demonstrated that only a new technology parameter-blank width ratio is complemented besides the technology parameter-tool width ratio,can the stress state in the central zone of stretching body be correctly described and the forging quality be effectively control
5、led.The technology parameters of stretching technology theory are correctly matched and determined.In the research for the influence of forging conditions on closing the internal pores in blanks,New FM method with which the transverse tension stress is controlled by the complemented blank width rati
6、o is promoted. The forging method without transverse tension stress is advanced.With the above theories directing production,the forging quality can be improved effectively.Key Words Upsetting,Stretching,Rigid-Plasticity,Hydraulic Stress,Blank Width Ratio.1 提出与研究了镦粗新理论与新工艺对普通平板镦粗圆柱体，根据高径比 HD 的不同，提出了
7、两个新理论：高径比 HD1 时的刚塑性力学模型的拉应力理论和高径比 HD1 时的静水应力力学模型的切应力理论 1 。1.1 刚塑性力学模型的拉应力理论图 1a 为高径比 HD2 的圆柱体毛坯在普通平板间镦粗，由于毛坯端部摩擦力的作用，形成的 abc(abc)圆锥体为难变形区，可以认为是一个刚体，称为刚性区。变形力由刚性区传给 bcd(bcd)旋转体。旋转体内的应力状态 ij：轴向 z为压应力，径向 r为压应力，周向 为拉应力(且为主应力)。该区很容易满足近似屈服准则 z s (1)而产生塑性变形起始的趋势，故称主动塑性变形区。而 bdf(bdf)锥形体却没有塑性变形起始的趋势。由于镦粗体是一个
8、整体，bdf(bdf)区要受到 bcd(bcd)旋转体的牵制作用而产生塑性变形，故该区称为被动塑性变形区，其内的应力状态 ij：轴向 z为压应力，径向 r和周向 均为拉应力(轴线上 r )。这就是刚塑 性力学模型拉应力理论的基本核心 1 。fddf圆柱体，如镦粗过程中达到了塑性屈服条件 z= s (2)就产生均匀压缩变形。比较(1)式与(2)式可知：只有当 bcd(bcd)主动塑性变形区中的屈服应力 s提高(硬化)到一定量时，fddf区才开始产生变形；普通平板间镦粗高径比 HD2 的圆柱体时，镦粗体的外形呈双鼓形。当镦粗体高径比 HD=2 时，均匀压缩应力区消失，不存在双鼓形。当高径比 HD2
9、 的毛坯进行镦粗时(图 1b),bd 与 bd的交点 i 向内移动，上下两主动塑性变形区相交部分增多。由于点 i 以外附近区域产生大塑性变形，使得被动塑性变形区内的径向拉应力 r增大。当高径比 H/D=1 的毛坯进行镦粗时，刚性区圆锥体的二顶点 b 与 b重合，中心拉应力区消失，刚性区开始向静水应力区过渡。图 1 圆柱体镦粗时的刚塑性力学模型(a)H/D2 (b)1H/D2-刚性区 -主动塑性变形区 -被动塑性变形区 -均匀压缩区1.2 静水应力力学模型的切应力理论当高径比 H/D 小于 1 的毛坯进行镦粗或瞬时高径比小于 1 的变形体继续镦粗时，由于端部摩擦所形成的难变形区(瞬时的、动态的)
10、，可以认为是静水应力区。即该区内的三向压应力近似相等。那么，静水应力区的变形是纯剪切变形。图 2 为高径比 H/D1 的毛坯镦粗时的静水应力力学模型。在变形某瞬间，ab 与 ab相交于 e，cd 与 cd相交于 f，连接 ef,ef 与中心轴线交于 o 点，在旋转体 bfbe 的母线上作用着切应力，产生纯剪切变形，这相当于以 of(变化的)为半径的圆周上作用着从圆心向外的附加横向拉应力，其在静水应力区内引起的切应力场与端面摩擦力引起的切应力场方向相同，静水应力区内的切应力 k为： k= a+ f (3)式中的 a和 f分别为附加横向拉应力和端面摩擦力引起的剪切应力。当 H/D1 时，产生的剪切
11、变形与剪切应力就很强烈，有可能在毛坯上下对称平面附近金属薄弱处产生裂纹型缺陷，若材料的强度极限 b与屈服极限 s的差值越小，材料的夹杂，偏析严重，剪切裂纹更容易出现，这就是圆柱体平板镦粗静水应力模型的切应力理论 1 的核心。图 2 H/D1 的圆柱体镦粗时的静水应力模型刚塑性力学模型的拉应力理论打破了镦粗体(不论高径比大小)内三向压应力的传统之说：为正确解释镦粗体形成双鼓形(H/D2)、单鼓形(H/D2)及双鼓形转变成单鼓形提供了力学依据。静水应力力学模型的切应力理论圆满解释了大型饼类锻件中常出现的“夹馅饼”缺陷问题，为正确编制大型饼类锻件的工艺提供了理论依据。平板镦粗圆柱体的新理论已被定性物
12、理模拟 2 及定量数值模拟 3 ，广义滑移法 4 、力学分块法 5 和生产解剖试验所证实。刚塑性力学模型和静水应力力学模型同样可适用于定性分析方柱体平板间镦粗时高度方向对称面上的应力分布 6、7 。1.3 锥形板镦粗新工艺 8基于圆柱体镦粗新理论，提出了一种新工艺锥形板镦粗。图 3 为锥形板镦粗圆柱体的力学模型。锥形板与工件接触面间没有相对滑动。在锥形板下与锥面母线成 45的区域称为刚性区，处于三向较强的压应力状态。刚性区直接作用于区和区，要使坯料内部中心区域处于压应力状态，应满足=tg -1(H/D)-45图 3 锥形板镦粗圆柱体的力学模型1-上锥形镦粗板 2-下锥形镦粗板锥形板镦粗工艺改善
13、了变形体内部的应力状态，能迫使平板镦粗的刚性区变形(H/D1)，能消除(H/D1)或降低(H/D 1)平板镦粗静水应力区的剪切变形强度。这对锻合毛坯的内部空洞型缺陷，改善毛坯内部金属的组织与性能，防止内部新缺陷(如夹杂性裂纹)的产生起到良好的效果。1.4 广义滑移线法 4自 1992 年推导出汉基方程以来，滑移线法已成功用于求解理想刚塑平面变形问题。但 70 多年来，滑移线法发展缓慢，只推广至能解主应力互为异号的平面应力问题。其原因在于滑移线法的使用条件：只有当塑性变形体内各点的最大剪应力处于同一平面，才能绘制其滑移线场。塑性变形多种多样，多数情况下无法满足此条件。文献4基于经典滑移线理论，提
14、出了广义滑移线的概念。所谓广义滑移线就是指变形体内任一平面上各点主剪应力平面上主剪应力方向的连线。广义滑移线的概念将经典滑移线(最大剪应力迹线)从理论拓展到主剪应力的迹线，相应的广义滑移线法将仅能求解部分二维问题的经典滑移线法拓展至能求解所有的二维问题(平面应变问题和平面应力问题) 9 和二维半轴对称塑性变形问题 4 。对于轴对称问题而言，子午面上各点的主 剪应力(仅与径向和轴向有关)迹线即为其广义滑移线。轴对称塑性变形时，子午面始终保持为平面，子午面上无切应力，即 z = r =0，且周向 为主应力。应力平衡微分方程为(4)在(4)式的基础上，借助单元体的应力莫尔圆，在曲线坐标下经过数学变换
15、，推导出轴对称塑性变形问题的广义滑移线微分方程沿 线：沿 线：文献4式绘制了高径比 HD=1.63 的圆柱型镦粗体广义滑移线场(图 4)，求解出内部应力场。计算结果证明了刚塑性力学模型拉图 4 H/D=1.63 的圆柱体镦粗体内部应力场广义滑移法求解2 提出与研究了拔长新理论与新工艺2.1 平砧拔长矩形截面毛坯的理论对于平砧拔长(图 5)，前人进行了很多研究。但在诸研究中，只注意到了拔长变形体的轴向(x 向)应力问题，而忽略了其横向(y 向)应力问题。拔长的每一个压缩过程，如砧宽 W=料宽 B=A 时，就相当于方柱体镦粗加刚端影响。关于方柱体镦粗：当尺寸比 AH1 时，在被动变形区中心存在两向
16、拉应力 x(x向)和 y(y 向)；当尺寸比 AH 1 时，在静水应力区内引起急剧的剪切变形。因此，研究平砧拔长矩形截面毛坯时，不但要研究轴向(x 向)应力问题，同样需要考虑横向(y 向)应力问题。也就是说，对于平砧拔长矩形截面毛坯，除砧宽比 WH(轴向)一个工艺参数外，需补充另一个工艺参数料宽 比 BH(横向)。同时用料宽比和砧宽比控制锻件内部质量的拔长工艺，简称为 LZ 锻造法10，11 。图 5 平砧拔长矩形截面毛坯由于整个拔长毛坯是一个整体，直接处于砧子作用下的变形区也要受到与其毗邻自由端(不变形刚端)的作用。作用的结果使得：要实现毛坯中心无轴向拉应力和横向拉应力，应满足砧宽比 W/H
17、0.80.9 及料宽比B/H=0.851.18。根据金属流动的规律，拔长坯料的平均展宽率 =(B-B 0)/B0与砧宽比L0/H0(当 L0W 时，砧宽比为 W/H0)、料宽比 B0/H0和压下率 =(H 0-H)/H0有关。如假定砧宽比0.80.9，送进量 L0(或 W)与坯料宽 B0近似相等，展宽率 对应于压下率 的关系如图 6 曲线 1 所示。利用曲线 1，可进行平砧拔长矩形截面毛坯的截面变换计算。图 6 展宽率 对应于压下率 的关系1-LZ 锻造法 2-新 FM 锻造法根据毛坯拔长截面变换与相应工艺参数的计算，可得出如下结论 12 ：(1)拔长方坯，选用压下率 1=10.5%， I=2
18、0%(I=2,3,4，)，可满足其他工艺参数得到最佳的匹配。(2)在压下过程中，能满足砧宽比 W/H 在 0.851.06 的范围中变化，使之在变形过程中不出现轴向拉应力。(3)能满足料宽比 B/H 在 0.851.18 的范围中变化，可避免在变形过程中出现横向拉应力。(4)正确操作，拔长时较准确地选用变形压下前的砧宽比 L0/H00.85，可使得 L0B 0，满足实验初始条件。2.2 新 FM 锻造法 13FM 锻造法 14 相对于应用最多的平砧拔长而言是一种特殊锻造工艺。该法使用锻造工具的特征是上用普通平砧、下用大平台(图 7)。所谓 FM 法，原意是毛坯变形区中心不出现轴向拉应力，即免除
19、 Mannesmann 效应的锻造法。工艺条件是：砧宽比 W/H0.4，经证轴向应力是压应力，与上、下平砧拔长轴向不出现拉应力的砧宽比 W/H0.80.9 相比，要小 1 倍以上，故所需锻压力，前者只为后者的 2/315 。FM 锻造法省力，这是它的优点。与传统的拔长工艺一样，FM 锻造法也只注意到了变形体内的轴向应力问题，而忽略了变形体内的横向应力。这里，提出一个既控制毛坯变形区中心不出现轴向拉应力，也不出现横向拉应力，上用普通平砧、下用大平台的锻造方法，称之为新 FM 法。新 FM 锻造法(图 7)的实质增加了料宽比的控制。要实现毛坯中心无横向拉应力作用，以及缓和静水应力区内的剪切变形强度
20、，应控制料宽比 B/H 在0.831.20 的范围内。保证砧宽比和料宽比在较理想的范围中变化，最合适的压下率(双面)应为 22%。图 7 FM 锻造与新 FM 锻造1-普通平砧 2-毛坯 3-大平台应用图 6 曲线 2，可进行新 FM 锻造法压缩矩形毛坯的截面变换计算。2.3 无横向拉应力锻造法 16对宽板锻件(如宽板锻件宽度与其高度之比大于 1.5)，采用上、下普通平砧进行锻造，当毛坯窄面与压机作用力方向一致时，在变形区中心可能形成两向拉应力：料宽比过小形成横向拉应力是无疑的；还可能砧子的宽度不够，满足不了砧宽比的要求，形成轴向拉应力。在变形区内存在两向拉应力，形成内部裂纹的危险性最大。当毛
21、坯再翻转 90压缩时，由于料宽比 B/H 过大，在静水应力区内，产生强烈的剪切应变与应力，这可能在变形区水平对称平面附近萌生裂纹源，尤其在金属薄弱处更加剧烈。采用新 FM 法锻造宽板类锻件比用普通平砧拔长法要好，能满足砧宽比的要求，不能形成轴向拉应力；无疑，料宽比不能得到有效控制，但新 FM 法锻造每次压缩时的压下量，要比平砧拔长时小1 倍，故在变形过程中形成横向拉应力裂纹源与萌生剪切裂纹源的可能性要比用平砧拔长法小得多，但后者的隐患没有得到根本的解决。要想从根本上改善不受料宽比的控制，只有改变砧面的形状才有可能，这里提出一种上、下锥面砧的锻造工艺，能实现无横向拉应力的锻造。图 8 为锥面砧拔
22、长矩形截面毛坯的力学模型。接触面间没有相对滑动。在拔长过程中，与锥面成 45的金属称为刚性区。刚性区直接作用于金属区和区。很明显，忽略轴向应力的影响，区一定受横向压应力的作用。图 8 锥面砧拔长时的力学模型1-上锥面砧 2-下锥面砧要实现无横向拉应力锻造，锥面砧的 角要设计正确。当 =0 时，即变成平砧拔长。3 结论(1)在大型锻件锻造工艺理论上对平板镦粗圆柱体和平砧拔长矩形截面毛坯提出了新理论，并反复经试验验证。这为建立正确的大型锻件锻造工艺理论奠定了基础。(2)相应提出的一系列新工艺，诸如锥形板镦粗、LZ 锻造法、新 FM 锻造法以及横向无拉应力锻造法等，对于提高大型锻件的质量都是行之有效
23、的锻造新工艺。(3)上述结论为研究与建立大型锻件锻造指令专家系统提供了可靠的判据。作者单位：刘助柏 王连东 燕山大学，河北 066004李兆夫 齐齐哈尔第二机床厂，辽宁 161000参考文献1 Liu ZB,Nie SM,Wang LD,et al.A new theory for upsetting a cylinder between flat platens.Chinese Journal of Mechanical Engineering,1992,5(4):2973032 Liu ZB,Wang LD,Liu GH,et al.Physical simulation of tensi
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