1、模具設(shè)計(jì)中為避免鍛件折疊應(yīng)考慮的因素摘要：鋁合金模鍛件的折疊缺陷是諸多缺陷中最主要的缺陷，是模鍛件廢品中的主要廢品。針對(duì)這一問題進(jìn)行分析和研究，找出產(chǎn)生折疊的原因并提出解決的方法。在實(shí)際生產(chǎn)中使模鍛件的成品率大幅度提高，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：鋁合金；模鍛件；折疊；模具設(shè)計(jì)；毛料模膛；預(yù)鍛模膛；終鍛模膛鋁合金模鍛件的折疊破壞金屬的連續(xù)性，降低鍛件的承載能力，是鍛件生產(chǎn)中的主要廢品。根據(jù)多年生產(chǎn)實(shí)踐和試驗(yàn)研究，分析折疊產(chǎn)生的原因及消除方法，提出在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的措施，以減少折疊，提高鍛件成品率。1 模鍛件的折疊缺陷及產(chǎn)生的原因金屬在模壓變形過程中，總是遵循最小阻力定律最小阻礙方向流動(dòng)，致

2、使在模鍛件的局部區(qū)域表面金屬向鍛件內(nèi)部流動(dòng)，這種從表面向鍛件內(nèi)部流動(dòng)使表皮的氧化層和潤(rùn)滑劑等雜質(zhì)一起折入鍛件內(nèi)部造成折疊1-2。其產(chǎn)生原因：模鍛件設(shè)計(jì)不合理，凹圓角半徑（即模具的凸圓角半徑）太小，各斷面變化太大；毛料模膛、預(yù)鍛模膛與終鍛模膛配合不當(dāng)，金屬分配不合理，局部金屬過多或過少，造成終鍛時(shí)變形不均；形狀復(fù)雜的鍛件，直接用圓坯料在終鍛模內(nèi)成型，沒有采用預(yù)鍛模和毛料模；坯料選擇不合理，形狀不當(dāng)，壓下量太大；抹油過多或抹油不均；鍛坯棱角太尖，或上次模壓后修傷不徹底等。對(duì)產(chǎn)生折疊缺陷的模壓件剖開進(jìn)行低倍組織檢查時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)從模鍛件表面到鍛件內(nèi)折疊構(gòu)成一條明顯的黑線，稱之為折紋，見圖1所示。從模鍛

3、件表面到折紋結(jié)束的距離即折紋的長(zhǎng)度稱為折疊深度。圖1 模鍛件的典型折疊（低倍組織）折疊對(duì)模鍛件的質(zhì)量有嚴(yán)重的影響。首先折疊破壞了模鍛件表面的完整性，使制件承受載荷面積大為減小。折疊本身又是制件上的一個(gè)缺口，在使用中造成應(yīng)力集中，成為疲勞源，可能導(dǎo)致部件在此產(chǎn)生疲勞斷裂。其次折縫夾雜有潤(rùn)滑劑或其他雜質(zhì)，在隨后的蝕洗工序中折縫又殘存有酸、堿的殘液，會(huì)造成制件在折疊處過腐蝕。從模鍛件的內(nèi)部組織看，表面存在折疊處金屬的流紋將產(chǎn)生渦流或穿流，折疊越是嚴(yán)重，金屬流線就越不順。折疊缺陷的產(chǎn)生是由表面折波、生成折疊、折疊發(fā)展三個(gè)過程組成。在折疊的初生階段，折紋的尾端成小圓角狀（見圖2）。如果經(jīng)大量變形之后折紋

4、的尾端又可成尖裂狀或叉形開裂狀（見圖3）。極為嚴(yán)重的折疊會(huì)把模鍛件的整個(gè)筋型穿斷（見圖4）。一般某一處的折疊主要是由一個(gè)主要折紋組成。由單個(gè)折紋構(gòu)成的折疊較深，而由多股折紋構(gòu)成的折疊深度較淺。 圖2 初生折疊、折紋尾端成小圓角狀圖3 折疊尾端的尖裂 圖4 嚴(yán)重折疊穿斷筋型現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的輕合金模鍛件大量的是屬于普通開式模鍛，其鍛件與其零件之間存在有一定的加上余量，還有模鍛斜度和較大的圓角。因此盡管有些模鍛件局部存在折疊缺陷，但只要折疊的深度不超過機(jī)械加工余量，即最終折疊部殘存在零件主體上還是允許的，是符合產(chǎn)品技術(shù)要求的。所以現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中，通過剖傷的方法來(lái)確定鍛件是否報(bào)廢。多年的實(shí)踐證明，這種剖傷的方法

5、是鑒別折疊缺陷是否構(gòu)成鍛件報(bào)廢的行之有效的、方便的檢查方法。折疊按其位置而言可分為筋根折疊、筋頂折疊、彎角折疊、邊緣折疊四種。按其產(chǎn)生的機(jī)制而言可分為穿筋折疊、包覆折疊、回流折疊、匯流折疊和壓堆折疊五種。造成折疊的原因及影響因素是多方面的，主要可歸納為三個(gè)方面：從零件圖到模鍛件圖設(shè)計(jì)過程中考慮的因素；生產(chǎn)工藝編制上的因素；生產(chǎn)具體操作中的因素。下面將就模具設(shè)計(jì)過程中為消除鍛件折疊應(yīng)考慮的因素進(jìn)行討論。2模鍛件設(shè)計(jì)中必要的形狀簡(jiǎn)化模鍛件的形狀應(yīng)該盡量與零件形狀一致，但是為便于模鍛的順利完成和消除象折疊等模鍛缺陷就得進(jìn)行必要的形狀簡(jiǎn)化。生產(chǎn)實(shí)踐證明，產(chǎn)生折疊的主要原因往往是在金屬已經(jīng)充滿模腔之后，

6、由于還有過多的金屬存在，則使鍛件的欠壓合量(簡(jiǎn)稱欠壓量)過大，為了減少欠壓量，即使過多的金屬以毛邊的形式排出就得繼續(xù)施壓變形。這樣在過多的金屬外流的時(shí)候就是最易產(chǎn)生折疊的階段，而且這些折疊集中地產(chǎn)生在模件筋形根部與腹板連接的圓角處。具有框形封閉筋的模鍛件，在其內(nèi)側(cè)筋根處易產(chǎn)生折疊。從圖5a可以看到箭頭所示的8個(gè)位置都是易產(chǎn)生折疊的。為了減少折疊，在模鍛件設(shè)計(jì)中把形狀進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，雖增加一點(diǎn)加工余量，但可以大大減少折疊。如圖5b所示易折疊的位置只有兩個(gè)，如果形狀再進(jìn)一步簡(jiǎn)化如圖5c所示那樣，就可完全避免圖5a中的各處折疊。 圖5不同設(shè)計(jì)方案對(duì)產(chǎn)生折疊的影響在圖6a中兩筋間距a小于筋高b，在箭頭

7、所示各處最易產(chǎn)生嚴(yán)重折疊。如能把它簡(jiǎn)化為圖6b那樣就會(huì)消除這些折疊。 圖6 模具設(shè)計(jì)中必要的形狀簡(jiǎn)化對(duì)產(chǎn)生折疊的影響從上述實(shí)例中可以看出，在模具設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)不同鍛件或不同的部位采取必要的形狀簡(jiǎn)化措施，對(duì)保證模鍛件鍛壓成型過程中避免產(chǎn)生折疊缺陷有其重要意義。3分模面的選擇對(duì)產(chǎn)生折疊的影響在普通開式模鍛中，分模面選擇的正確與否不僅會(huì)直接影響到模壓的順利完成，模具壽命的長(zhǎng)短、生產(chǎn)效率的高低，而且對(duì)鍛件的質(zhì)量有重要影響。下面僅從對(duì)產(chǎn)生折疊的影響來(lái)說(shuō)明選擇分模面時(shí)應(yīng)考慮的因素。圖7列舉同一個(gè)模鍛件如選用三種不同分模面將產(chǎn)生不同折疊的結(jié)果：圖7a分模面選在腹板的中間，筋根與腹板面距分模面僅為h2，這樣

8、圓角處的金元非常容易參與外流，結(jié)果最易造成折疊。圖7b的分模面是設(shè)在腹板的端面上，這樣使筋根與腹板面距分模面的距離為H，腹板的金屬與圖7a的相比，使圓角R較遠(yuǎn)離分模面，筋根圓角處的金屬雖不像圖7a的那樣易于參入外流造成折疊，但還是難以避免出現(xiàn)折疊。而像圖7c那樣把分模面改在筋頂，使成型條件從圖7a和7b的壓入成型改為反擠成型，當(dāng)多余的金屬排除是依次按順序流動(dòng)，所以完全可以避免圖7a和7b中可能造成的折疊。 圖7不同分模面對(duì)產(chǎn)生折疊的不同影響（P均相同，表示分模面）圖8列舉工字形斷面的制件選擇不同分模面對(duì)產(chǎn)生折疊的影響。圖8a分模面是選在中間，它將在筋和腹板連接的四個(gè)圓角處易于產(chǎn)生折疊，而且斷面

9、上的金屬流線也將發(fā)生穿流。而圖8b把分模面選在筋的頂部，使筋與腹板連接的圓角將不產(chǎn)生折疊。圖8 工字形斷面選擇不同分模面對(duì)產(chǎn)生折疊的影晌綜上述舉例可以看出，為了消除折疊，在模具設(shè)計(jì)時(shí)在兼顧其他因素的同時(shí)，應(yīng)對(duì)分模面對(duì)產(chǎn)生折疊的影響給予充分的考慮。4 模鍛件圓角半徑的選擇模鍛件的所有棱角為便于金屬充填和盡量降低模具磨損都是設(shè)計(jì)成具有一定R的圓角來(lái)圓滑過渡。所有模鍛件的各個(gè)表面都分別是由內(nèi)圓角、外圓角、水平內(nèi)圓角和水平外圓角過渡連接的。圖9示出某一鍛件的各種圓角。其中內(nèi)圓角處一般不易出現(xiàn)折疊，只有個(gè)別鍛件可能出現(xiàn)筋頂包覆折疊。外圓角處不易產(chǎn)生筋根折疊（穿筋折疊）。在水平內(nèi)圓角上一般也不出現(xiàn)折疊，只

10、有在圖示的下部aa兩處的水平內(nèi)圓角與筋根和腹板的連接處，由于它位于鍛件幾何形狀改變的轉(zhuǎn)彎處，在此處兩側(cè)筋條的端頭，兩側(cè)筋對(duì)腹板金屬橫向流動(dòng)的阻礙突然消失，金屬發(fā)生大量的橫向流動(dòng)，導(dǎo)致鍛件不成型，隨著變形的繼續(xù)、不成型部位就由鄰近的腹板和筋上金屬來(lái)充填，最后構(gòu)成折疊。水平外圓角d、e、f都是等于90°的彎角一般不易折疊，但是就d而言，由于它處于整個(gè)鍛件的拐角處，縱向筋條和橫向筋條上金屬分別有縱和橫流動(dòng)（見圖10所示）。這兩個(gè)不同方向的流動(dòng)分力在此拐角處合成一個(gè)45°方向向外的合力，這個(gè)合力將是導(dǎo)致產(chǎn)生折疊的主要因素。如果從設(shè)計(jì)加大此水平外圓角的半徑，就可以削弱產(chǎn)生折疊的危害。

11、 圖9 一般模鍛件圓角的分類及各圓角對(duì)產(chǎn)生折疊的影響 圖10彎角筋型折疊程序與角度的關(guān)系在水平外圓角g、h、i中，它們都是小于90°的角，金屬流動(dòng)合力用下兩式表示（參看圖10）：當(dāng)90°，合力P12a2+b2當(dāng)90°，合力P22a2+b2+2abcosa當(dāng)90°，其余弦值都是大于0，P2P1這說(shuō)明夾角小于90°時(shí)，此處金屬更易外流，更加劇折疊的產(chǎn)生，而且隨著夾角越小折疊越趨嚴(yán)重。尤其像圖9中g(shù)和h兩處都位于鍛件端角，對(duì)產(chǎn)生折疊更敏感。對(duì)于這些地方在模具設(shè)計(jì)中都必須盡量采用較大的水平外圓角半徑改善金屬流動(dòng)，以避免折疊。下面著重討論筋與腹板連接圓角

12、，即簡(jiǎn)稱外圓角的大小對(duì)產(chǎn)生折疊的影響，其影響分為兩部分：（1）在首次模壓的開始階段（圖11）金屬充填型腔時(shí)，如R過小，變形金屬就不是緊貼著圓角流入型腔，而且沿金屬流動(dòng)慣性方向先與圓角相對(duì)的型腔外壁接觸，接著沖向筋頂，然后從筋頂返回向圓角外倒流，結(jié)果在圓角處形成折疊。如果R選用得合適就可避免這種折疊。（2）是在金屬充滿模腔以后排出多余金屬時(shí)，R大小對(duì)折疊的影響在普通開式模鍛中，坯料量一般都要比模鍛件所需的金屬量多2015，在鍛至金屬充滿模型之后，還要有一部分多余的金屬將以毛邊的形式從鍛件上流向毛邊倉(cāng)，這種金屬的流動(dòng)過程決不是像圖12a所示的理想地流動(dòng)。實(shí)際上這些多余金屬總是遵循最小阻力定律選其捷

13、徑流動(dòng)，圖12b就是金屬真實(shí)流動(dòng)過程。這些多余金屬量都是以欠壓大的形式存在于鍛件的腹板及與分模面相垂直的方向上，它們外流時(shí)穿過筋型直接奔向分模面，如果潤(rùn)滑不當(dāng)或是變形速度快，將使鍛件出現(xiàn)流紋不順和穿筋折疊，這種穿筋折疊是整個(gè)折疊缺陷中的主要類型，圖1就是這種折疊的典型照片。為了避免這種折疊，模具設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用大的外圓角半徑。在圖13中同一個(gè)筋與腹板的連接處假定給它設(shè)置不同的外圓角半徑，其中R1R2。當(dāng)外圓角半徑是R1時(shí)，阻礙腹板多余金屬外流的摩擦面長(zhǎng)度為a；當(dāng)外圓角半徑是R2時(shí)，其阻礙金屬外流的摩擦面的長(zhǎng)度為b。b遠(yuǎn)大于，因?yàn)樽枇Υ笮∨c摩擦面的大小成正比，R2所產(chǎn)生的阻力就遠(yuǎn)大于R1的。這樣它

14、就迫使腹板上多余金屬在遠(yuǎn)離鍛件表面的金屬內(nèi)部向外流動(dòng)，即使表面金屬不參與外流，所以可大大減少穿筋折疊。 在同一模鍛件上，不同位置的外圓角對(duì)產(chǎn)生折疊的影響也不同，在設(shè)計(jì)中選擇的R值也應(yīng)不同。圖14中R1、R2、R3分別是不同位置的外圓角半徑。就其位置而言R1處是最易折疊的。R1的選擇與筋寬B、筋高H或腹板厚h有關(guān)：從筋寬上看，R1和R3是對(duì)應(yīng)位置，因?yàn)镽3處的筋厚度B3遠(yuǎn)大于B2。厚的筋對(duì)腹板金屬穿筋外流構(gòu)成很大的障礙，所以R3處的金屬就很難產(chǎn)生穿筋折疊，R3可比R1選擇得小些。從筋高上看，R1和R1-1是上下相鄰的位置，但各處在不同的筋高位置上。R1處的筋高是H，R1-1處的筋高是H1，H1&

15、lt;H這樣R1-1就距分模面較遠(yuǎn)，多余金屬沿分模面外流趨勢(shì)將達(dá)不到腹板R1-1的腹板面深度所以R1-1就不能折疊。因此R1-1就可以比 R1小些。從居于中間筋根的R2來(lái)看，在此處多余之金屬將分別向兩側(cè)流動(dòng)，根本構(gòu)不成折疊，所以R2也可以小些。在實(shí)踐中，類似R1的外圓角半徑一般是在H2H3之間選取。5 模鍛斜度的大小對(duì)折疊的影響在普通開式模鍛中所有離開分模面的幾何形狀在與分模面的連接面或棱線上，都做成具有一定斜度的斜角，稱之為模鍛斜度。它不僅影響鍛件的成型、模具的磨損和鍛件的脫模，而且對(duì)產(chǎn)生折疊有一定的影響。但其影響不象圓角半徑那樣敏感。就圖15所示筋型與分模面和腹板的連接采用的不同斜度而言。

16、當(dāng)采用3°時(shí)，筋與腹板接觸點(diǎn)的長(zhǎng)度為；如采用7°時(shí)，筋與腹板的連接長(zhǎng)度為b。b>，就阻礙彎角處金屬參與外流而言，7°的阻礙作用比3°的更強(qiáng)，故不易產(chǎn)生折疊：所以從避免和減少折疊出發(fā)，應(yīng)把模鍛斜度盡量選擇大些。通常在生產(chǎn)中大量采用的是7°，還有個(gè)別的采用5°或l0°。6 適當(dāng)形狀模鍛件的組合設(shè)計(jì)以消除折疊有一些易產(chǎn)生折疊的鍛件，根據(jù)其特定形狀在設(shè)備能力允許的情況下，可通過雙型或多型組合設(shè)計(jì)放在同一套模具上，以達(dá)到消除折疊的目的，圖16a所示的模鍛件，在單型模具設(shè)計(jì)時(shí)，橫向壓力中心線必須置于鍛件中部，壓力中心線左側(cè)之金屬將穿越模筋向外流動(dòng)，這樣就在筋根中的“R”處很難避免沿橫筋全長(zhǎng)上的穿筋折疊。如果把它像圖16b所示那樣，在同一套模具上把兩個(gè)鍛件對(duì)應(yīng)組合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)新幾何形狀，這樣外流金屬都離開橫筋向兩外側(cè)流動(dòng)，完全可以避免圖16a單型布置所產(chǎn)生的穿筋折疊。組合鍛件可在成品工序之前沿中心線切開。 圖16 模鍛件型槽對(duì)稱組合設(shè)計(jì)可避免折疊7 毛壓和預(yù)壓模的采用對(duì)消除折疊的作用一些形狀極為復(fù)雜和斷面變化懸殊的制件，不僅很難選擇毛料，也不易模壓成型，而且變形極不均勻，也容易產(chǎn)生折疊缺陷。這些制件用一套終壓模鍛壓是不能完成的，必須采用預(yù)壓?；蛘咴O(shè)計(jì)毛料模。毛料模只具有模鍛件的初步輪廓，按其模鍛件