一种新的拔长工艺--圆弧平砧间跳锻造法
一、引言
拔长是锻造生产中应用最多的操作。但都是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形的。拔长效率低，耗费工时多，而且在锻造过程中，只有(0.5～0.8)B［1］［2］［3］的砧宽在参与锻造，产生偏载、错砧现象，对砧子、压力机使用寿命影响极大。针对现有拔长操作的不足，本文提出了一种新的拔长方法—圆弧平砧间跳锻造法。
二、圆弧平砧间跳锻造法的工作原理
圆弧平砧间跳锻造法实际上是满砧锻造法，其工作原理是用平面与圆弧柱面组合成的圆弧平砧(如图1)，采用压—砧跳—砧的间跳压法，然后翻转锻件，再采用间跳压法，使坯料拔长的方法(如图2)，序号1、2、3、4、5、6为不翻转锻件时的压下顺序。 每压下一砧，锻件受力如图3所示。由于有圆弧面参与压缩变形，因此，锻件实际受力如图3b所示。根据力的分解，F1、F3在水平方向上的分力的合力同F2、F4在水平方向上的分力的合力大小相等、方向相反，起拔长镦粗作用，对拔长影响最大；而F1、F2在垂直方向上的分力的合力同F3、F4在垂直方向上的分力的合力大小相等、方向相反，连同N1、N2对锻件起镦粗、镦实、闭合缺陷的作用。根据受力分析，砧子不会错砧、偏载。 三、锻件的相对拔长率比较及间跳法变形分析
1.锻件的相对拔长率
δ＝(l-l0)／l0×100%(1)
式中δ——锻件的相对拔长率
l0——拔长前的锻件长度
l——拔长后的锻件长度
为了减少实验误差，压下量、压下次数、压进量均相同，每组实验用3个试件做重复试验，压下顺序如图4所示。 实验材料：英国Harbutt's公司生产的黑色塑性泥。
实验设备：LJ—500A机械式压力试验机。
试件：30mm×30mm×60mm的长方柱体，其中用于间跳法的试件在其中心纵剖面上打上3mm×3mm的方网格，并打9个φ2的通孔，孔位置如图5所示。
实验结果见表1。 由表1可以看出，间跳法相对拔长率高于逐次送进法，圆弧柱面对拔长的效果是显著的。
2.间跳法变形分析
试件内部变形如图6所示。 图6a为在间跳一砧，压下两次后试件的变形情况，由网格变形可以看出，在砧子压入部位方网格沿轴向被拉长，塑性变形区沿轴向外凸，孔洞闭合。根据普兰特滑移线场的解释［4］，当砧子逐渐压入时，金属沿砧子两侧向上流出而凸起，这时滑移线场和压力也随之改变。由于金属沿砧子两侧流出并凸起，因此在砧子继续压入时，砧子的圆弧柱面正好压入抑制凸起，并沿轴向再一次被拉长，原来均匀正交的网格在变形时发生畸变，应变主轴也发生转动。这时的应变可以用变形后网格内接椭圆长短半轴尺寸与变形前内接圆半径之比来描述。图6b为变形后网格内接椭圆尺寸图。 式中r1，r2——变形后内接椭圆的长短半轴尺寸
r0——变形前内接圆半径尺寸
如变形前采用圆形网格，变形后的r1及r2可以直接测量出，现在变形前采用方网格，变形后可从其边长变化由下式算出： 式中φ——角的切变形，φ＝90°-(α+β)
由图6c可看出，试件在一个方向完全被压一遍之后，方网格变成了长方形网格，孔洞闭合率达到66.6%，没完全闭合的孔洞闭合率亦达到50%，相对拔长率为23%。
四、圆弧平砧R取不同值时，对拔长率的影响
1.实验方案
实验采用上下圆弧平砧，翻转90°，压进量1，压下量20%。
砧宽W＝20mm，圆弧平砧R值分别取5%W、10%W、15%W、20%W，即R＝1mm、2mm、3mm、4mm。
试件：30mm×30mm×50mm的长方柱体，并在轴向打5个φ2mm的通孔，孔的位置如图7所示。为了消除实验误差，每组实验用3个试件做重复实验。 为了评价拔长锻造质量，构造如下评价函数F： 式中R——试件对角线一半，mm
rｉ——第i个孔洞中心至坯料中心的距离，mm
(R-ri)/R——第i个孔洞的位置因子，其值在0～1之间
Si0——第i个孔洞的初始面积，mm2
Sim——第i个孔洞经第m次压下后的面积，mm2
(Si0-Sim)/Si0——第i个孔洞经第m次压下后的孔洞闭合率，孔洞面积增大时为负，减少时为正，其值≤1
n——试件上设置的孔洞数目
从(4)式中可以看出，评价函数F是无量纲量，其值小于等于1。F的值不仅与试件截面上各个孔洞的闭合率有关，而且与每个孔洞在试件上的相对位置有关。但与试件的几何尺寸和孔洞大小无关。因此几何尺寸不同和缺陷设置也不同的试件的F值，可直接进行比较。公式中用位置因子来区别不同位置孔洞闭合率对F值的贡献，试件中心部分孔洞的闭合情况对F值的影响远大于边缘部分孔洞闭合情况对F值的影响，这主要是考虑到钢锭中的孔洞性缺陷集中在靠近钢锭中心区域这一事实。
如果将(4)式中试件对角线一半R变为圆坯料半径，将rｉ变为孔洞中心位置，则(4)式也可用于圆截面坯料的实验结果评价。
2.实验结果与分析
按给出的实验方案进行分组实验；将每个试件测得的数据代入(4)式计算，求出每组试件的评价函数值的平均值，并根据(1)式算出每组试件的相对拔长率的平均值，实验结果如表2。 表2中，S1／S2——圆弧平砧的圆弧柱面积S１与其参与锻造的平面部分的面积S2之比。
由表2可以看出，圆弧平砧的圆弧柱面积与其参与锻造的平面部分的面积比越大，锻件锻造质量越好，相对拔长率也越大。因此，圆弧柱面的圆弧半径R在参与拔长锻件的操作中是很重要的一个因素。
五、结论
根据上述实验分析，用圆弧平砧间跳锻造法拔长锻件：
(1)可显著提高拔长率，提高劳动生产率，降低锻件成本；(2)由于是满砧锻造，压力机不受额外偏载，砧子也避免了局部受载，大大提高了压力机和砧子的使用寿命；(3)锻件内部变形均匀，能很好地闭合锻件内部缺陷；(4)随圆弧平砧的圆弧柱面与平面部分面积比的增大，缺陷闭合率提高，相对拔长率亦提高，可实现窄砧、宽砧锻造；(5)砧下镦粗效果不显著，可取代拔长——镦粗工艺。
参考文献
1张志文.锻造工艺学.北京：机械工业出版社，1983.
2吕炎.锻件质量分析.北京：国防工业出版社，1988.
3刘光辉.大型钢锭锻合压实的研究.太原重型机械学院硕士学位论文，1987.
4王仲仁.塑性加工力学基础.北京：国防工业出版社，1989.
拔长是锻造生产中应用最多的操作。但都是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形的。拔长效率低，耗费工时多，而且在锻造过程中，只有(0.5～0.8)B［1］［2］［3］的砧宽在参与锻造，产生偏载、错砧现象，对砧子、压力机使用寿命影响极大。针对现有拔长操作的不足，本文提出了一种新的拔长方法—圆弧平砧间跳锻造法。
二、圆弧平砧间跳锻造法的工作原理
圆弧平砧间跳锻造法实际上是满砧锻造法，其工作原理是用平面与圆弧柱面组合成的圆弧平砧(如图1)，采用压—砧跳—砧的间跳压法，然后翻转锻件，再采用间跳压法，使坯料拔长的方法(如图2)，序号1、2、3、4、5、6为不翻转锻件时的压下顺序。 每压下一砧，锻件受力如图3所示。由于有圆弧面参与压缩变形，因此，锻件实际受力如图3b所示。根据力的分解，F1、F3在水平方向上的分力的合力同F2、F4在水平方向上的分力的合力大小相等、方向相反，起拔长镦粗作用，对拔长影响最大；而F1、F2在垂直方向上的分力的合力同F3、F4在垂直方向上的分力的合力大小相等、方向相反，连同N1、N2对锻件起镦粗、镦实、闭合缺陷的作用。根据受力分析，砧子不会错砧、偏载。 三、锻件的相对拔长率比较及间跳法变形分析
1.锻件的相对拔长率
δ＝(l-l0)／l0×100%(1)
式中δ——锻件的相对拔长率
l0——拔长前的锻件长度
l——拔长后的锻件长度
为了减少实验误差，压下量、压下次数、压进量均相同，每组实验用3个试件做重复试验，压下顺序如图4所示。 实验材料：英国Harbutt's公司生产的黑色塑性泥。
实验设备：LJ—500A机械式压力试验机。
试件：30mm×30mm×60mm的长方柱体，其中用于间跳法的试件在其中心纵剖面上打上3mm×3mm的方网格，并打9个φ2的通孔，孔位置如图5所示。
图5中心纵剖面网格及孔位置
AB＝BC＝DE＝EF＝GH＝HK＝12mm
AD＝BE＝CF＝10mmDG＝EH＝FK＝6mm
实验结果见表1。 由表1可以看出，间跳法相对拔长率高于逐次送进法，圆弧柱面对拔长的效果是显著的。
2.间跳法变形分析
试件内部变形如图6所示。 图6a为在间跳一砧，压下两次后试件的变形情况，由网格变形可以看出，在砧子压入部位方网格沿轴向被拉长，塑性变形区沿轴向外凸，孔洞闭合。根据普兰特滑移线场的解释［4］，当砧子逐渐压入时，金属沿砧子两侧向上流出而凸起，这时滑移线场和压力也随之改变。由于金属沿砧子两侧流出并凸起，因此在砧子继续压入时，砧子的圆弧柱面正好压入抑制凸起，并沿轴向再一次被拉长，原来均匀正交的网格在变形时发生畸变，应变主轴也发生转动。这时的应变可以用变形后网格内接椭圆长短半轴尺寸与变形前内接圆半径之比来描述。图6b为变形后网格内接椭圆尺寸图。 式中r1，r2——变形后内接椭圆的长短半轴尺寸
r0——变形前内接圆半径尺寸
如变形前采用圆形网格，变形后的r1及r2可以直接测量出，现在变形前采用方网格，变形后可从其边长变化由下式算出： 式中φ——角的切变形，φ＝90°-(α+β)
由图6c可看出，试件在一个方向完全被压一遍之后，方网格变成了长方形网格，孔洞闭合率达到66.6%，没完全闭合的孔洞闭合率亦达到50%，相对拔长率为23%。
四、圆弧平砧R取不同值时，对拔长率的影响
1.实验方案
实验采用上下圆弧平砧，翻转90°，压进量1，压下量20%。
砧宽W＝20mm，圆弧平砧R值分别取5%W、10%W、15%W、20%W，即R＝1mm、2mm、3mm、4mm。
试件：30mm×30mm×50mm的长方柱体，并在轴向打5个φ2mm的通孔，孔的位置如图7所示。为了消除实验误差，每组实验用3个试件做重复实验。 为了评价拔长锻造质量，构造如下评价函数F： 式中R——试件对角线一半，mm
rｉ——第i个孔洞中心至坯料中心的距离，mm
(R-ri)/R——第i个孔洞的位置因子，其值在0～1之间
Si0——第i个孔洞的初始面积，mm2
Sim——第i个孔洞经第m次压下后的面积，mm2
(Si0-Sim)/Si0——第i个孔洞经第m次压下后的孔洞闭合率，孔洞面积增大时为负，减少时为正，其值≤1
n——试件上设置的孔洞数目
从(4)式中可以看出，评价函数F是无量纲量，其值小于等于1。F的值不仅与试件截面上各个孔洞的闭合率有关，而且与每个孔洞在试件上的相对位置有关。但与试件的几何尺寸和孔洞大小无关。因此几何尺寸不同和缺陷设置也不同的试件的F值，可直接进行比较。公式中用位置因子来区别不同位置孔洞闭合率对F值的贡献，试件中心部分孔洞的闭合情况对F值的影响远大于边缘部分孔洞闭合情况对F值的影响，这主要是考虑到钢锭中的孔洞性缺陷集中在靠近钢锭中心区域这一事实。
如果将(4)式中试件对角线一半R变为圆坯料半径，将rｉ变为孔洞中心位置，则(4)式也可用于圆截面坯料的实验结果评价。
2.实验结果与分析
按给出的实验方案进行分组实验；将每个试件测得的数据代入(4)式计算，求出每组试件的评价函数值的平均值，并根据(1)式算出每组试件的相对拔长率的平均值，实验结果如表2。 表2中，S1／S2——圆弧平砧的圆弧柱面积S１与其参与锻造的平面部分的面积S2之比。
由表2可以看出，圆弧平砧的圆弧柱面积与其参与锻造的平面部分的面积比越大，锻件锻造质量越好，相对拔长率也越大。因此，圆弧柱面的圆弧半径R在参与拔长锻件的操作中是很重要的一个因素。
五、结论
根据上述实验分析，用圆弧平砧间跳锻造法拔长锻件：
(1)可显著提高拔长率，提高劳动生产率，降低锻件成本；(2)由于是满砧锻造，压力机不受额外偏载，砧子也避免了局部受载，大大提高了压力机和砧子的使用寿命；(3)锻件内部变形均匀，能很好地闭合锻件内部缺陷；(4)随圆弧平砧的圆弧柱面与平面部分面积比的增大，缺陷闭合率提高，相对拔长率亦提高，可实现窄砧、宽砧锻造；(5)砧下镦粗效果不显著，可取代拔长——镦粗工艺。
参考文献
1张志文.锻造工艺学.北京：机械工业出版社，1983.
2吕炎.锻件质量分析.北京：国防工业出版社，1988.
3刘光辉.大型钢锭锻合压实的研究.太原重型机械学院硕士学位论文，1987.
4王仲仁.塑性加工力学基础.北京：国防工业出版社，1989.
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