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摘要：通過(guò)與平板鐓粗的比較，對(duì)錐形板鐓粗有利于內(nèi)部缺陷鍛合的問(wèn)題進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：錐形板鐓粗；缺陷；裂紋；鍛合
錠料鐓粗是大鍛件鍛造中一種重要的成形方式。由于鋼錠內(nèi)部不可避免地存在縮孔、疏松、偏析和夾雜物等缺陷，如果鐓粗過(guò)程中變形和力學(xué)條件不當(dāng)，在變形初期就很容易發(fā)展成為裂紋，導(dǎo)致整個(gè)錠料的報(bào)廢。這是大鍛件鍛造中出現(xiàn)廢品的一個(gè)重要原因，給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
如何創(chuàng)造有利的力學(xué)條件，防止錠料在鐓粗過(guò)程中開(kāi)裂，這是一個(gè)既有重大理論意義，又有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的課題。不少專家學(xué)者作了大量研究工作，提出采用球形板和碟形板鐓粗的建議(圖1)。
圖1鐓粗板的三種形式
(a)平板(b)球形板(c)碟形板
作者認(rèn)為采用球形板和碟形板鐓粗固然可以提高錠料內(nèi)部的靜水壓力，提高材料的塑性，防止裂紋的產(chǎn)生，但是靠近球形板和碟形板附近會(huì)出現(xiàn)范圍較大的難變形區(qū)，致使該區(qū)域內(nèi)鑄態(tài)晶粒的破碎不完全，內(nèi)部孔隙難以鍛合，材料的機(jī)械性能無(wú)法改善，這同樣會(huì)使鍛件質(zhì)量不能達(dá)標(biāo)。
文獻(xiàn)［1］提出采用錐形板鐓粗，這是一種新穎的設(shè)想。這項(xiàng)新工藝已成功地在生產(chǎn)中應(yīng)用，有效地防止裂紋的產(chǎn)生。按傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，錐形板鐓粗比平板鐓粗更容易使錠料開(kāi)裂，為什么事實(shí)上采用錐形板鐓粗又確實(shí)能抑制裂紋的產(chǎn)生呢?本文從理論上對(duì)此作以下分析。
利用主應(yīng)力法可以推導(dǎo)出，平板鐓粗時(shí)(圖2)，接觸面上的正壓力σz為：
圖2平板鐓粗
錐形板鐓粗(圖3)，接觸面上的應(yīng)力σz為：
式中k1＝tanα＋tanβ
k2＝-k1s+τ(2+tan2α+tan2β)
下面列舉實(shí)例說(shuō)明之。
例：設(shè)直徑為d，高度為h的圓坯料分別在平板和錐形板間鐓粗。假設(shè)摩擦力τ＝0.5S，錐角α＝β＝20°，并設(shè)h＝d／2，將這些數(shù)據(jù)分別代入(1)、(2)式，知平板鐓粗正應(yīng)力為：
其分布曲線如圖2，為線性分布。
錐形板鐓粗正應(yīng)力σz為：
其分布曲線如圖3，按對(duì)數(shù)曲線分布。比較圖2和圖3，可知，錐形板鐓粗的正應(yīng)力明顯地小于平板鐓粗的正應(yīng)力，因而靜水壓力也相應(yīng)地減小，材料塑性因而降低，內(nèi)部缺陷容易發(fā)展，錠料容易開(kāi)裂。這就是人們不愿采用錐形板鐓粗的原因。
圖3錐形板鐓粗(后期)
為什么文獻(xiàn)［1］提出，而且經(jīng)實(shí)踐證明，采用錐形板鐓粗能抑制錠料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生呢?比較平板鐓粗和錐形板鐓粗的區(qū)別即可發(fā)現(xiàn)，平板鐓粗時(shí)，圓坯端面與平板同時(shí)接觸，坯料內(nèi)外部同時(shí)開(kāi)始鐓粗變形。由于接觸表面的摩擦引起的徑向壓應(yīng)力σr不是很大。
而錐形板鐓粗則不同(圖4)，錐形板首先是以中心錐尖與圓坯端面接觸，然后接觸錐面逐漸擴(kuò)大，相應(yīng)地鐓粗變形區(qū)也是由內(nèi)而外逐步擴(kuò)大。在端面還沒(méi)有與錐形板接觸的外圍，并未開(kāi)始鐓粗變形，而是在內(nèi)部鐓粗金屬的脹擠下，徑向外流。因此，可將整個(gè)圓坯分成兩區(qū)，外區(qū)相當(dāng)受內(nèi)壓的厚壁筒，將內(nèi)區(qū)緊緊箍住。而內(nèi)區(qū)則相當(dāng)于在很高的側(cè)壓力作用下鐓粗。設(shè)變形過(guò)程中某瞬間的接觸錐面最大半徑為ρ(圖4)，則側(cè)壓力為：
圖4錐形板鐓粗(前期)
而內(nèi)區(qū)的軸向應(yīng)力σz為：
將(6)式代入之，得：
由(6)(7)式可知，開(kāi)始鐓粗時(shí)，ρ＝0，側(cè)壓力q最大，直到圓坯端面全部與錐形板接觸，這時(shí)ρ＝d／2，側(cè)壓力q＝0。可見(jiàn)，在ρ＝d／2以前的內(nèi)部鐓粗是帶側(cè)壓力q的鐓粗，其靜水壓力高，材料塑性好，因此，可抑制內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，有利于內(nèi)部缺陷的鍛合。等到ρ＝d／2以后，鐓粗已進(jìn)入后期，缺陷已有所彌合，材料性能已有所改善，產(chǎn)生裂紋的可能性就大大降低了。當(dāng)然如果根據(jù)錠料的高度和直徑，恰當(dāng)?shù)剡x定錐形板的角度α、β，那么，抑制裂紋產(chǎn)生的效果也就會(huì)更好。
采用錐形板鐓粗，方法簡(jiǎn)單，效果顯著，在大鍛件鍛造行業(yè)中將發(fā)揮重要作用。
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