第9期 张永军等：实现等向锻造的水平V型锥面砧锻造法 ,1043 根据砧子与毛坯接触面形状变化的特点，在毛坯变 域一定受横向压应力作用.图3(b)为水平V型锥面 形体沿纵向截取三个有代表性的横截面，建立定性 砧拔长变形时BB位置截面图及其力学模型.实 力学模型，分析其应力状态，分析的具体位置见 际上毛坯在此区间位置（指毛坯与砧子接触处形状 图2. 相同的一段位置)的变形相当于用锥面砧拔长山， 图3(a)为水平V型锥面砧拔长变形时A一A位 因此其力学模型同锥面砧拔长时的力学模型一样 置截面图及其力学模型.。由于接触摩擦，接触面间 在拔长过程中，与锥面成45°的金属I称为刚性区， 没有相对滑动，在砧面（包括平砧面和锥形砧面）与 刚性区I直接作用于金属Ⅱ区、Ⅲ区，且Ⅲ区为压应 变形体接触面45°棱柱体，该棱柱体为难变形区I, 力状态.图3(c)为水平V型锥面砧拔长变形时CC 也称为刚性区，处于三向较强的应力状态，刚性区 位置截面图及其力学模型.接触面间没有相对滑 I直接作用于Ⅱ区、Ⅲ区，使Ⅲ区受三向压应力状 动，在变形过程中，与锥面成45°的金属I区，称为 态，N区为均匀压缩区，如该区在拔长过程中达到 刚性区，刚性区I直接作用于金属Ⅱ区和Ⅲ区，使 了塑性变形条件，即满足g|=G,时，就产生均匀压 Ⅲ区受横向压应力作用，而迫使坯料变形体中心区 缩变形.均匀压缩区的塑性流动限制了坯料变形体 域受横向压应力作用；这是由于Ⅲ区限制了N区的 中心区域的横向流动，对坯料变形体中心区域有横 金属向外流动，使N区受横向压应力作用 向压缩作用，若忽略轴向应力的影响，变形体中心区 (a)A-A (b)B-B (e)C-C 图3水平V型锥面砧拔长变形时典型位置截面图及其刚塑性力学模型 Fig3 Rigid plastic mechanic model of forging with a horizontal V-shaped anvil 从以上分析可以看出，水平V型锥面砧锻造法 3水平V型锥面砧锻造效果分析 同样可以实现无横向拉应力锻造，水平V型锥面砧 锻造法的砧型结构决定了这种工艺不同于普通锻造 在中国第一重型机械集团公司水压机锻造分厂 法变形时金属流动特点，在水平V型锥面砧拔长锻 进行了水平V型锥面砧锻造法拔长矩形截面坯料的 造过程中，砧子与坯料首先是线（水平V)接触.随 定性物理模拟实验与生产性实验 着压下量的增加，V型砧面才逐渐与变形金属接触， 3.1定性物理模拟实验 此过程中金属沿垂直于棱线的方向流动，如图1中 3.1.1定性物理模拟实验的设想 的A一A所示方向（根据最小阻力定律，此方向显然 在拔长锻造时，设想在砧子下落方向，与砧子相 是金属质点流动阻力最小的方向)，从而控制了金属 接触坯料的中心区域有一细缝（细缝的厚度近似为 的流向 零)，变形时，如在垂直于细缝表面处存在拉应力， 由此可见：水平V型锥面砧拔长，可通过改变阝 那么厚度为零的细缝一定要张开，如该区域不存在 角的大小来控制锻件的纤维流向，从而来调整锻件 拉应力，厚度为零的细缝不能张开，随着压下量的 力学性能在不同方向上的分布，实现对锻件力学性 增加，细缝表面会越压越紧，在高温下还可能焊合在 能异向性的控制；此外，在水平V型锥面砧压下过程 一起，裂纹消失，可以通过对比上、下水平V型锥面 中，能迫使平砧压下时的难变形区完全变形，只要 砧与平砧拔长矩形截面坯料中心细缝形貌来说明拔 α角（见图1）设计正确，就可以实现不受料宽比限 长锻造效果 制的无横向拉应力锻造， 3.1.2拔长模拟条件根据砧子与毛坯接触面形状变化的特点‚在毛坯变 形体沿纵向截取三个有代表性的横截面‚建立定性 力学模型‚分析其应力状态‚分析的具体位置见 图2． 图3（a）为水平Ⅴ型锥面砧拔长变形时 A－A 位 置截面图及其力学模型．由于接触摩擦‚接触面间 没有相对滑动．在砧面（包括平砧面和锥形砧面）与 变形体接触面45°棱柱体‚该棱柱体为难变形区Ⅰ‚ 也称为刚性区‚处于三向较强的应力状态．刚性区 Ⅰ直接作用于Ⅱ区、Ⅲ区‚使Ⅲ区受三向压应力状 态．Ⅳ区为均匀压缩区‚如该区在拔长过程中达到 了塑性变形条件‚即满足｜σz｜＝σs 时‚就产生均匀压 缩变形．均匀压缩区的塑性流动限制了坯料变形体 中心区域的横向流动‚对坯料变形体中心区域有横 向压缩作用‚若忽略轴向应力的影响‚变形体中心区 域一定受横向压应力作用．图3（b）为水平Ⅴ型锥面 砧拔长变形时 B－B 位置截面图及其力学模型．实 际上毛坯在此区间位置（指毛坯与砧子接触处形状 相同的一段位置）的变形相当于用锥面砧拔长［11］‚ 因此其力学模型同锥面砧拔长时的力学模型一样． 在拔长过程中‚与锥面成45°的金属Ⅰ称为刚性区‚ 刚性区Ⅰ直接作用于金属Ⅱ区、Ⅲ区‚且Ⅲ区为压应 力状态．图3（c）为水平Ⅴ型锥面砧拔长变形时 C－C 位置截面图及其力学模型．接触面间没有相对滑 动‚在变形过程中‚与锥面成45°的金属Ⅰ区‚称为 刚性区．刚性区Ⅰ直接作用于金属Ⅱ区和Ⅲ区‚使 Ⅲ区受横向压应力作用‚而迫使坯料变形体中心区 域受横向压应力作用；这是由于Ⅲ区限制了Ⅳ区的 金属向外流动‚使Ⅳ区受横向压应力作用． 图3 水平Ⅴ型锥面砧拔长变形时典型位置截面图及其刚塑性力学模型 Fig．3 Rigid-plastic mechanic model of forging with a horizontal Ⅴ-shaped anvil 从以上分析可以看出‚水平Ⅴ型锥面砧锻造法 同样可以实现无横向拉应力锻造．水平Ⅴ型锥面砧 锻造法的砧型结构决定了这种工艺不同于普通锻造 法变形时金属流动特点．在水平Ⅴ型锥面砧拔长锻 造过程中‚砧子与坯料首先是线（水平Ⅴ）接触．随 着压下量的增加‚Ⅴ型砧面才逐渐与变形金属接触． 此过程中金属沿垂直于棱线的方向流动‚如图1中 的 A－A 所示方向（根据最小阻力定律‚此方向显然 是金属质点流动阻力最小的方向）‚从而控制了金属 的流向． 由此可见：水平Ⅴ型锥面砧拔长‚可通过改变 β 角的大小来控制锻件的纤维流向‚从而来调整锻件 力学性能在不同方向上的分布‚实现对锻件力学性 能异向性的控制；此外‚在水平Ⅴ型锥面砧压下过程 中‚能迫使平砧压下时的难变形区完全变形．只要 α角（见图1）设计正确‚就可以实现不受料宽比限 制的无横向拉应力锻造． 3 水平Ⅴ型锥面砧锻造效果分析 在中国第一重型机械集团公司水压机锻造分厂 进行了水平Ⅴ型锥面砧锻造法拔长矩形截面坯料的 定性物理模拟实验与生产性实验． 3∙1 定性物理模拟实验 3∙1∙1 定性物理模拟实验的设想 在拔长锻造时‚设想在砧子下落方向‚与砧子相 接触坯料的中心区域有一细缝（细缝的厚度近似为 零）．变形时‚如在垂直于细缝表面处存在拉应力‚ 那么厚度为零的细缝一定要张开‚如该区域不存在 拉应力‚厚度为零的细缝不能张开．随着压下量的 增加‚细缝表面会越压越紧‚在高温下还可能焊合在 一起‚裂纹消失．可以通过对比上、下水平Ⅴ型锥面 砧与平砧拔长矩形截面坯料中心细缝形貌来说明拔 长锻造效果． 3∙1∙2 拔长模拟条件 第9期 张永军等： 实现等向锻造的水平Ⅴ型锥面砧锻造法 ·1043·