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圖4.7為鍛造成形時的金屬流動,鍛造成型過程可以分為兩個階段:
第一個階段:擠壓成型階段。在成型初始階段,坯料開始充填了坯料與套模的徑向間隙。在下模的作用下,金屬逐步擠入模腔,此時,坯料可以分為上模沖下的直接受力區和與下模接觸的環形間接受力區兩部分。直接受力區內,由于坯料橫向流動被限制,金屬向下流動,直至遇到下模限制后充填模腔。所以直接受力區內,有一定高度的區域受應力低,處于彈性狀態,這個區域隨著變形過程的進行而縮小直至消失。間接受力區可以看為擠壓成型。隨著成型過程的進行,金屬流動受到下模具的阻礙,分別向著下模內外圈未充滿處流動。此階段對應的模擬圖如圖4-7(a), 4-7(b)所示。
第二個階段:輪緣填充階段。隨著擠壓的進一步進行,金屬逐步填充模腔。模腔內圈先于輪緣處充填完畢,進入輪緣填充階段。模腔杯形內圈充填完畢后,停止變形,出現低應力區域。隨著鍛造力向輪緣處擴散,杯型外圈高應力區域擴大。輪緣處接近成型完成時,杯形內圈低應力區域應力重新上升。杯形內圈沖天完畢后,擠壓比增加。在接近成形時,只有少數未充滿的角隙部分有金屬流動。此階段對應的模擬圖如圖4-7(c), 4-7(d)所示。
在坯料橫向中心線上取5個等距點(相距25mm ),見圖4-8(a),對其進行點追蹤分析,觀察坯料上質點的流動。在圖4-8(b)中,隨著鍛造過程的進行,坯料在橫向上完成充填,此時p2和p4點處于最下方,p3點處于最上方。當壓下形成為45~時,p1和p2點位于輪毅外圈底部,p4和p5點位于輪毅內圈底部,此時輪毅內圈完成充填,隨著變形過程的進行,開始填充輪緣部位,p1, p2和p3點向輪毅外圈移動,p4和p5沒有發生移動。值得注意的是,由于輪毅內圈充填完畢,所以坯料上方的金屬都向輪毅外圈移動,在圖4-8 (d)所示箭頭方向作出類剪切流動,盡管此時已基本完成充填,為了避免鍛件出現明顯的剪切線,破壞鍛件的組織,最好應降低鍛造速度。
在還料的一個截面上劃分四邊形網格,見圖鍛件完成鍛造后網格分布見圖。在靠近下模和頂桿周圍存在明顯的網格密集畸變區,這是由于摩擦的阻礙作用導致模具周圍的應變集中,這與前文中應變分布云圖(圖4-6 )相對應。在常規鍛造中,由于這些區域由于應變集中,再加上模具的致冷作用,很可能形成類似擠壓制品中的粗晶環組織,一般在后續機加工過程中切除,這是常規鍛造難以近凈成形的原因之一。而在等溫鍛造中,應變速率較低,溫度場穩定,難以發生再結晶。此外這種方法可以近似地推斷鍛件的流線分布,從圖4-9(b)中可以看出,仿真中未發生明顯的鍛造缺陷特征,流線沿著鍛件的幾何方向合理分布。
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