锻压成型.pptx

第十一章 锻压成型（P207）锻压：是锻造Forging与冲压Stamping的总称。对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状，改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。锻造Forging：在加压设备及工（模）具的作用下，使坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定的几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。工（模）具一般作直线运动。塑性变形是锻压成型的基础，塑性变形及随后的加热对金属材料组织和性能有显著的影响。了解塑性变形的本质,塑性变形及加热时组织的变化，有助于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺。5万吨水压机第十一章 锻压成型（P207）塑性是与组织结构密切相关的结构敏感性质。既取决于金属的本质，还与变形条件有关。一、金属塑性变形的实质（SubstanceofPlasticityDeformationofMetals）塑性与变形抗力是金属的重要状态属性，它决定了金属加工成形的工艺性能和使用性能。塑性Plasticity：金属产生塑性变形而不破坏的能力。可以用最大变形程度来表示塑性的高低。变形抗力ResistanceofDeformation：金属对于产生塑性变形的外力的抵抗能力。通常用流变应力来表示。单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起弹性变形及解理断裂。只有在切应力的作用下金属晶体才能产生塑性变形。1.单晶体的塑性变形外力在晶面上的分解切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片一、金属塑性变形的实质（一）塑性变形的基本原理韧性断口脆性解理断口 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。塑性变形的形式：滑移和孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。1）滑移 滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力。1、滑移变形的特点：滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。1、滑移变形的特点：一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格110111110111111晶格滑移面滑移方向滑移系 三种典型金属晶格的滑移系因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。铜拉伸试样表面滑移带滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍。1、滑移变形的特点：转动有两种：滑移面向外力轴方向转动和滑移面上滑移方向向最大切应力方向转动。滑移的同时伴随着晶体的转动1、滑移变形的特点：切应力作用下的变形和滑移面向外力方向的转动转动的原因：晶体滑移后使正应力分量和切应力分量组成了力偶。当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑移 方向上切应力 最大，因而最 容易发生滑移。滑移后,滑移面两侧晶体的位向关系未发生变化。A0A1FFA0韧性断口把滑移设想为刚性整体滑动所需的理论临界切应力值比实际测量临界切应力值大34个数量级。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。多 脚 虫 的 爬 行2、滑移的机理晶体通过位错运动产生滑移时，只在位错中心的少数原子发生移动，它们移动的距离远小于一个原子间距，因而所需临界切应力小，这种现象称作位错的易动性。2、滑移的机理刃位错的运动孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。（二）孪生晶体经孪晶变形后形成与基体镜面对称的晶体结构晶体结构类型没有改变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪晶组织孪生示意图（二）孪生a）孪生使晶格位向发生改变；b）所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近声速;c）孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。与滑移相比：密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶二、多晶体金属的塑性变形当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。单个晶粒变形与单晶体相似,多晶体变形比单晶体复杂。1、晶界的影响（一）晶界及晶粒位向差的影响晶界对塑性变形的影响Cu-4.5Al合金晶界的位错塞积由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围的晶粒若不 发生塑性变形，则必以弹性变形来 与之协调。这种弹性变形便成为塑性变形晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。2、晶粒位向的影响多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上相邻晶粒的转动，使相邻晶粒中原来处于不利位向滑移系上的位错开动，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。铜多晶试样拉伸后形成的滑移带（二）多晶体金属的塑性变形过程金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。晶粒大小与金属强度关系（三）晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加,金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。应变应力塑性材料脆性材料（三）晶粒大小对金属力学性能的影响通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。（三）晶粒大小对金属力学性能的影响1.变形复杂性：包括晶内塑性变形和晶界变形。2.变形抗力大：晶界阻碍滑移的作用强烈。3.变形不均匀：各晶粒取向不同，晶内变形量比晶界附近区变形量大。4.晶粒细化是降低多晶体塑性变形不均匀性的重要措施。多晶体金属塑性变形二塑性变形对金属组织和性能的影响金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。（一）塑性变形对组织结构的影响 工业纯铁在塑性变形前后的组织变化5%冷变形纯铝中的位错网(a)正火态(c)变形80%(b)变形40%由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。板织构丝织构形变织构示意图各向异性导致的铜板“制耳”有无一、塑性变形对组织结构的影响 轧制铝板的“制耳”现象二、冷变形强化（加工硬化）随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。冷塑性变形量，%屈服强度，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形与性能关系1、随变形量增加,位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。Si中的位错源晶体中的位错源位错密度与强度关系产生加工硬化的原因是:由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。变形20%纯铁中的位错未变形纯铁2.随变形量增加，亚结构细化3.随变形量增加,空位密度增加4.几何硬化：由晶粒转动引起产生加工硬化的原因是:三、残余内应力内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变。内应力分为三类：第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内应力)。第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间,(微观内应力)。第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。晶界位错塞积所引起的应力集中三、残余内应力四回复与再结晶金属经冷变形后,组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。加热温度 黄铜1.冷变形金属在加热时的组织和性能变化 四回复与再结晶再结晶 Recrystallization：塑性变形后金属被拉长了的晶粒 重新生核、结晶，变为等轴晶粒。回复 Recovery：将冷变形后的金属加热到一定温度（约0.250.30T熔）后，使原子回复到平衡位置，因此，晶内残余应力大大减小。回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，这一过程称多边形化。（1）回复在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。（1）回复当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程称再结晶。（2）再结晶铁素体变形80%670加热650加热再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。冷变形奥氏体不锈钢加热时的再结晶形核SEM-再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核TEM-再结晶晶粒形核于高密度位错基体上（2）再结晶由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。冷变形黄铜组织性能随温度的变化 冷变形(变形量为38%)黄铜580C保温15分后的的再结晶组织（2）再结晶再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温8秒后的组织580C保温15分后的组织700C保温10分后的组织（3）再结晶后的晶粒长大晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低。原子穿过晶界扩散晶界迁移方向黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为38的组织580C保温3秒后的组织580C保温4秒后的组织580C保温8秒后的组织580C保温15分后的组织700C保温10分后的组织（4）再结晶温度再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。580C保温3秒后的组织580C保温4秒后的组织580C保温8秒后的组织冷变形(变形量为38%)黄铜的再结晶T再与的关系1、金属的预先变形程度：纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度。金属熔点越高,T再也越高。T再=(T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451影响再结晶温度的因素为：金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高。2、金属的纯度生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100200。黄铜580C保温8秒后的组织黄铜580C保温15分后的组织3、再结晶加热速度和加热时间提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生,延长加热时间,使原子扩散充分,再结晶温度降低。4、影响再结晶退火后晶粒度的因素加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。再结晶退火温度对晶粒度的影响1、加热温度和保温时间当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极不均匀，再结晶晶 粒大小相差悬殊，易互相吞并和长 大,再结晶后晶粒 特别粗大，这个 变形度称临界变 形度。预先变形度对再结晶晶粒度的影响2、预先变形度预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响；当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶；当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。对于某些金属，当变形量相当大时(90%)，再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关。2、预先变形度预先变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响变形83%变形88%变形93%再结晶图五金属冷变形和热变形在金属学中，冷热变形（加工）的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷变形（加工），而高于再结晶温度的加工称为热变形（加工）。轧制模锻拉拔热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。巨型自由锻件如 Fe的再结晶温度为451，其在400 以下的加工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71，则其在室温下的加工为热加工。金属的冷热加工模锻自由锻轧制正挤压反挤压拉拔冲压冷轧与热轧1.热加工对金属组织和性能的影响热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。锻压热加工动态再结晶示意图 由这种流线体现的组织称纤维组织。它使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织 热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线。在加工亚共析钢时，发现钢中的F与P呈带状分布，这种组织称带状组织。带状组织与枝晶偏析与被沿加工方向拉长有关。可通过多次正火或扩散退火消除。正火组织带状组织而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。蒸汽-空气锤热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。（ForgingFlowLinandForgingRatio）六、锻造流线及锻造比锻造流线（纤维组织）1.形成原因：存在于境界上的夹杂物2.锻造流线无法通过热处理消除；1）正应力与流线方向重合；2）切应力与流线方向垂直；3）锻造流线的分布与零件的外形轮廓相符合，而不被切断用y表示：变形前后截面比（拔长）或高度比（镦粗）Y拔=F0/F=L/L0 Y镦=F/F0=H0/H锻造比 ForgingRatio：锻造比代表变形程度大小。增加锻造比可使金属组织细化，提高锻件机械性能过大的锻造比使锻件产生各向异性。轧材或锻坯作为锻造坯料：1.5 用钢锭作为锻造坯料：碳素结构钢，拔长锻造比3，镦粗锻造比2.5；合金结构钢，锻造比为34 铸造缺陷严重，碳化物粗大的高合金钢钢锭；不锈钢的锻造比选为46，高速钢的锻造比选为512 y太大，会增加各向异性。锻造比的确定七金属的锻造性能1.材料性质的影响(内因)化学成分的影响纯金属的可锻性比合金的可锻性好。钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的。金属组织的影响 纯金属及固溶体(如奥氏体)的可锻性好。而碳化物(如渗碳体)的可锻性差。铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好2.变形条件的影响(外因)在一定的变形温度范围内，随着温度升高，原子动能升高，从而塑性提高，变形抗力减小，有效改善了可锻性。若加热温度过高，晶粒急剧长大，金属力学性能降低，这种现象称为“过热”。若加热温度更高接近熔点，晶界氧化破坏了晶粒间的结合，使金属失去塑性，坯料报废，这一现象称为“过烧”。金属锻造加热时允许的最高温度称为始锻温度。不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度称终锻温度。变形温度的影响变形速度的影响 一方面由于变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大，可锻性变坏。另一方面，金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，使金属温度升高(称为热效应现象)。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。应力状态的影响挤压时为三向受压状态。拉拔时为两向受压一向受拉的状态。压应力的数量愈多，则其塑性愈好，变形抗力增大；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。变形时的应力状态对锻造性能的影响金属塑变时其应力状态中的压应力数目越多，其塑性越好；在三向压应力作用下，金属的塑性最好。但其变形抗力也最大。坯料的加热始锻温度过高：过热、过烧过热：晶粒粗大过烧：晶界氧化过低：加热频繁终锻温度过高：晶粒长大；网状二次渗碳体析出。过低：锻件开裂；损坏设备第二节 自由锻 只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件，这种方法称为自由锻。锻造能消除金属铸锭中的一些铸造缺陷，使其内部晶粒细化，组织致密，力学性能显著提高。所以重要的机器零件和工具部件，如车床主轴、高速齿轮、曲轴、连杆、锻模、和刀杆等大都采用锻造制坯。锻造的工艺方法主要有自由锻、模锻和胎膜锻。生产时，按锻件质量的大小，生产批量的多少选择不同的锻造方法。一、自由锻的主要设备 空气锤利用压缩空气驱动工作活塞上下运动，以冲击力实现锻打；空气锤 1踏杆 2砧座 3砧垫 4下抵铁 5上抵铁 6下旋伐 7上旋阀 8工作缸 9压缩缸 10减速装置 11电动机 12工作活塞 13压缩活塞 14连杆 自由锻设备有空气锤、蒸汽-空气锤和水压机等，分别适合小、中和大型锻件的生产。空气锤的操作：通过踏杆或手柄操纵配气机构（上、下旋阀），可实现空转、悬空、压紧、连续打击和单次打击等操作。水压机利用高压水驱动工作活塞，产生静压力实现锻造。1.自由锻的生产特点和应用自由锻所用工具和设备简单,通用性好,成本低。同铸造毛坯相比,自由锻消除了缩孔、缩松、气孔等缺陷,使毛坯具有更高的力学性能。因此,它在重型机器及重要零件的制造上有特别重要的意义。自由锻是靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸的,所以锻件精度低,加工余量大,劳动强度大,生产率也不高,因此它主要应用于单件、小批量生产。自由锻生产率低，加工余量大，但工具简单，通用性大，故被广泛用于锻造形状较简单的单件、小批生产的锻件 由于工件的尺寸和形状要靠操作技术来保证，所以自由锻要求工人有较高的技术水平。料一经锻打即会碎裂，是不可修复的缺陷。图3-1红外箱式炉 1踏杆 2炉门 3炉膛 4温度传感器 5硅碳棒冷端 6硅碳棒热端 7耐火砖 8反射层自由锻造时，锻件的形状是通过一些基本变形工序将坯料逐步锻成的。自由锻造的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲和切断等。a）b）图33 镦粗 a）全部镦粗 b）局部镦粗（1）镦粗 镦粗是对原坯料沿轴向锻打，使其高度减低、横截面增大的操作过程。这种工序常用于锻造齿轮坯和其他圆盘形类锻件。镦粗工艺请看 镦粗分为全部镦粗和局部锻粗两种，如图33所示。镦粗时应注意下列几点：二自由锻的基本工序 镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割 盘类锻件 轴类锻件 带孔盘、套类锻件镦粗比：2.51）镦粗部分的长度与直径之比应小于2.5，否则容易镦弯，如图34所示。2）坯料端面要平整且与轴线垂直，锻打用力要正，否则容易锻歪。3）镦粗力要足够大，否则会形成细腰形或夹层，如图35所示。图34 镦弯 图35 细腰形和夹层(2)镦粗【镦粗】是使毛坯高度减小,横断面积增大的锻造工序。镦 粗工序主要用于锻造齿轮坯、圆饼类锻件。镦 粗工序可以有效地改善坯料组织,减小力学性能的异向性。镦 粗与拔长的反复进行,可以改善高合金工具钢中碳化物的形态和分布状态。镦粗主要有以下三种形式:1)完全镦粗。完全镦粗是将坯料竖直放在砧面上(图a),在上砧的锤击下,使坯料产生高度减小,横截面积增大的塑性变形。2)端部镦粗。将坯料加热后,一端放在漏盘或胎模内,限制这一部分的塑性变形,然后锤击坯料的另一端,使之镦粗成形。图b是用漏盘的镦粗方法,多用于小批量生产；胎模 镦粗 的方法,多用于大批量生产。在单件生产条件下,可将需要 镦粗 的部分局部加热,或者全部加热后将不需要 镦粗 的部分在水中激冷，然后进行镦粗。3)中间镦粗。这种方法用于锻造中间断面大,两端断面小的锻件,例如双面都有凸台的齿轮坯就采用此法锻造（图c）。坯料镦粗前,需先将坯料两端拔细,然后使坯料直立在两个漏盘中间进行锤击,使坯料中间部分镦粗。为了防止镦粗时坯料弯曲,坯料高度h与直径d之比 h/d 2.5。（2）拔长 拔长是使坯料的长度增加，截面减小的锻造工序，通常用来生产轴类件毛坯，如车床主轴、连杆等。拔长时，每次的送进量L应为砧宽B的0.0.7倍，若L太大，则金属横向流动多，纵向流动少，拔长效率反而下降。若L太小，又易产生夹层，如图3-6所示。图3-6拔长的送进量 拔长过程中应作90翻转，较重锻件常采用锻打完一面再翻转90锻打另一面的方法；较小锻件则采用来回翻转90的锻打方法，如图3-7所示。图3-7拔长时坯料的翻转方法 a)打完一面后翻转90 b)来回翻转90锻打 圆形截面坯料拔长时，先锻成方形截面，在拔长到边长直径接近锻件直径时，锻成八角形截面，最后倒棱滚打成圆形截面，如图3-8所示。这样拔长效率高，且能避免引起中心裂纹。图3-8圆形坯料拔长时的过度截面形状（3）冲孔 用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。实心冲子双面冲孔如图3-9所示，在镦粗平整的坯料表面上先预冲一凹坑，放稍许煤粉，再继续冲至约3/4深度时，借助于煤粉燃烧的膨胀气体取出冲子，翻转坯料，从反面将孔冲透。图3-9实心冲头双面冲孔 1）双面冲孔法。用冲头在坯料上冲至 2/33/4 深度时,取出冲头,翻转坯料,再用冲头从反面对准位置,冲出孔来。2）单面冲孔法。厚度小的坯料可采用单面冲孔法。冲孔时,坯料置于垫环上,将一略带锥度的冲头大端对准冲孔位置,用锤击方法打入坯料,（6）切割 分割坯料或切除料头的锻造工序（4）弯曲 使坯料弯曲成一定角度或形状的锻造工序，如图3-10所示。图3-10弯曲 常用的弯曲方法有以下两种:1)锻锤压紧弯曲法。坯料的一端被上、下砧压紧,用大锤打击或用吊车拉另一端,使其弯曲成形。2）模弯曲法。在垫模中弯曲能得到形状和尺寸较准确的小型锻件。图3-11 扭转（5）扭转 使坯料的一部分相对另一部分旋转一定角度的锻造工序，如图3-11所示。（二）辅助工序 为使基本工序操作方便而进行的预变形工序称为辅助工序（压钳口、切肩等）。（三）修整工序 用以减少锻件表面缺陷而进行的工序（如校正、滚圆、平整等）。二、自由锻工艺规程的制定二、自由锻工艺规程的制定 制订工艺规程、编写工艺卡片是进行自由锻生产必不可少的技术准备工作，是组织生产、规范操作、控制和检查产品质量的依据。制订工艺规程，必须结合生产条件、设备能力和技术水平等实际情况，力求技术上先进、经济上合理、操作上安全，以达到正确指导生产的目的。自由锻工艺规程：根据零件图绘制锻件图、计算坯料的质量与尺寸、确定锻造工序、选择锻造设备、确定坯料加热规范和填写工艺卡片等。（一）绘制自由锻件图 以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成的图形，它是工艺规程的核心内容，是制定锻造工艺过程和锻件检验的依据。锻件图必须准确而全面反映锻件的特殊内容，如圆角、斜度等，以及对产品的技术要求，如性能、组织等。绘制时主要考虑以下几个因素：1敷料 对键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为敷料，如图2-11所示。2锻件余量 在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件余量，如图2-11所示。锻件余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有关。零件越大，形状越复杂，则余量越大。3锻件公差 锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受生产具体情况的影响。件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受生产具体情况的影响。图2-11 锻件余量及敷料 1敷料 2锻件余量在锻件图上，锻件的外形用粗实线，如图2-12所示。为了使操作者了解零件的形状和尺寸，在锻件图上用双点划线画出零件的主要轮廓形状，并在锻件尺寸线的上方标注锻件尺寸与公差，尺寸线下方用圆括弧标注出零件尺寸。对于大型锻件，还必须在同一个坯料上锻造出供性能检验用的试样来，该试样的形状与尺寸也在锻件图上表示。图2-12 典型锻件图（二）计算坯料质量与尺寸 1确定坯料质量 自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：G坯料=G锻件+G烧损+G料头式中 G坯料 坯料质量，单位为kg；G锻件 锻件质量，单位为kg；G烧损 加热时坯料因表面氧化而烧损的质量，单位为kg；第一次加热取被加热金 属质量分数的2%3%，以后各次加热取1.5%2.0%；G料头 锻造过程中被冲掉或切掉的那部分金属的质量，单位为kg；如冲孔时坯料 中部的料芯，修切端部产生的料头等。2确定坯料尺寸 根据塑性加工过程中体积不变原则和采用的基本工序类型（如拔长、镦粗等）的锻造比、高度与直径之比等计算出坯料横截面积、直径或边长等尺寸。典型锻件的锻造比见表2-2。对于大型锻件，当采用钢锭作坯料进行锻造时，还要考虑切掉的钢锭头部和尾部的质量。表表2-22-2 典型锻件的锻造比典型锻件的锻造比 锻件名称 计算部位 锻造比 锻件名称 计算部位 锻造比 碳素钢轴类锻件 最大截面 2.02.5锤 头 最大截面 2.5合金钢轴类锻件 最大截面 2.53.0水轮机主轴 轴 身 2.5热轧辊 辊 身 2.53.0水轮机立柱 最大截面 3.0冷轧辊 辊 身 3.55.0模 块 最大截面 3.0齿轮轴 最大截面 2.53.0航空用大型锻件 最大截面 6.08.0（三）选择锻造工序 自由锻锻造工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定。一般而言，盘类零件多采用镦粗（或拔长镦粗）和冲孔等工序；轴类零件多采用拔长，切肩和锻台阶等工序。一般锻件的分类及采用的工序见表2-3。表2-3 锻件分类及所需锻造工序 锻件类别 图 例 锻造工序 盘类零件 镦粗（或拔长镦粗），冲孔等 轴类零件 拔长（或镦粗拔长），切肩，锻台阶等 筒类零件 镦粗（或拔长镦粗），冲孔，在芯轴上拔长等 环类零件 镦粗（或拔长镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔等 弯曲类零件 拔长，弯曲等 自由锻工序的选择与整个锻造工艺过程中的火次（即坯料加热次数）和变形程度有关。所需火次与每一火次中坯料成形所经历的工序都应明确规定出来，写在工艺卡片上。表2-5 半轴自由锻工艺卡半轴自由锻工艺卡 锻件名称 半 轴 图 例 坯料质量 25kg 坯料尺寸 130240 材 料 18CrMnTi 火 次 工 序 图 例 1 锻出头部 拔长 拔长及修整台阶 拔长并留出台阶 锻出凹档及拔长端部并修整 三、自由锻件的结构工艺性三、自由锻件的结构工艺性 自由锻件的设计原则是：在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。1尽量避免锥体或斜面结构 锻造具有锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率，应尽量避免，如图2-14所示。图2-14 轴类锻件结构 a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构图2-15 杆类锻件结构 a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构 2避免几何体的交接处形成空间曲线 如图2-15a所示的圆柱面与圆柱面相交，锻件成形十分困难。改成如图2-15b所示的平面相交，消除了空间曲线，使锻造成形容易。3避免加强肋、凸台，工字形、椭圆形或其它非规则截面及外形 如图2-16a所示的锻件结构，难以用自由锻方法获得，若采用特殊工具或特殊工艺来生产，会降低生产率，增加产品成本。改进后的结构如图2-16b所示。图2-16 盘类锻件结构 a)工艺性差的结构 b)工艺性好的结构图2-17 复杂件结构 4合理采用组合结构 锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，如图2-17所示。每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械联接方式构成整体零件。模锻：在模锻设备上，利用高强度锻模，使金属坯料在模膛内受压产生塑性变形，而获得所需形状、尺寸以及内部质量锻件的加工方法称为模锻。在变形过程中由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时可获得与模膛形状相符的模锻件。第三节 模锻 与自由锻相比，模锻具有如下优点：(1)生产效率较高。模锻时，金属的变形在模膛内进行，故能较快获得所需形状。(2)能锻造形状复杂的锻件，并可使金属流线分布更为合理，提高零件的使用寿命。(3)模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。(4)节省金属材料，减少切削加工工作量。在批量足够的条件下，能降低零件成本。(5)模锻操作简单，劳动强度低。但模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在150kg以下。模锻设备投资较大，模具费用较昂贵，工艺灵活性较差，生产准备周期较长。因此，模锻适合于小型锻件的大批大量生产，不适合单件小批量生产以及中、大型锻件的生产。模锻设备：锤上模锻、压力机上模锻、胎模锻。二、锤上模锻的锻模结构二、锤上模锻的锻模结构 锻模结构：如图2-18所示，锤上模锻用的锻模由带燕尾的上模2和下模4两部分组成，上下模通过燕尾和楔铁分别紧固在锤头和模垫上，上、下模合在一起在内部形成完整的模膛。图2-18 锤上锻模 1锤头 2上模 3飞边槽 4下模 5模垫 6、7、10紧固楔铁 8分模面 9模膛 模锻模膛：制坯模膛和模锻模膛。（一）制坯模膛 对于形状复杂的模锻件，为了使坯料基本接近模锻件的形状，以便模锻时金属能合理分布，并很好地充满模膛，必须预先在制坯模膛内制坯。制坯模膛有以下几种：1拔长模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增加其长度。如图2-19所示。图2-19 拔长模膛 a）开式 b）闭式2滚挤模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属坯料能够按模锻件的形状来分布。滚挤模膛也分为开式和闭式两种，如图2-20所示。图2-20 滚挤模膛 a）开式 b）闭式3弯曲模膛 使坯料弯曲，如图2-21所示。图2-21 弯曲模膛 4切断模膛 在上模与下模的角部组成一对刃口，用来切断金属，如图2-22所示。可用于从坯料上切下锻件或从锻件上切钳口，也可用于多件锻造后分离成单个锻件。此外，还有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。图2-22 切断模膛（二）模锻模膛 模锻模膛包括预锻模膛和终锻模膛。所有模锻件都要使用终锻模膛，预锻模膛则要根据实际情况决定是否采用。1终锻模膛 使金属坯料最终变形到所要求的形状与尺寸，如图2-18所示。由于模锻需要加热后进行，锻件冷却后尺寸会有所缩减，所以终锻模膛的尺寸应比实际锻件尺寸放大一个收缩量，对于钢锻件收缩量可取1.5%。飞边槽：如图2-18所示。飞边槽用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满整个模膛，同时容纳多余的金属，还可以起到缓冲作用，减弱对上下模的打击，防止锻模开裂。飞边槽的常见形式如图2-23所示，图2-23a为最常用的飞边槽形式，图2-23b用于不对称锻件，切边时须将锻件翻转180，图2-23c用于锻件形状复杂，坯料体积偏大的情况，图2-23d设有阻力沟，用于锻件难以充满的局部位置。飞边槽在锻后利用压力机上的切边模去除。图2-23 飞边槽形式 2预锻模膛 用于预锻的模膛称为预锻模膛。终锻时常见的缺陷有折迭和充不满等，工字型截面锻件的折迭如图2-25所示。这些缺陷都是由于终锻时金属不合理的变形流动或变形阻力太大引起的。为此，对于外形较为复杂的锻件，常采用预锻工步，使坯料先变形到接近锻件的外形与尺寸，以便合理分配坯料各部分的体积，避免折迭的产生，并有利于金属的流动，易于充满模膛，同时可减小终锻模膛的磨损，延长锻模的寿命。预锻模膛和终锻模膛的主要区别是前者的圆角和模锻斜度较大，高度较大，一般不设飞边槽。只有当锻件形状复杂、成形困难，且批量较大的情况下，设置预锻模膛才是合理的。图2-24 带有飞边槽与冲孔连皮的模锻件 1冲孔连皮 2锻件 3飞边 4分模面图2-25 工字型截面锻件的折迭 根据模锻件的复杂程度不同，所需的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。弯曲连杆模锻件所用多膛锻模如图2-26所示。图2-26 弯曲连杆锻模（下模）与模锻工序1拔长模膛 2滚挤模膛 3终锻模膛 4预锻模膛 5弯曲模膛三、锤上模锻工艺规程的制定三、锤上模锻工艺规程的制定 锤上模锻工艺规程的制定主要包括绘制模锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步、选择锻造设备、确定锻造温度范围等。（一）绘制模锻件图 模锻件图是设计和制造锻模、计算坯料以及检验模锻件的依据。根据零件图绘制模锻件图时，应考虑以下几个问题。1分模面 上下锻模的分界面。分模面的选择应按以下原则进行。（）要保证模锻件能从模膛中顺利取出，并使锻件形状尽可能与零件形状相同，一般分模面应选在模锻件最大水平投影尺寸的截面上。如图2-27所示，若选-面为分模面，则无法从模膛中取出锻件。图2-27 分模面选择比较（）按选定的分模面制成锻模后，应使上下模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象。如图2-27所示，若选-面为分模面，就不符合此原则。（）最好使分模面为一个平面，并使上下锻模的模膛深度基本一致，差别不宜过大，以便于均匀充型。（）选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。如图2-27所示，若将面选作分模面，零件中间的孔不能锻出，其敷料最多，既浪费金属，降低了材料的利用率，又增加了切削加工工作量，所以该面不宜选作分模面。（）最好把分模面选取在能使模膛深度最浅处，这样可使金属很容易充满模膛，便于取出锻件，如图2-27所示的面就不适合做分模面。按上述原则综合分析，选用如图2-27所示的面为分模面最合理。模锻件长（宽）度 63160160250250400400100010002500大于 至 加工余量Z1 251.51.51.51.52.02.525401.51.51.51.52.02.540631.51.51.52.02.53.0631001.51.52.02.53.03.5表2-7 内、外表面的加工余量Z1（单面）（mm）3模锻斜度 为便于从模膛中取出锻件，模锻件上平行于锤击方向的表面必须具有斜度，称为模锻斜度，一般为515之间。模锻斜度与模膛深度和宽度有关，通常模膛深度与宽度的比值（hb）较大时，模锻斜度取较大值。此外，模锻斜度还分为外壁斜度与内壁斜度，如图2-28所示。外壁指锻件冷却时锻件与模壁离开的表面；内壁指当锻件冷却时锻件与模壁夹紧的表面。内壁斜度值一般比外壁斜度大25。生产中常用金属材料的模锻斜度范围见表2-8。图2-28 模锻斜度 锻件材料 外壁斜度 内壁斜度 铝、镁合金 钢、钛、耐热合金 3557577、10、12表2-8 2-8 各种金属锻件常用的模锻斜度各种金属锻件常用的模锻斜度 4模锻圆角半径 模锻件上所有两平面转接处均需圆弧过渡，此过渡处称为锻件的圆角，如图2-29所示。圆弧过渡有利于金属的变形流动，锻造时使金属易于充满模膛，提高锻件质量，并且可以避免在锻模上的内角处产生裂纹，减缓锻模外角处的磨损，提高锻模使用寿命。图2-29 模锻圆角半径图2-30 模锻件常用冲孔连皮钢的模锻件外圆角半径()一般取1.5mm12mm，内