《材料成型基础》7.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 金属压力加工,金属压力加工是使金属材料在外力作用下产生塑性变形（永久变形）以获得所需形状、尺寸及机械性能的毛坯或零件的一种加工方法，因适合于塑性好的金属材料如中、低碳钢和大多数有色金属及其合金，故又称为金属塑性加工，最常用的加工方法是锻造和冲压，简称锻压。,金属压力加工的特点：,改善金属的组织，提高其机械性能；,可节约金属材料和切削加工工时；,除自由锻造外，其他压力加工方法具有较高的劳动生产率；,零件的结构工艺性要求高；,需要重型设备和复杂的工模具，不能加工脆性材料；,劳动条件差。,7.1,金属的塑性变形,金属的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，掌握塑性变形的实质，塑性变形对金属组织和性能的影响及金属的锻造性，对于发挥金属的性能潜力，正确确定加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料等方面都具有重要意义。,7.1.1,金属塑性变形的实质,金属在外力作用下首先要产生弹性变形，当外力增大到内应力超过材料的屈服点时，就会产生塑性变形。金属的压力加工就是利用塑性变形实现的。,金属塑性变形是由于金属在外力作用下，金属晶体每个晶粒内部的变形和晶粒间的相对移动、晶粒的转动的综合结果。单晶体的塑性变形主要是通过滑移的形式实现，即在切应力的作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面产生滑移，如图,7.1,所示。,图,7.1,单晶体滑移示意图,单晶体的滑移是通过晶体内的位错运动来实现的，而不是沿滑移面所有的原子同时作刚性移动的结果，只是位错中心附近的少数原子进行微量的位移，所以滑移所需要的切应力比理论值低得多。图,7.2,是位错运动引起塑性变形的示意图。,图,7.2,位错运动引起塑性变形示意图,工程上使用的金属绝大多数是多晶体。多晶体中每个晶粒内部的变形情况与单晶体的变形情况大致相似，可以看作是单个晶粒的位错及晶粒之间的滑动和转动的综合结果。如图,7.3,所示，多晶体中首先发生滑移的是那些滑移系与外力夹角等于或接近于,45,的晶粒，使位错在晶界附近塞积，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。,图,7.3,多晶体塑性变形示意图,7.1.2,塑性变形对金属组织和性能的影响,塑性变形程度的大小对金属组织和性能有较大的影响。变形程度过小，不能起到细化晶粒提高金属力学性能的目的；变形程度过大，不仅不会使力学性能再增高，还会出现纤维组织，增加金属的各向异性，当超过金属允许的变形极限时，将会出现开裂等缺陷。,1,塑性变形后的组织变化,金属在常温下经过塑性变形后，内部组织将发生以下变化：,（,1,）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。,（,2,）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。,（,3,）晶格与晶粒均发生扭曲，产生内应力。,（,4,）塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。,2,加工硬化,随着变化程度地增加，由于冷塑性变形在滑移面附近引起晶格的严重畸变，甚至产生碎晶而引起的强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。,加工硬化现象在工业生产中具有重要的意义。生产上常用加工硬化来强化金属，提高金属的强度、硬度及耐磨性，尤其是难以用热处理强化的纯金属、某些铜合金及镍铬不锈钢等材料，加工硬化更是唯一有效的强化方法。加工硬化也有其不利的一面。在冷轧薄钢板、冷拔细钢丝及深拉工件时，由于产生加工硬化，金属的塑性降低，使进一步冷塑性变形困难，故必须采用中间热处理来消除加工硬化现象。,3,回复、再结晶与晶粒长大,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。,图,7.4,变形金属组织和性能的关系,（,1,）回复,回复是指加热温度较低时，冷变形金属的纤维组织没有明显变化，而当温度适当提高时，由于原子动能的增加，使原子扩散能力提高，晶格畸变程度减轻，内应力大大降低，从而使加工硬化部分消除的现象。回复温度一般约为金属熔点的,0.25,0.30,倍，即：,T,回（,0.25,0.30,）,T,熔,式中：,T,回,以热力学温度表示的金属回复温度；,T,熔,以热力学温度表示的金属熔点温度。,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，但内应力显著下降,(,如图,7.4a),。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。如碳钢弹簧在冷卷后加热到,250,300,，再缓慢冷却以消除力应力。,（,2,）再结晶,再结晶是指当温度继续升高时，由于金属原子动能不断增加，使原子扩散能力更高，能以某些碎晶或杂质为核心，重新生核和成长为新的晶粒，从而完全消除加工硬化的现象（见图,7.4b,）。发生再结晶的最低温度称为再结晶温度，一般约为金属熔点的,0.4,倍，即,T,再,0.4,T,熔,式中：,T,再,以热力学温度表示的金属再结晶温度；,T,熔,以热力学温度表示的金属熔点温度。,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。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。,在实际生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。金属在常温下进行压力加工，常安排中间再结晶退火工序，为缩短生产周期，再结晶退火温度一般比再结晶温度高,100,200,。,（,3,）再结晶后的晶粒长大再结晶过程完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，则晶粒会产生明显长大，这是一个自发的过程（如图,7.4b,）。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下降，尤其是塑性和韧性降低，使锻造性能恶化。,冷变形和热变形,（,1,）冷变形,金属在再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷变形。如钢在常温下进行的冷冲压、冷轧、冷挤压等。在变形过程中，有加工硬化现象而无再结晶组织。,冷变形工件没有氧化皮，可获得较高的公差等级，较小的表面粗糙度值，强度和硬度较高。由于冷变性金属存在残余应力和塑性差等缺点，因此常常需要中间退火，才能继续变形。,（,2,）热变形,热变形是指变形温度在再结晶温度以上时，变形产生的加工硬化被随即发生的再结晶所抵消，变形后金属具有再结晶的等轴晶粒组织，而无任何加工硬化痕迹的现象。如热锻、热轧、热挤压等。,热变形与冷变形相比，其优点是塑性良好，变形抗力低，容易加工，但高温下金属容易产生氧化皮，所以制件的尺寸精度低，表面粗糙。,金属经塑性变形及再结晶，可使原来存在的不均匀、晶粒粗大的组织得以改善，或将锻锭组织中的气孔、缩松等压合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而得到更致密的再结晶组织，提高金属的力学性能。,5,锻造流线及锻造比,热变形使锻锭中的脆性杂质粉碎，并沿着金属主要伸长方向呈碎粒状分布，而塑性杂质则随金属变形，并沿着主要伸长方向呈带状分布，金属中的这种杂质的定向分布通常称为锻造流线。,热变形对金属组织和性能的影响主要取决于热变形的程度，而热变形的大小可用锻造比,Y,来表示。锻造比是金属变形程度的一种表示方法，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来计算。,拔长锻造比,镦粗锻造比,式中：,F,0,、,L,0,、,H,0,变形前坯料的截面积、长度和高度；,F,、,L,、,H,变形后坯料的截面积、长度和高度。,锻造比愈大，热变形程度愈大，则金属的组织、性能改善愈明显，锻造流线也愈明显。锻造流线的形成使金属的性能呈各向异性。当分别沿着流线方向和垂直流线方向拉伸时，前者有较高的抗拉强度。当分别沿着流线方向和垂直方向剪切时，后者有较高的抗剪强度。,在设计和制造机器零件时，必须考虑锻造流线的合理分布，使零件工作时的最大切应力与流线方向垂直，最大拉应力与流线方向平行，并尽量使锻造流线与零件的轮廓相符而不被切断。,a,）切削加工的螺栓毛坯,b,）局部镦粗加工的螺栓毛坯,图,7.5,螺栓的显微组织与加工方法关系示意图,a,）,b,）,图,7.6,锻造曲轴和轧材切削加工曲轴的流线分布,a,）切削加工的曲轴,b,）锻造曲轴,例如，用同种材料加工螺栓，图,7.5a,为采用棒料直接切削加工制造的螺栓，受横向切应力时使用性能好，受纵向切应力时易损坏；若采用图,7.5b,所示局部镦粗方法制造的螺栓，则其受横向、纵向切应力时使用性能均好。图,76,是锻造曲轴和轧材切削加工曲轴的流线分布，明显看出经切削加工的曲轴流线易沿轴肩部位发生断裂，流线分布不合理。曲轴毛坯的锻造，应采用拔长后弯曲工序，使纤维组织沿曲轴轮廓分布，这样曲轴工作时不易断裂。,7.1.3,金属的锻造性,金属的锻造性能是指材料在锻压加工时的难易程度。它是金属工艺性能的一个重要指标，通常用塑性好坏和变形抗力大小两个指标来衡量。若金属材料在锻压加工时塑性好，变形抗力小，则锻造性能好；反之，则锻造性能差。金属的锻造性能主要取决于材料的性质及其变形条件。,1,材料的性质,（,1,）化学成分 不同化学成分的金属材料具有不同的塑性，其锻造性能也有很大的差异。一般纯金属比合金的塑性好变形抗力小，因此纯金属比合金的锻造性能好；合金元素的含量越高，塑性越差，变形抗力越大，因此，低合金钢比高合金钢的锻造性能好；对钢来讲，含碳量低的钢比含碳量高的钢塑性好，因此，低碳钢比高碳钢的锻造性能好。,（,2,）组织结构 金属内部的组织结构不同，其可锻性也不同。金属的晶粒越细，塑性越好，但金属变形抗力越大。金属的组织越均匀，塑性也越好，锻造性能好。相同成分的合金，单相固溶体比多相固溶体塑性好，变形抗力小，锻造性能好。若含有多种合金而组成不同性能的组织结构，则塑性降低，锻造性能较差。,另外，一般来说，面心立方和体心立方结构的金属比密排六方结构的金属塑性好。金属组织内部有缺陷，如铸锭内部有疏松气孔等缺陷，将引起金属的塑性下降，锻造时易出现锻裂等现象。,2,变形条件,（,1,）变形温度,温度的高低直接影响金属的锻造性能。随着变形温度的升高，金属原子的动能增大，削弱了原子间的引力，滑移所需的应力下降，金属的塑性增加，变形抗力降低，锻造性变好。但变形温度过高，晶粒将急剧长大，从而降低了金属材料的力学性能，这种现象称为“过热”。当变形温度进一步升高到接近金属材料的熔点时，金属晶界产生氧化，锻造时金属易沿晶界产生裂纹，这种现象称为“过烧”。过热可通过重新加热锻造和再结晶使金属恢复原来的力学性能，但过烧则导致金属报废。因此，必须将金属的锻造温度控制在一定的温度范围内，来保证锻件的质量。,（,2,）变形速度,变形速度是指金属在单位时间内的变形量。它对锻造性能有两个方面的影响：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、变形抗力增加，使金属的可锻性变差，因此塑性较差的材料（如铜和高合金钢）宜采用较低的变形速度（即用液压机而不用锻锤）成形；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，热效应越明显，则金属的塑性提高、变形抗力下降,(,图,7.7,中,a,点以后,),，使金属的可锻性变好，因此生产上常用高速锤锻造高强度、低塑性等难以锻造的合金。,图,7.7,变形速度对塑性及变形抗力的影响,1,变形抗力曲线,2,塑性变化曲线,（,3,）变形方式（应力状态）,金属的变形方式不同，它在变形时的内应力状态也不同。实践证明，三个方向上压应力的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。挤压时，金属处于三向压应力状态，金属呈现良好的塑性状态（如图,7.8,）。拉拔时，坯料沿轴向受到拉应力，其他方向为压应力，这种应力状态的金属塑性较差（如图,7.9,）。镦粗时，坯料中心部分受到三向压应力，周边部分上下和径向受到压应力，而切向为拉应力，周边受拉部分塑性较差，易镦裂。,图,7.8,挤压时金属应力状态,图,7.9,拉拔时金属应力状态,7.2,锻造,锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下，对金属坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及性能，用以制造机械零件或零件毛坯的成形加工方法。锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的，因此也称为金属热变形或热锻。,在锻造加工过程中，能压密或焊合铸态金属组织中的缩孔、缩松、空隙、气泡和裂纹等缺陷，又能细化晶粒和破碎夹杂物，从而获得一定的锻造流线组织。因此，与铸态金属相比，锻造具有细化晶粒、致密组织，并具有连贯的锻造流线，其性能得到了极大的改善。此外，锻造还具有生产率高，节省材料的优点。主要用于生产各种重要的、承受重载荷的机器零件或毛坯，如机床的主轴和齿轮、内燃机的连杆、起重机的吊钩等。在锻造过程中，由于高温下金属表面的氧化和冷却收缩等各方面的原因，使锻件精度不高、表面质量不好，加之锻件结构工艺性的制约，锻件通常只作为机器零件的毛坯。,7.2.1,自由锻,自由锻是指利用冲击力或压力，将加热好的金属坯料，用简单的通用性工具或在锻造设备的上、下砧铁之间，使坯料产生变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件的加工方法。坯料在锻造过程中，除与上、下砧铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，故无法精确控制变形的发展。采用自由锻方法生产的锻件称为自由锻件。,自由锻通常可分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻主要是依靠人力利用简单工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸从而获得所需锻件。手工锻造只能生产小型锻件，生产率低，劳动强度大，锤击力小，在现代工业生产中已为机器锻造所代替。机器自由锻主要依靠专用的自由锻设备和专用工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸，从而获得所需锻件。,自由锻所用工具简单、通用性强、灵活性大，因而自由锻应用较为广泛，生产准备周期短；但是由于锻件的形状与尺寸主要靠人工操作来控制，故存在锻件精度低、加工余量大、生产效率低及劳动强度大等缺陷。,生产的自由锻件质量可以从,1,千克的小件到,300,吨的大件，适合于单件和小批生产，修配以及大型锻件的生产和新产品的试制等，特别是特大型锻件的生产，自由锻是唯一可行的加工方法，所以自由锻在重型工业中具有重要意义。例如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆、重要的齿轮等零件。,1,自由锻工序,自由锻工序分为基本工序、辅助工序、精整（或修整）工序三大类。,（,1,）基本工序,基本工序是指锻造过程中，使金属材料产生一定程度的塑性变形，从而达到所需形状和所需尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割和扭转等，见表,7.1,。实际生产中最常用的是镦粗、拔长和冲孔三个基本工序。,镦粗,沿工件轴向进行锻打，使其长度减小，横截面积增大的操作过程。常用来锻造齿轮坯、凸缘、圆盘等零件，也可用来作为锻造环、套筒等空心锻件冲孔前的预备工序。,镦粗时，坯料不能过长，高度与直径之比应小于,2.5,，以免镦弯，或出现细腰、夹层等现象。坯料镦粗的部位必须均匀加热，以防止出现变形不均匀。镦粗可分为全镦粗和局部镦粗两种形式。,拔长,拔长是沿垂直于工件的轴向进行锻打，以使其截面积减小，而长度增加的操作过程。常用于锻造轴类和杆类等零件。,对于圆形坯料，一般先锻打成方形后再进行拔长，最后锻成所需形状，或使用,V,型砧铁进行拔长，在锻造过程中要将坯料绕轴线不断翻转。拔长的方法主要有在平砧上拔长和在芯棒上拔长两种形式。,冲孔,利用冲头在工件上冲出通孔或盲孔的操作过程。常用于锻造齿轮、套筒和圆环等空心锻件，对于直径小于,25 mm,的孔一般不锻出，而是采用钻削的方法进行加工。冲孔的方法主要有单面冲孔法和双面冲孔法两种形式。,在薄坯料上冲通孔时，可用冲头一次冲出。若坯料较厚时，可先在坯料的一边冲到孔深的,2,3,深度后，拔出冲头，翻转工件，从反面冲通，以避免在孔的周围冲出毛刺。,实心冲头双面冲孔时，圆柱形坯料会产生畸变。畸变程度与冲孔前坯料直径,D,0,、高度,H,0,和孔径,d,1,等有关。,D,0,/d,1,愈小，畸变愈严重，另外冲孔高度过大时，易将孔冲偏，因此用于冲孔的坯料直径,D,0,与孔径,d,1,之比（,D,0,/d,1,）应大于,2.5,，坯料高度应小于坯料直径。,镦粗,冲孔,马杠扩孔,心轴拔长,弯曲,切割,错移,扭转,拔长,（,2,）辅助工序,辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如钢锭倒棱、压痕、压钳把等（见表,7.2,）。,校正,滚圆,平整,2,自由锻设备,根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备分为锻锤和液压机两大类。前者用于锻造中、小自由锻件，后者主要用于锻造大型自由锻件。自由锻设备的选择应根据锻件大小、质量、形状以及锻造基本工序等因素，并结合生产实际条件来确定。,（,1,）锻锤,锻锤产生冲击力使金属坯料变形，锻锤的吨位以落下部分的质量来表示。锤锻的通用设备是空气锤和蒸汽,-,空气自由锻锤。,空气锤利用电动机带动活塞产生压缩空气，使锤头上下往复运动进行锤击，落下部分重量在,40,1 000 kg,之间。它的特点是结构简单，操作方便，维护容易，但吨位较小，锤击能量较小，只能锻造,100 kg,以下的小型锻件。,空气锤的结构如图,7.10,所示，它主要由以下几个主要部分组成：,机架部分 机架又称锤体，由工作缸、压缩缸、锤身和底座等组成。,传动部分 由电动机、减速器、曲柄连杆及压缩活塞等组成。,操纵部分 由上旋阀、下旋阀、旋阀套和操纵手柄（踏杆）等组成。,工作部分 由落下部分（工作活塞、锤杆和上砧）和锤砧（砧座、砧垫、下砧）等组成。,为满足锻造的稳定性，砧座的质量要求不小于落下部分质量的,12,15,倍。砧座安装在坚固的钢筋混凝土基础上，而且在砧座与基础之间垫有垫木，以消除打击时产生的震动。,图,7.10,空气锤的结构和工作原理,1,踏杆,2,砧座,3,砧垫,4,下砧,5,上砧,6,锤杆,7,工作缸,8,下旋阀,9,上旋阀,10,压缩气缸,11,手柄,12,锤身,13,减速器,14,电动机,15,工作活塞,16,压缩活塞,17,连杆,18,曲柄,蒸汽,-,空气锤利用压力为,0.6,0.9,Mpa,的蒸汽或压缩空气作为动力，其吨位稍大，可用来生产质量小于,1 500 kg,的锻件。但蒸汽或压缩空气由单独的锅炉或空气压缩机供应，投资比较大。,常用的双柱式蒸汽,-,空气锤的构造如图,7.11,所示，其主要组成部分有：,机架部分 机架又称锤身，由铸铁或铸钢铸成的左右立柱,15,组成，并由螺栓紧固在底座,16,上，再用前后拉杆将两立柱连接起来，以增强刚性。,气缸及缓冲机构 气缸,9,是将蒸汽或压缩空气所具有的能量转变为打击功能的结构，在上部安装有缓冲气缸,10,，以防止活塞,8,冲击气缸盖。,落下部分 落下部分包括上砧,4,、锤头,5,、锤杆,7,和活塞,8,等。,配气,操纵机构 配气机构位于气缸侧面，由滑阀,11,和节气阀,12,组成。操纵机构由滑阀操纵杆,13,和节气阀操纵杆,14,等组成。操纵机构的作用是通过操纵滑阀和节气阀，使锤头实现悬空、压紧工件、单次打击和连续打击等动作。,砧座 砧座由砧座,1,、砧垫,2,和下砧,3,组成。砧座的质量是落下部分质量的,10,15,倍，足够的质量可保证打击时不会产生弹跳和减弱打击，也不易产生下沉。,图,7.11,双柱式蒸汽,空气自由锻锤,1,砧座,2,砧垫,3,下砧,4,上砧,5,锤头,6,导轨,7,锤杆,8,活塞,9,气缸,10,缓冲缸,11,滑阀,12,节气阀,13,滑阀操纵杆,14,节气阀操纵杆,15,立柱,16,底座,17,拉杆,（,2,）液压机,液压机产生静压力使金属坯料变形。由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深度，可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。液压机是大型锻件的唯一成形设备，故大型先进液压机的制造和拥有量常常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。另外，液压机工作平稳，金属变形过程中无振动，噪音小，劳动条件较好。但液压机设备庞大、造价高。,目前大型水压机可达万吨以上，能够锻造,300,吨的锻件。我国已经能自行设计制造,125 000 KN,以下的各种规格的自由锻水压机。水压机是根据液体的静压力传递原理（即帕斯卡原理）设计制造的。水压机主要由本体和附属设备组成。水压机本体的典型结构如图,7.12,所示，它由固定系统和活动系统两部分组成：,固定系统 主要由固定在基础上的下横梁,1,、立柱,3,、上横梁,6,、工作缸,9,和回程缸,10,等组成，,活动系统 主要由活动横梁,5,、工作柱塞,8,、回程柱塞,11,、回程横梁,14,和回程拉杆,15,等部分组成。,水压机的附属设备主要有水泵、蓄压器、充水罐和水箱等。,图,7.12,水压机本体的典型结构,1,下横梁,2,下砧,3,立柱,4,上砧,5,活动横梁,6,上横梁,7,密封圈,8,柱塞,9,工作缸,10,回程缸,11,回程柱塞,12,、,13,管道,14,回程横梁,15,回程拉杆,在水压机上锻造时，以压力代替锤锻时的冲击力，大型水压机能够产生数万,KN,，甚至更大的锻造压力，坯料变形的量大，锻透深度大，从而可改善锻件内部的质量，这对于以钢锭为坯料的大型锻件是很必要的。,3,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。,自由锻工艺规程主要包括绘制锻件图、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内容。,（,1,）绘制锻件图,锻件图是以零件图为基础，结合自由锻工艺特点绘制而成的图形，它是制定锻造工艺过程和锻件检验的依据。锻件图必须全面而准确的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）。,绘制锻件图时主要考虑以下几个因素：,敷料（余块）对难以用自由锻方法锻出的键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等结构，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。它将在切削加工时去除，如图,7.13,所示。,锻件余量 因为自由锻的锻件一般需要进一步切削加工，故在零件的加工表面上应增加供切削加工用的余量，这部分余量称之为锻件余量，如图,7.13,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。,锻件公差 是指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，通常为加工余量的,1/4,1/3,。,图,7.13,锻件余量及敷料,1,敷料,2,余量,自由锻件余量和锻件公差可查有关手册。钢轴自由锻件的余量和锻件公差。见表,7.4,所示。,钢轴自由锻件余量和锻件公差,（,双边,）（,mm,）,零件长度,零件直径,50,5080,80120,120160,160200,200250,锻件余量和锻件公差,315,52,62,72,83,315630,62,72,83,93,103,114,6301000,72,83,93,103,114,124,10001600,83,93,103,114,124,134,在锻件图上，锻件的外形用粗实线表示，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，如图,7.14,所示。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,7.14,典型锻件图,（,2,）计算坯料的质量与尺寸,确定坯料的质量 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,坯料加热时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。,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。,确定坯料的尺寸,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（如镦粗、拔长等）的锻造比、高度与直径之比等计算出坯料的横截面积、直径或边长等尺寸。,典型锻件的锻造比见表,7.5,所示。,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,（,3,）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,7.6,所示。,自由锻件分类及所需锻造工序,锻件类别,图 例,锻造,工序 实例,盘类零件,镦粗、冲孔等,齿轮、法兰等,轴类零件,拔长（或镦粗拔长）、切肩、锻台阶等,传动轴、主轴等,筒类零件,镦粗（或拔长镦粗）、冲孔、在芯轴上拔长、滚圆等,圆筒、套筒等,锻件类别,图 例,锻造,工序 实例,杆类零件,拔长、压肩、修整、冲孔等,连杆等,曲轴类零件,拔长、错移、压肩、扭转、滚圆等,曲轴、偏心轴等,环类零件,镦粗、冲孔、在芯轴上扩孔等,齿圈、圆环等,弯曲类零件,拔长、弯曲等,吊钩、弯杆等,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。,4,锻造温度范围,锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。,锻造温度范围应尽量选宽一些，以减少锻造火次，提高生产率。加热的始锻温度一般取固相线以下,100,200,，以保证金属不发生过热与过烧。终锻温度一般高于金属的再结晶温度,50,100,，以保证锻后再结晶完全，锻件内部得到细晶粒组织。此外，锻件终锻温度还与变形程度有关，变形程度较小时，终锻温度可稍低于规定温度。部分金属材料的锻造温度范围见表,7.7,。,部分金属材料的锻造温度范围,材料类型,锻造温度,/,保温时间,/minmm-1,始 锻,终 锻,10,、,15,、,20,、,25,、,30,、,35,、,40,、,45,、,50,1 200,800,0.25,0.7,15CrA,、,16Cr2MnTiA,、,38CrA,、,20MnA,、,20CrMnTiA,1 200,800,0.3,0.8,12CrNi3A,、,12CrNi4A,、,38CrMoAlA,、,25CrMnNiTiA,、,30CrMnSiA,、,50CrVA,、,18Cr2Ni4WA,、,20CrNi3A,1 180,850,0.3,0.8,40CrMnA,1 150,800,0.3,0.8,铜合金,800900,650700,铝合金,450500,350380,5,自由锻工艺举例,半轴的自由锻造工艺卡片见表,7.8,所示。,半轴自由锻工艺卡,锻件名称,半 轴,图 例,坯料质量,26kg,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,7.2.2,模型锻造,将加热后的坯料放在模锻设备上的锻模模镗内，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。,与自由锻相比，模锻具有如下优点：,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。,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。,模锻件的尺寸较精确，表面质量较好，加工余量较小。,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。,模锻操作简单，劳动强度低，易于实现机械化。,但是，模锻生产受模锻设备吨位限制，模锻件的质量一般在,150 kg,以下。模锻设备投资较大，模具加工工艺复杂、制造周期长、费用高，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。随着,CAD/CAM,技术的飞速进步，锻模的制造周期将大大缩短。,模锻按使用的设备不同，可分为：锤上模锻、压力机上模锻和胎模锻。,1,锤上模锻,锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头作上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。模锻工作示意图如图,7.15,所示。,图,7.15,模锻工作示意图,1,砧铁,2,模座,3,下摸,4,上模,5,楔铁,6,锤头,7,、,10,坯料,8,连皮,9,毛边,11,锻件,锤上模锻的工艺特点是金属在模膛中是在一定速度下，经过多次连续锤击而逐步成形的。,锤头的行程、打击速度均可调节，能实现轻重缓急不同的打击，因而可进行制坯工作。,由于惯性作用，金属在上模模膛中具有更好的充填效果。,锤上模锻的适应性广，可生产多种类型的锻件，可以单膛模锻，也可以多膛模锻。,模锻锤包括蒸汽,空气模锻锤、无砧座锤、高速锤和螺旋锤。其中蒸汽,空气模锻锤是普遍应用的模锻锤，其结构如图,7.16,所示。,图,7.16,模锻锤,锤上模锻能完成镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻和终锻等各变形工步的操作，锤击力量的大小和锤击频率可以在操作中自由控制和变换，以完成各种轴类锻件的模锻，在各种模锻方法中具有较好的适应性；该设备结构简单、造价低、操作简单、使用灵活，是我国当前模锻生产中应用最多的一种锻造方法。目前广泛应用于汽车、船舶及航空锻件的生产。其缺点是振动和噪音大，劳动条件较差，难以实现较高程度的机械化；完成一个变形工步要经过多次锤击，生产率仍不太高。由于锤上模锻打击速度较快，对变形速度较敏感的低塑性材料不如在压力机上模锻的效果好。因而，在大批生产中有逐渐被压力机上模锻取代的趋势。,（,1,）锻模,根据模膛功用不同，锻模可分为模锻模膛和制坯模膛两类。,模锻模膛可分为预锻模膛和终锻模膛两种。,预锻模膛,其作用是使外形较为复杂的锻件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，延长锻模的使用寿命。预锻模膛和终锻模膛的主要区别是前者的圆角半径和模锻斜度较大，高度较大，一般不设飞边槽。对于形状简单或批量不大的模锻件可不设置预锻模膛。,终锻模膛,其作用是使金属坯料最终变形到所要求的形状与尺寸。由于模锻需要加热后进行，锻件冷却后尺寸会收缩，所以终锻模膛的尺寸应比实际锻件尺寸放大一个收缩量。钢锻件的收缩量可取,1.5%,。模膛四周设飞边槽，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，另外还可以起到缓冲作用，减弱对上下模的打击，防止锻模开裂。飞边槽在锻后利用压力机上的切边模去除。,对于有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的凸起部分把金属完全挤压掉，故终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮,(,如图,7.17),。把冲孔连皮和飞边冲掉后，才能得到有通孔的模锻件。,图,7.17,齿轮坯模锻件图,1-,毛边,2-,模锻斜度,3-,加工余量,4-,不通孔,5-,凹圆角,6-,凸圆角,7-,分模面,8-,冲孔连皮,9-,零件,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，以便模锻时使金属合理分布，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：,拔长模膛 减小坯料某部分的横截面积，以增加其长度。操作时一边送料一边反转。拔长模膛分为开式和闭式两种，如图,7.18,所示（,a,为开式，,b,闭式）。,滚压模膛,减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积，使金属坯料能够按模锻件的形状来分布。操作时需不断反转坯料，滚压模膛分为开式和闭式两种，如图,7.19,所示（,a,为开式，,b,闭式）。,a,）开式,b,）闭式,图,7.18,拔长模膛,a,）开式,b,）闭式,图,7.19,滚压模膛,弯曲模膛,使坯料弯曲，如图,7.20a,所示。坯料可直接或先经其他工步后再放入弯曲模膛进行弯曲变形。,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,7.20b,所示。可用于从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口，也可用于多件锻造后分离成单个锻件。a,）弯曲模膛,b,）切断模膛,图,7.20,弯曲和切断模膛,根据锻件的复杂程度，锻模可设计成单膛锻模和多膛锻模两种。对于形状简单的锻件，在锻模上只需一个终锻模膛，即锻模可设计成单膛锻模；对于形状复杂的锻件，根据需要可在锻模上安排多个模膛，即锻模可设计成多膛锻模。图,7.21,是弯曲连杆锻件的锻模,(,下模,),及模锻工序图。锻模上有,5,个模膛，坯料经过拔长,1,、滚压,2,、弯曲,5,三个制坯工序，使截面、轮廓与锻件相接近，再经预锻,4,、终锻,3,制成带有飞边的锻件，最后在切边模,6,上切去飞边，得到锻件。,图,7.21,弯曲连杆锻模（下模）与模锻工序图,1,拔长模膛,2,滚压模膛,3终端模膛,4,预锻模膛,5,弯曲模膛,（,2,）模锻工艺规程的制定,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、确定锻造温度范围及安排修整工序等。,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。,分模面,上下锻模的分界面。分模面关系到锻件成型、出模及材料利用率等问题，选择合适的分模面应按以下原则进行：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，如图,7.22,所示，若选,a,-,a,面为分模面，则无法从模膛中取出锻件；应使零件上所加的敷料最少，如图,7.22,所示，若将,b,-,b,面选作分模面，零件中间的孔不能锻出，其敷料最多，既降低了材料的利用率，又增加了切削加工工作量，另外，模膛太深，金属不易充满模膛，所以该面不宜选作分模面；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,7.22,所示，若选,c,-,c,面为分模面，则不容易发现错模；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。,按上述原则综合分析，该模锻件的分模面应选在最大截面尺寸上。如图,7.22,所示的,d,-,d,面为最合理的分模面。,图,7.22,分模面比较图,加工余量和锻件公差 模锻件加工余量和公差比自由锻小得多一般余量为,1,4 mm,，公差为,0.3,3mm,。其具体数值可查相关手册。,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，如图,7.23,所示。外斜度,值一般取,5,10,，内斜度,值为,7,15,。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（,h,b,）较大时，模锻斜度取较大值。,模锻圆角半径,为使金属容易充满模膛，避免模锻内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的寿命，在模锻件上所有平面的交角处均需做成圆角过渡，此过渡处称为锻件的圆角，如图,7.24,所示。钢的模锻件外圆角半径,r,取,1.5,12mm,，内圆角半径,