1、第四章 锻造成型技术主讲：卢海静4.1锻造成型概述什么是锻造？什么是锻造？金属塑性加工方法之一金属塑性加工方法之一锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是件。为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件锻造是一种通过模具和工具利用
2、压力使工件成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前法之一，可以追溯到公元前4000年年甚至甚至8000年。年。锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航空、航天、兵器以及其它许多工业部门。空、航天、兵器以及其它许多工业部门。航空航天武器装备交通运输中国动车组列车中国动车组列车全全 铝铝 汽汽 车车 齿轮齿轮 曲轴曲轴 连杆连杆1任务：解决锻件的成形及其内部组织性能的任务：解决锻件的成形及其内部组织性能的控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。2目的：锻造的目的：
3、锻造的根本目的根本目的是利用外加载荷（冲是利用外加载荷（冲击载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使金属击载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使金属毛坯产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸毛坯产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件，同时使锻件机械性能和内部组织符合的锻件，同时使锻件机械性能和内部组织符合一定的技术的要求。一定的技术的要求。实质实质：锻造工艺的实质是如何：锻造工艺的实质是如何利用金属的塑性使金属毛坯改利用金属的塑性使金属毛坯改变形状和性能而成为合格锻件变形状和性能而成为合格锻件的加工过程。的加工过程。一、锻造生产的特点及其在国民经济中的作用（一）锻造生产的优点和缺点（一）锻造生产的优点
4、和缺点 1优点：优质、高产、低消耗、灵活。优点：优质、高产、低消耗、灵活。 1) 优质优质 指可以改善金属组织性能。指可以改善金属组织性能。 金属零件的传统生产过程是：金属零件的传统生产过程是： 冶炼冶炼制坯制坯切削加工切削加工热处理热处理 制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻造毛坯。造毛坯。 铸造毛坯的组织性能差，只适用于性能要求铸造毛坯的组织性能差，只适用于性能要求低的零、部件低的零、部件锻造：锻造： 纤维组织纤维组织变形后的杂变形后的杂质仍具有方向性，呈现纤维质仍具有方向性，呈现纤维状条纹状条纹 锻造流线锻造流线变形后杂质变形后杂质的纤维分布，使组
5、织、的纤维分布，使组织、 性能性能呈方向性呈方向性钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意2) 高产高产 指机械化生产，生产率高指机械化生产，生产率高 二、三百件二、三百件/小时，现在更高了，一百多件小时，现在更高了，一百多件/分，分，1.2万件万件/小时。据统计，每模锻小时。据统计，每模锻100万吨钢，由于提高了万吨钢，由于提高了生产率，可比切削加工减少生产率，可比切削加工减少23万工人，少用万工人，少用15000台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成半成品零件，只是难易属材料都可用锻造方法制成
6、半成品零件，只是难易程度不同而已。程度不同而已。今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线3) 低消耗低消耗 指少、无切削，省工省料。指少、无切削，省工省料。 4) 灵活灵活 指锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯指锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯等），也可锻制形状
7、复杂、不需或只需少量切削加工的精等），也可锻制形状复杂、不需或只需少量切削加工的精密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）锻件的重量小的不到锻件的重量小的不到1公斤公斤 大的可达几百吨大的可达几百吨单件小批量生产单件小批量生产 大批量生产。大批量生产。2缺点：缺点：1)模具成本高，加工周期长。模具成本高，加工周期长。 2)受锻造设备吨位的限制。受锻造设备吨位的限制。（二）锻造业的地位锻造在工业生产中占有锻造在工业生产中占有举足轻重举足轻重的地位。的地位。 锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的工业、农业、国防和科学技术的影响，的工业、农业、国
8、防和科学技术的影响，难以估量。难以估量。锻造生产的能力在一定程度上锻造生产的能力在一定程度上标志标志着一个着一个国家的国家的工业水平工业水平。二、锻件生产的分类及其工艺流程根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造、根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造、模锻和特种锻造。模锻和特种锻造。1自由锻造自由锻造 把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。 手工锻造手工锻造自由锻自由锻 机械（锤上自由锻
9、和水压机上自由锻）机械（锤上自由锻和水压机上自由锻）u自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单、粗糙度自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单、粗糙度要求较低、加工余量较大的锻件生产。要求较低、加工余量较大的锻件生产。u使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产准备周期短，所以使用范围广。准备周期短，所以使用范围广。u锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大，锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大，不易保证，生产效率低。不易保证，生产效率低。自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称胎胎模锻模锻。 胎模锻造是把加热好的坯料用
10、自由锻方法预胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料胎模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放入胎模内成形），这种锻造方法称为胎模锻放入胎模内成形），这种锻造方法称为胎模锻造。造。 2模锻模锻 把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造的方法称为模锻。模具内进行锻造的方法称为模锻。由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形状一致的锻件。状一致的锻件。根据根据变形特点变形特点，分为开式模锻和闭式
11、模锻。，分为开式模锻和闭式模锻。根据根据设备结构特性和工艺特性设备结构特性和工艺特性的不同，分为的不同，分为锤上模锻（自由锻锤上模锻、高速锤上模锤上模锻（自由锻锤上模锻、高速锤上模锻）、摩擦压力机上模锻、热模锻压力机上锻）、摩擦压力机上模锻、热模锻压力机上模锻、液压机上模锻、平锻机上模锻、专用模锻、液压机上模锻、平锻机上模锻、专用锻压机上模锻等。锻压机上模锻等。模锻适用于形状复杂，尺寸精度较高，加工模锻适用于形状复杂，尺寸精度较高，加工余量小，批量生产的中、小型锻件。余量小，批量生产的中、小型锻件。形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。精密锻件的成形也要通
12、过模锻来实现。精密锻件的成形也要通过模锻来实现。3特种锻造特种锻造 即在专用锻压设备上或在特殊模具型槽内使即在专用锻压设备上或在特殊模具型槽内使坯料成形的一种特殊锻造工艺。坯料成形的一种特殊锻造工艺。一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻造工艺。造工艺。 如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动辗压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和动辗压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超塑性模锻等。超塑性模锻等。 锻造工艺流程锻造工艺流程是指生产一个锻件所经过是指生产一个锻件所经过的锻造生产过程。的锻造生产过程。以模锻为例，其锻造工艺流程是
13、：以模锻为例，其锻造工艺流程是：备料备料加热加热模锻模锻切边、冲孔切边、冲孔热处理热处理酸洗、清理酸洗、清理校正。校正。 一般来说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产，一般来说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产，与形状、尺寸、技术要求和生产批量大小等很多与形状、尺寸、技术要求和生产批量大小等很多因素有关。因素有关。 通常，单件、小批量生产通常，单件、小批量生产 自由锻方法自由锻方法 大批量大批量 模锻方法模锻方法 生产生产 但有些但有些航空重要产品航空重要产品上的锻件，虽然批量不大，上的锻件，虽然批量不大，但由于流线和性能等方面的要求，要求工艺的一但由于流线和性能等方面的要求，要求工艺的一致性等，通
14、常也采用模锻方法生产。致性等，通常也采用模锻方法生产。三、锻造工艺的发展简史及其发展趋势（一）锻造技术的发展简史（一）锻造技术的发展简史 人类人类在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前制造装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。 最初最初，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再
15、自由落下的方法锻打坯料。索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。14世世纪以后出现了畜力和水力落锤锻。纪以后出现了畜力和水力落锤锻。 为锻铜浮雕。是为锻铜浮雕。是手工锻造作品。手工锻造作品。手工锻造是一种手工锻造是一种古老的金属加工古老的金属加工工艺，是以手工工艺，是以手工锻打的方式，在锻打的方式，在金属板上锻锤出金属板上锻锤出各种高低凹凸不各种高低凹凸不平的浮雕效果。平的浮雕效果。18421842年，英国的内史密斯制成第一台年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤蒸汽锤，使锻，使锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气
16、锻锤和机械压力机。夹板电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。夹板锤最早应用于美国内战锤最早应用于美国内战(1861(18611865)1865)期间，用以模期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤蒸汽模锻锤，模，模锻工艺逐渐推广。到锻工艺逐渐推广。到1919世纪末已形成近代锻压机械世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。的基本门类。 20世纪初期，随着汽车开始大量生产，世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻热模锻迅速迅速发展，成为锻造的主要工艺。发展，成为锻造的主要工艺。锻压经过锻压经过100多年的发展，今天已成为多年的发展，今天已成为一门综合性学科。一
17、门综合性学科。它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为理论基础，同时涉及传热学、物理化学、理论基础，同时涉及传热学、物理化学、机械运动等相关学科，以锻造、冲压等机械运动等相关学科，以锻造、冲压等为技术，与其它学科一起支撑为技术，与其它学科一起支撑机器制造机器制造业业。我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有一定还有一定差距差距。表现在：表现在： 1) 工业发达国家的模锻件已占全部锻件的工业发达国家的模锻件已占全部锻件的70以上，而我国尚不足以上，而我国尚不足30。 2) 国外有成千条锻造自动生产线，大型自由国外有成千条锻造自动
18、生产线，大型自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机等。而锻造水压机普遍配备了锻造操作机等。而我国在这些方法还很薄弱。我国在这些方法还很薄弱。 3) 精锻技术和大型锻件的生产水平与一些精锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发展国家相比较低，一些航空产品工业发展国家相比较低，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由锻件还常上的精锻件和重要的大型自由锻件还常常需从国外进口。常需从国外进口。4) 在在CAD/CAM方面，一些发达国家已进方面，一些发达国家已进入实用阶段，在这些方面，我国还刚刚入实用阶段，在这些方面，我国还刚刚起步。起步。 （二）锻造生产的发展趋势1) 总趋势是使锻件形状、尺寸和表面质量总趋势
19、是使锻件形状、尺寸和表面质量最大限度地与产品零件相接近，以达最大限度地与产品零件相接近，以达到少、无切削加工的目的，为此应逐到少、无切削加工的目的，为此应逐步发展和完善步发展和完善精密成形新技术精密成形新技术，发展，发展高效精密的锻压设备。高效精密的锻压设备。2) 为适应大批量生产的需要，应发展为适应大批量生产的需要，应发展专业专业化的连续生产线化的连续生产线，建立地区性的专门，建立地区性的专门化锻造中心，如齿轮精锻中心、连杆化锻造中心，如齿轮精锻中心、连杆锻造中心、标准件锻造中心等，以利锻造中心、标准件锻造中心等，以利于进行技术改造及采用最新设备和先于进行技术改造及采用最新设备和先进工艺。进
20、工艺。 3) 为适应新产品开发，缩短研制周期，应发展为适应新产品开发，缩短研制周期，应发展柔柔性加工技术和性加工技术和CAD/CAM 技术技术。p CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。综合性强、应用范围广等特点。CAD/CAM技术是先进制造技术技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等
21、都发生了根本性的变化。和工作方式等都发生了根本性的变化。CAD/CAM技术已成为衡技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。p 锻模的锻模的CAD/CAM的主要优点有：的主要优点有： 设计的速度快、准确性高，且可将设计人员从繁重的重复性设计的速度快、准确性高，且可将设计人员从繁重的重复性劳动中解脱出来。劳动中解脱出来。 可以把多方面的经验和研究成果集中起来，方便地应用于设可以把多方面的经验和研究成果集中起来，方便地应用于设计加工，提高设计质量。计加工，提高设计质量。 可以实现多方案比较设计，达到优化的目的。可以实现多方案
22、比较设计，达到优化的目的。 4) 提高锻件的内在提高锻件的内在质量质量。 5) 提高机械化、提高机械化、自动化自动化水平。水平。 6) 发展以煤气、油、电等为热源的发展以煤气、油、电等为热源的先进加热先进加热技术，改善技术，改善劳动条件。劳动条件。（三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳（三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳为如下：为如下：l装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低l管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散l厂家封闭式经营厂家封闭式经营l 研究和生产不平衡研究和生产不平衡4.2金属的可锻性概念
23、：可锻性是金属材料在压力加工时成形的难易程度。1 . 1 . 可锻性的衡量指标可锻性的衡量指标1 1）塑性：）塑性：2 2）变形抗力：）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。是指压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力，材料的变形抗力越小，其可锻性越好。2 . 2 . 影响可锻性的因素影响可锻性的因素1 1）金属的本质）金属的本质化学成分：Me越低，材料的可锻性越好。组织结构：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。2 2）变形条件）变形条件 变形温度的影响 随温度的升高，塑性提高，变形抗力降低，可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。 但温度过高，会产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺
24、陷，甚至使锻件报废。 始锻温度高（比AE线低200左右），终锻温度低（800左右）。2 2）变形条件）变形条件v塑性、变形抗力塑性变形抗力cv变形速度变形速度即单位时间的变形程度。 低速设备：随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象，金属塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差。 高速设备：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，可锻性变得更好。（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，称作热效应）。2 2）变形条件）变形条件应力状态：塑性：三个方向的应力中，压应力的数目越多，则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。变形抗力：同号应力状态下引起的变形抗力大三向压应力塑性最好、变形抗力最大。三向拉应力塑性最差、变形抗力最小。
