1、第十章第十章 热锻工艺及模具设计热锻工艺及模具设计第一节 锻造加热第二节 自由锻造工艺第三节 胎膜锻造工艺及胎膜具第四节 模锻工艺及模具第五节 模锻后续工序第一节第一节 锻造加热锻造加热一、锻坯加热的目的二、确定锻造温度范围三、加热速度及锻后冷却方法四、加热方法及设备五、加热缺陷及危害第一节第一节 锻造加热锻造加热一、锻坯加热的目的金属加热时，随温度升高，原子的热运动加剧，内部能量增加，削弱原子间的结合力的同时，滑移阻力减小，因而塑性提高，变形抗力减小，改善了可锻性。从宏观上看，加热可使锻造时金属的流动性增强，提高充型性。因此，加热不仅可以改善金属变形组织，还可提高锻造生产效率，节省动力能源。
2、第一节第一节 锻造加热锻造加热二、确定锻造温度范围1.始锻温度如果忽略锻坯出炉至开始锻打之间的温降，始锻温度即为锻造时允许加热的最高温度。确定始锻温度时，应保证金属不发生“过热”“过烧”现象；始锻温度过低，缩小锻造温度范围，减少锻造可操作时间，增加加热火次，浪费能源，降低生产效率。第一节第一节 锻造加热锻造加热二、确定锻造温度范围2.终锻温度图10-1碳钢的锻造温度范围终锻温度是允许的最低锻造温度。一般，碳钢的锻造温度范围根据铁碳相图可以直接确定，为避免过热、过烧，始 锻 温 度 应 处 于 始 熔 线 以 下150250，如图10-1所示。始锻温度随含碳量增高而降低，但低碳钢和过共析钢的终锻
3、温度均跨越两相区。第一节第一节 锻造加热锻造加热二、确定锻造温度范围合金种类始锻温度终锻温度锻造温度范围碳的质量分数0.9%的碳素钢合金结构钢低合金工具钢高速钢12001250115012001100115010501100115012001100115011001150750800750800800800800850850900450400300350250300350250300200250表10-1常用钢材的锻造温度范围(单位：)第一节第一节 锻造加热锻造加热三、加热速度及锻后冷却方法1.加热速度通常，提高加热速度有利于提高生产率，降低燃料消耗，而且还能减少氧化和脱碳，降低金属的烧损。但
4、过快的加热速度使塑性较差的大型铸锭内、外层产生较大温差，因膨胀不一致产生热应力，容易产生内部裂纹。根据生产经验，3t以下的碳素钢锭，可直接装入1200的高温炉内快速加热。而较大的钢锭，通常需要缓慢预热，至金属具有一定塑性后，方可快速加热。第一节第一节 锻造加热锻造加热三、加热速度及锻后冷却方法2.锻后冷却锻后冷却通常有五种方式。空冷是将锻件均匀摆放在干燥地面上，在静止空气中自然冷却，适用于低、中碳钢及合金结构钢的中、小型锻件；坑冷是将热锻件放入地坑或铁箱中缓慢冷却，适用于合金工具钢锻件；炉冷是指锻后的锻件放入炉中，随炉缓慢冷却，高合金钢及大型锻件通常锻后置于500700温度下随炉缓慢冷却；灰砂
5、冷却是将热锻件埋入砂、石灰或炉渣中缓慢冷却，适用于低合金钢及截面尺寸较大的锻件；堆冷是将锻件堆放在地面上自然冷却。第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备1.火焰加热火焰加热是利用煤、焦炭、重油、柴油或煤气等燃烧产生热能的高温气体，由金属表面向中心热传导，最终将坯料整体加热的方法。火焰加热成本较低，适用范围较广。但加热速度慢、效率低，并且难于准确控制加热温度。(1)明火炉将金属置于以煤为燃料的火焰中加热的炉子，称为明火炉或手锻炉，其结构简单，可移动。但加热温度不均匀，效率低，加热质量不易控制。仅适用于手工锻造或小型空气锤自由锻。第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备(2)反射
6、炉利用燃料在燃烧室中燃烧产生高温炉气及被炉顶反射到加热室中的火焰加热金属的炉子，称为反射加热炉，如图10-2所示。煤气反射炉加热面积大，加热质量好，适用于中小批量生产。图10-2反射炉的基本结构第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备(3)室(箱)式加热炉如图10-3所示，室式加热炉的炉膛两或三面为耐火墙，一或两面为装、出料门，可以煤、煤气或重油为燃料。室式炉的炉体结构比反射炉简单、紧凑，热效率较高，主要用于大批量锻造和大型钢锭加热的自由锻造生产。图10-3室式加热炉基本结构第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备2.电加热(1)感应电加热感应电加热的基本原理如图10-4所示。
7、将坯料置入感应器内，其两端通入交变电压u，感应圈内电流Iz生成的交变磁场使金属内部产生感应电流，依靠金属自身阻抗产生热量。感应加热速度快，坯料周围的热气氛不产生强烈流动，因此氧化脱碳较少。加热时，烧损通常小于0.5%，工作稳定，便于与锻造设备组成机械化自动化生产。图10-4 感应电加热基本原理第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备(2)接触电加热直接通入低压大电流，利用金属电阻产生热量将其自身加热，如图10-5所示。接触电加热的特点是加热速度快，金属烧损较少，耗电量少，成本低且操作简单。但对加热金属的表面粗糙度和形状尺寸要求比较严格，加热温度的测量和控制也相对困难。图10-5接触电加
8、热基本原理第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备(3)电阻炉加热电阻炉是利用电热元件将电能转变为热能，以辐射和对流方式加热金属的。图10-6所示为箱式电阻丝加热炉。采用电阻炉加热，可准确控制炉温，还可通入各种保护性气体，以避免或减轻加热氧化。图10-6箱式电阻丝加热炉第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备(4)盐浴炉加热盐浴炉加热是指用熔融盐液作为加热介质，将金属浸入盐液内进行加热的方法。盐浴炉的加热速度快，温度均匀。锻坯始终处于盐液内被加热，出炉时表面附有一层盐膜，能防止表面氧化和脱碳。盐浴炉加热介质的蒸气对人体有害，使用时须通风并严格遵守操作规程。第一节第一节 锻造加热
9、锻造加热四、加热方法及设备3.少无氧化加热为了提高锻件质量和节约钢材，锻造生产需要无氧化或少氧化加热，一般认为加热时金属烧损低于0.5%即为少氧化加热。(1)快速加热快速加热方法较多，常用的主要有火焰辐射快速加热和对流快速加热、电感应加热和接触电加热等。由于加热速度提高，使金属没有足够时间发生氧化，因而表面氧化层很薄。(2)介质保护加热介质保护加热是指利用保护介质使坯料与氧化性炉气隔离加热，可以避免氧化。通常采用的保护介质有气体(惰性气体等)、液体(熔盐等)、固体(珐琅粉等)。第一节第一节 锻造加热锻造加热四、加热方法及设备(3)少无氧化火焰加热少无氧化火焰加热是指适当控制燃烧的炉气性质，采用
10、敞焰加热或平焰加热消除氧化氛围的加热方法。敞焰加热是使燃料在炉内分层燃烧，下部为低温无氧化区，上部为高温氧化区，坯料置于下部加热可有效减轻表面氧化。但不能防止脱碳，炉温调整困难，坯料出炉后还可能发生二次氧化。平焰加热是利用平焰烧嘴燃烧，实现强化燃烧和强化传热，具有升温快、炉温均匀及控制简单等优点。第一节第一节 锻造加热锻造加热五、加热缺陷及危害1.氧化与脱碳金属在高温下加热时，表层的铁与炉中的氧化性气体发生反应生成氧化皮，造成烧损。锻造时氧化皮被压入锻件表面形成氧化坑，严重时使锻件形状、尺寸不足导致报废。氧化皮又硬又脆，磨损锻模工作表面，而且还会引起炉底腐蚀损坏。高温下的金属与氧化性炉气及某些
11、还原性气体接触时，使表层一定深度内碳元素烧失，称为脱碳。脱碳量较大时，会使零件表层硬度和耐磨性显著降低。第一节第一节 锻造加热锻造加热五、加热缺陷及危害2.过热和过烧金属加热超过某一临界温度或高温下停留时间过长，内部晶粒迅速变成粗大晶粒，称为过热。过热金属冷却到室温时，晶粒粗大导致塑性特别是冲击韧性极低。加热温度超过始锻温度过多，或在氧化性气氛的高温炉中过长时间保温，晶粒边界出现氧化或低熔点物质熔化的现象，称为过烧。过烧形成低熔点氧化物或低熔点氧化物的共晶体，严重破坏了晶粒间的联结能力。过烧是金属加热的致命缺陷，只有回炉重新冶炼或局部切除。第一节第一节 锻造加热锻造加热五、加热缺陷及危害3.内
12、部裂纹加热金属的表层与心部温差较大时会形成温度应力，易使心部产生裂纹。高碳钢或合金钢加热速度过快或装炉温度过高时，内、外产生较大温差和膨胀不一致，很容易引起内部裂纹。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺一、自由锻工艺特点及其分类二、自由锻工序分析三、自由锻件的结构工艺性四、制定自由锻造工艺规程第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺一、自由锻工艺特点及其分类1.工艺特点1)自由锻具有很大的灵活性、不需专用模具，适合于单件小批量生产。2)自由锻属于局部成形，工艺适应性强，所需锻打力比模锻小得多。3)使用简单通用性工具实现锻造，对设备精度要求不高，不需工装准备，因而容易组织生产。4)自由锻主要靠人
13、工控制坯料的变形量和变形方向，要求操作者具有一定锻打技术，只能锻造形状简单尺寸要求不高的毛坯件，生产效率比模锻低得多，劳动强度大。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺一、自由锻工艺特点及其分类2.自由锻造方法分类根据锻造设备产生作用力的性质，可分为锤上自由锻和压力机自由锻。空气锤落下部分质量小于750kg，只能用来锻造质量为0.512kg的小型锻件；蒸汽-空气锤的吨位较大，用于锻造质量在150kg以下的中型锻件。压力机自由锻造震动小，容易获得较大变形，适合于大型或超大型锻件生产。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析图10-7镦粗1.基本工序(1)镦粗镦粗是自由锻的最基本工
14、序，如图10-7所示，镦粗可分为平砧墩粗、垫环镦粗及局部镦粗。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析1)平砧镦粗如图10-7a所示，平砧镦粗是将锻坯置于上、下平砧之间锻击，使其高度减小直径增大的锻造工序。镦粗前、后的坯料高度分别为H0、H时，变形程度常用镦粗比kH表示01HHHHHkHHH 第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析图10-8圆柱形坯料镦粗变形分布状态在两块铅质半圆柱纵断面上画出正方形网格线，如图10-8a所示。然后利用低熔点合金对接粘合成圆柱体，镦粗变形到一定程度时熔开，如图10-8b所示。与上、下砧面接触的区金属受砧面摩擦影响，变形较小。中心
15、区是主变形区，受工具表面摩擦影响较小，如图10-8c所示，径向应变r和轴向应变z都很大。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析2)垫环镦粗垫环镦粗也称为镦挤，常用于锻造单面或双面带有凸起的齿轮、带法兰的盘类零件，如图10-7b所示。垫环镦粗与平砧镦粗的区别是既有径向流动，增大外径；也有向孔内的轴向流动。通常认为在变形区内存在一个不产生流动的“分流面”，位置因径向和轴向流动量及其流动阻力不同而变化。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析3)局部镦粗如图10-7c所示，只在毛坯的局部长度(端部或中间)内进行镦粗时称为局部镦粗。局部镦粗时，变形金属的流动与平砧镦粗
16、相似，但在某种程度上受不变形部分的影响。为了避免产生纵向弯曲，应保证H0/D02.53.0。直径相差较大时，应采用较粗坯料，先拔长杆部再局部镦粗；或先镦粗，然后再拔长杆部。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析(2)拔长拔长是使坯料横截面积减小、轴向长度增加的锻造工序，用于锻造轴杆类件并改善锻件内部质量，如图10-9所示。根据变形方式不同，可分为普通拔长和带芯轴拔长两种工序。图10-9拔长变形过程第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析1)变形分析拔长的变形程度可用变形前、后的坯料横截面积A0、A之比，即锻造比来表示0LAkA设拔长前、后变形区坯料长、宽、高方
17、向的尺寸分别为l0、b0、h0和l、b、h。根据图10-10可以看出，减小进料比l0/b0，不利于展宽，有利于轴向伸长而提高拔长效率。但过小的进料比会增加锻打次数，反而降低拔长效率。图10-10拔长坯料尺寸变化关系第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析图10-11拔长送进量的影响2)拔长效率与成形质量l0/h00.5时，相当于短坯镦粗，心部金属承受压应力作用流动最快。l0/h01时，坯料心部变形较大，但变形区可能产生单鼓形，侧面拉应力过大，容易产生表面裂纹。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析3)砧形对拔长变形及效率的影响一般习惯采用宽砧和较大送进量拔长。
18、生产中把相对送进量l0/h00.5的操作称为宽砧拔长，可提高锻透率，而窄砧拔长时的拔长效率高。此外，锻砧形状也对拔长质量有一定影响。图10-12砧形对拔长变形及效率的影响第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析图10-12a所示上、下平砧拔长圆形截面锻坯时，锻坯与砧面接触面积小，金属横向流动大，而纵向流动小，使拔长效率降低。图10-12b所示上平下V形砧拔长时，最大变形区产生在锻坯中心与V形砧表面之间，中心变形较小，锻透性较差，拔长效率较低。另外，拔长时需翻转角度准确，否则锻坯轴线容易偏移。图10-12c所示上、下V形砧拔长，锻坯中心在三向压应力状态下产生较大变形，容易锻合内部
19、缺陷，拔长效率较高。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析4)带芯轴拔长如图10-13所示，芯轴拔长时，变形主要产生在锤击方向的上、下壁厚之间。芯轴拔长的主要质量问题是壁厚分布不均，内壁及两端面容易产生裂纹，因此需要加热均匀，并且尽可能使每次转动角度和压下量保持一致。图10-13带芯轴拔长第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析(3)冲孔冲孔是利用冲头在坯料或工序件上冲出通孔或盲孔的锻造工序。根据所用工具可分为实心冲头冲孔、空心冲头冲孔和垫环上冲孔三种方式，如图10-14所示。图10-14冲孔方式第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析1)实心
20、冲头冲孔实心冲头冲孔时，通常先由锻坯一面冲入，当冲入深度达到锻坯原始高度H0的70%80%时，再将锻坯翻转180，由另一面将孔冲透。2)空心冲头冲孔对外形质量要求较高或冲孔直径较大时，可采用空心冲头冲孔，如图10-14b所示。这时，可将钢锭中心杂质密集等质量较差的部分冲掉。冲孔时应将钢锭冒口一端朝下。3)垫环冲孔如图10-14c所示，锻坯置于垫环之上，将连皮冲入垫环内孔中。通常，只有高径比H0/D01.7和H00.125D0且壁厚较厚的锻件。图10-15冲头扩孔第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析2)芯轴扩孔如图10-16所示，芯轴扩孔的变形实质是使锻坯沿圆周方向拔长，而在
21、长度l方向上的流动较少，随壁厚变薄，内、外径同时扩大，长度略有增加。芯轴扩孔时，锻坯受力状态较好，不易产生裂纹等缺陷，通常用来锻造扩孔量较大的薄壁环形锻件。图10-16带芯轴扩孔第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析(5)弯曲小型锻件弯曲时，可使用简单工具在锤击下完成。对于中、大型锻坯可将其压紧在上、下砧之间，如图10-17a所示，利用起重设备(吊车)进行拉弯。图10-17锻造弯曲第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析弯曲过程中，弯曲外侧锻坯表面产生切向拉应力，如果切向拉变形过大，容易产生裂纹；而弯曲内侧受切向压应力作用，弯曲半径过小时，容易失稳起皱。另外，
22、如图10-17b所示，弯曲半径过小时，变形区横截面形状尺寸将发生变化。因此，有时需在弯曲变形区部分预留径向厚度尺寸，以补偿横截面拉缩变形。弯曲锻坯的加热部分不宜太长，最好仅对弯曲段局部加热。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析图10-18切割(6)切割自由锻中常用的切割方法如图10-18所示，利用锤头对剁刀打击力将锻坯劈缝。在单面劈开一定深度后，翻转锻坯，在另一面用切断刀或切块将锻坯切断。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析(7)错移错移是将锻坯的一部分相对于另一部分平行错开一定距离的加工，如图10-19所示。错移常用于锻造曲轴等带有变轴线形状的轴、杆类
23、锻坯。图10-19错移(8)其他基本工序自由锻工艺比较灵活，除去上面介绍的几种主要工序外，还有扭转、锻接等多种锻造工序。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺二、自由锻工序分析2.预变形工序预变形工序是为基本工序操作方便而进行的预先成形，一般对锻坯实施少量变形加工，如压棱边、压钳口、碾光、压肩等。3.精整工序精整是为消除锻件表面缺陷的少量变形工序，目的是提高表面锻造质量，如校平、校直、消除锻件表面凸凹不平等。精整工序一般在终锻温度以下进行。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺三、自由锻件的结构工艺性1.避免锥体或斜面对于杆类锻件，应避免在轴线方向上出现斜度。如图10-20a所示锻件，很难用自
24、由锻成形，在不影响使用性能的前提下，如改成图10-20b所示结构，可使锻造工艺简化。图10-20避免带斜面的轴杆类锻件结构第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺三、自由锻件的结构工艺性2.避免非平面交接如图10-21a所示杆件，几何形体的相贯线形成了空间曲线，自由锻无法锻出。而图10-21b所示将圆柱面与圆柱面和圆柱面与平面的交界线改为平面与平面相交，使几何形体之间的相贯线简化，利于锻造成形。图10-21 避免带有空间曲线的杆类锻件结构第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺三、自由锻件的结构工艺性3.应避免加强筋或凸台自由锻很难锻出锻件上的加强筋、凸台和交叉形截面。图10-22a在大、小圆柱之
25、间设置加强筋，使工艺复杂化。图10-22b取消了加强筋后，可方便自由锻造成形。图10-22避免带有加强筋结构第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺三、自由锻件的结构工艺性如图10-23a所示盘类零件，法兰上的凸台给自由锻造成很大困难。改为图10-23b所示结构，锻后可对螺钉孔端面锪沉孔，既不影响使用，且使自由锻造容易实现。图10-23避免带有凸台结构第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺三、自由锻件的结构工艺性4.将复杂形状设计成简单形状的组合体如图10-24所示由几个不同形状组成的锻件，整体自由锻很困难。图10-24a将锻件分为两部分，锻后可由机械连接组合成整体零件。图10-24b所示锻件较
26、长，且在不同方向上带有特殊形状，自由锻无法成形。设计时，将锻件分割成三部分，使自由锻可能分别锻出，然后再焊合成整体零件。图10-24分割锻造后的组合零件第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程自由锻的工艺规程主要包括：绘制锻件图、计算毛坯质量、选择锻造工序和设备、提出锻件的技术要求和检验方法、规定操作规范及填写工艺卡片等。1.绘制锻件图锻件图是自由锻生产工艺检验的依据，需要在零件图的基础上考虑工艺敷料、加工余量及锻造公差等因素而确定。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程图10-25典型锻件图(1)敷料自由锻件必须简化外形，以适应无模具锻造，将仅为
27、便于成形而在锻件局部添加的附加金属称作敷料。当锻件上带有较小凹槽、台阶及孔等形状时，皆需增设敷料，如图10-25a所示。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程图10-25典型锻件图(2)加工余量如图10-25b所示，在零件图的尺寸基础上加上机械加工余量后的尺寸，即成为锻件的公称尺寸，作为锻后检验的依据。确定加工余量时可查阅相关的锻工手册。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程(3)锻造公差锻造公差是指锻件名义尺寸的允许变动量，是受操作技术水平和锻件收缩量估算误差等因素影响的制造偏差量。锻件余量、公称尺寸及公差之间的关系如图10-26所示，设计时可
28、查阅有关标准。图10-26锻件余量及公称尺寸关系第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程2.确定坯料质量和尺寸(1)坯料质量的计算锻造用原材料一般有两种，一种是轧材，多用于中、小型锻件；另一种是铸锭，用于大型锻件。锻坯质量m坯为锻件质量m锻与锻造过程中金属损耗质量m损(包括烧损m烧、冲孔连皮m冲、料头在内的金属损耗质量)之和。中、小型锻件采用型钢作坯料时mmm坯锻损第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程锻坯的加热烧损通常用烧损率，即毛坯质量的百分比表示。其数值与加热设备、加热方式等有关，可参考表10-2。加热方法(%)备注室式煤炉油炉煤气炉电阻炉接
29、触和感应加热2.54231.52.511.50.5热坯再次加热时，烧损率减半；空心件加热时，烧损率取大值表10-2不同加热方法的钢料烧损率第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程冲孔连皮的损失，取决于冲孔方式、冲孔前坯料高度H和冲头直径D。可通过表10-3所示的计算方法求出。表10-3冲孔连皮的计算冲孔方式连皮体积/cm3连皮质量/kg实心冲头冲孔在垫环上冲孔(0.150.20)D2H(0.550.60)D2H(1.181.57)D2H(4.324.71)D2H第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程采用钢锭作坯料时，还应考虑切掉的头部和尾部质量，这
30、部分切除量与坯料形状及锻造所用设备有关，其值可参考表10-4。毛坯形状锻造设备切除端部料头体积棒料锻锤1.8D3水压机1.38D3方料锻锤2.36B2H水压机2.2B2H表10-4切除端部料头体积(单位：kg)注：表中：D棒料直径；B、H方料的宽度和高度第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程(2)确定坯料尺寸镦粗时，通常需保证镦粗所用胚料满足 1.25D0H02.5D0根据上述计算得出的毛坯质量m坯，当材料密度为时，可求得毛坯体积/Vm坯坯对于圆棒料毛坯的直径D030.8 1(.0)V坯对于方料边长300.75 0.90()V坯第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、
31、制定自由锻造工艺规程确定坯料直径或边长后，下料长度或高度H0=V坯/A坯。碳素钢坯料拔长时，锻造比kL不应小于2.53，轧材拔长时，kL可取1.31.5。坯料面积或直径的计算为0L1.13Dk V坯LAk A坯锻坯料长度L0=V坯/A坯。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程3.确定锻造工序及锻造比(1)确定锻造工序一般，盘类零件常需镦粗成形，轴杆类零件则需拔长成形。形状较复杂零件，需采用多工序复合工艺完成。(2)锻造比1)锻造比的计算方法镦粗前、后锻坯高度为H前、H后时，变形程度和锻造比可分别表示为100%HHH后前前HBH前镦后第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺
32、四、制定自由锻造工艺规程拔长前、后锻坯截面积为A前、A后时，拔长变形程度和锻造比分别为100%AAA后前前ABA前拔后第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程2)锻造比对金属组织性能的影响一般，树枝晶与晶内微观缺陷，以较小的锻造比变形即可锻合；而尺寸较大的缺陷，如V形偏析区的疏松，则需较大的锻造比以及在有利的应力状态下才能被锻合。通常，使用轧材进行中、小型锻造时(除莱氏体锻坯外)，一般不必特意增大锻造比，而用钢锭或有色金属铸锭锻造时则需考虑锻造比。对于一般结构钢锻坯，零件受力方向与原有纤维方向不一致时，可取锻造比22.5。当零件受力方向与坯料原有纤维方向一致时，可取锻造比
33、为4。对于一些重要锻件，可选取镦粗拔长联合工艺，并将锻造比提高到68。第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程4.确定锻造设备吨位在自由锻造生产中，确定锻造设备吨位有理论计算和经验公式-图表两种方法。一般，可直接按锻锤落下部分的质量确定设备吨位。锻件镦粗后的接触面积为A时，估算锻锤吨位(单位为kg)0.002 0.0 3()0GkA式中k材料强度系数，金属强度极限b为400MPa时，k取35；b为600MPa时，k取58；b为800MPa时，k取813；拔长时的锻锤吨位(单位为kg)2.5GA第二节第二节 自由锻造工艺自由锻造工艺四、制定自由锻造工艺规程5.制定工艺卡自由
34、锻工艺卡由所定锻造工艺规程汇总而成，主要包括锻件图、锻坯质量与尺寸的计算及下料方法、工序安排、锻打火次、加热设备、加热及冷却规范、锻造设备及工具、锻件锻后处理，最后还需确定工时定额及相应的劳动组织等。锻件名称阶梯轴每坯锻件数1材料45钢锻造温度范围 1200800锻件质量700kg锻造设备5t蒸汽锤坯料质量836kg冷却方法空冷坯料尺寸?320mm1000mm生产数量5火次工序说明变形过程图使用工具1拔长上、下平砧压肩上、下平砧，三角刀一端拔长、压肩上、下平砧，三角刀2另一端拔长、压肩上、下平砧、剁刀，圆弧垫铁调头、拔长各自台阶、切头、修整上、下平砧，剁刀，圆弧垫铁表10-5阶梯轴自由锻造工艺
35、卡第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具一、胎模锻造工艺及特点1.胎模锻造工艺胎模锻生产工艺包括制定工艺规程、胎模制造、备料、加热、锻制胎模锻件及后续工序等。图10-27所示为带法兰台阶轴的胎模锻造工艺过程。图10-27胎模锻造工艺过程举例第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具一、胎模锻造工艺及特点2.胎模锻造工艺特点胎模锻利用自由锻方法制坯，在胎模中终锻成形，具有自由锻和模锻的综合特点。1)与自由锻相比，胎模锻在提高锻件精度和复杂程度、减少敷料和机加工余量，以及节约金属等方面具有明显的优越性。2)胎模锻件的形状、尺寸基本与锻工技术无关，主要靠终锻模具精度保证。
36、3)锻件最终在胎模型腔内成形，内部组织致密，纤维分布有利于提高胎模锻件的力学性能。第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具一、胎模锻造工艺及特点4)与模锻相比，胎模锻便于局部成形，可在较小设备上实现较大锻件的锻造成形。5)与模锻相比，胎模制造简便，工装准备周期短，使用设备灵活，因而可降低生产成本。6)胎模锻工艺灵活，可锻造品种繁多的锻件。但在生产率、锻件精度等方面不及模锻，生产劳动强度较大，适合于中、小批量生产。第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具二、胎模的主要种类及应用1.扣模如图10-28所示，扣模由上扣和下扣两部分组成，图10-28a和10-28b分别为开
37、式和闭式扣模，图10-28c为弯曲扣模。扣模用于制坯或弯曲、局部或全部扣形，常用于非回转体长杆类锻件成形。图10-28扣模第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具二、胎模的主要种类及应用2.筒模筒模也称套模或套筒模，主要用来锻造齿轮、法兰盘等回转体类锻件。(1)开式筒模开式筒模如图10-29a所示。开式筒模主要用于较短回转体轴类锻件制坯或终锻成形。图10-29筒模第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具二、胎模的主要种类及应用图10-29筒模(2)闭式筒模闭式筒模如图10-29b所示，也称其为无飞边锻造胎模，由上、下模垫和套筒组成。图10-29c所示组合式筒模用于锻
38、造形状复杂制件。复合筒模可以用来锻造上、下端面带有凸凹形状的锻件，如齿轮或轮毂等，有时也可用于非回转体锻件成形。第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具二、胎模的主要种类及应用3.摔模摔模常称为摔子，也是一种最简单的胎模。一般由上、下摔组成。主要用于回转体制坯或成形，如图10-30所示。制坯摔子多用于回转体长轴类锻件局部滚挤成形，或为合模滚摔制坯，锻造时，坯料在型腔中变形量较大。图10-30摔模整形摔子用于已成形锻件的校形，提高锻件同心度，坯料变形量不大。第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具二、胎模的主要种类及应用4.垫模如图10-31所示，垫模只有下模块，利用
39、锤砧作为上模进行锻打，产生一定量的横向飞边。垫模常用于圆盘、圆轴及法兰盘类锻件的制坯和成形。图10-31垫模第三节第三节 胎模锻造工艺及胎模具胎模锻造工艺及胎模具二、胎模的主要种类及应用图10-32合模5.合模合模属于有飞边锻造胎模，由上、下模及导向装置组成，如图10-32所示。合模适用于各种形状复杂的非回转体、长轴类锻件的最终成形，如连杆、拨叉等叉杆类锻件。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具一、模锻工艺特点及分类1.模锻工艺特点(1)模锻成形质量模锻过程中，金属在锻模型腔中的变形是在锤头通过模具多次打击下逐步完成的，金属流动受到型腔壁部的限制，形成较好的压应力状态，因此，模锻件内部组
40、织和力学性能非常好。1)改善金属流线分布模锻不能消除金属流线，但可改善锻件的流线分布。模锻件内部的锻造流线比较完整，可提高锻件的力学性能和使用寿命。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具一、模锻工艺特点及分类2)改善或消除带状显微组织经冶炼产生的带状显微组织严重影响金属材料的使用性能，单纯依靠热处理的方法很难消除。但经过模锻后再进行相应的热处理，如正火+回火等，内部带状组织可以得到较大程度的改善，甚至消除。3)模锻件的晶粒度对于无相变的奥氏体钢、铁素体钢及一些耐热合金模锻件，晶粒度决定于变形温度和变形程度，不能利用锻后热处理来均化和细化晶粒，则应尽可能利用均匀的模锻变形来获取锻件晶粒度的均
41、匀性。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具一、模锻工艺特点及分类(2)模锻成形精度由于锻模型腔的约束作用，模锻件形状尺寸精度比较高，且表面光洁，因此，预留机加工余量相对小。通常对于复杂形状锻件的外形不需过多简化，因节省敷料而降低了材料消耗。(3)生产效率模锻件的形状和精度由锻模型腔保证，对操作技术要求不高。与自由锻和胎模锻相比，模锻简化了许多工序，生产效率高，并且易于实现机械化和自动化生产。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具一、模锻工艺特点及分类2.模锻件的工艺性分类一般，将模锻件的主轴线定义为锻造变形前原毛坯的轴线，即与其原始流线方向相一致。主轴线走向及其几何形状尺寸特征，反映
42、了对变形工序的要求。因此，可按主轴线尺寸特征，将模锻件分为短轴类和长轴类两种基本工艺类型。类型锻件图例形状及变形特点短轴类(轴对称)一、简单形状锻件在主轴线方向上的尺寸略小于或等于其他两个方向的尺寸，垂直于主轴线方向的两个尺寸相等或接近主变形工序的锻击方向一般与主轴线方向一致，模锻成形时，金属沿高度、长度和宽度方向同时流动，属于体积成形二、复杂形状表10-6模锻件工艺性基本分类类型锻件图例形状及变形特点长轴类(平面变形)一、长直轴类锻件在主轴线方向上的尺寸大于其他两个方向的尺寸，变形工序的锻击方向一般垂直于主轴线方向终锻成形时，金属沿主轴线方向流动一般很小，变形主要发生在垂直于主轴线的横向和高
43、度方向，所以常可简化为平面变形二、弯曲轴线三、叉类复合类一、具有粗大头部的长轴线类锻件几何形状既有短轴类特征，又有长轴类特征制坯成形时，已对锻件变形体积进行了合理的再分配。终锻成形的主要目的是局部充满，变形过程具有上述长、短轴类零件变形特点的交叉和组合二、具有等断面细长杆的短轴线类表10-6模锻件工艺性基本分类第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具一、模锻工艺特点及分类3.模锻的种类根据所用锻压设备及其锻造变形方式，通常将模锻分为锤上模锻、压力机模锻及平锻机模锻等；按照锻模形式及锻后是否产生横向飞边，又可分为开式模锻和闭式模锻两种；如果考虑锻造时锻坯的温度，还可分为冷态模锻、温态模锻和热态
44、模锻。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析模锻工序主要有利用锻模制坯和模锻，后者包括预锻工步和终锻工步。模锻件最终形状尺寸靠终锻工步完成，因此，必须设有终锻工步。终锻工步是模锻工艺过程的核心环节，按锻造工艺及锻模型腔的设计特点，可将模锻分为开式模锻和闭式模锻两大类，如图10-33所示。图10-33开式模锻与闭式模锻示意第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析1.开式模锻开式模锻是目前应用最广泛的模锻方法，可利用通用锻造设备实现各种类型锻件的模锻成形。(1)金属流动变形特征短轴类回转体锻件开式模锻时，金属沿垂直于锻压方向沿径向流动呈轴对称变形。长轴类模锻件
45、终锻成形时，端部金属也具有轴对称流动特性，但杆部金属仅在垂直于杆轴线方向上产生流动，即呈平面变形特征。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析(2)金属流动变形过程开式模锻过程中，终锻时产生平面变形的锻件变形前、后在锻压方向上的断面积相等，而产生轴对称变形的锻件变形前、后体积相等。变形过程通常可分为自由变形、形成飞边充模及锻足三个阶段。1)自由变形阶段是指开始终锻至金属流动与飞边槽开口相接触之前，金属变形与自由锻略有相似特点是产生足够的横向流动。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析2)形成飞边充模阶段是指金属横向流入飞边桥部开始，至完全充满型腔为止。在此
46、阶段中，金属产生两种变形流动，一种是横向挤入飞边槽形成飞边，另一种是向锤击方向充型。3)锻足阶段通常也称打靠阶段，由金属完全充满型腔开始，至上、下模闭合为止。开式模锻顺利实现上述三个阶段的变形过程，即可避免充不满和锻不足等锻造缺陷。开式模锻因飞边槽的充模补偿作用，提高了复杂模锻件充模性及成形稳定性。但设置飞边使锻件成本提高。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析2.闭式模锻闭式模锻不设飞边槽，锻造变形力和变形功比开式模锻低30%50%。但只适用于轴对称或近似于轴对称变形的锻件成形，目前应用较多的是短轴类回转体锻件。闭式模锻通常利用螺旋压力机、平锻机、液压压力机和高速锤等实现
47、。(1)闭式模锻变形过程闭式模锻过程也可分为基本成形、充满及形成纵向飞边三个变形阶段。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析1)基本成形阶段基本成形阶段是指由锻坯开始变形至基本充满模膛阶段。金属的变形流动可分为整体或局部镦锻和挤压两种类型。整体镦锻是指以坯料外径定位(贴靠在型腔内壁)，金属分流挤入型腔凹入部分。局部镦粗是以坯料不变形部位定位，主要是局部镦粗和冲孔两种变形。挤压也可分作正、反挤压和横向挤压三种类型，金属变形流动规律及特征与这三种挤压成形基本相同。2)充满阶段进入充满阶段时，锻坯端面和中心区都处于三向压应力状态，变形缩小至未充满的局部区域，此阶段结束时的变形力比
48、基本成形阶段末可增大23倍，但实际变形量却很小。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析3)形成纵向飞边阶段这一阶段的坯料基本已成为不变形的刚体，但在很大变形力及打击能量作用下，使锻坯端面金属流动形成纵向飞边。飞边不仅影响锻模使用寿命，而且去除困难，通常只能采用砂轮机手工去除。闭式模锻变形在形成纵向飞边之前结束，因而常在分型处存在少量充不满现象。型腔的受力状况与锻件的高径比H/D有关，H/D越小，型腔受力状况越好。因此，H/D小的锻件，适宜于闭式模锻。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具二、模锻工艺分析(2)各类锻造设备闭式模锻的特点液压机闭式模锻时，如果设备选择合理，
49、当变形抗力增大到设备额定输出压力时，变形自行停止，一般不会产生纵向飞边。因此，依靠变形力与设备的匹配关系，可使产生飞边之前结束变形。平锻机闭式模锻时可由坯料不变形长度稳妥定位，通常不产生或只产生较小飞边，模锻工艺稳定性较好。锻压机必须采用保证工艺稳定性的技术措施，否则不宜进行闭式模锻。锤上闭式模锻的最大问题，则是锻模寿命低和产生较大的纵向飞边。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具三、锤上模锻1.锤上模锻的变形工序及型腔(1)锤上模锻的变形工序锤上模锻的变形工序主要有制坯和模锻。制坯工序实现锻坯的初始形状体积分配，即利用相应的锻模型槽、台、坎等将原始等断面毛坯去除氧化皮，锻成形状、尺寸接近
50、于锻件的中间坯料，使终锻时消耗最少的金属和变形功，并顺利充满锻模型腔。模锻工序则完成锻件的最终成形。第四节第四节 模锻工艺及模具模锻工艺及模具三、锤上模锻(2)变形工步及模膛工步名称简图特点作用及用途制坯工序镦粗镦粗台的横向尺寸必须大于镦粗后坯料的最大横向尺寸，设于锻模左侧，便于锻工操作中、小型锻模可在具有一定平面的角部完成镦粗制坯，而大型锻模上则需设置专用镦粗台供锻件镦粗成形，以防止镦粗过程中锻坯偏斜或锤击下飞出而造成事故减小坯料高度，增大径向尺寸；对于盘类锻件，为了改善锻后金属内部组织，通常需将高径比较大的锻坯镦粗后放入预锻或终锻型腔内锻造成形用于短轴类锻件中间制坯压扁去除氧化皮，减小坯料
