1、第三篇第三篇 锻造工艺与模具设计锻造工艺与模具设计第九章第九章 锻造工艺概述锻造工艺概述第十章第十章 热锻工艺及模具设计热锻工艺及模具设计第十一章第十一章 冷锻工艺及模具设计冷锻工艺及模具设计第十二章第十二章 其他金属体积成形方法简介其他金属体积成形方法简介第九章第九章 锻造工艺概述锻造工艺概述第一节 锻造工艺分类及特点第二节 锻造工艺流程第三节 锻造设备第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点一、锻造工艺分类二、锻造工艺特点三、锻造工艺现状及发展第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点一、锻造工艺分类1.按锻造温度分类(1)冷锻：冷锻通常是指坯料在常温下进行的锻造加工。(
2、2)热锻：将金属坯料加工至再结晶温度以上锻造的方法。(3)温锻：将锻坯加热至再结晶温度以下锻造的方法。锻造加热温度划分方法，在生产中并不完全统一。比如，钢的再结晶温度约为460，但普遍采用800作为划分线，高于800为热锻；在300800之间称为温锻或半热锻。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点一、锻造工艺分类2.按生产方式分类如果按照锻造的生产方式分类，应分为手工锻造和机械锻造两大类。手工锻造是指利用手锤及简单工具进行的锻造。机械锻造根据其使用的设备和模具不同分为自由锻、模锻、胎模锻及特种锻造等。(1)自由锻：指坯料在锻击方向以外的变形基本不受外部限制，利用锤砧或简单通用性工具
3、进行的锻造。(2)模锻：指金属坯料在受到模具型腔限制的同时产生体积再分配的锻造方法，包括开式和闭式锻造。(3)胎模锻：介于自由锻与模锻之间的一种过渡型锻造方法。(4)特种锻造：指具有一定特色工艺的锻造方法。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点二、锻造工艺特点1.改善金属组织、提高力学和物理性能金属铸锭经过锻造加工，原有粗大枝状晶被打碎，在再结晶温度下变形使晶粒得到细化；锻合原有的气孔、缩松等缺陷，使材料结构均匀、密实；金属经过锻击后沿流动方向形成纤维组织，获得较强的抵抗能力，力学和物理性能得到提高。2.生产效率高锻造是在高速打击力作用下使金属产生体积再分配，因而生产效率非常高。第
4、一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点二、锻造工艺特点3.材料利用率高锻造通过将坯料体积重新分配来获得所需的形状和尺寸，属于少、无切屑加工，可大幅度减少因制件形状所需切削加工的材料去除，降低材料浪费和切削加工量。4.适用范围广利用锻造方法可以加工各种机械零件。与其他任何制造方法一样，锻造也存在一些不足和缺欠，如不能加工脆性材料，生产外形和内腔复杂的零件比较困难。对热锻来说，加热使金属产生氧化、脱碳及烧损等。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点三、锻造工艺现状及发展1.锻造生产在工业中的重要地位锻造是机械制造中重要的加工方法之一，可以提供机械加工毛坯，也可以直接制造机械零
5、件。金属经过锻造可以改变强度、硬度等力学性能，显著优于同种材料的铸件。在工业制造中，锻造产品占有相当大的比重。锻件的质量分别占飞机和坦克总质量的85%和70%，占载重汽车总质量的80%左右。近年来，锻造技术的提高和发展，使其在汽车、航空、兵器及电器工业中占有越来越重要的地位。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点三、锻造工艺现状及发展2.锻造生产现状据统计，目前我国拥有各类锻压设备超过3万台；能够制造120000kN锻造水压机和80000kN以下的热模锻压力机，并可自行制造辊锻、摆辗等先进锻压设备。从加热设备来看，煤气和燃油加热炉已被广泛采用，中频、工频感应加热炉的应用也日益增多。
6、更重要的是，目前我国已经掌握了一些复杂大型合金钢零件的锻造技术，重大设备所需大型锻件，基本可自行生产制造。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点三、锻造工艺现状及发展3.锻造技术的发展从整体上来看，我国锻造生产规模和技术水平与工业先进国家相比还有一段差距。突出表现在模锻件生产量不足锻件生产总量的30%，而先进国家这一比例已高达80%，并且我国模锻件生产仍以锤上模锻为主，热模锻压力机等先进设备利用较少，锻造生产自动化程度相对较低。另外，一些重要锻模的使用寿命明显低于世界先进水平，致使锻件成本居高不下，阻碍了我国锻造生产和锻造技术的快速发展。第二节第二节 锻造工艺流程锻造工艺流程锻造工
7、艺流程是指锻造生产中的各工序的组成顺序。通常将在同一设备上利用同一工模具所完成的加工称一个工序；在一个工序中，在同一工位上完成的锻造加工，称作一个工步。热模锻加工的工艺流程最长，如图所示。图9-1热模锻工艺流程简图第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点一、备料工序1.确定锻造材料锻造用金属材料需具有一定塑性，变形流动性好而不易破裂。碳素钢、合金钢以及铜、铝等非铁合金均可用于锻造加工。但铸铁的塑性很差，在外力作用下易碎裂，因此不能锻造。锻造材料的原始状态有铸锭，经开坯的棒、锭料，金属粉末和液态金属等。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点一、备料工序2.下料(1)剪切下料
8、剪切下料分为冷切和热切两种，冷切生产效率高，但所需剪切力大。对于含碳及合金量较高的钢材，因塑性较差，冷切时端部易产生崩裂，因而需热切下料。热切时的预热温度随材料硬度增加而升高，常用预热温度为350550。(2)折断下料折断下料是利用锯切或气割预先开出缺口，施加压力使缺口处产生应力集中而折断的下料方法。折断下料只适用于硬度较高的高碳或高合金钢，可在普通压力机上完成，通常也需将坯料加热至200400。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点一、备料工序(3)锯切下料锯切下料适用于断面较大的坯料，锯切端面平整，长度尺寸精确。圆形锯盘直径达2m，可以锯切的棒料直径为750mm。但锯切下料生产
9、效率低，金属损耗量大。对于硬度非常高的金属坯料，如高温合金等，可采用砂轮片或其他方法切割下料。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点二、加热工序加热的原则是在保证坯料整体均匀热透的前提下，尽可能缩短加热时间，以减少金属的氧化，并降低燃料消耗。因此，需要正确确定始锻温度和终锻温度。锻造加热方法主要有火焰加热、电加热及少无氧化加热等。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点三、变形工序变形工序即锻造成形工序，是锻造生产的主体工序。不同锻件及其锻造工艺方法，变形工序各不相同。对于模锻工艺来说，变形可分为制坯工序(步)和模锻工序(步)两种。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺
10、分类及特点四、锻后工序锻后工序的作用是补充完成模锻和其他前期工序的不足，使锻件完全符合锻件图及其技术条件要求的辅助工序。锻后工序主要包括切边、冲孔、弯曲、扭转、热处理、校正、表面清理、去除飞边、精压等。1.切边、冲孔在开式模锻中，为了使金属充满型腔和容纳多余金属，均设有飞边槽。因此，锻后需由切边工序将这部分废料切除。另外，对于带孔锻件，模锻时无法锻出通孔，锻后必须增设冲孔工序，将锻造盲孔内连皮冲掉。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点四、锻后工序2.校正对于细长杆、薄盘类锻件，终锻起模、切边、冲孔时处于红热状态，也易造成形状畸变。另外，锻件热处理、清理及运送过程中，由于各种原因也
11、会产生上述非加工变形。因此，当锻件走样变形超过允许范围时，就必须增设校正工序。锻后校正可分为热校正和冷校正两种方式，一般应按锻件图技术要求或工艺规范利用平砧、触头或专用校正模等进行校正。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点四、锻后工序3.热处理锻后热处理主要有正火和调质两种。硬度要求较低的锻件，可正火处理，对于硬度要求较高的锻件，往往需要调质处理。4.清理锻后清理的目的主要是去除锻件表层氧化皮，为其后的电镀、喷漆或切削加工提供清洁表面，同时使氧化坑暴露出来，为检验锻件质量提供条件。锻后清理的方法主要有滚筒清理、喷丸清理、抛丸清理及酸洗等。酸洗后锻件的表面和轮廓更加清晰，既可暴露表
12、面裂纹，又方便检验锻件形状尺寸。第一节第一节 锻造工艺分类及特点锻造工艺分类及特点五、检验工序检验是锻造生产中一项必不可少的重要环节，通常分为工序间检验和最终检验两种。检验项目包括几何形状尺寸、表面质量、金属组织和力学性能等，需根据锻件的具体要求确定。第三节第三节 锻造设备锻造设备一、锻造设备分类、表示及选用1.模锻设备的分类按锻造方式，可分为常规模锻设备、专用及精密模锻设备等。按设备输出力的形式，可分为锻锤、机械压力机和液压压力机。锤类主要有空气锤、蒸汽-空气锤、高速锤、夹板锤、液压锤等；机械压力机主要有曲柄压力机、摩擦压力机、平锻机、电动螺旋压力机等；液压压力机包括普通液压压力机、液压螺旋
13、压力机、热模锻压力机及多向模锻液压压力机等。第三节第三节 锻造设备锻造设备一、锻造设备分类、表示及选用2.锻造设备能力的表示方法(1)输出压力kN：一般机械压力机输出用公称压力(kN)表示。但曲柄压力机的实际输出压力随曲柄转角不同而变化，选用时须注意额定压力角范围。而液压压力机输出压力仅与液压缸输出能力有关。(2)落下部分质量kg或t各种带砧座锻锤，如空气锤、蒸汽-空气锤等，习惯采用包括锤头、锤杆及活塞环等落下部分的质量(kg或t)间接表示输出能力。这类设备的输出打击力不确定，因锤头与工作活塞之间的相对位置及其操作差异，同吨位锻锤输出的打击力完全不同。第三节第三节 锻造设备锻造设备一、锻造设备
14、分类、表示及选用(3)输出能量kJ对于无砧座锤、高速锤等对击类锻锤，采用打击能量kJ表示输出能力。(4)用输出压力kN和打击能量kJ双重表示摩擦压力机通常给出两种输出参数，如10000kN的摩擦压力机，同时还给出其最大打击能量为160kJ。第三节第三节 锻造设备锻造设备一、锻造设备分类、表示及选用3.锻造设备的选用(1)保证足够的变形力(2)按锻造方式确定设备类型自由锻和胎模锻时通常采用空气锤、蒸汽-空气锤或水压机；模锻则采用曲柄压力机、蒸汽-空气锤或液压压力机等。(3)根据锻件质量要求及生产批量精度要求较高的复杂锻件，可选用液压压力机或曲柄压力机。大批量生产，通常选用模锻锤或模锻压力机。第三
15、节第三节 锻造设备锻造设备二、锻锤1.空气锤空气锤是由电动机通过曲轴带动压缩活塞，产生压缩空气驱动工作活塞和锤头上下运动的锻锤，其结构形式及工作原理如图9-2所示，有图9-2a所示单臂式和图9-2b所示拱式锤身结构。此外，还有桥式锤身结构。图9-2空气锤结构原理第三节第三节 锻造设备锻造设备二、锻锤空气锤的主要结构包括电动机、机械传动机构、压缩缸、工作缸、操纵机构、锤砧、锤身和落下部分。起动时，电动机通过减速器带动曲柄转动，经连杆再传递给压缩缸活塞，使其往复直线运动。调节气阀使压缩空气通过转阀交替进入工作缸的上、下部。踏下踏杆，驱动工作缸活塞连同锤杆、锤头和上砥铁一起向下运动，进行打击锻造。通
16、过手柄或脚踏板控制进、排气阀的位置，可使锤头实现上悬、单击、连击和下压等动作。空气锤的打击力，是落下部分质量的8001000倍，打击速度快，作用力呈冲击性，适用于小型锻件生产。第三节第三节 锻造设备锻造设备二、锻锤2.蒸汽-空气锤图9-3所示为蒸汽-空气锤的基本结构及工作原理图。靠锤头与导轨之间的配合保证锤头垂直运动精度，使落下打击时的横向移动量较小，因而锻造精度相对高。图9-3蒸汽-空气锤第三节第三节 锻造设备锻造设备二、锻锤3.高速锤高速锤以其打击速度高而得名，其结构如图9-4所示。图9-4高速锤的基本结构及工作原理高速锤是利用高压气体驱动、高压液体蓄能，实现悬空对击的锻造设备。常用来锻造
17、常规设备上难以成形的薄壁带有高肋形状的精密锻件，特别适合于锻造高强度、低塑性合金，如钛合金、钨、钼等高温合金。第三节第三节 锻造设备锻造设备二、锻锤4.液压锤液压锤可分为气液和纯液压两种驱动形式。液压锤具有高效、节能、环保的优点，利用气液驱动制成的液压动力头来改造高能耗的蒸汽-空气锤，在我国已有巨大的发展。液压锤的缺点是设备较复杂，操作不如蒸汽-空气锤方便灵活，规格一般为25400kJ。第三节第三节 锻造设备锻造设备三、机械压力机图9-5曲柄压力机传动机构1.曲柄压力机曲柄压力机是以曲柄连杆机构作为主传动结构的机械式压力机，其传动机构如图9-5所示。曲柄压力机上模锻的锻模可以设计成镶块式结构，
18、制造简单、易于更换维修。第三节第三节 锻造设备锻造设备三、机械压力机图9-6锻压机结构及工作原理2.热模锻压力机通常简称为锻压机，其结构及基本工作原理如图9-6所示。锻压机模锻时，可用多型腔模进行多击模锻，可实施切边、冲孔工序，但不适宜拔长工步。对于长轴类锻件，需配备专用制坯机械。锻压机结构较复杂，成本高，劳动条件较好，但生产效率没有显著提高。第三节第三节 锻造设备锻造设备三、机械压力机图9-7摩擦压力机传动机构3.摩擦压力机摩擦压力机也称螺旋压力机，传动系统如图9-7所示。摩擦压力机滑块运动速度不高，金属变形过程中可充分进行再结晶，适于锻造低塑性金属，实现弯曲、校正、压印及修边等工序。但摩擦
19、压力机承受偏载的能力较差，通常只适用于单膛锻模的锻造，不适合于大批量生产。第三节第三节 锻造设备锻造设备三、机械压力机图9-8平锻机传动原理4.平锻机平锻机传动原理如图9-8所示。实现双向锻造是平锻机上模锻的主要特点之一。平锻机结构复杂，价格高，锻前金属氧化皮清理困难。平锻机锻造的工艺适应性较差，不适宜锻造非对称锻件。第三节第三节 锻造设备锻造设备四、液压压力机1.液压压力机(油压机)液压压力机通常也称为油压机，一般由主机、动力系统及液压控制系统三部分组成。其驱动系统主要有泵直接驱动和泵-蓄能器驱动两种形式。油压机的工作原理遵循帕斯卡定律，即封闭系统中液体压力各处相等。如果大、小柱塞面积分别为A2、A1，则输出压力F2=F1(A2/A1)。第三节第三节 锻造设备锻造设备四、液压压力机图9-9水压机结构简图水压机是以水基液体为工作介质的液压压力机，以高压泵所产生的高压水作为能源进行工作，其工作原理如图9-9所示。锻造用水压机又分为模锻水压机和自由锻水压机两种。水压机锻造时，工作时震动小，劳动条件好。其缺点是设备庞大，需要有一套供水系统和操纵系统，设备造价高。
