第七章锻压成形工艺(2).ppt

第七章锻压成形工艺 锻造成形 自由锻 模膛锻 自由锻 指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间 施加冲击力或压力 使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法 坯料在锻造过程中 除与上下砥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 锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证 所用设备与工具通用性强 自由锻主要用于单件 小批生产 也是生产大型锻件的唯一方法 模型锻造 将加热到锻造温度的金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛内受压 变形 获得锻件的方法 特点 1 生产率高 2 锻件的尺寸精度和表面质量高 3 材料利用率高 4 可锻造形状较复杂的零件 5 模具成本高 设备昂贵 6 锻件不能任意大 一般不得超过150kg 第七章锻压成形工艺 模锻按使用的设备不同分为 胎模锻锤上模锻 固定模腔成形 压力机上模锻 第一节自由锻 自由锻生产所用工具简单 具有较大的通用性 因而它的应用范围较为广泛 可锻造的锻件质量由不及1kg到300t 在重型机械中 自由锻是生产大型和特大型锻件的惟一成形方法 一 自由锻设备 锻锤 压力机以压力代替锤锻时的冲击力 适用于锻造大型锻件 其工作过程包括空程 工作行程 回程 悬空 空气锤它由电动机直接驱动 打击速度快 锤击能量小 适用于小型锻件 65 750Kg 蒸汽 空气锤利用蒸汽或压缩空气作为动力 适用于中小型锻件 630Kg 5T 水压机 油压机 落下部分总重量 活塞 锤头 锤杆 滑块运动到下始点时所产生的最大压力 锻锤吨位 压力机吨位 自由锻的工序可分为基本工序 辅助工序和精整工序三大类 1 基本工序它是使金属坯料实现主要的变形要求 达到或基本达到锻件所需形状和尺寸的工序 2 辅助工序是指进行基本工序之前的预变形工序 如倒棱 压肩等 3 精整工序它是在完成基本工序之后 用以提高锻件尺寸及位置精度的工序 二 自由锻工序 基本工序1 镦粗 使坯料整体或一部分高度减小 截面积增大的工序称为镦粗 镦粗有完全镦粗 局部镦粗和垫环镦粗等 2 拔长 使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序称为拔长 主要用于 轴杆类锻件成形 其作用是改善锻件内部质量 拔长的种类 有平砥铁拔长 芯轴拔长 芯轴扩孔等 3 冲孔 采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工序叫冲孔 a 薄坯料冲孔b 厚坯料冲孔1 冲头2 坯料3 垫环4 芯料 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 4 弯曲 是将毛坯弯成所需形状的工序 在进行弯曲变形前 先要将毛坯锻成所需形状 使体积合理分配 便于获得合格产品 5 扭转 将毛坯一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的工序 6 切割 将毛坯一部分或几部分切掉以获得所需形状的锻件的工序 三 自由锻工艺规程的制定 自由锻工艺规程 根据零件图绘制锻件图 计算坯料的重量与尺寸 确定锻造工序 选择锻造设备 确定坯料加热规范 填写工艺卡片等 1 绘制锻件图 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 如图所示 绘制锻件图时主要考虑以下几个因素 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 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 在锻件图上 锻件的外形用粗实 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 坯料重量可按下式计算 G坯料 G锻件 G烧损 G料头式中 G坯料 坯料重量 G锻件 锻件重量 G烧损 加热中坯料表面因氧化而烧损的重量 第一次加热取2 3 G锻件以后各每次加热的烧损量取1 5 2 0 G锻件 G料头 锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的重量 1 2 计算坯料重量与尺寸 1 坯料重量的计算 2 坯料尺寸的确定 根据V G可计算出坯料的体积 坯料的尺寸根据坯料重量和几何形状确定 还应考虑坯料在锻造中所必须的变形程度 即锻造比的问题 拔长时的锻造比为 Y拔 S0 S 镦粗时的锻造比为 Y镦 H0 H 根据锻造比即可得出坯料的尺寸 坯料的质量确定后 对于以钢锭作为坯料并采用拔长方法锻制的锻件 锻造比一般不小于2 5 3 对性能要求高的锻件 锻造比值还可以大些 如果采用轧材作坯料 则锻造比可取1 3 1 5 例如采用拔长锻造时 坯料所用的截面S坯料的大小应保证满足技术要求规定的锻造比Y拔 即坯料截面积应为 S坯料 Y拔S锻件 如果坯料是钢坯 可求出其直径D 圆钢 或边长A 方钢 再按标准选取直径或边长 从而计算出钢坯的长度 四 自由锻件的分类和锻造过程 按自由锻件的外形及其成形方法 可将自由锻件分为六类 饼块类 空心类 轴杆类 曲轴类 弯曲类和复杂形状类锻件 1 饼块类锻件齿轮锻造过程 2 空心类锻件锻造过程 圆环的锻造过程 圆筒的锻造过程 3 轴杆类锻件锻造过程 1 下料 2 拔长 3 镦出法兰 4 拔出锻件 4 曲轴锻造过程 6 弯曲类锻件锻造过程 五 零件的自由锻结构工艺性 避免锥体和斜面结构 几何体间的交接处不应形成空间曲线 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 圆柱面与圆柱面相交 锻件成形十分困难 平面相交 消除了空间曲线 使锻造成形容易 自由锻件上不应设计出加强筋 凸台 工字形截面或空间曲线形表面 自由锻件横截面若有急剧变化或形状较复杂时 应设计成有几个简单件构成的组合体 再焊接或机械连接方法连接 零件的自由锻结构工艺性 第二节模膛锻造形成 一 胎膜锻造形成 胎膜不是固定在自由锻锤上 使用时放上去 不用时取下来 与自由成型相比 胎模成型具有较高的生产率 锻件质量好 节省金属材料 降低锻件成本 与模锻相比 节约了设备投资 简化了模具制造 但锻件质量比模锻低 劳动强度大 安全性差 模具寿命短 生产率低 胎模锻适用于小型锻件的中小小批量生产 多用在没有模锻设备的中小型工厂中 胎模锻造成型是在自由锻设备上 使用可移动的胎模生产锻件的锻造方法 图胎模种类 a 摔模b 扣模c 开式套筒模d 闭式套筒模e 合模 1 摔模 用于锻造回转体锻件 2 扣模 用于平整侧面 3 套筒模 用于镦粗锻件 4 合模 用于锻造比较复杂的锻件 胎模结构可分为以下几类 如图所示 实质 是通过塑性变形迫使坯料在锻模模膛内成形 胎膜固定在自由锻锤上 固定模膛成型工艺主要分为锤上模膛成型工艺和压力机上模膛成型工艺 锤上模锻成型用于大批量锻件生产 所用设备有蒸汽 空气锤 无砧座锤 高速锤等 压力机上模膛成型常用的设备有曲柄压力机 摩擦压力机和平锻机 模锻水压机等 二 固定模膛锻造成形 锤上模锻 锤上模锻所用设备为模锻锤 由它产生的冲击力使金属变形 图7 1所示为一般工厂中常用的蒸汽一空气模锻锤 该种设备上运动副之间的间隙小 运动精度高 可保证锻模的合模准确性 模锻锤的吨位 落下部分的重量 为1 16t 可锻制150kg以下的锻件 锤上模锻生产所用的锻模如图所示 上模2和下模4分别用楔铁10 7固定在锤头1和模垫5上 模垫用楔铁6固定在砧座上 上模随锤头作上下往复运动 9为模膛 8为分模面 3为飞边槽 模膛 模锻模膛 制坯模膛 拔长模膛 终锻模膛 预锻模膛 滚压模膛 弯曲模膛 切断模膛 第二节锻模模膛及其功用 锤上模锻用的锻模模膛根据功用的不同 可分为 1 预锻模膛 预锻模膛的作用是 使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸 终锻时 金属容易充满终锻模膛 同时减少了终锻模膛的磨损 以延长锻模的使用寿命 一 模锻模膛 预锻模膛和终锻模膛的区别 预锻模膛的圆角 斜度较大 没有飞边槽 终锻模膛的圆角 斜度较小 有飞边槽 2 终锻模膛 终锻模膛的作用是 是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸 因此它的形状应和锻件的形状相同 沿模膛四周有飞边槽 用以增加金属从模膛中流出的阻力 促使金属充满模膛 同时容纳多余的金属 终锻后无法加工通孔而留下的一薄层金属 称为冲孔连皮 终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量 钢件收缩量取1 5 对形状复杂的模锻件 为使坯料形状基本接近模锻件形状 使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛 就必须预先在制坯模镗内制坯 因而设制坯模膛 二 制坯模膛 当模锻件沿轴向横截面积相差较大时 常采用这种模膛进行拔长 拔长模膛分为开式和闭式两种 一般情况下 把它设置在锻模的边缘处 生产中进行拔长操作时 坯料除向前送进外并需不断翻转 1 拔长模膛 用来减小坯料某部分的横截面积 以增加该部分的长度 滚压模膛分为开式和闭式两种 当模锻件沿轴线的横截面积相差不很大或对拔长后的毛坯作修整时 采用开式滚压模膛 当模锻件的截面相差较大时 则应采用闭式滚压模膛 在坯料长度基本不变的前提下用它来减小坯料某部分的横截面积 以增大另一部分的横截面积 2 滚压模膛 滚压操作时需不断翻转坯料 但不作送进运动 对于弯曲的杆类模锻件 需采用弯曲模膛来弯曲坯料 坯料可直接或先经其它制坯工步后放入弯曲模膛进行弯曲变形 弯曲后的坯料需翻转90 再放入模锻模膛中成形 单件锻造时 用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口 多件锻造时 用它来分离成单个锻件 3 弯曲模膛 4 切断模膛 它是在上模与下模的角部组成的一对刃口 用来切断金属 根据模锻件的复杂程度不同 所需变形的模膛数量不等 可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模 单膛锻模是在一副锻模上只有终锻模膛一个模膛 如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料 直接放人单膛锻模中一次终锻成形 多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模 如弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛锻模 图7 7弯曲连杆多模膛模锻过程 基本工序 1 盘状锻件 3 弯轴类锻件 拔长 终锻 滚压 预锻 弯曲 5 枝芽类锻件 下料 加热模锻前需将坯料在加热炉中加热到规定的始锻温度 要均匀热透 模锻坯料从开始变形到最后成形 一般都是在锻模的相应模膛里经过几个模锻工步完成的 切边和冲孔从终锻工步得到的锻件一般都带有飞边和冲孔连皮 须在切边压力机上将它们切除 校正热处理模锻件热处理的目的是调整硬度 消除内应力 细化晶粒和为最终热处理作好组织准备 模锻件常用的热处理有退火 正火和调质等 表面清理表面清理的方法有滚筒清理 喷丸清理 酸洗和砂轮打磨等 检验模锻件质量检验是保证质量的必要措施 第三节锤上模锻工艺设计 模锻生产的工艺规程包括 制订锻件图 计算坯料尺寸 确定模锻工步 选模膛 选择设备及安排修整工序等 最主要是锻件图的制定和模锻工步的确定 模锻锻件图的制定是设计和制造锻模 计算坯料 检查锻件的依据 一 模锻件图绘制 绘制模锻件图时应考虑的几个问题 1 选择模锻件的分模面 分模面是指上下锻模在模锻件上的分界面 它在锻件上的位置是否合适 关系到锻件成形 锻件出模 材料利用率及锻模加工等一系列问题 选定分模面的原则是 1 应保证模锻件能从模膛中取出来 如图7 8所示轮形件 把分模面选定在a a面时 已成形的模锻件就无法取出 一般情况 分模面应选在模锻件的最大截面处 2 按选定的分模面制成锻模后 应使上下两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 及时而方便地调整锻模位置 图7 8中的c c面被选定为分模面 就不符合此原则 3 分模面应选在能使模膛深度最浅的位置上 这样有利于金属充满模膛 便于取件 并有利于锻模的制造 图7 8中的b b面 就不适合作分模面 4 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少 图7 8中的b b面被选作分模面时 零件中间的孔不能锻出来 孔部金属都是敷料 既浪费金属 又增加了切削加工的工作量 所以该面不宜作分模面 5 分模面最好是一个平面 以便于锻模的制造 并防止锻造过程中上下锻模错动 按上述原则综合分析 图7 8中的d d面是最合理的分模面 敷料为了简化零件形状 便于锻造而增加的一部分金属称为敷料 也称为余块 如消除零件上的键槽 窄环形沟槽 齿谷或尺寸相差不大的台阶结构而增加的金属均属敷料 机械加工余量零件的加工表面上为机械加工而增加的一层金属 锻件公差锻件的实际尺寸与名义尺寸之间所允许的偏差 称为锻件公差 2 确定敷料 机械加工余量和尺寸公差 机械加工余量一般为 1 4mm 锻造公差一般取 0 3 3mm 3 设计模锻斜度 外壁斜度 5 70 内壁斜度 7 120 当模膛宽度b小而深度h大时 模锻斜度要取大些 模锻件上平行于锤击方向 垂直于分模面 的表面必须有斜度 以便取出锻件 模锻斜度与模镗深度和宽度有关 5 确定冲孔连皮 d25mm的孔 不能直接模锻 须在孔内保留一层连皮 连皮厚度 当d 30 80mm 4 8mm 4 设计模锻圆角 外圆角 r 1 5 12mm 内圆角 R 2 3 r 锻件上所有交角均做成圆角 可以易于充满模膛 避免尖角处产生裂纹 减缓锻件外尖角处的磨损 分模面选在锻件高度方向的中部 零件的轮辐部分不加工 故不留加工余量 图中内孔中部的两条水平直线为冲孔连皮切除后的痕迹线 绘图时 粗实线表示锻件的形状 双点划线表示锻件的分模面和零件的轮廓形状 齿轮坯的模锻锻件图 1 锻造工序 工步 的确定 锻造工序 工步 都是根据工序 工步 特点和锻件类型来确定的 采用模锻方法生产模锻件时 其工步根据模锻件的形状和尺寸确定 模锻件按形状和结构可分为两大类 1 长轴类模锻件 2 短轴类模锻件 二 模锻工步的确定及模膛种类的选择 同一个模锻上的模锻工序称为模锻工步 要根据模锻件的形状和尺寸来确定 1 长轴类模锻件锻件的长度与宽度之比较大 如台阶轴 曲轴 连杆 弯曲摇臂等 图3 30 此类锻件在锻造过程中 锤击方向垂直于锻件的轴线 终锻时 金属沿高度与宽度方向流动 而沿长度方向没有显著的流动 常选用拔长 滚压 弯曲 预锻和终锻等工步 对于小型长轴类锻件 为了减少钳口料和提高生产率 常采用一根棒料同时锻造出几个锻件的方法 因此应增设切断工步 将已锻好的模锻件分离开 有一些模锻件选用周期轧制材料作坯料时 图 可以省去拔长 滚压等工步 简化模锻过程 并可显著提高生产率 2 短轴类模锻件在分模面上的投影为圆形或长度接近于宽度或直径的锻件 如齿轮 法兰盘等 图3 32 此类模锻件在锻造过程中 锤击方向与坯料轴线相同 终锻时金属沿高度 宽度及长度方向均产生流动 常选用镦粗 预锻 终锻等工步 对于形状简单的短轴类模锻件 可只选用终锻工步成形 对于形状复杂 有深孔或有高筋结构的模锻件 则应增加镦粗工步 2 修正工序 切边 冲孔 校正 热处理 清理 三 模锻件结构工艺性 1 模锻件必须具有一个合理的分模面 保证易于从锻模中取出锻件 敷料消耗最少 锻模容易制造 2 模锻件上与捶击方向平行的非加工表面应设计出模锻斜度 非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计 3 避免设计深孔 多孔结构 图7 15中4 20mm孔不能锻出 4 为了使金属容易充满模膛和减少工序 模锻件外形应力求简单 平直和对称 尽量避免模锻件截面间差别过大 或具有薄壁 高筋 高台等结构 零件的小截面直径与大截面直径之比为0 5 就不符合模锻生产的要求 模锻件扁而薄 模锻时 薄部金属冷却快 变形抗力剧增 易损坏锻模 零件有一个高而薄的凸缘 金属难以充满模膛 且使锻模制造和成形后取出锻件较为困难 设计成图d所示形状 使之易于锻制成形 5 形状复杂 不易模锻的锻件应采用锻 焊组合工艺 减少敷料 简化模锻工艺 锤上模锻优点 虽具有设备投资较少 锻件质量较好 适应性强 可以实现多种变形工步 锻制不同形状的锻件 缺点 锤上模锻震动大 噪声大 蒸汽效率低完成一个变形工步往往需要经过多次锤击 难以实现机械化和自动化 生产率在模锻中相对较低 第四节压力机上模锻 压力机上模锻 锻模分别安装在滑块7和机座10上 滑块与螺杆1相连 沿导轨9上下滑动 螺杆穿过固定在机架上的螺母2 其上端装有飞轮3 两个摩擦盘4同装在一根轴上 由电动机5经皮带6使摩擦盘轴旋转 改变操纵杆位置可使摩擦盘轴沿轴向串动 这样就会把某一个摩擦盘靠紧飞轮边缘 借摩擦力带动飞轮转动 飞轮分别与两个摩擦盘接触 产生不同方向的转动 螺杆也就随飞轮做不同方向的转动 在螺母的约束下 螺杆的转动变为滑块的上下滑动 实现模锻生产 一 摩擦压力机上模锻 摩擦压力机上模锻的特点 1 摩擦压力机的滑块行程不固定 并具有一定的冲击作用 因而可实现轻打 重打 可在一个模膛内对金属进行多次锻击 这不仅能满足实现各种主要成形工序的要求 还可以进行弯曲 压印 热压 精压 切飞边 冲连皮及校正等工序 2 由于滑块运动速度低 金属变形过程中的再结晶可以充分进行 因而特别适合于锻造低塑性合金钢和非铁金属 如铜合金 等 但也因此其生产率较低 3 由于滑块打击速度不高 设备本身具有顶料装置 故可以采用整体式锻模 也可以采用特殊结构的组合式模具 使模具设计和制造简化 节约材料 降低成本 同时 可以锻制出形状更为复杂 敷料和模锻斜度都较小的锻件 此外 还可将轴类锻件直立起来进行局部镦粗 4 摩擦压力机承受偏心载荷的能力差 通常只适用于单膛锻模进行模锻 对于形状复杂的锻件 需要在自由锻设备或其它设备上制坯 优点和适用范围优点 结构简单 造价低 投资少 使用及维修方便 基建要求不高 工艺用途广泛等 适用范围 摩擦压力机上模锻适合于中小型锻件的小批或中批量生产 如铆钉 螺钉 螺母 配汽阀 齿轮 三通阀等 所以我国中小型锻造车间大多拥有这类设备 曲柄压力机是一种机械式压力机 其传动系统如图所示 当离合器7在结合状态时 电动机1的转动通过带轮2 3 传动轴4和齿轮5 6传给曲柄8 再经曲柄连杆机构使滑块10做上下往复直线运动 曲柄压力机的吨位一般是2000 120000kN 二 曲柄压力机上模锻 视频热模锻压力机 1 曲柄压力机作用于金属上的变形力是静压力 且变形抗力由机架本身承受 不传给地基 因此曲柄压力机工作时无震动 噪声小 2 滑块行程固定 每个变形工步在滑块的一次行程中即可完成 3 曲柄压力机具有良好的导向装置和自动顶件机构 因此锻件的余量 公差和模锻斜