材料成型技术基础第三章固态材料塑性成型过程

1、材料成型技术基础材料成型技术基础 第三章固态材料塑性第三章固态材料塑性成型过程成型过程一、概述一、概述 锻造是在加压设备及工（模）具作用锻造是在加压设备及工（模）具作用下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑下，使坯料、铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。由于金属塑性质量的锻件的加工方法。由于金属塑性和变形抗力方面的要求，锻造通常是在和变形抗力方面的要求，锻造通常是在高温（再结晶温度以上）下成形的，因高温（再结晶温度以上）下成形的，因此也称为金属热变形或热锻。此也称为金属热变形或热锻。 v主要用于生产各种重要的、承受重载荷主

2、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。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，锻件氧化和冷却收缩等各方面的原因，锻件精度不高、表面质量不好，加之锻件结精度不高、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构工艺性的制约，锻件通常只作为机器零件的毛坯。零件的毛坯。v一、金属固态塑性成形方法一、金属固态塑性成形方法(1)(1)轧制轧制v 将金属通过轧机上两个相对回转轧辊之将金属通过轧机上两个相对回转

3、轧辊之间的空隙，进行压延变形成为型材间的空隙，进行压延变形成为型材( (如钢板、如钢板、圆钢、角钢、槽钢等圆钢、角钢、槽钢等) )的加工方法，如图的加工方法，如图1a1a所所示。轧制生产所用坯料主要是金属锭，坯料示。轧制生产所用坯料主要是金属锭，坯料在轧制过程中靠摩擦力得以连续通过而受压在轧制过程中靠摩擦力得以连续通过而受压变形，结果坯料的截面减小，轧出的产品截变形，结果坯料的截面减小，轧出的产品截面与孔隙形状和大小相同，长度增加。面与孔隙形状和大小相同，长度增加。 v(2)(2)挤压挤压v 将金属置于一封闭的挤压模内，用强大将金属置于一封闭的挤压模内，用强大的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方

4、法，的挤压力将金属从模孔中挤出成形的方法，如图如图2a2a所示。挤压过程中金属坯料的截面依所示。挤压过程中金属坯料的截面依照模孔的形状减小，长度增加。挤压可以获照模孔的形状减小，长度增加。挤压可以获得各种复杂截面的型材或零件。得各种复杂截面的型材或零件。v(3)(3)拉拔拉拔v 将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使将金属坯料拉过拉拔模模孔，而使金属拔长、断面与模孔相同的加工方法。金属拔长、断面与模孔相同的加工方法。它主要生产各种细线材、薄壁管和一些它主要生产各种细线材、薄壁管和一些特殊截面形状的型材，如图特殊截面形状的型材，如图3 3所示。所示。v(4)(4)自由锻造自由锻造v 将加热后的金属坯料置

5、于上下砧铁间受将加热后的金属坯料置于上下砧铁间受冲击力或压力而变形的加工方法，如图冲击力或压力而变形的加工方法，如图4a4a所所示。示。v(5)(5)模型锻造模型锻造( (又叫模锻又叫模锻) )v 将加热后的金属坯料置于具有一定形状将加热后的金属坯料置于具有一定形状的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的加工的锻模模膛内受冲击力或压力而变形的加工方法，如图方法，如图4b4b所示。所示。v(6)(6)板料冲压金属板料在冲压模之间受压产生板料冲压金属板料在冲压模之间受压产生分离或变形而形成产品的加工方法。如图分离或变形而形成产品的加工方法。如图4c4c所示。所示。 v二、金属固态塑性成形类别及特征二、金

6、属固态塑性成形类别及特征 1.1.冷变形冷变形( (又叫冷成形过程又叫冷成形过程) )冷变形是指金属在进行塑性变形时冷变形是指金属在进行塑性变形时的温度低于该金属的再结晶温度。冷变的温度低于该金属的再结晶温度。冷变形的特征是金属变形后具有加工硬化现形的特征是金属变形后具有加工硬化现象，即金属的强度、硬度升高，塑韧度象，即金属的强度、硬度升高，塑韧度下降。而且冷变形制成的产品尺寸精度下降。而且冷变形制成的产品尺寸精度高、表面质量好。高、表面质量好。v对于那些不能或不易用热处理方法提高对于那些不能或不易用热处理方法提高强度、硬度的金属构件，特别是薄壁细强度、硬度的金属构件，特别是薄壁细长件，利用金

7、属在成形过程中的加工硬长件，利用金属在成形过程中的加工硬化来提高构件的强度和硬度，则有效而化来提高构件的强度和硬度，则有效而经济。例如各类冷冲压件、冷轧冷挤型经济。例如各类冷冲压件、冷轧冷挤型材、冷卷弹簧、冷拉线材、冷镦螺栓等材、冷卷弹簧、冷拉线材、冷镦螺栓等等，可见冷变形加工在各行各业中应用等，可见冷变形加工在各行各业中应用广泛。广泛。v2.2.热变形热变形( (又叫热成形过程又叫热成形过程) )特征：特征：v(1)(1)金属在热变形中始终保持着良好的金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑性变形。塑性，可使工件进行大量的塑性变形。又因高温下金属的屈服强度较低，故变又因高温下

8、金属的屈服强度较低，故变形抗力低，易变形。形抗力低，易变形。v(2)(2)热变形使金属材料内部的缩松、气热变形使金属材料内部的缩松、气孔或空隙被压实，粗大孔或空隙被压实，粗大( (树枝状树枝状) )的晶粒的晶粒组织结构被再结晶细化，从而使金属内组织结构被再结晶细化，从而使金属内部组织结构致密细小，力学性能部组织结构致密细小，力学性能( (特别特别是韧性是韧性) )明显改善和提高明显改善和提高( (见下表见下表) )。v(3)(3)热变形使金属材料内部晶粒间的杂热变形使金属材料内部晶粒间的杂质和偏析元素沿金属流动的方向呈线条质和偏析元素沿金属流动的方向呈线条状分布。再结晶后，晶粒的形状改变了，状

9、分布。再结晶后，晶粒的形状改变了，但定向伸长的杂质并不因再结晶的作用但定向伸长的杂质并不因再结晶的作用而消除，形成了纤维组织，使金属材料而消除，形成了纤维组织，使金属材料的力学性能具有方向性，即金属在纵向的力学性能具有方向性，即金属在纵向( (平行于纤维方向平行于纤维方向) )上具有最大的抗拉强上具有最大的抗拉强度且塑韧度较横向度且塑韧度较横向( (垂直于纤维方向垂直于纤维方向) )的的好，而横向具有最大的抗剪切强度。好，而横向具有最大的抗剪切强度。v因此，为了利用纤维组织性能上的因此，为了利用纤维组织性能上的方向性，在设计和制造零件或毛坯方向性，在设计和制造零件或毛坯时，都应使零件在工作中所

10、承受的时，都应使零件在工作中所承受的最大正应力方向尽量与纤维方向重最大正应力方向尽量与纤维方向重合，最大剪切应力方向与纤维方向合，最大剪切应力方向与纤维方向垂直，以提高零件的承载能力。垂直，以提高零件的承载能力。二、二、金属塑性成形的理论基础金属塑性成形的理论基础（一）（一）金属塑性变形的能力金属塑性变形的能力v金属塑性变形的能力又称为金属的金属塑性变形的能力又称为金属的可锻性，它指金属材料在塑性成形可锻性，它指金属材料在塑性成形加工时获得优质毛坯或零件的难易加工时获得优质毛坯或零件的难易程度。程度。金属材料的可锻性与可锻性的影响因素金属材料的可锻性与可锻性的影响因素v可锻性：可锻性：金属材料

11、经受压力加工的难易金属材料经受压力加工的难易程度。它是用金属材料的塑性与变形抗程度。它是用金属材料的塑性与变形抗力来衡量的。力来衡量的。v塑性愈大与变形抗力愈小的材料可锻性塑性愈大与变形抗力愈小的材料可锻性愈好。愈好。v可锻性的影响因素可锻性的影响因素v1 1、金属本身的性质、金属本身的性质v（1 1）化学成分化学成分：化学成份对变形抗力：化学成份对变形抗力的影响非常复杂。一般情况下，对于各的影响非常复杂。一般情况下，对于各种纯金属，因原子间相互作用不同，变种纯金属，因原子间相互作用不同，变形抗力也不同。同一种金属，纯度愈高，形抗力也不同。同一种金属，纯度愈高，变形抗力愈小。组织状态不同，抗力

12、值变形抗力愈小。组织状态不同，抗力值也有差异，如退火态与加工态，抗力明也有差异，如退火态与加工态，抗力明显不同。合金成分对可锻造性的影响；显不同。合金成分对可锻造性的影响；杂质对可锻造性的影响。杂质对可锻造性的影响。 v（2 2）内部组织内部组织：v纯金属及固溶体纯金属及固溶体( (如奥氏体如奥氏体) )组成的单相组成的单相组织比多相组织的塑性好，变形抗力低；组织比多相组织的塑性好，变形抗力低；均匀细小的晶粒比铸态柱状晶组织和粗均匀细小的晶粒比铸态柱状晶组织和粗晶组织的可锻性好。晶组织的可锻性好。v、变形的加工条件、变形的加工条件v（1 1）变形温度的影响）变形温度的影响v就大多数金属材料而言

13、，提高金属塑性变形就大多数金属材料而言，提高金属塑性变形时的温度，金属的塑性指标时的温度，金属的塑性指标( (伸长系数伸长系数和断和断面收缩率面收缩率)增加，变形抗力降低，是改善或增加，变形抗力降低，是改善或提高金属可锻性的有效措施，故热变形中，提高金属可锻性的有效措施，故热变形中，都要将金属预先加热到一定的温度。都要将金属预先加热到一定的温度。金属在加热过程中，随着温度的升高，金属在加热过程中，随着温度的升高，其性能变化很大。其性能变化很大。 v图图1 1所示为低碳钢的力学性能与温度变化的关所示为低碳钢的力学性能与温度变化的关系。由图系。由图1 1可知，在可知，在300300以上，随着温度的

14、以上，随着温度的升高，低碳钢的塑性指标升高，低碳钢的塑性指标和和上升，变形上升，变形抗力下降。原因之一是金属原子在热能作用抗力下降。原因之一是金属原子在热能作用下，处于极活跃的状态，很容易进行滑移变下，处于极活跃的状态，很容易进行滑移变形；其二是低碳钢在加热温度位于形；其二是低碳钢在加热温度位于AESGAESG区区（奥氏体区）（奥氏体区） ( (见图见图2)2)时，其组织为单一奥时，其组织为单一奥氏体，塑性很好，故很适宜于进行塑性成形氏体，塑性很好，故很适宜于进行塑性成形加工。加工。v确定始锻温度与终锻温度确定始锻温度与终锻温度v 塑性成形应避免脆性区：（蓝脆区与热脆区）塑性成形应避免脆性区：

15、（蓝脆区与热脆区）v（2 2）变形速度变形速度v（3 3）应力状态应力状态v应力状态对变形抗力的影响应力状态对变形抗力的影响v（二）二）金属塑性变形的基本规律金属塑性变形的基本规律v塑性变形的实质：是在切应力的作用下，塑性变形的实质：是在切应力的作用下，金属内部晶体沿某一平面产生滑移，实金属内部晶体沿某一平面产生滑移，实现了晶体的塑性变形。现了晶体的塑性变形。v、体积不变定理、体积不变定理v、最小阻力定理、最小阻力定理v3 3、塑性变形对材料组织与性能的影响：、塑性变形对材料组织与性能的影响：（1 1）冷变形与热变形：）冷变形与热变形：v冷变形：冷变形：v冷变形的概念冷变形的概念v变形温度低于

16、回复温度，在变形中只有变形温度低于回复温度，在变形中只有加工硬化作用而无回复与再结晶现象，加工硬化作用而无回复与再结晶现象，通常把这种变形称为冷变形或冷加工。通常把这种变形称为冷变形或冷加工。v冷变形时金属显微组织的变化冷变形时金属显微组织的变化v纤维组织、亚结构、变形织构纤维组织、亚结构、变形织构 多晶体多晶体塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也塑性变形时，各个晶粒滑移的同时，也伴随着晶体取向相对于外力有规律的转伴随着晶体取向相对于外力有规律的转动。尽管由于晶界的联系，这种转动受动。尽管由于晶界的联系，这种转动受到一定的约束，但当变形量较大时，原到一定的约束，但当变形量较大时，原来为任意取向的

17、各个晶粒也会逐渐调整，来为任意取向的各个晶粒也会逐渐调整，使取向大体趋于一致叫做使取向大体趋于一致叫做“择优取向择优取向”。具有择优取向的物体，其组织称为具有择优取向的物体，其组织称为“变变形织构形织构”。v冷变形时金属性能的变化冷变形时金属性能的变化v物化性能（密度、物化性能（密度、 电阻、化学稳定电阻、化学稳定性）、力学性能、织构与各向异性性）、力学性能、织构与各向异性v热变形：热变形：v热变形的概念热变形的概念v所谓热变形（又称热加工）是指变形金所谓热变形（又称热加工）是指变形金属在完全再结晶条件下进行的塑性变形。属在完全再结晶条件下进行的塑性变形。一般在热变形时金属所处温度范围是其一般

18、在热变形时金属所处温度范围是其熔点绝对温度的熔点绝对温度的0. 75-0. 950. 75-0. 95倍。倍。v热变形对金属组织性能的影响热变形对金属组织性能的影响v1 1）热变形对铸态组织的改造）热变形对铸态组织的改造v2 2）热变形制品晶粒度的控制）热变形制品晶粒度的控制v3 3）热变形时的纤维组织）热变形时的纤维组织 金属压力加工最原始的坯料是铸锭。其内金属压力加工最原始的坯料是铸锭。其内部组织很不均匀，晶粒粗大，且存在着许多部组织很不均匀，晶粒粗大，且存在着许多其他缺陷：如气孔、缩松、偏析、非金属夹其他缺陷：如气孔、缩松、偏析、非金属夹杂物等。将这种铸锭经热变形，粗大的铸状杂物等。将这

19、种铸锭经热变形，粗大的铸状晶粒被打碎后，经过再结晶，就可形成细晶晶粒被打碎后，经过再结晶，就可形成细晶粒，同时在热变形过程中还可以将气孔、缩粒，同时在热变形过程中还可以将气孔、缩松等压合在一起，使金属的致密性提高。因松等压合在一起，使金属的致密性提高。因而使金属的强度提高而使金属的强度提高1.1.2 2倍，塑韧性提高倍，塑韧性提高得更多。得更多。 分布在晶界上的非金属夹杂物，在分布在晶界上的非金属夹杂物，在变形过程中随着晶粒的拉长也被拉成长变形过程中随着晶粒的拉长也被拉成长形。当变形程度足够大时，这些夹杂物形。当变形程度足够大时，这些夹杂物被拉成线条状。被拉成线条状。 但是拉长的晶粒可经再结晶

20、又变成等轴但是拉长的晶粒可经再结晶又变成等轴细粒状，而这些夹杂物不能改变，就以细粒状，而这些夹杂物不能改变，就以细长线条状保留下来，形成了所谓的纤细长线条状保留下来，形成了所谓的纤维组织。纤维组织的化学稳定性很高，维组织。纤维组织的化学稳定性很高，只有经过锻压才能改变其分布方向，用只有经过锻压才能改变其分布方向，用热处理是不能消除或改变纤维组织形态热处理是不能消除或改变纤维组织形态的。的。v纤维组织使金属的力学性能具有明显的纤维组织使金属的力学性能具有明显的方向性，即锻件在纵向上（平行纤维方方向性，即锻件在纵向上（平行纤维方向）塑性和韧性增加，而在横向上（垂向）塑性和韧性增加，而在横向上（垂直

21、纤维方向）塑性和韧性降低。但强度直纤维方向）塑性和韧性降低。但强度在不同方向上的差别不大。在不同方向上的差别不大。v下图为曲轴的纤维组织分布：下图为曲轴的纤维组织分布：v三、锻造方法三、锻造方法v（一）自由锻造（一）自由锻造v1 1、自由锻成形的过程特征、自由锻成形的过程特征v自由锻是利用冲击力使坯料在上、下砧自由锻是利用冲击力使坯料在上、下砧座之间产生自由流动，以获得锻件的方座之间产生自由流动，以获得锻件的方法。法。v特征：特征：v成形过程中坯料的整体或局部发生塑性成形过程中坯料的整体或局部发生塑性成形，金属坯料在水平方向可自由流动，成形，金属坯料在水平方向可自由流动，不受限制。自由锻要求被

22、成形材料不受限制。自由锻要求被成形材料( (黑黑色金属或有色金属色金属或有色金属) )在成形温度下具有在成形温度下具有良好的塑性。自由锻锻件的形状取决于良好的塑性。自由锻锻件的形状取决于操作者的技术水平，但锻件质量不受限操作者的技术水平，但锻件质量不受限制。制。v但是，自由锻存在生产率低、金属损耗但是，自由锻存在生产率低、金属损耗大和劳动条件较差等缺点。大和劳动条件较差等缺点。v经自由锻成形所获得的锻件，精度和表经自由锻成形所获得的锻件，精度和表面品质差，故自由锻适用于形状简单的面品质差，故自由锻适用于形状简单的单件小批量毛坯成形，特别是重、大型单件小批量毛坯成形，特别是重、大型锻件的生产。锻

23、件的生产。v锻压设备锻压设备v自由锻可使用多种锻压设备自由锻可使用多种锻压设备( (如空气锤、如空气锤、蒸气锤、电液锤、机械压力机和液压机蒸气锤、电液锤、机械压力机和液压机等等) )，锻造工具简单且通用性大，操作，锻造工具简单且通用性大，操作方便。方便。v（1 1）空气锤：空气锤的吨位）空气锤：空气锤的吨位( (锤头重量）一般为锤头重量）一般为65-750Kg65-750Kg它的特点是结构较简单；操作方便，它的特点是结构较简单；操作方便，维护容易，设备投资少，吨位不大，适用于生产小维护容易，设备投资少，吨位不大，适用于生产小型锻件。型锻件。v（2 2）蒸汽）蒸汽-空气锤：它是利用空气锤：它是利

24、用0.70.70.8 MPa0.8 MPa压力的蒸汽或压力的蒸汽或0.60.60.8MPa 0.8MPa 的压缩空气来工的压缩空气来工作的。作的。 v（3 3）水压机：水压机也是特大型锻件自由锻造的）水压机：水压机也是特大型锻件自由锻造的主要设备。常用水压机的压力为主要设备。常用水压机的压力为5000-150000KN5000-150000KN（50050015000 t15000 t），可以锻造质量为），可以锻造质量为1 1300t300t的锻的锻件。件。 v4 4、自由锻工艺规程的制定、自由锻工艺规程的制定v自由锻工艺规程的主要内容自由锻工艺规程的主要内容v 1 1）根据零件图绘制锻件图；

25、）根据零件图绘制锻件图；v 2 2）确定坯料的质量和尺寸；）确定坯料的质量和尺寸；v 3 3）选择锻造工序，决定变形工艺过程；）选择锻造工序，决定变形工艺过程；v 4 4）选择锻造设备，确定设备能力；）选择锻造设备，确定设备能力；v 5 5）确定锻造温度范围、冷却方式和热处理规）确定锻造温度范围、冷却方式和热处理规范；范； v 6 6）规定锻件的技术要求和检验要求；）规定锻件的技术要求和检验要求；v 7 7）编制劳动组织和确定锻造工时定额。）编制劳动组织和确定锻造工时定额。v（1 1）绘制锻件图：）绘制锻件图：零件图不能直接用于锻造零件图不能直接用于锻造生产，必须按照自由锻造工艺特点绘制锻件生

26、产，必须按照自由锻造工艺特点绘制锻件图。图。 1 1）余块；）余块； 2 2）机械加工余量；）机械加工余量； 3 3）锻造公差）锻造公差 ；v锻件图绘制时要考虑的因素：锻件图绘制时要考虑的因素：(1)(1)敷料敷料 敷料是为了简化锻件形状、敷料是为了简化锻件形状、便于锻造而增添的金属部分。由于自由便于锻造而增添的金属部分。由于自由锻只适宜于锻制形状简单的锻件，故对锻只适宜于锻制形状简单的锻件，故对零件上一些较小的凹挡、台阶、凸肩、零件上一些较小的凹挡、台阶、凸肩、小孔、斜面和锥面等都应进行适当的简小孔、斜面和锥面等都应进行适当的简化，以减少锻造的困难，提高生产率化，以减少锻造的困难，提高生产率

27、。v(2)(2)加工余量加工余量 由于自由锻件的尺寸精度由于自由锻件的尺寸精度低、表面品质较差，需要再切削，所以低、表面品质较差，需要再切削，所以应在零件的加工表面增加供切削加工用应在零件的加工表面增加供切削加工用的金属部分，称为加工余量。锻件加工的金属部分，称为加工余量。锻件加工余量的大小与零件的形状、尺寸、加工余量的大小与零件的形状、尺寸、加工精度和表面粗糙度等因素有关，通常自精度和表面粗糙度等因素有关，通常自由锻件的加工余量为由锻件的加工余量为4 46mm6mm。它与生产。它与生产的设备、工装精度、加热的控制和操作的设备、工装精度、加热的控制和操作技术水平有关，零件越大、形状越复杂，技术

28、水平有关，零件越大、形状越复杂，余量就越大。余量就越大。v(3)(3)锻件公差锻件公差 锻件公差是锻件名义尺锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量。因为锻造操作中掌握寸的允许变动量。因为锻造操作中掌握尺寸有一定困难，外加金属的氧化和收尺寸有一定困难，外加金属的氧化和收缩等原因，使锻件的实际尺寸总有一定缩等原因，使锻件的实际尺寸总有一定的误差。自由锻件的公差一般为的误差。自由锻件的公差一般为1 12mm2mm。自由锻件机加工余量和自由锻。自由锻件机加工余量和自由锻件公差的具体数值还可查锻造手册。件公差的具体数值还可查锻造手册。v例如，图例如，图1 1所示双联齿轮，批量为所示双联齿轮，批量为1010件

29、件/ /月，月，材料为材料为4545钢。钢。v该双联齿轮属小批量生产，故采用自由锻。该双联齿轮属小批量生产，故采用自由锻。但因但因25mm25mm的孔放机加工余量后小于的孔放机加工余量后小于20mm20mm，无法锻出无法锻出( (即用敷料即用敷料) )，退刀槽用敷料，半径，退刀槽用敷料，半径上机加工余量放上机加工余量放3.5mm3.5mm，高度上机加工余量放，高度上机加工余量放3mm3mm，锻件公差取，锻件公差取1mm1mm。这样就得到图。这样就得到图2 2所示所示的锻件图。的锻件图。（2 2）坯料质量及尺寸的计算）坯料质量及尺寸的计算坯料质量可按下式计算：坯料质量可按下式计算：G G坯料坯料

30、=G=G锻件锻件+G+G烧损烧损+G+G料头料头式中式中G G坯料坯料坯料质量，坯料质量，kgkgG G锻件锻件锻件质量，锻件质量，kgkgG G烧损烧损加热时坯料表面氧化烧损加热时坯料表面氧化烧损的质量的质量( (通常，第一次加热取被加热金属的通常，第一次加热取被加热金属的2%2%3%3%，以后各次加热取，以后各次加热取1.5%1.5%2%)2%)，kgkgG G料头料头指在锻造中被切掉或冲掉指在锻造中被切掉或冲掉的那部分金属质量的那部分金属质量( (如用铸钢锭时，则要考虑如用铸钢锭时，则要考虑切掉钢锭头部和尾部的质量切掉钢锭头部和尾部的质量) )，kgkgv对于中、小型锻件，通常都是型材对

31、于中、小型锻件，通常都是型材( (使使用最多的是圆钢用最多的是圆钢) )，即可不考虑料头因，即可不考虑料头因素，上式简化为：素，上式简化为：G G坯料坯料=(1+K)G=(1+K)G锻件锻件K K是一个与锻件形状有关的系数。是一个与锻件形状有关的系数。对于实心盘类锻件，对于实心盘类锻件，K=2%K=2%3%3%；对于阶；对于阶梯轴类锻件，梯轴类锻件，K=8%K=8%10%10%；对于空心类；对于空心类锻件，锻件，K=10%K=10%12%12%；对于其他形状的锻；对于其他形状的锻件，可视其复杂程度参照上述三类锻件件，可视其复杂程度参照上述三类锻件取取K K值。值。v锻件的质量根据锻件的名义尺寸

32、计算，锻件的质量根据锻件的名义尺寸计算，即即G G坯料坯料=V=V锻件锻件式中式中V V锻件锻件锻件体积，锻件体积，mm3mm3金属的密度，金属的密度，g/cm3g/cm3在坯料质量求出后，则需计算坯料在坯料质量求出后，则需计算坯料的尺寸。对于圆型材料的尺寸。对于圆型材料( (如圆钢如圆钢) )： v(1)(1)当锻造的第一工序为镦粗时，则当锻造的第一工序为镦粗时，则v式中式中 V V1 1坯料的体积，坯料的体积，V V1 1=G=G1 1/(G/(G1 1为坯料为坯料的重量的重量) )坯料的高度或长度坯料的高度或长度 H=VH=V1 1/ /(D/2) (D/2) 2 2且且H H应满足：应

33、满足：1.25DH2.5D1.25DH2.5D这是因为在体积一定的情况下，坯料高度过这是因为在体积一定的情况下，坯料高度过大，则直径较小，镦粗时易镦弯；而直径过大，则直径较小，镦粗时易镦弯；而直径过大，大， 则下料困难且锻造效果不好。则下料困难且锻造效果不好。v(2)(2)当锻件的第一工序为拔长时，则当锻件的第一工序为拔长时，则A A1 1Y Y锻锻AmaxAmax式中式中vA A1 1坯料的截面积，坯料的截面积，mmmm2 2Y Y锻锻锻造比，对于圆钢锻造比，对于圆钢Y Y锻锻=1.3=1.31.51.5AmaxAmax锻件的最大截面积，锻件的最大截面积，mmmm2 2坯料的长度坯料的长度

34、L=VL=V1 1/A/A1 1vv要注意的是，圆钢直径的大小是有标准要注意的是，圆钢直径的大小是有标准的，如的，如25mm25mm、30mm30mm、35mm35mm、40mm40mm、。当计算的坯料直径。当计算的坯料直径D D与与圆钢标准直径不符时，则应将坯料直径圆钢标准直径不符时，则应将坯料直径就近取成圆钢直径，然后再重新计算坯就近取成圆钢直径，然后再重新计算坯料的高度料的高度H H或长度或长度L L。vv（3 3）选择锻造工序，确定锻造温度和）选择锻造工序，确定锻造温度和冷却规范冷却规范1)1)选择锻造工序选择锻造工序 自由锻中可进行的工自由锻中可进行的工序较多，通常分为基本工序、辅助

35、工序序较多，通常分为基本工序、辅助工序和精整工序。和精整工序。自由锻的基本工序是使坯料产生一定自由锻的基本工序是使坯料产生一定程序的热变形，逐渐形成锻件所需形状程序的热变形，逐渐形成锻件所需形状和尺寸的过程。基本工序有镦粗、拔长、和尺寸的过程。基本工序有镦粗、拔长、冲孔、切割、弯扭和错移等。冲孔、切割、弯扭和错移等。 v辅助工序是为基本工序操作方便而进行辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压肩、倒棱等。的预先变形工序，如压肩、倒棱等。v精整工序是用以改善锻件表面品质而进精整工序是用以改善锻件表面品质而进行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。行的工序，如整形、清除表面氧化皮等。精整

36、工序用于要求较高的锻件，且在终精整工序用于要求较高的锻件，且在终锻温度以后进行。锻温度以后进行。 v2)2)锻造温度范围及加热冷却规范锻造温度范围及加热冷却规范 v金属的锻造是在一定温度范围内进行的。金属的锻造是在一定温度范围内进行的。一些常用金属材料的锻造温度范围见表一些常用金属材料的锻造温度范围见表2 2。为缩短加热时间，对塑性良好的中。为缩短加热时间，对塑性良好的中小型低碳钢坯料，可把冷的坯料直接送小型低碳钢坯料，可把冷的坯料直接送入高温的加热炉中，尽快加热到始锻温入高温的加热炉中，尽快加热到始锻温度。这样不仅可提高生产率，而且可以度。这样不仅可提高生产率，而且可以减少坯料的氧化和钢的表

37、面脱碳，并防减少坯料的氧化和钢的表面脱碳，并防止过热。止过热。v但快速加热会使坯料产生较大的热应力，但快速加热会使坯料产生较大的热应力，甚至可能会导致内部裂纹。因此，对热甚至可能会导致内部裂纹。因此，对热导率和塑性较低的大型合金钢坯料，常导率和塑性较低的大型合金钢坯料，常采用分段加热，即先将坯料随炉升温至采用分段加热，即先将坯料随炉升温至800800左右，并适当保温以待坯料内部左右，并适当保温以待坯料内部组织和内外温度均匀。然后再快速升温组织和内外温度均匀。然后再快速升温至始锻温度并在此温度下保温，待坯料至始锻温度并在此温度下保温，待坯料内外温度均匀后出炉锻造。内外温度均匀后出炉锻造。v锻件冷

38、却方式常用下列三种：锻件冷却方式常用下列三种：v直接在空气中冷却直接在空气中冷却( (简称空冷简称空冷) )。此法多用。此法多用于于W WC C0.5%0.5%的碳钢和的碳钢和W WC C 0.3% 0.3%的低合金钢中的低合金钢中小锻件。小锻件。v在炉灰或干砂中缓冷。多用于中碳钢、高在炉灰或干砂中缓冷。多用于中碳钢、高碳钢和大多数低合金钢的中型锻件。碳钢和大多数低合金钢的中型锻件。v随炉缓冷。锻后随即将锻件放入随炉缓冷。锻后随即将锻件放入500500700700的炉中随炉缓冷，多用于中碳钢和低合的炉中随炉缓冷，多用于中碳钢和低合金钢的大型锻件以及高合金钢的重要锻件。金钢的大型锻件以及高合金钢

39、的重要锻件。 v（4 4）自由锻典型过程举例）自由锻典型过程举例v其锻造温度范围可参见表其锻造温度范围可参见表2 2所示的常用金属材所示的常用金属材料锻造温度范围，或者查锻造手册。料锻造温度范围，或者查锻造手册。v中、小型自由锻件所采用的锻造设备主要是中、小型自由锻件所采用的锻造设备主要是空气锤。空气锤吨位的选择见表空气锤。空气锤吨位的选择见表4 4或查锻造手或查锻造手册。册。v（5 5）自由锻件结构技术特征）自由锻件结构技术特征v锻造一般是固态成形的生产过程，由于锻造一般是固态成形的生产过程，由于受材料本身的塑性和外力的限制，加之自由受材料本身的塑性和外力的限制，加之自由锻过程的特点，其几何

40、形状受到很大限制。锻过程的特点，其几何形状受到很大限制。因此，在保证使用性能的前提下，为简化锻因此，在保证使用性能的前提下，为简化锻造过程、保证锻件品质、提高生产率，在零造过程、保证锻件品质、提高生产率，在零件结构设计时应尽量满足自由锻的技术特征件结构设计时应尽量满足自由锻的技术特征要求。要求。v在零件结构设计时注意以下原则：在零件结构设计时注意以下原则：1)1)自由锻件应避免锥体、曲线或曲自由锻件应避免锥体、曲线或曲面交接以及椭圆形、工字形截面等结构。面交接以及椭圆形、工字形截面等结构。因为锻造这些结构须制备专用工具，锻因为锻造这些结构须制备专用工具，锻件成形也比较困难，使锻造过程复杂，件成

41、形也比较困难，使锻造过程复杂，操作极不方便。操作极不方便。v2)2)自由锻件应避免加强筋、凸台等结构。自由锻件应避免加强筋、凸台等结构。因为这些结构难以用自由锻获得。若采因为这些结构难以用自由锻获得。若采用特殊工具或技术措施来生产，必将增用特殊工具或技术措施来生产，必将增加成本，降低生产率。加成本，降低生产率。v3)3)当锻件的横截面有急剧变化或形状较当锻件的横截面有急剧变化或形状较复杂时，可采用特别的技术措施或工具；复杂时，可采用特别的技术措施或工具；或者将其设计成几个简单件构成的组合或者将其设计成几个简单件构成的组合件，锻造后再用焊接或机械连接方法将件，锻造后再用焊接或机械连接方法将其连成

42、整体件。其连成整体件。v（二）（二）模型锻造模型锻造v模型锻造包括模锻和镦锻，是将加热或模型锻造包括模锻和镦锻，是将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压加冲击力或压 力使坯料发生塑性变形力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。而获得锻件的成形过程。 v模锻：模型锻造是在锻压机器动力作用下，模锻：模型锻造是在锻压机器动力作用下，使坯料在锻模模膛内被迫塑性流成形，从而使坯料在锻模模膛内被迫塑性流成形，从而获得与模膛形状相符的锻件，简称模锻。获得与模膛形状相符的锻件，简称模锻。、模型锻造成形过程特征、模型锻造成形过程特征模型锻造成形过程中坯料整体塑

43、性成形，模型锻造成形过程中坯料整体塑性成形，处于压应力状态。坯料放于固定锻模模膛中，处于压应力状态。坯料放于固定锻模模膛中，当动模作合模运动时当动模作合模运动时( (一次或多次一次或多次) )，坯料发，坯料发生塑性变形并充满模膛，随后模锻件由顶出生塑性变形并充满模膛，随后模锻件由顶出机构顶出模膛。热成形要求被成形材料在高机构顶出模膛。热成形要求被成形材料在高温下具有较好的塑性，而冷成形则要求材料温下具有较好的塑性，而冷成形则要求材料具有足够的室温塑性。热成形过程主要是模具有足够的室温塑性。热成形过程主要是模锻，可生产各种形状的锻件，锻件形状仅受锻，可生产各种形状的锻件，锻件形状仅受成形过程、模

44、具条件和锻造力的限制。成形过程、模具条件和锻造力的限制。v热成形模锻件的精度和表面品质除取决于锻热成形模锻件的精度和表面品质除取决于锻模的精度和表面品质、氧化皮的厚度和润滑模的精度和表面品质、氧化皮的厚度和润滑 剂等，一般都符合要求。但要得到零件配合剂等，一般都符合要求。但要得到零件配合面最终精度和表面品质还须再进行精加工面最终精度和表面品质还须再进行精加工( (如如车车 削、铣削和刨削等削、铣削和刨削等) )。冷成形件则可获得。冷成形件则可获得较好的精度较好的精度(0.2mm)0.2mm)与表面品质，几乎可与表面品质，几乎可以不再进行或少进行机加工。以不再进行或少进行机加工。v模锻可采用多种

45、锻压设备。模锻可采用多种锻压设备。v可广泛用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军可广泛用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军工及轴承等制造业中。最常见的零件是齿轮、工及轴承等制造业中。最常见的零件是齿轮、轴、连杆、杠杆和手柄等，模锻件常限于轴、连杆、杠杆和手柄等，模锻件常限于150kg150kg以下的零件。冷成形工艺以下的零件。冷成形工艺( (冷镦、冷锻冷镦、冷锻) )主要生产一些小型制品或零件，如螺钉、钉主要生产一些小型制品或零件，如螺钉、钉子、铆钉和螺栓等。由于锻模造价高，制造子、铆钉和螺栓等。由于锻模造价高，制造周期长，故模型锻造仅适宜于大批量生产。周期长，故模型锻造仅适宜于大批量生产。 v、模锻过

46、程、模锻过程v模锻生产过程的流程如下：模锻生产过程的流程如下： v（1 1）绘制模锻件图）绘制模锻件图模锻件图模锻件图( (又叫模锻过程图又叫模锻过程图) )是生产过程是生产过程中各个环节的指导性技术文件。在制订模锻中各个环节的指导性技术文件。在制订模锻件图时应考虑的因素有：件图时应考虑的因素有： v1)1)分模面：分模面：分模面即指上、下锻模在锻件上分模面即指上、下锻模在锻件上的分界面。锻件分模面选择的好坏将直接影的分界面。锻件分模面选择的好坏将直接影响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制造费用、材料利用率、切边等一系列问题。造费用、材料利用率、切边等一

47、系列问题。v原则：原则：v为保证模锻件易于从模膛中取出，分为保证模锻件易于从模膛中取出，分模面通常选在模锻件最大截面上。所模面通常选在模锻件最大截面上。所选定的分模面应使模膛的深度最浅。这选定的分模面应使模膛的深度最浅。这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。选定的分模面应使出和锻模的制造。选定的分模面应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致。这上下两模沿分模面的模膛轮廓一致。这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。便于及时调整锻模位置。v分模面最好是平面，且上下锻模的模分模面最好是平面，且上下锻模

48、的模膛深度尽可能一致，以便于锻模制造。膛深度尽可能一致，以便于锻模制造。所选分模面尽可能使锻件上所加的敷所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少。这样既可提高材料的利用率，料最少。这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。图又减少了切削加工的工作量。图1 1中的中的c cc c面就满足了上述原则面就满足了上述原则。v2)2)加工余量、锻件公差和敷料：加工余量、锻件公差和敷料： v模锻件的尺寸精度较好，其余量和公差比自模锻件的尺寸精度较好，其余量和公差比自由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一般在般在2 24mm4mm，锻件公差一般为，锻件公差一般为

49、0.50.51mm1mm。另外，模锻件加工余量及模锻件公差还可查另外，模锻件加工余量及模锻件公差还可查锻造手册或其他工程手册。锻造手册或其他工程手册。对于孔径对于孔径d d25mm25mm的模锻件，孔应锻出，的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮。冲孔连皮的厚度与孔径有但须留冲孔连皮。冲孔连皮的厚度与孔径有关，当孔径在关，当孔径在303080mm80mm时，连皮厚度为时，连皮厚度为4 48mm8mm。v3)3)模锻斜度：模锻斜度： 模锻件上凡平行于锻压方向的模锻件上凡平行于锻压方向的表面表面( (或垂直于分模面的表面或垂直于分模面的表面) )都须具有斜度，都须具有斜度，如图如图2 2所示，这样便于

50、从模膛中取出锻件。常所示，这样便于从模膛中取出锻件。常用的模锻斜度系列为：用的模锻斜度系列为：3 3， 5 5，7 7，1010，1212，1515。模锻斜度与模膛深度有。模锻斜度与模膛深度有关，模膛深度与宽度的比值关，模膛深度与宽度的比值(h /b)(h /b)越大，取越大，取较大的斜度值。内壁斜度较大的斜度值。内壁斜度( (锻件冷却收缩时与锻件冷却收缩时与模壁呈夹紧趋势的表面模壁呈夹紧趋势的表面) )应比外壁斜度大应比外壁斜度大2 25 5。在具有顶出装置的锻压机械上，。在具有顶出装置的锻压机械上，其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。v4)4)模

51、锻件圆角半径：模锻件圆角半径： 模锻件上凡是面与面相模锻件上凡是面与面相交处均应做成圆角，如图交处均应做成圆角，如图2 2所示。这样，可增所示。这样，可增大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。钢质尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。钢质模锻件外圆角半径模锻件外圆角半径r r取取1.51.512mm12mm，内圆角半，内圆角半径比外圆角半径大径比外圆角半径大2 23 3倍。模膛深度愈深，倍。模膛深度愈深，圆角半径取值就要越大。圆角半径取值就要越大。v（

52、2 2）坯料质量和尺寸计算）坯料质量和尺寸计算模锻件坯料质量模锻件坯料质量= =模锻件质量模锻件质量+ +氧化烧损氧化烧损质量质量+ +飞边飞边( (连皮连皮) )质量质量飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一般可按锻件质量的般可按锻件质量的20%20%25%25%计算。氧化烧损计算。氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的按锻件质量和飞边质量总和的3%3%4%4%计算。计算。其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算。 v（3 3）模锻工序的确定）模锻工序的确定模锻工序与锻件的形状和尺寸有关。模锻工序与锻件的形状和尺寸有关。由

53、于每个模锻件都必须有终锻工序，所由于每个模锻件都必须有终锻工序，所以工序的选择实以工序的选择实 际上就是制坯工序和际上就是制坯工序和预锻工序的确定。预锻工序的确定。v1)1)轮盘类模锻件轮盘类模锻件 指圆形或宽度接近于指圆形或宽度接近于长度的锻件，如齿轮、十字接盘、法兰长度的锻件，如齿轮、十字接盘、法兰盘等，见图盘等，见图3 3 。这类模锻件在终锻时金。这类模锻件在终锻时金属沿高度和径向属沿高度和径向( (或长、宽方向或长、宽方向) )均产生均产生流动。流动。一般的轮盘类模锻件，采用镦粗和一般的轮盘类模锻件，采用镦粗和终锻工序。对于一些高轮毂、薄轮辐的终锻工序。对于一些高轮毂、薄轮辐的模锻件，

54、采用镦粗模锻件，采用镦粗 预锻预锻终锻工序，终锻工序，如图如图3c3c所示。所示。v2)2)长轴类模锻件长轴类模锻件 这类锻件的长度与宽这类锻件的长度与宽度之比较大，终锻时金属沿高度与宽度度之比较大，终锻时金属沿高度与宽度方向流动，但长度方向流动不大。长轴方向流动，但长度方向流动不大。长轴类锻件包括主轴、传动轴、转轴、销类锻件包括主轴、传动轴、转轴、销轴轴 、曲轴、连杆、杠杆和摆杆等等，、曲轴、连杆、杠杆和摆杆等等，如图如图4 4所示。这类模锻件的形状多种多所示。这类模锻件的形状多种多样，样， 通常模锻件沿轴线在宽度和直径通常模锻件沿轴线在宽度和直径方向上的变化较大，这样就给模锻带来方向上的变

55、化较大，这样就给模锻带来一定的不便和难度。一定的不便和难度。v因此，因此， 长轴类模锻件的成形较轮盘类长轴类模锻件的成形较轮盘类模锻件的难，模锻工序也较多，模锻过模锻件的难，模锻工序也较多，模锻过程也较复杂。程也较复杂。 长轴类模锻件的工序选长轴类模锻件的工序选择有：预锻择有：预锻终锻。滚压终锻。滚压预锻预锻终锻。拔长终锻。拔长滚压滚压预预 锻锻终锻。终锻。拔长拔长滚压滚压弯曲弯曲预锻预锻终锻等。终锻等。工序越多，锻模的模膛数就越多，这样，工序越多，锻模的模膛数就越多，这样， 锻模的设计和制造加工就越难，成本也锻模的设计和制造加工就越难，成本也就越高。就越高。 v在模锻件的成形过程中工序的多少

56、与零件的在模锻件的成形过程中工序的多少与零件的结构设计、坯料形状及制坯手段等有关。结构设计、坯料形状及制坯手段等有关。图图5 5所示为锤上模锻弯曲连杆的过程。所示为锤上模锻弯曲连杆的过程。由于锻压机上不适宜进行拔长和滚压工序，由于锻压机上不适宜进行拔长和滚压工序，因此，锻造截面变化较大的长轴类锻件时，因此，锻造截面变化较大的长轴类锻件时，常采用断面呈周期性变化的坯料，如图常采用断面呈周期性变化的坯料，如图6 6所示，所示，这样可以省去拔长和滚压工序。或者用辊锻这样可以省去拔长和滚压工序。或者用辊锻机来轧制原坯料代替拔长和滚压工序，如图机来轧制原坯料代替拔长和滚压工序，如图7 7所示，这样可使模

57、锻过程简化，生产率提高。所示，这样可使模锻过程简化，生产率提高。v（4 4）修整工序）修整工序v由锻模模膛锻出的模锻件，尚须经过一些修整工序由锻模模膛锻出的模锻件，尚须经过一些修整工序才能得到符合要求的锻件。修整工序有：才能得到符合要求的锻件。修整工序有： 1)1)切边与冲孔切边与冲孔 刚锻制成的模锻件，周边通常都带刚锻制成的模锻件，周边通常都带有横向飞边，对于有通孔的锻件还有连有横向飞边，对于有通孔的锻件还有连 皮。飞边皮。飞边和连皮须用切边模和冲孔模在压力机上切除。和连皮须用切边模和冲孔模在压力机上切除。 v对于较大的模锻件和合金钢模锻件，常利用模锻后对于较大的模锻件和合金钢模锻件，常利用

58、模锻后的余热立即进行切边和冲孔，其特点是所的余热立即进行切边和冲孔，其特点是所 需切断需切断力较小，但锻件在切边和冲孔时易产生轻度的变形。力较小，但锻件在切边和冲孔时易产生轻度的变形。对于尺寸较小的和精度要求较高对于尺寸较小的和精度要求较高 的锻件，常在冷的锻件，常在冷态下进行切边和冲孔，其特点为切断后锻件切面较态下进行切边和冲孔，其特点为切断后锻件切面较整齐，不易产生变形，但所需的切断力较大。整齐，不易产生变形，但所需的切断力较大。v切边模和冲孔模由凸模和凹模组成，如图切边模和冲孔模由凸模和凹模组成，如图8 8所所示。切边凹模的通孔形状和锻件在分示。切边凹模的通孔形状和锻件在分 模面上模面上

59、的轮廓一样，而凸模工作面的形状和锻件上的轮廓一样，而凸模工作面的形状和锻件上部外形相符。冲孔凹模作为锻件的部外形相符。冲孔凹模作为锻件的 支座，其支座，其形状做成使锻件放在模中能对准冲孔中心，形状做成使锻件放在模中能对准冲孔中心，冲孔连皮从凹模孔落下。冲孔连皮从凹模孔落下。 v当锻件批量很大时，切边和冲连皮可在一个当锻件批量很大时，切边和冲连皮可在一个较复杂的复合式连续模上联合进行。较复杂的复合式连续模上联合进行。v2)2)校正校正 在切边及其他工序中有可能引起锻件变形。在切边及其他工序中有可能引起锻件变形。因此对许多锻件特别是形状复杂的锻因此对许多锻件特别是形状复杂的锻 件，在切边件，在切边

60、( (冲连皮冲连皮) )之后还需进行校正。校正可在锻模的终锻之后还需进行校正。校正可在锻模的终锻模膛或专门的校正模内进行。模膛或专门的校正模内进行。 3)3)热处理热处理 对模锻件进行热处理的目的是为了消除对模锻件进行热处理的目的是为了消除模锻件的过热组织、加工硬化组织和内模锻件的过热组织、加工硬化组织和内 应力等，应力等，使模锻件具有所需的组织和性能。热处理而用正火使模锻件具有所需的组织和性能。热处理而用正火或退火。或退火。4)4)清理清理 清理是去除在生产过程中形成的氧化皮、清理是去除在生产过程中形成的氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻 件的表面件