锻造基础知识讲座

1、锻造基础知识讲座（一）锻造的基本概念。锻造是锻压工艺的一部分，锻压包括锻造和冲压两部分。锻造的根本目的：是获得所需形状和尺寸，同时要求其性能和组织符合一定的技术要求的毛坯。锻造按温度来分有：热锻、温锻和冷锻。不同的锻造温度对锻件的组织和性能的影响也是不同的。下面介绍的内容主要是热锻部分知识。锻造分自由锻和模锻两部分。自由锻是自由锻造的简称，自由锻包括胎模锻，适用于单件小批生产。模锻适用于批量生产和大批量生产，如汽车制造行业。自由锻和模锻是锻造工艺的主要支柱。发达国家的模锻件占锻件总重量的70以上；我国在50 年代模锻件占锻件总重量不到20，现在有进步，但模锻件总重乃比自由锻件少。自由锻又分手工

2、锻和机器锻。手工锻在现在工厂用得很少，只在工具修理部门有，农村的铁匠炉基本上还是用手工锻。机器锻又分锤上自由锻和水压机上自由锻，前者用来生产大、中、小锻件；后者用来生产大型和特大型锻件。自由锻特点：1 .所用工具简单，通用性强，灵活性大。2 .靠工人的手工操作来控制锻件的形状和尺寸，因此，锻件的精度差，工人的劳动强度大，生产率低。锻件的主要缺陷有：1. 裂纹：有横向、纵向裂纹及其它各种裂纹。2. 过烧。3. 白点（锻件内部银白色、灰白色圆形的裂纹）4. 折叠。5. 疏松、非金属夹杂物。6. 机械性能达不到要求（锻比不够）。7. 弯曲、变形。产生以上缺陷的原因很多，有铸锭缺陷引起的，有锻造加热不

3、当引起的，有锻造本身的原因，也有锻后冷却和热处理不当引起的。总之，原因很多。所以当锻件的缺陷发现后，需要综合起来进行分析，并要掌握在不同情况下产生缺陷的不同特征，以便具体问题进行具体分析（二）锻造设备简介。1. 自由锻设备：有锻锤和水压机两类。（1）锻锤有：简易锻锤-夹板（杆）锤：最大吨位12吨。弹簧锤：最大吨位100 公斤左右。钢丝锤：最大吨位3 吨。如我厂的3 吨落锤。空气锤：规格有：40、 65、 75、 150、 250、 400、560、 750、 1000公斤等。蒸汽 空气锤：规格有：1、 2、 3、 5吨。（老企业还有1/4 吨和 1/2 吨。 ）形式有单臂（柱）、双臂（拱式）和

4、桥式。锻锤吨位的大小，是以它的落下部分的重量来表示。落下部分包括：活塞、锤杆、锤上砧（锤头）等。如落下部为1 吨重，则称该锻锤为1 吨锤。锻锤锻打坯料的力量，是依靠工作行程前，预先积蓄在锻锤落下部分的能量来完成的。动能： E=1/2 m u2单位（公斤.米）m 质量，m=G/gG锻锤落下部分的重量（公斤）g重力加速度=9.8米 /秒 2u锤头的打击速度，最大可达9米 /秒蒸汽空气锤一般为67米/秒（ 2）水压机：规格有：500、 630、 800、 1000、 1250、 1600、2500、 6000、 12000 吨等。水压机是靠活塞的静压力使坯料成形。静压力是根据巴斯卡液体静压定律（即加

5、在密闭的液体上的压强，能够按照它原来的大小，由液体向各个方向传递） 。压强 单位面积上受的力。锻压设备规格的单位-千牛或吨（关系：1 千牛 =0.1 吨）2. 模锻设备：（ 1） 蒸 汽 空气模锻锤：规格有1、 2、 3、 5、 10、 16 吨等。（ 2） 无 砧座模锻锤：打击能量有：1600、 2500 公斤.米（3）热模锻压力机：规格：100吨8000吨。（4）平锻机：规格：100吨3150吨。用于大批量生产中：顶锻、模锻、挤压、冲孔、 切断等工作。自由锻锤和模锻锤的主要区别：自由锻锤：锤砧座和锤身是分开的。模锻锤：锤砧座和锤身是一体的。3.锻造设备的锻造能力:自由锻 锻锤的锻造能力范围

6、1千牛=0.1吨锻锤吨位- （千牛）锻件类型2.557.510203050圆饼D (mm)<200<250<300<400<500<600<750H (mm)35<50V 100V 150<250<300<300圆环D (mm)v 150<350<400<500<600工 1000<1200H (mm)<60<75V 100V 150<200<250<300圆筒D (mm)v 150V 175<250<275<300<350<700d (m

7、m)>100>125>125>125>125>150>500L (mm)< 150<200<275<300<350<400<550圆轴D (mm)80V 125V 1500 175<225<275<350G （公斤）v 100<200<300<500<750工 1000<1500方块H = B (mm)<80< 1500 175<200<250<300<450G （公斤）<25<50<70& 100&l

8、t;350<800<1000扁方B (mm)& 100& 160V 175<200<400<600<700H (mm)>7>15>20>25>40>50>70成型锻件G （公斤）520355070100300吊钩起重量（吨）351020305075钢锭直径（mm）125200250300400450600钢坯边长（mm）100175225275350400550注：D-锻件外径，d-锻件内径，H-锻件高度，B-锻件宽度，L-锻件长度，G-锻件重量。自由锻 水压机的锻造能力范围1千牛=0.1吨水压机吨位

9、 千牛） 锻件类型800012500250003150060000120000钢锭对径（mm）7409001360145020003000钢锭重（吨）7124550130300徽粗D (mm)80011001600180026003200钢锭重（吨）2.56243060 90150230圆轴D (mm)5007501000135019002500L (mm)45001400016000180002000026000锻件重（吨）47253080150宽板H > (mm)100125140150200400B (mm)80010001400150022003700圆筒L (mm)250040

10、006500100001600018000锻件重（吨）1.53.5142040130圆盘D (mm)1000120018002000250035005000H > (mm)80100100120100150130150180200250300圆环D ( mm)1200160022002600380050006000注：D-锻件外径，H-锻件高度，B-锻件宽度，L-锻件长度。以上各表中的规定仅供参考，因为每个厂都有根据本厂 情况，制定出本厂的锻造设备能力表。另外，有许多按表中 规定，用水压机锻的小尺寸锻件，可以用锻锤来锻。锻锤的锻造范围，大致上是：圆并类锻件：重量为1吨左右；最大尺寸：80

11、0毫米左右轴类锻件：重量为1吨左右；最大尺寸：0 350毫米左右 圆环类锻件：最大尺寸：0 1000毫米左右。（三）常用锻造术语。参看厂标：QJ/DXS01.02.4-87锻造工艺术语或GB/T 8541-1997锻压术语1 .锻造：锻造是在加压设备及工（模）具的作用下，使金属 坯料或铸锭产生局部或全部的塑性变形，以获得所 需的几何形状，尺寸和质量的锻件的加工方法。2 .自由锻（自由锻造的简称）：只用简单的通用工具或在锻造 设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何 形状尺寸和内部质量的锻件，这种方法称为自由锻。3 .模锻：利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法。模具直接安装在锤头和下砧上

12、，依靠锤头上的导锁 定位。4 .胎模锻（胎模锻造的简称）：它是在自由锻设备上使用可移动模具，生产模锻件的一种锻造方法。胎模不固定在锤头或砧座上，只是用时才放上去。它是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法，它既有；又有模锻。胎模锻优点：生产率高（比自由锻高 15倍），锻件质量较好，节约材料，减少机械加工工时，胎模设计制造简便，成本低，使用方便，适用于中、小批量的锻件生产。胎模锻缺点：模具寿低，锻锤机件容易损坏，降低锻锤的打击能量，工人劳动强度大。5 . 锻件图（或叫锻造工艺图）：它是根据零件图（或机加工艺图），考虑了加工余量、锻造公差、锻造余块、检验试样及工艺卡头等绘制而成的。锻件图上：锻件的外形

13、是用粗线条表示。零件的外形是用双点划线表示。尺寸线上方是锻件尺寸和公差；尺寸线的下方括号内尺寸是零件尺寸（或机加工艺尺寸）。锻件图是编制锻造工艺、设计模具、指导生产和验收锻件的根据。6 .锻比（锻造比的简称）：一般用字母" Y”或"R”表示。 锻比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比“Y ”表示。例如：拔长时：Y = F0/ F = L / L0 ；镦粗时：Y = F/ F0 = H0 / H ；式中：F0 、 L0 、 H0 为锻坯变形前的截面积、长度和高度。F 、 L 、 H 为锻坯变形后的截面积、长度和高度。锻造比数值的大小，反映了锻

14、造时对锻件组织和机械性能的影响。一般规律是：锻造时随着锻比的增大，由于金属内部孔隙焊合，铸态树枝晶被打碎，锻件的纵向和横向机械性能均得到明显提高。当锻比超过一定数值后，由于形成纤维组织，横向机械性能（塑性，韧性）急剧下降，导致锻件出现各向异性。锻比过小，锻件达不到性能要求，锻比过大，不但增加了锻造的工作量，并且还会引起各向异性。所以在制定锻造工艺时，应合理的选取锻比数值的大小。用钢材锻造的锻件（莱氏体钢锻件除外，如高速钢等） 由于钢材经过了大变形的锻或轧，其组织与性能均已得到改 善，一般不需考虑锻比；用钢锭锻制的大型锻件，就必须考 虑锻比。因为钢锭的结晶组织较差，内部缺陷较多（如偏析、 夹杂、

15、气体、缩孔和疏松等），需要经过锻打，达到适当的 锻比，才能把钢锭内部缺陷消除。就像揉面一样，面越揉越 有筋。钢锭的结构，参看锻工工艺学 P28页，图2-4合金结构钢锻件的最佳锻比为：34。典型锻件的锻比锻件名称计算部位总锻比锻件名称计算部位总锻比碳素钢轴类锻件取人截回2.0 2.5曲轴曲 拐:>2.0合金钢轴类锻件取人截回2.5 3.0轴 颈>3.0热轧辐辐 身2.5 3.0锤头取人截回>2.5冷轧辐辐 身3.5 5.0模块取人截回r >3.0齿轮轴取人截回2.5 3.0高压封头取人截回3.55.0船用尾轴、中间轴、 推加由法 兰>1.5汽轮机转子轴 身:3.56

16、.0轴 身>3.0发电机转子轴 身3.56.0水轮机主轴法 兰最好3.0汽轮机叶轮轮 毂4.06.0轴 身>2.5旋翼轴、涡轮轴法 兰6.08.0水压机立柱取人截回>3.0航空用大型锻件取人截回:6.08.0锻比的计算方法，参考锻造工艺学P92页，表4-97 .始锻温度：即开始锻造的最高加热温度，称为始锻温度。它的温度要低于过热和过烧温度。碳钢的始锻温度应低于铁碳平衡图中固相线150250 Co8 .终锻温度：即停止锻造的最低温度，称为终锻温度。此温度必须保证金属在停锻前具有足够的塑性，而且在停锻后能获得细小再结晶组织。对亚共析钢（C<0.8%）:终锻温度应在A3线以上

17、1550 Co对含C<0.3%的低碳钢，可降到A3线以下。对过共析钢（C=0.82.0%）:终锻温度应在A1线以上50100 C。9 .锻造温度范围：金属从开始锻造（始锻温度）到结束锻造（终锻温度）之间的这段温度区间称为锻造温度范围 见下图或参考锻造工艺学P33页，图3-11含碳量 碳纲的工造温度范围F铁索体（破在口铁中的团格体） 口奥氏体磷在Y栋中的同常体） C濠碳体（跳和破的化合物） P-珠光体（F+C的机械底合物） 川线（PS线）-加机时称为支口； 冷却时一一I.A3 ft GS援）-一加枷时称为AC3； 奇却时称为Ad. 低碳钢-含碳是在。.02 “125 k的制； 中磁钢-含磁

18、量在。，25 。.60 %的钢； 高碳辆-一含碳萱崔D. 60 2.0 %的钢;锌铁-含碳是在2.0 -6.67% .铁一碳合金平衡图参看机械设计手册第 6章热处理各类钢的锻造温度范围钢种始锻温度（° C）终锻温度（° C）锻造温度范围（°C)普通碳素钢1280700580优质碳素钢r12008004001碳素工具钢1100770330合金结构钢11501200800850350合金工具钢10501150800850250300高速工具钢11001150900200250耐热钢r 11001150850250300弹簧钢11001150800850300轴承钢10

19、8080028010 .过热：当钢坯的加热超过某一温度，并在此温度停留的时 间过长，会引起奥氏体晶粒迅速长大，这种现象称 为过热。晶粒开始急剧长大的温度称为过热温度。钢中：C、Mn、S、P等元素，会增加钢的过热倾向。Ti、W、V、N等元素，可减少钢的过热倾向。过热分“不稳定过热”一一般用热处理方法可以消除。“稳定过热”一不能用一般的热处理方法消除。钢的过热温度钢种过热温度（° C）纯铁（含 C=0.006%）1300碳钢（含CC0.40%）1300碳钢（含00.40%）1150铭 钢10501100铭银钢1100 115011 .过烧：钢坯加热到接近熔点温度，并在此温度长时间停留 这

20、时不但奥氏体晶粒粗大，而且晶界低熔点物质开 始溶化，由于炉气中的氧化性气体渗入晶粒边界， 使晶间物质（Fe、C、S）氧化，破坏了晶粒间的联 系，一经锻打即破碎而成为废品，此种现象称为过 烧。产生过烧的温度称为过烧温度。钢中：Al、Cr、W等元素，能减少钢的过烧倾向。钢的过烧温度（°C）钢 种过烧温度钢 种过烧温度碳钢1.5% C1140硅镒弹簧钢1350碳钢1.1%C1180银钢3%Ni1370碳钢0.9% C1220渗碳银钢5%Ni1450碳钢0.7% C1280铭钮钢1350碳钢0.5% C1350高速钢1380碳钢0.2% C1470奥氏体铭银钢1420碳钢0.1%C14901

21、2 .自由锻工序术语。自由锻工序可分为：基本工序，辅助工序和修整工序。基本工序-改变坯料形状和尺寸以获得锻件的工序。有锻粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、 弯曲、错移、扭转、切割和锻焊等。辅助工序一为完成基本工序，而使坯料预先产生某一变形 的工序。如钢锭倒棱、预压钳把、分段压痕等。修整工序一用来精整锻件形状和尺寸，消除表面不平、歪 扭等，使坯料完全达到锻件图要求的工序。（1）锻粗：使坯料高度减小而横断面积增大的锻造工序称22为锻粗。锻粗又分完全锻粗和局部锻粗(端部锻粗和中间锻粗)中间徽粗(局部撤粗)(2)拔长：使坯料横断面积减小而长度增加的锻造工序称为拔(3)冲孔：采用冲子将坯料冲出透孔或不

22、透孔的锻造工序称为(4)扩孔：减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序称为 扩孔。用于锻造各种圆环锻件。常用的扩孔方法有：冲头(子)扩孔和芯轴扩孔两种。a.冲子扩孔：利用直径较大并带有锥度的冲子进行胀 孔。由于坯料是沿径向胀孔，因此在坯料 切向有拉应力，容易胀裂。I冲子扩孔冲子扩孔适用于：D/d>1.7和HA0.125D的壁不太薄的锻件 扩孔时坯料上端面略有拉缩现象，因此扩孔前坯料高度H0为：H0=1.05H （H为锻件高度）b.芯轴扩孔（马架扩孔）：将冲孔后的坯料套在芯轴上 （芯轴放在马架上），围绕圆周进行锤击，每锤击一，二次 必须将坯料旋转一次。芯轴扩孔，切向应力小，锻件不易破裂，常

23、用来锻制 薄壁锻件。芯轴扩孔（马架扩孔）（5）芯轴拔长：它是在空心毛坯中加入芯轴进行拔长，以减小 空心毛坯的外径（壁厚）而增加其长度的锻造 工序称为芯轴拔长。芯轴拔长用于锻造长筒锻件，也称为芯棒拔长。芯轴拔长(6)弯曲：采用一定的工模具将坯料弯成所规定的外形的锻造 工序称为弯曲。用于锻造各种弯曲类锻件，如起重 吊钩的锻造。参考锻造工艺学P67页 图4-8和图4-9(7)错移：将坯料的一部分相对另一部分相互平行错移开的锻 造工序称为错移。在一个平面内错科在两个平面内错格错移前坯料压肩的尺寸可按以下决定：h= (Ho-1.5d) /2b=0.9V/HoBoHo-坯料高度；Bo-坯料宽度；d-锻件轴

24、颈直径(或高度)；V-锻件轴颈体积 (8)扭转：将坯料的一部分相对另一部分绕其共同轴线旋转一定角度的锻造工序称为扭转。扭转用来锻造曲轴、麻花钻、地脚螺栓等锻件。扭转(9)切割：将毛坯分为几部分，或部分的割开，或从毛坯的内、 外割掉一部分的锻造工序称为切割。参看锻工工艺学P119页，图5-40。(10)锻接(锻焊)：是将两种相同或不同成分的钢料锻焊在一 起的工序。这是一种类古老的锻造工序。 参看锻工手册P4-59页，图4-61。现在电焊技术发展很快，绝大部分锻焊都可用 电焊代替。现在锻焊多用在刀具、刃具制造的夹钢和贴钢上。如菜刀和木工工具的夹钢 所夹的钢料一般是：50、60、65Mn、T7、T8

25、、CrWMn 等。含碳量在0.150.25%的低碳钢（软钢）容易锻焊。含碳量超过0.30.35%的中碳钢锻焊较困难。（四）典型零件的锻造工艺简介。1.饼块类锻件（1）齿轮:带孔齿轮锻造变形过程勿巳 -I徽粗谈圆冲孔7冲孔-2 平整（锻件）带台带孔齿轮锻造变形过程 计锻件漏盘徼粗坯料冲孔滚圜锻件坯料(2)机筒：如 5848.4.16G-1锻件量：G=280.0 gk锻件锻造变形过程倒棱-拔长钢锭加热切除铜锭底部及压痕切割下料瞰粗-拔长达到锻比E三卜压钳把H0 H0压痕锻件2.空心类锻件。（1）圆环：锻造过程:rt坯料加热冲孔v/x->- 4锻件徽粗芯轴（,马架）扩孔（2）圆筒：锻造过程:徽

26、粗冲孔芯轴拨长锻件坯料加热拔出一端3.轴类锻件。锻造过程:压痕徽粗一拨长达到锻比后)拔出最后一端，校直拨出另一端，压痕(五)常见的锻造问题与处理。1.在锻造工艺编制过程中，要掌握的两个关键环节：一个是 下料要准确或基本准确；另一个是胎具设计要好用。(1)下料要准确或基本准确：首先要绘制出一个合理的锻件工艺图，合理的锻件工 艺图必须满足三个条件：设计图纸的要求；机加工艺要求； 锻件要能锻出来而且形状尺寸要合理。锻件工艺图绘出来 后，接着就要计算锻件重量，计算各种工艺耗损，最后得 出锻件的下料重量。在自由锻工艺中根据实践还要加点保 险系数，因为自由锻是手工操作，锻件的形状和尺寸不容 易控制，留有一

27、定的保险系数就可以减少锻件的废品产生。下料重=锻件重+工艺耗损+保险系数(2)胎模设计：胎模设计，首先要满足锻件工艺图的形状和尺寸的要 求，其次是胎模的形状和尺寸要符合金属流动规律，否则， 金属就很难充满模膛。此外对胎模材料和硬度的选择也要 合理。2.在生产服务中可能遇到的问题。(1)锻造工艺错误：有锻件尺寸写错了和锻件重量计算错 了，出现这种错误要立即改正。(2)锻件尺寸和形状不符合工艺要求。有几种情况：一是工艺要求与实际生产有出入，这就要根据实际情况来决定是否需要修改工艺；二是外协员不按工艺要求来外协锻件(如工艺要求用水压机锻的活，随便改用锤锻)，这个问题工艺没 法控制，所以出了问题我们可

28、以不管；三是外协厂的操作问题，这个问题按理也与工艺无关，如果找到工艺，我们就帮他们分析锻件是否能用，怎样才能用。（ 3）锻件的锻比不符合要求，钢锭的利用率过高。这个问题一般是锻造检查员反映的，我们只能要求锻造检查员把情况反映给领导或者我们也把知道的情况反映给领导。3. 产品出厂后，发生断裂的原因分析（指断裂件是锻件）：这就需要到现场去看断裂件的断口情况，综合分析。由于出厂后的零件经过锻造、机加工、热处理和使用，因此发生断裂的原因有：设计的问题、锻造的问题、机加工的问题、热处理的问题和使用的问题。还要对断口进行金相分析， 综合各方面的情况，才能大致分析出断裂的原因。锻造工艺工作中对其他工程技术人

29、员的要求。1. 对设计人员的要求：（ 1） 对 锻件的设计应参照机械设计手册第一篇第三章“锻造和冲压设计的工艺性及结构要素”来设计。对某些形状复杂尺寸变化大的零件，在不影响使 用情况下，一体件，能改为焊接结构的，尽量改成 焊接件。2） 对 有图纸的直角弯头、等径三通、等径四通和异径三寸来选用：直角弯头：0 15、0 20、6 42、6 46、等径三通：0 20、0 23、d 52、d 59、 等径四通：0 31、0 34、 异径三通：0 35 X029、© 58 X © 37、© 58 X © 43、通等零件的不加工部分的外径尺寸，应参照下面的尺（|）2

30、3、（|）27、（|）31、0 34、0 37、 5 52、6 56、6 59、6 65、（|）71。 0 27、0 31、0 34、0 42、0 46、© 71。642、 6 52、 6 59。© 41 X © 29、© 52 X © 43、© 41 X © 35 © 72 X © 33© 72 X © 45© 72 X © 60因为以上尺寸规格的零件有现成的锻模，超出以上尺 寸范围的没有锻模，而且协作厂也不可能帮我们做锻模。2. 对机加工艺人员的要求：（ 1 ）

31、根据零件的要求，正确选择锻件做毛坯。材料是钢和合金钢的零件，毛坯的来源有：型材、板材（即供下料和铆下料）和锻件三种。选择毛坯，应该是象工艺方案选择那样：即工艺上的可能性和经济上的合理性来选择毛坯。选择锻件做零件毛坯的原则：a. 节约原材料和加工工时；b. 受力较大的零件，如齿轮（齿轮轴）、齿条、链轮、主轴等零件，为了保证零件的性能，这些零件一般都应该选择锻件来做毛坯。c. 时暂不能找到合适的型材、板材来下料的零件。我厂没有锻件的生产基地，锻件的价格又比型材、板材贵（大约贵40左右），如果零件无特殊性能要求，在综合考虑生产成本的基础上，第一道工序，尽量不选择锻件。2）冷加工工艺如对锻件有特殊要求

32、，如夹头、试片等，应在过卡的锻造工序中注明。3）现在大都用微机编制工艺，我们热加工在编制工艺时，需要用冷加工T 盘上的工艺，来列出各专业的明细表。因此，要求转到我们的冷加工工艺，不管是谁编的或几个人分开编制的，最后封皮上的图号和编制者及第几批等内容一定要与T 盘上的编制者和图号及第几批保持一致，否则我们在微机上找冷加工工艺很难找到。附一：金属塑性变形的基本定律1 . 剪应力定律金属的塑性变形，只有当其内部的剪应力达到临界值时才有可能发生，且临界剪应力的大小决定于金属材料和变形条件。变形条件是指变形温度、变形速度和变形程度。2 .体积不变定律金属的体积在塑性变形过程中为一常数。或者说，金属在变形前的体积等于其变形后的体积。这个规律也叫做体积不变条件。3 .最小阻力定律在变形物体的质点能够在不同的方向上移动的情况下，变形物体的每一个质点总是向着阻力最小的方向移动。这个规律称之为最小阻力定律。4 . 金属在塑性变形时存在有弹性变形的定律金属塑性变形时，先发生弹性变形再发生塑性变形，外力卸去后工件会发生回弹现象。因此金属在变形时的尺寸与卸去外力后的尺寸是不等的。附二： 钢在加热过程中的氧化与脱碳：1. 氧化：钢加热到高温时，表层中的铁和炉气中的氧化性气体（如。2, CO2, H2O和