第9章__锻压成形

1、第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.1 锻压成形原理 9.1.1 金属的塑性变形 金属材料在外力作用下先产生弹性变形，当外力增加超过材料的屈服点时，就会发生塑性变形。锻压就是对材料施加外力，使之产生塑性变形。a) b) c) d) 图图9.1 单晶体滑移示意图单晶体滑移示意图a)未变形；b)弹性变形；c)弹塑性变形；d)塑性变形a) b) c) d)图图9.2 位错运动引起的塑性变形示意图位错运动引起的塑性变形示意图a)未变形；b)位错运动；c)弹塑性变形；d)塑性变形 9.1.2 塑性变形对金属组织和性能的影响 1. 冷塑性变形后的组织变化 金属在较低温度下进行塑性变形后，金属晶粒的形状会

2、发生改变，由等轴状变成扁平状或长条状，其显微组织出现晶粒伸长、破碎、晶粒扭曲等特征，并伴随着晶体缺陷增多，同时由于变形的不均匀性以及变形造成的晶体晶格畸变，会导致内应力的产生。 2. 冷变形强化 金属在塑性变形过程中，随晶粒变形程度的增加及晶体缺陷的增多，阻碍了晶体的滑移，从而使金属材料的力学性能发生改变，即强度和硬度提高而塑性和韧性下降。这种现象称为冷变形强化。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.1.3 冷变形金属在加热和冷却时的组织和性能变化 经冷变形后，金属内部存在残余应力并伴随冷变形强化，为了恢复材料的塑性，消除残余应力，需对金属进行加热。在加热过程中冷变形金属的组织和性能将发生一

3、系列的变化。 1. 回复 金属产生的冷变形强化是不稳定，有恢复到稳定状态的趋势。在低温时，由于原子的活动能力较低，自发变化的程度不大。温度提高到一定程度时，原子的活动能提高，使不规则的原子排列逐步转向规则排列，晶格畸变得到缓解，内应力大大降低，这一过程称为回复。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 2. 再结晶 当加热温度继续升高时，金属原子活动能增加，通过扩散，开始以碎晶或杂质为核心，按正常晶格结晶出新的晶粒，使冷变形后的扁平状或长条状晶粒又恢复到等轴状，从而使塑性、韧性恢复，冷变形强化消除，这个过程称为再结晶。 （a） (b) (c) (d)图图9.3 金属回复再结金属回复再结 晶组织转变示意

4、图晶组织转变示意图a)变形前的组织；b) 塑性变形后的组织；c) 回复后的组织；d)再结晶后的组织第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.1.4 热变形对金属组织和性能的影响 金属在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热变形。变形后伴随的冷变形强化会自发经再结晶消除，所以只会发生再结晶组织变化，而不会导致冷变形强化。生产上常用的热变形工艺方法有热锻、热轧、热挤压等。由于金属热变形使铸锭中的脆性杂质粉碎，并沿着金属主要伸长方向呈碎粒状分布，而塑性杂质则随金属变形，并沿着主要伸长方向呈带状分布，金属中的这种杂质的定向分布通常称为锻造流线。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形图图9.4 螺栓的流线分布图螺栓

5、的流线分布图a）切削方法得到的螺栓b）局部镦粗得到的螺栓图图9.5 齿轮的流线分布图齿轮的流线分布图a）棒料切削得到的齿轮 b）扁钢切削得到齿轮c）棒料镦粗后切削得到齿轮 d）热轧得到齿轮第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.2 锻造工艺过程 9.2.1 金属的锻造性能 金属的锻造性能是金属工艺性能的一个重要指标，它是用来衡量金属材料锻压成形难易程度的。金属的锻造性越好，表明该材料适宜于通过锻压成形。 金属的锻造性常用塑性好坏和变形抗力大小两个指标来衡量。变形抗力越低，设备耗能越少，塑性越好，工件越易获得准确的外形且不遭受破坏。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形 影响金属锻造性能的因素主要有材

6、料性质和变形条件两个方面： 1. 材料性质 （1）化学成分 （2）组织状态 2. 变形条件 （1）变形温度 （2）变形速度 （3）应力状态 第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.2.2 锻造加热 1. 始锻温度 始锻温度即坯料开始锻造时的温度，始锻温度越高，塑性就越好，越易锻造成形。但始锻温度受到过热和过烧的限制，对于碳钢来说，通常选在其固相线以下100200。 2. 终锻温度 终锻温度即坯料终止锻造时的温度。终锻温度过高，会增加加热次数，同时在其冷却过程中晶粒又会重新长大，过共析钢还会出现网状渗碳体，导致锻件力学性能降低。终锻温度过低，则再结晶过程来不及完成，塑性降低，甚至会导致裂纹。因此，

7、终锻温度应保证坯料锻造结束前具有足够的塑性，锻后得到再结晶组织。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形常用钢的锻造温度范围，见表9.1所示。表表9.1 9.1 常用钢的锻造温度范围常用钢的锻造温度范围常用钢种类始锻温度终锻温度低碳钢12001250700中碳钢11501200800高碳钢11001150800合金结构钢11501200800850高速钢11001150900第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.2.3 锻件冷却 坯料锻造成形后，由于终锻温度较高，如冷却方式不当，则会导致锻件表面硬度过高而难以切削，或由于锻件表里冷却收缩不一致，使锻件产生较高的内应力而变形、出现裂纹等缺陷。锻件常用的

8、冷却方式有空冷、坑冷和炉冷三种。空冷即在空气中冷却，一般适用于含碳量小于0.5%的碳钢、含碳量小于0.3%的低合金钢的中、小型锻件；坑冷即在干砂或石灰坑中冷却，一般适用于中碳钢、碳素工具钢及大多数低合金钢的中型锻件；炉冷即随炉冷却，一般适用于中碳钢、低合金钢的大型锻件和高合金钢的锻件。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.3 自由锻 自由锻是指利用设备的上、下砧或只用简单的通用性锻造工具，直接使坯料变形而获得锻件的一种锻造方法。自由锻所用设备简单、生产准备时间短，且可加工各种大小的锻件，尤其适合于大型锻件的生产。因此自由锻在机械制造中得到广泛应用。但由于自由锻生产效率低、劳动强度大、锻件精度低

9、、加工余量大，因此自由锻一般只适用于单件小批量生产。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.3.1 自由锻基本工序 自由锻工序就是指自由锻工艺方法。它可分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。 1. 基本工序 自由锻基本工序是外力使金属材料产生一定程度的塑性变形，以获得所需形状、尺寸锻件的工艺过程，主要有镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲、错移、扭转等，其工艺过程简图如表9.2所示。 2. 辅助工序 自由锻辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，如压钳口、压肩等。 3. 修整工序 是用以提高锻件表面质量而进行的工序，如校正、滚圆、平整等。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 镦粗 拔长冲孔 马杠

10、扩孔 芯棒拔长弯曲冲孔 错移 扭转 第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.3.2 自由锻工艺规程的制订 自由锻工艺规程的主要内容有：锻件图、坯料的计算、锻造工序的安排、锻造设备和工具的选择、坯料加热规范选择、工艺卡片填写等。 1. 绘制锻件图 图图9.6 锻件的余量和余块锻件的余量和余块第第9 9章章 锻压成形锻压成形 2. 计算坏料质量及尺寸 （1）坯料质量的计算 （2）确定坯料的尺寸 3. 锻造基本工序的选择 选择时应根据锻件的形状、尺寸和技术要求，结合各基本工序的变形特点，参照有关典型工艺来确定。还包括确定自由锻所用工夹具、加热规范、加热设备、加热火次、冷却规范、锻造设备和锻后热处理工艺

11、等。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.3.3 自由锻锻件的结构工艺性 自由锻锻件结构工艺性是指锻件在满足使用性能的前提下，对自由锻工序的适应性。由于自由锻使用的一般都为简单、通用的工具，因此在设计锻件形状时应尽量简单、规则，易于锻造。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形9.4 模型锻造和胎膜锻造简介 9.4.1 锤上模锻 锤上模锻一般都使用蒸汽-空气模锻锤设备，模锻时将上模固定在锤头上，下模紧固在砧座上，通过上模对置于下模中的坯料施以直接锤击来获得锻件。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形图图9.7 9.7 模锻示意图模锻示意图1-下砧；2-模垫；3-下模；4-上模；5-紧固楔铁；6-锤头；7

12、、10-坯料；8-连皮；9-飞边；11-锻件第第9 9章章 锻压成形锻压成形 1. 锻模 根据功用不同，锻模可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。 模锻模膛在结构上均应设计模锻斜度和模锻圆角，形状复杂的锻件需经过制坯模膛预变形后再放入预锻模膛进一步变形，最后放入终锻模膛中整形。图图9.8 9.8 模锻件图模锻件图1-飞边；2-模锻斜度；3-加工余量；4-不通孔；5-凹圆角；6-凸圆角；7-分模面；8-连皮；9-锻件第第9 9章章 锻压成形锻压成形 根据锻件的复杂程度不同，锻模可设计成单膛锻模和多膛锻模两种。单膛锻模在锻模上只有一个终锻模膛；多膛锻模在锻模上有多个模膛。如图9.9是弯曲连杆的多膛锻模及

13、其生产过程图。锻模上有5个模膛，坯料经过拔长1、滚压2、弯曲5 三个制坯工序后，坯料截面、轮廓与锻件相接近，再经预锻3、终锻4两个模膛制成带有飞边的锻件。最后在切边模6上切去边，得到锻件。第第9 9章章 锻压成形锻压成形图图9.9 弯曲连杆多膛锻模及其生产过程弯曲连杆多膛锻模及其生产过程第第9 9章章 锻压成形锻压成形 2. 模锻工艺规程的制定 模锻工艺规程包括绘制模锻锻件图、坯料尺寸计算、模锻工步确定、设备选择及修整工序安排等。 （1）模锻锻件图 分模面选择 模锻件加工余量和公差 模锻斜度 模锻圆角 （2）计算坯料尺寸，步骤与自由锻相同。 （3）模锻工序 主要是根据模锻件的形状和尺寸来确定的

14、。模锻件按形状可分为两大类：一类是长轴类零件，如阶梯轴、连杆等；另一类是盘类零件，如齿轮、法兰盘等。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 3. 模锻件的结构工艺性 模锻件的形状应保证它能从模膛中顺利取出和容易充满模膛。（1）充分考虑合理的分模面、模锻斜度和圆角半径等问题。图图9.14 模锻件结构模锻件结构第第9 9章章 锻压成形锻压成形 （2）模锻件精度较高，表面粗糙度值较低。 （3）为了保证金属容易充满模膛、减少加工工序，零件外形应力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间相差过大或具有薄片、高筋、凸台等结构。 （4）应尽量避免窄槽、深孔或多孔结构，以降低模具制造成本和延长模具寿命。（5）为减少余

15、块，简化模锻工艺，在可能的条件下，应尽量采用锻一焊组合工艺。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.4.2 压力机上模锻 1. 曲柄压力机上模锻 图图9.16 模锻曲柄压力机传动示意图模锻曲柄压力机传动示意图 1-滑块；2制动器；3-皮带轮 4-电动机；5-传动轴；6-小齿轮；7-大齿轮；8-离合器；9-偏心轴；10-连杆；11-工作台；12-垫块第第9 9章章 锻压成形锻压成形 2. 平锻机上模锻图图9.17 平锻机工作原理图平锻机工作原理图1-电动机；2-皮带；3-传动轴；4-离合器；5-带轮；6-凸轮；7-齿轮；8-曲轴；9-主滑块；10-动模11-挡料板；12-固定凹模；13-活动凹模；

16、14-杠杆；15-坯料第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.4.3 胎模锻 胎模的种类很多，常用的结构有以下三种类型： 1. 扣模 2. 套筒模 3. 合模第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.5 锻件质量与检测技术 9.5.1 锻件质量要求 （1）工程上重要零部件一般都采用锻造成形方法来获得毛坯的，因此锻件要有较高的机械性能。 （2）锻造变形要合理，锻件组织、成分要均匀，表面质量要好，不然会严重影响锻件的使用寿命和切削加工性能。 （3）锻件形状尺寸要符合锻件图要求，否则会给最后机加工带来困难，甚至导致锻件报废。 （4）要正确制定锻造工序，合理安排工序顺序，使锻造流线得以合理运用。第第9 9章

17、章 锻压成形锻压成形 9.5.2 锻件常见缺陷 1. 由原材料本身产生的缺陷 2. 由加热不当引起的缺陷 3. 由下料不当导致的缺陷 4. 由锻造工艺不正确产生的缺陷 （1）错移 （2）欠压 （3）折叠 （4）充填不足 此外，为了进一步提高锻件表面质量、改善锻件的切削加工性，锻件需要进行热处理以及最后的表面清理。在后续工序中，如热处理工艺不当，同样也会产生如淬裂、弯曲等热处理缺陷，清理不当，则会产生机械损伤、酸洗过度等缺陷。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.5.3 锻件检测技术 1. 外观检验 2. 机械性能试验 3. 内部质量检验 （1）低倍检验 （2）高倍检验 （3）表层缺陷的检测

18、（4） 内部缺陷的检测第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.6 板料冲压板料冲压 在机械制造业中，冲压加工是一种常用的成形加工方法，主要用于加工金属或非金属材料的板料零件。冲压加工一般是在常温下进行的，它是利用冲模在压力机上对板料施加压力，使其分离或变形，从而得到一定形状、尺寸和性能的零件，所以又称为冷冲压，简称冲压。如板料厚度超过810mm时，冲压抗力较大时才用热冲压。第第9 9章章 锻压成形锻压成形图图9.20 冲床的结构原理图冲床的结构原理图1-工作台；2-导轨；3-床身；4-电动机；5-连杆；6-制动器；7-曲轴；8-离合器；9-带轮；10-传动轴；11-滑块；12脚踏板；13-拉杆

19、第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.6.1 冲压设备结构原理 板料冲压设备的动力来源是压力机。压力机根据产生与传递压力的机理不同，又可分为液压机、气动压力机、电磁压力机和机械传动压力机。其中机械传动压力机运用最为广泛。机械传动压力机中曲柄压力机最为典型。目前生产上最常用的冲压设备有剪床、冲床。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.6.2 板料冲压基本工序 板料冲压工序可分为分离工序和变形工序两大类。 1. 分离工序 分离工序又称冲裁工序，是将坯料的一部分和另一部分分开的工序。分离工序的种类很多，常用的有落料、冲孔、切边、剪切、修整等。 （1）落料和冲孔 落料是从板料上冲下所需形状的工件，被分

20、离部分为成品或坯料，周边部分是废料。冲孔则是在工件上冲出所需形状的孔，被分离的部分为废料，而周边部分是带孔的成品。这两个工序的模具结构与坯料变形过程完全相同，只是用途不同。但在进行模具设计时，一定要分开加以考虑。第第9 9章章 锻压成形锻压成形图图9.21 落料和冲孔板料分离过程示意图落料和冲孔板料分离过程示意图 a）弹性变形；b）塑性变形；c）板料分离；d）分离断面特征第第9 9章章 锻压成形锻压成形 （2）剪切 剪切是用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。 （3）修整 修整是使落料或冲孔后的成品获得精确的轮廓的工序。 图图9.22 修整工序修整工序a)修整外缘；b) 修整内孔第第9

21、 9章章 锻压成形锻压成形 2. 变形工序 变形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生塑性变形的工序，生产上常用的变形工序有弯曲、拉深、翻边和成型等。（1）弯曲 弯曲是利用模具将坯料弯曲成所需角度的工序。 图图9.23 弯曲示意图弯曲示意图图图9.24 弯曲时的回弹弯曲时的回弹第第9 9章章 锻压成形锻压成形（2）拉深 拉深使坯料或浅的空心杯件变形成开口空心零件的工序。 图图9.25 拉深过程示意图拉深过程示意图1-凸模；2-压边圈；3-凹模第第9 9章章 锻压成形锻压成形（3）翻边 翻边是用扩孔的方法使带孔坯料件在孔口周围冲制出凸缘的工序。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形（4）成形 成形是

22、利用局部变形的方法使坯料或半成品改变形状的一种工序。 图图9.27 容器鼓肚成形容器鼓肚成形第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.6.3 冲模结构和分类 （1）单工序模 （2）级进模 （3）复合模 冲模各部分作用如下： 工作零件 导料板与定位销 卸料板 模架图图9.28 单工序冲模结构图单工序冲模结构图1-模柄；2-上模板；3-导套；4-导柱；5-下模板； 6-压边圈；7-凹模；8-凸模固定板；9-导料板；10-凸模 11-定位销 12-卸料板第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.7 其它锻压方法简介 9.7.1 精密模锻 （1）由于精锻件精度要求高，精锻时需采用高精度的模具，原始坯料的尺寸要

23、精确计算，并严格下料，坯料表面需经过打磨、抛光、酸洗等处理。 （2）模锻斜度小，变形抗力大，因此要选用刚度大、精度高的锻造设备，如曲柄压力机、摩擦压力机或精锻机等。 （3）为了得到尺寸精确、表面粗糙度值低的锻件，坯料加热需采用无氧化或少氧化的保护气体加热。精锻后的锻件必须在保护介质中冷却。 （4）模锻时要很好地进行润滑和冷却模具，保证锻件的尺寸精度。 第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.7.2 挤压模锻 挤压模锻是使坯料在强大压力作用下，通过模具中的出口或缝隙，发生塑性变形而获得具有一定形状、尺寸的零件的一种方法，如图9-29所示。挤压时，金属坯料二、三向受压，利于塑性变形。按照挤压时金属坯料是否加热及加热温度高低，挤压模锻又可分为热挤压、温炉压和冷挤压。按照挤压时金属流动的方向与凸模运动方向之间的关系不同，又可以分成正挤压、反挤压、复合挤压。第第9 9章章 锻压成形锻压成形 图图9.29 挤压模锻挤压模锻a) 复合挤压；b)径向挤压第第9 9章章 锻压成形锻压成形 9.7.3 轧锻 金属坯料(或非金属坯料)在旋转轧辊的作用下，产生连续塑性变形，获得一定截面形状及性能的制件，这种成形