第2章 锻压A课件

第二章锻压§2-1概述

对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法称为锻压。锻压包括锻造和冲压。一、锻造的特点和分类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，以获得一定几何形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。锻件是指金属材料经过锻造变形而得到的工件或毛坯。锻造具有以下特点：（1）改善金属的内部组织，提高金属的力学性能。如能提高零件的强度、塑性和韧性。（2）具有较高的劳动生产率。（3）采用精密模锻可使锻件尺寸、形状接近成品零件，因而可大大节约金属材料和减少切削加工工时。（4）适应范围广。锻件的质量可小至不足一千克，大至数百吨；既可进行单件、小批量生产，又可进行大批量生产。（5）不能锻造形状复杂的锻件。

锻造分为自由锻和模锻两大类。图2-1所示为锻造方法示意图。自由锻按锻造时工件所受作用力来源不同，又分为手工自由锻与机器自由锻两种。由于手工自由锻作用力较小且劳动强度大，在现代工业生产中己逐步被机器自由锻和模锻所替代。图2－1锻造方法示意图a）自由锻b）模锻二、冲压的特点使板料经分离或成形而得到制件的工艺统称为冲压。图2－2所示为冲压方法示意。冲压件是用冲压的方法制成的工件或毛坯。冲压具有以下特点：（1）在分离或成形过程中，板料厚度变化很小，内部组织也不产生变图2－2冲压方法示意图化。（2）生产效率很高，易实现机械化、自动化生产。（3）冲压制件尺寸精确，表面光洁，一般不再进行加工或按需要补充进行机械加工即可使用。（4）适应范围广，从小型的仪表零件到大型的汽车横梁等均能生产，并能制出形状较复杂的冲压制件。（5）冲压模具精度高，制造复杂，成本高，所以冲压主要适用于大批量生产。

三、压力加工1、压力加工的概念

使毛坯材料产生塑性变形或分离且无切屑的加工方法称为压力加工。锻造和冲压都属压力加工范畴。2、压力加工必须具有良好的塑性

锻造和冲压所加工的材料应具有良好的塑性，以便在锻压时能产生足够的塑性变形而不被破坏。钢和有色金属都具有一定的塑性，都可以进行锻压加工，铸铁的塑性一般极差，不能进行锻压加工。

§2-2金属的加热和锻件冷却一、锻造温度范围除高塑性金属外，一般可锻金属材料须经加热才能进行锻造。金属加热的目的是为了提高其塑性，降低变形抗力，并使内部组织均匀。金属材料的加热是整个锻造工艺过程中的一个重要环节，直接影响产品的质量。1、始锻温度始锻温度是指开始锻造的温度。一般来说，始锻温度应尽可能高些，这样一方面使金属的塑性提高，另一方面又可延长锻造的时间。但加热温度过高，超过一定限度时，金属将产生过热或过烧的缺陷，使金属塑性急剧降低，可锻性变差。通常将变形允许加热达到的最高温度定为始锻温度。一般金属材料的始锻温度应比其熔点低100～2000C。

2、终锻温度

终锻温度是指终止锻造的温度。一般来说，终锻温度应尽可能低一些，这样可以延长锻造时间，减少加热次数。但温度过低，金属塑性降低，变形抗力挡大，可锻性同样变差，金属还会产生加工硬化，甚至发生开裂。若终锻温度过高（即在高温时停锻），锻件会因晶粒比较粗大而降低力学性能。通常将变形允许的最低温度定为终锻温度。3、锻造温度范围锻造温度范围是指锻件的始锻温度到终锻温度的间隔。不同钢材的锻造温度范围不同，图2－3所示为碳素钢的锻造温度范围。曲线图中可以看出，含碳量越高的碳素钢，始锻温度越低。常用金属材料的锻造温度范围如表2－1所示。有色金属合金的锻造温度范围均比碳素钢的锻造温度范围窄。

金属变形必须在锻造温度范围内进行，否则，锻件容易开裂或变形因难。

4、加热速度加热时坯料表面温度升高的速度称为加热速度。短的加热时间内达到合理的始锻温度。对于一些导热性较差的金属材料（如高碳钢、高合金钢等）或断面尺寸较大的坯料，加热时应先进行低温预热，然后再快速加热；而对一些导热性较好的金属材料〔如低碳钢、低合金钢、有色金属等〕或断面尺寸较小的坯料，则可直接加热。图2-3碳素钢的锻锻造温度二、镦件的冷却方法

冷却过程中温度与时间的关系称为冷却规范。正确选择和严格遵守冷却规范，也是锻造工艺过程中的一个重要环节。如果锻后锻件冷却不当，会使应力增加和表面过硬，影响锻件的后续加工，严重的还会产生翘曲变形、裂纹，甚至造成锻件报废。不同的冷却方法具有不同的冷却规范。常用的冷却方法如下：（1）空冷热态锻件在空气中冷却的方法称为空冷。空冷是冷却速度较快的一种冷却规范，适用于低碳钢、中碳钢的小型锻件。（2）堆冷将热态锻件成堆放在空气中进行冷却的方法称为堆冷。堆冷的冷却速度低于空冷，适用于低碳钢、中碳钢的小型锻件。（3）坑冷将热态锻件放在地坑（或铁箱）中缓慢冷却的方法称为坑冷。坑冷的冷却速度较堆冷低，适用于低合金钢及截面尺寸较大的锻件。（4）灰砂冷将热态锻件埋入炉渣、灰或砂中缓慢冷却的冷却方法称为灰砂冷。锻件入灰（砂）温度一般不低于5000C，到1500C左右出灰（砂），周围蓄砂厚度不能小于80mm。灰砂冷的冷却速度低于坑冷，使用场合与坑冷相同。（5）炉冷锻后锻件放人炉中缓慢冷却的冷却方法称为炉冷，炉冷应根据需要按预定的温度一时间曲线进行，其冷却速度低于灰砂冷，适用于高合金钢及大型锻件。§2-3自由锻

自由锻概念只用简单的通用性工具，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及内部质量的锻件的锻造方法称为自由锻。自由锻特点自由锻件的精度不高，形状简单，其形状和尺寸一般通过操作者使用通用工具来保证，主要用于单件、小批量生产。对于大型及特大型锻件的制造，自由锻仍是唯一有效的方法。自由锻对锻工的技术水平要求高，劳动条件差，生产效率低。一、加热炉金属坯料锻造前必须预先在加热炉中加热。加热炉的种类很多，其加热方式主要有火焰加热和电加热两大类，目前在一般中小型工厂中，较普遍采用的是以烟煤作燃料的反射炉。反射炉是燃料在燃烧室燃烧，并通过炉顶将火焰反射到加热室加热坯料的炉子。图2-4所示为反射炉的结构示意图。图2-4反射炉结构示本图1-一次送风管2-水平炉箅3-燃烧室4-二次送风管5-火墙6-加热室7-炉门8-鼓风机9-烟囱10-烟道11-换热器二、自由锻设备1、空气锤空气锤是以压缩空气为工作介质，驱动锤头上、下运动打击锻件，使其获得塑性变形的锻锤。图2－5所示为空气锤的外形和工作原理。图2－5空气锤1-砧座2-砧垫3-下砧块4-上砧块5-锤头6，15-工作缸7，16-旋阀8，17-压缩缸9-手柄10-减速机构11-电动机12-锤杆13-锤杆14，18-活塞19-连杆20-曲柄

电动机11通过减速机构10驱动曲柄20作回转运动，通过连杆19使压缩缸活塞18在缸内作上、下往复运动。当工作缸活塞14带动锤杆13、锤头5和上砧块4下落时，放置在下砧块3上的坯料就受到锤击。空气锤是遇过手柄9或踏杆12控制旋阔16的旋转角度操纵的。锤头可实现空行程、悬空、压紧锻件、单击、连续锤击等不同动作。锤击时可使锤头产生不同的锤击力。空气锤的吨位以落一部分的质量表示。落下部分包括工作缸活塞、锤杆、锤头和上砧块（或上锻模）。常用空气锤的吨位为0.15～0.75t（150kg～750kg），适用于中小型锻件的生产。2、水压机水压机是以水作为介质传递能量的机器。工作时以静压力作用在锻件上，使其发生变形。图2－6为水压机结构示意图。水压机由固定系统和活动系统两部分组成。固定系统部分包括下横梁1、立柱2、上横梁4、工作缸6和回程缸10，下砧块12装在下横梁1上；活动系统部分包括活动横梁3、工作柱塞5、回程柱塞9、回程横梁13和拉杆14，上砧块11装在活动横粱的下面。当高压水沿管道7进入工作缸时，工作柱塞带动活动横粱沿立柱下落，实现上砧块对坯料的锻压；当高压水从管道8进入回程缸的下腔时，推动回程柱塞向上运动，回程柱基通过回程横粱、拉杆带着活动横梁和上砧块离开坯料上升，同时，工作缸内的水由管道排往低压水源。水压机工作时，活动横梁的空程向下、工作行程、回程及悬空等动作通过操纵机构实现。操纵机构称分配器，由备种控制阀组成并装人箱体，通过操纵手柄可控制各阀的开启和关闭。水压机的吨位是以上砧块的最大工作压力来表示的。常用水压机的吨位为500～12000t。适用于大型锻件的生产。水压机的锻造能力强，锻透深度大，锻造时坯料变形速度低，无振动，是目前制造大型锻件理想的锻压设备。图2－6水压机1-下横粱2-立柱3-活动横梁4-上横粱5-工作柱塞6-工作缸7、8-管道9-回程柱塞10－回程缸11-上砧块12-下砧块13-回程横粱14-拉杆

三、自同锻方法自由锻的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等。1、镦粗和局部镦粗使毛坯高度减小、横断面积增大的锻造工序称为镦粗（图2－7）。镦粗一般用来制造齿轮坯或盘类毛坯，或为拔长工序增大锻造比及为冲孔工序作准备等。为了防止坯料在镦粗时产生轴向弯曲，坯料镦粗部分的高度不应大于坯料直径的2.5～3倍。对坯料上某一部分进行的镦粗称为局部镦粗（图2－7）。局部镦粗时，可只对所需镦粗部分进行加热，然后放在垫环（漏盘）上锻造，以限制变形范围。图2－7锻粗与局部锻粗2、拔长、芯棒拔长和扩孔

使毛坯横断面积减小、长度增加的锻造工序称为拔长（图2－8），拔长用来制造轴杆类毛坯，如光轴、阶台辆、连杆、拉杆等较长的锻件。拔长需用夹钳将坯料钳牢，锤击时应将坯料绕其轴线不断翻转。常用的翻转方法有两种：一种是反复90翻转（图2－8b），该法操作方便，但变形不均匀；另一种是沿螺旋线翻转（图2－8c），该法坯料变形和温度变化较均匀，但操作不方便。芯棒拔长是在空心毛坯中加芯轴进行变形以减小空心毛坯外径（壁厚）而增加其长度的锻造工序（图2－9）。芯棒拔长一般用于锻造长筒类锻件。

图2－9芯棒拔长图2－9拔长

扩孔是减小空心毛坯壁厚而增加其内、外径的锻造工序。扩孔的方法有冲头扩孔和芯轴扩孔两种。冲头扩孔是利用冲头锥面引起的径向分力进行扩孔的方法（图2－10）。冲头扩孔时，由于坯料切向受拉应力，容易胀裂，因此，每次扩孔量不宜太大。芯轴扩孔是利用上砧和芯轴对空心坯料沿圆周依次连续压缩而实现扩孔的方法（图2－10b）。芯轴扩孔时，由于切向拉应力很小，不易破裂，因此，可用于锻制薄壁锻件。空心毛坯扩孔时用的芯轴又称为马杠，扩孔时支撑芯轴（马杠）所用的工具称为马架。

图2－10扩孔1-垫环2，⒋-坯料3-扩孔冲子5-上砧6-芯轴7-马架3、冲孔在坯料上冲出透孔或不透孔的锻造工序称为冲孔。冲孔常用于制造带孔齿轮、套简、圆环及重要的大直径空心轴等锻件。为了减小冲孔的深度和保持端面平整，冲孔前通常先将坯料镦粗。冲孔后大部分锻件还需芯棒拔长、扩孔或修整。冲孔的方法分双面冲孔和单面冲孔两种。双面冲孔时，先试冲一凹痕，检查孔的位置是否正确，无误后，在凹痕中撒少许煤粉以利于冲子的取出，然后用冲子冲深至坯料厚度的2/3～3／4，再翻转坯料将孔冲穿。图2－11所示为双面冲孔过程示意图。单面冲孔的方法如图2－12所示。坯料2置于垫环3上，冲子1的大端向下，位置正确后直接将孔冲穿。单面冲孔主要用于较薄的坯料。

图2－11双面冲孔过程图2－12单面冲孔1-冲子2-坯料1-冲于2-坯料3-垫环

图2－13弯形图2－14单面切剖a）自由弯形b）成形弯形1-坯料2-剁刀3-克棒1-成形压铁2-坯料3-成形垫铁4、弯形

采用一定的工模具将毛坯弯成所规定的外形的锻造工序称为弯形（图2－13）。坯料弯曲变形时，金属的纤维组织未被切断，并沿锻件的外形连续分布，可保证力学性能不致削弱。因此，质量要求较高并具有弯曲轴线的锻件，如角尺、吊钩等都是利用弯形工序来锻制的。5、切割把板材或型材等切成所需形状和尺寸的坯料或工件的锻造工序称为切割。切割的方法有以下几种：（1）单面切割将剁刀垂直于坯料，锤击剁刀使其切入坯料至接近底部，然后翻转坯料，用剁刀或克于对准切口将坯料剁断（图2－14）。这种方法常用于切断坯料和切除料头。（2）双面和四面切割在坯料的两个相对面上先后切割，称为双面切割。若先切割两相对面，再切割相邻的两相对面，则称为四面切割。双面和四面切割一般用于切割截面较大的坯料。图2－15圆料的切割（3）圆料切割坯料置于剁料糟内，第一刀剁刀切至坯料直径的1/3～1/2深处，然后转动坯料1200～1500后切入第二刀，再转动坯料切第三刀，将坯料切断（图2－15）。图2－1圆料切割四、自由锻实例1、锻件图锻件在锻造前，一般应绘制锻件图，然后，确定锻件坯料的质量和规格。锻件图是根据零件图绘制的。自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余量等因素之后绘制的图样。图2－16所示为零件压盖的锻件图及坯料的质量和规格。图2－16压盖锻件图及坯料规格

3、自由锻常见缺陷自由锻常见的缺陷有裂纹、末端凹陷、轴心裂纹和折叠等。产生裂纹的原因主要有：坯料质量不好；加热不充分；锻造温度过低；锻件冷却不当和锻造方法有错误等。末端凹陷和轴心裂纹（图2－17）是由于锻造时坯料内部未热透或坯料整个截面未锻透，变形只产生在坯料表面造成的。产生折叠的原因主要是坯料在锻压时送进量小于单面压下量，如图2－18所示。

图2－17末端凹陷和轴心裂纹

图2－18折叠

§2－4模锻

模锻概念：利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。特点：与自由锻比较，模锻具有模锻件尺寸精度高、形状可以很复杂、质量好、节省金属和生产率高等优点。此外，在大批量生产时，模锻件的成本较低。其不足之处是锻件质量较小；模锻设备投资大，在小批量生产时模锻不经济；工艺灵活性不如自由锻。模锻分胎模锻和模锻两类。一、胎模锻胎模锻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，只在使用时才放到下砧上去。胎模锻前，通常先用自由锻制坯，再在胎模中终锻成形。它既具有自由锻简单、灵活的特点，又兼有模锻能制造形状复杂、尺寸准确的锻件的优点，因此适于小批量生产中用自由锻成形困难、模锻又不经济的复杂形状锻件。胎模可分成制坯整形模、成形模和切边冲孔模等。图2－19a是制坯整形模的一种，称摔模（又称克子），为最常用的胎模，用于锻件成形前的整形、拔长、制坯、校正。用摔模锻造时，须不断旋转锻件，因此适用于锻制回转体锻件，如光轴、阶台轴等。

扣模、套模、合模（图2－19b，c，d）均为成形模。

扣模由上扣和下扣组成，或只有下扣，而以上砧块代替上扣。扣模既能制坯，也能成形，锻造时，锻件不转动，可移动。扣模用于非回转体杆料的制坯、弯形或终锻成形。

套模分开式和闭式两种：开式套模只有下模，上模由上砧块代替，适用于回转体料的制坯或成形，锻造时常产生小飞边，闭式套模锻造时，坯料在封闭模膛中变形，无飞边，但产生纵向毛刺，除能完成制坯或成形外，还可以冲孔。

合模一般由上、下模及导向装置（定位销）组成，用于形状复杂的非回转体锻件的成形。

切边模（图2-19e）用于切除飞边。图2-19胎模类型1-垫块2-套简3，5-上模4-模膛6-定位销7-下模8-冲头9-锻件飞边10-垫环（凹模）

二、模锻模锻系在专用的模锻设备上进行锻造。常用的模锻设备有模锻空气锤、螺旋压力机、平锻机、模锻水压机等。锻模紧固在锤头（或滑块）与砧座（或工作台）上。锤头沿导向性良好的导轨运动，砧座通常与模锻设备的机架连接成整体。模锻时使坯料成形而获得模锻件的工具称为锻模。锻模由上模和下模组成。由于锻件从坯料到成形须经多次变形，才能得到符合要求的形状和尺寸，所以锻模通常有多个模膛。根据作用不同，模膛分成制坯模膛和模锻模膛两大类。图2－20所示为连杆弯形的多模膛锻模及其模锻过程。

形状复杂的锻件应先用制坯模膛将坯料经几次变形，逐步锻成与锻件断面形状近似的毛坯，以利于金属均匀变形，顺利充满模膛，从而获得准确形状的模锻件。图2－20中的拔长、滚挤、弯形等模膛，都属制坯模膛

图2-20连杆弯形的锻模及模锻过程1-弯形模膛2-预锻模膛3-滚挤模膛4-拔长模膛5-终锻模膛6-滚挤模膛断面§2-5冲压一、冲压设备冲压最常用的设备有机械压力机和剪切机等。采用机械传动作为工作机构的压力机称为机械压力机，工作机构多由曲柄、连杆、滑块等组成。机械压力机俗称冲床，分开式和闭式两类。具有悬臂式机身、工作台的三个方向是敝开的称为开式压力机；工作台仅前后敞开、左右有立柱的称为闭式压力机。图2-21所示为常用开式双柱压力机的外形和传动示意图。其工作原理如下：电动机9通过V带带动飞轮8转动。当踩下踏板11时，拉杆10操纵离合器7使飞轮与曲轴与曲轴连接，曲轴的回转运动通过连杆4转换成滑块2沿导轨3的上、下往复直线运动，从而实现冲压加工。松开踏板，飞轮与曲轴的连接脱开，滑块在制动器5作用下，自动停止在最高位置。

图2-21机械压力机（开式双柱）a）外形b）传动示意图1-工作台2-滑块3-导轨4-连杆5-制动器6-曲轴7-离合器8-飞轮9-电动机10-拉杆11-踏板图2-22剪切机1-下刀刃2-上刀刃3-导轨口4-电动机5-带轮6-制动器7-曲轴8-滑块9-齿轮10-离合器11-板料

二、冲压的基本工序冲压的基本工序可分为分离工序和成形工序两大类。1、分离工序分离工序是使板料的一部分和另一部分分开的工序，包括冲裁和切断。（1）冲裁

冲裁是利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的一种冲压方法。常见的冲裁有落料和冲孔。落料是利用冲裁取得一定外形的制件或坯料的冲压方法（图2-23）。冲孔是将冲压坯内的材料以封闭的轮廓分离开来，得到带孔制件的一种冲压方法（图2-24），其冲落部分为废料。图2-23落料1-板料2-凹模3-凸模4-冲压制件5-余料

图2-24冲孔

1-板料2-冲压制件3-废料

（2）切断

切断是将材料沿不封闭的曲线分离的一种冲压方法。将材料沿不封闭的曲线部分地分离，其分离部分的材料发生弯曲，此种冲压方法称为切口（图2-25）。图2-25切口