第二章铸造锻压和焊接工艺基础2

2.2

锻压工艺基础2.2.1概述锻压——通过外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。常用的锻压机械有锻锤、液压机和机械压力机。锻锤具有较大的冲击速度，利于金属塑性流动，但会产生震动；液压机用静力锻造，有利于锻透金属和改善组织，工作平稳，但生产率低；机械压力机行程固定，易于实现机械化和自动化。机械压力机冷锻一般是在室温下加工。热锻是在高于坯料金属的再结晶温度(800℃)上加工。温锻是将处于加热状态，但温度不超过再结晶温度(300～800℃之间)时进行的锻造加工。钢再结晶温度约为727℃，但普遍采用800℃为划分线。热锻用于大多数行业的锻件。温锻和冷锻主要用于汽车、通用机械等零件的锻造。锻造按坯料在加工时的温度可分为：视频：锻造概述、盘套类锻件锻造一、锻压的生产方式1、轧制2、拉拔3、挤压4、锻造：自由锻模锻5、板料冲压金属经冷加工变形后，其组织和性能均发生变化。经冷变形后的金属加热到再结晶温度时，又会发生相反转变。新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒，金属的性能也恢复到变形前的情况，这一过程称为再结晶。

1、轧制利用金属坯料与轧辊接触表面的摩擦力，使金属坯料截面积减小、长度增加的加工方法。一般为热轧：变形程度大、生产率高。主要用于生产型材、管材、板材及异型钢材。现在也用来轧制零件。视频：轧制成形2、拉拔金属坯料在拉力作用下，通过拉拔模模孔使截面缩小，长度增加的加工方法。拉拔机视频：拉拔成形3、挤压将金属坯料放入挤压模内，使其受强大压力并被挤出模孔、产生变形而获得毛坯和零件的加工方法。在专用挤压压力机上进行。视频：挤压成形4、锻造在压力作用下，通过金属体积的转移和分配来获得毛坯的方法。自由锻——利用冲击力或压力使金属坯料在上、下砥(砧)铁之间受压力产生塑性变形，以获得所需要的形状或尺寸锻件的加工方法。模锻——将加热后的坯料放置在锻模模镗里，在冲击力或压力作用下产生塑性变形，依模膛形状成形的加工方法。视频：圆轴自由锻、胎模锻5、板料冲压金属板料放在冲模间，受压力产生塑性变形或分离的加工方法。视频：板料冲压通用压力机二、锻压的特点1、锻压后可改善组织缺陷，纤维分布合理，提高力学性能2、多数锻压加工出来的毛坏表面质量好，机械加工量少3、多数锻压加工易实现机械化、自动化，生产率高4、锻压生产是使金属在固态下流动成型，变形量不能太大5、锻压加工的工件形状不能太复杂6、锻压设备、模具投资量较大三、锻压加工的适用范围1、受力复杂、综合机械性能要求高的的重要零件：轴、齿轮2、工具、模具上的重要零件：模块、导柱3、标准件：螺钉、螺母、螺栓销4、军工器械：炮筒5、仪表、仪器、电子元件、接线头2.2.2锻压基础知识可锻性及影响因素纤维组织锻造比一、可锻性及影响因素金属的可锻性是指金属受锻压成形的难易程度可锻性以金属的塑性和变形抗力来衡量塑性：在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力

。用伸长率、断面收缩率来表示。变形抗力：金属在塑性变形时反作用于工具上的力。

用金属的屈服强度和抗拉强度来表示。反映变形的能力反映变形的难易程度（1）化学成分（2）金属组织（3）变形温度（4）变形速度（5）应力状态影响可锻性的因素材料的塑性越好，变形抗力越小，则材料的锻造性能越好，越适合压力加工。在实际生产中，往往优先考虑材料的塑性。（1）化学成分的影响纯金属的可锻性比合金好。钢含碳量大，强度和硬度高，塑性降低，可锻性变差。钢的含碳量对钢的可锻性影响很大，对于碳含量分数小于0.15%的低碳钢，其塑性较好。随着碳含量的增加，使钢的塑性下降，塑性成形性也越来越差。合金元素会形成合金碳化物，使钢的塑性变形抗力增大，塑性下降，通常合金元素含量越高，钢的塑性成形性能也越差。杂质元素磷会使钢出现冷脆性，硫使钢出现热脆性，降低钢的塑性成形性能。（2）金属组织的影响纯金属及单相固溶体的合金具有良好的塑性，其锻造性能较好；钢中有碳化物和多相组织时，锻造性能变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属，其锻造性能比晶粒粗大的铸态柱状晶组织好；钢中有网状二次渗碳体时，钢的塑性将大大下降。（3）变形温度的影响大多数金属温度升高后塑性增加，变形抗力降低，可锻性好。温度升高后原子热能增大，原子结合力减弱，易变形。可用较小锻打力产生较大的变形而不破裂。当铁碳合金在723ºC以上时的单相奥氏体状态下具有良好的塑性和低的变形抗力。温度高易产生回复和再结晶，消除加工硬化。加工硬化加工硬化是金属变形时，在滑移面上产生晶格歪扭及碎晶块，出现了强度和硬度增加，塑性和韧性下降的现象。加工硬化是用来提高金属强度的重要方法之一。加工硬化的回复和再结晶加工硬化是一种不稳定现象，具有自发回复到稳定状态的倾向，但在低温下原子活动能力很低，不易回复。温升高后热运动加剧，在便产生了一系列回复的过程。即回复和再结晶。加工硬化由再结晶消除，塑性好，变形抗力低。再结晶温度冷态变形与热态变形在再结晶温度以下锻造变形称冷态变形；这时只有加工硬化，所以冷态塑性变形程度不宜过大。冷拉、冷轧、冷冲压就是冷态塑性变形的加工方法。其尺寸精度高，表面光洁。在再结晶温度以上锻造变形称热态变形；这时即产生加工硬化,又有再结晶现象，且硬化被再结晶所消除。所以金属的塑性良好，变形抗力低，同时也获得具有较高机械性能的再结晶组织。因此加热要控制在一定范围内始锻温度：金属锻造加热时允许的最高温度终锻温度：金属停止锻造的温度（4）变形速度的影响变形速度即单位时间内变形程度的大小。变形速度越大，变形抗力越大，塑性越小。但当变形速度很大时，变形速度越大，则变形抗力越小，塑性越大（热效应现象）。塑性差的材料(如高速钢)或大型锻件，还是应采用较小的变形速度为宜。若变形速度过快会出现变形不均匀，造成局部变形过大而产生裂纹。变形速度变形抗力塑性（5）应力状态压应力个数多、数值大，则金属塑性高，但金属内部摩擦增加，变形抗力增大。压应力有利于抑制和消除由于塑性变形引起的各种微观破坏和组织缺陷。拉应力个数多、数值大，则金属塑性低。促使由于塑性变形引起的各种微观破坏和组织缺陷的发展。结论正确选用金属材料合理控制变形温度、变形速度充分发挥金属的塑性尽可能降低变形抗力优质的锻压件二、纤维组织在金属铸锭中分布在晶界上的非金属，如塑性夹杂物(FeS)，在锻压的热变形后,沿金属流变方向随变形被拉长呈条状，在经浸蚀后的宏观研磨面上会出现流线，这种流线称为纤维组织。纤维组织稳定性较高，不能用热处理等到其它方法消除，只能用锻压的方法改变其方向或分布。纤维组织使金属的力学性能呈现各向异性，顺纤维方向较垂直纤维方向有较高的力学性能，特别是塑性和韧性。零件设计时应使最大正应力方向与纤维组织方向重合，应使最大切应力方向与纤维组织方向垂直。毛坯的锻压加工应使纤维分布与零件轮廓相符合三、锻造比纤维组织形成的纤维化程度取决于钢锭在锻造时的变形程度。锻压的变形程度以锻造比表示。拔长镦粗锻造比：锻钢锭2~6

锻型钢1.3~1.5下标0为变形前尺寸无下标为变形后尺寸F为横截面积L为长度，H为高度2.2.3锻造方法常用的锻造方法有自由锻和模锻一、自由锻自由锻是利用冲击力或压力使金属坯料在上、下砥铁之间产生变形，以获得所需形状及尺寸锻件的方法。自由锻造特点：1、自由锻造工艺灵活，设备通用性好，工具简单，成本低，适应性强。2、锻件重量从1kg~300t。3、生产率低，劳动强度大。 4、锻件尺寸和形状精度低、加工余量大。5、适用于单件小批生产，形状简单的工件。是大型锻件唯一的锻造方法。1、自由锻造工序镦粗拔长冲孔芯轴扩孔芯轴拔长弯曲切割错移扭转锻接基本工序：使坯料产生变形，逐步接近锻件最终形状和尺寸的工序。应用最多视频：自由锻基本工序1）辅助工序：为完成基本工序而使坯料预先产生少量变形的工序。自由锻造辅助工序：钢锭倒棱、压钳把、分锻压痕。整形工序：为使锻件最终平整成型，消除表面不平、歪扭，使锻件完全符合图样要求的工序。自由锻造整形工序：鼓形滚圆、弯曲校值、端面平整视频：大型锻件自由锻2）3）2、自由锻造分类及基本工序选用自由锻件分为以下六大类：饼块类空心类轴杆类曲轴类弯曲类复杂形状类饼块类空心类轴杆类视频：圆轴自由锻曲轴类弯曲类复杂形状类棒料经拔长或局部拔长后，弯曲成形或采用适当工序组合根据锻件形状特点，采用适当工序组合3、自由锻工艺规程的编制与举例（1）锻件图样绘制（2）坯料尺寸和质量的确定（损耗、锻造比）（3）确定锻造工序（4）选定锻造设备能力（5）确定锻造温度范围(2~5)可查锻压手册在零件图的基础上，考虑下列三因素后绘制锻件图样。加工余量余块锻件公差余量和公差可查锻压手册锻件形状以粗实线绘制零件形状以双点划线绘制锻件的尺寸、公差标注在尺寸线上零件的公称尺寸加括号标注在尺寸线下锻件图样（6）自由锻典型工艺举例二、模锻模锻是金属坯料在具有一定形状的锻模膛内受压变形而获得锻件的方法。

与自由锻比较的特点(1)生产率高，可锻形状较复杂的工件。(2)锻件尺寸、形状精度高些、加工余量小，节省材料。(3)锻件纤维组织合理，强度较高，使用寿命长。(4)操作方便，易实现机械化，受设备吨位限制零件不能太大。(5)锻模制造周期长、成本高，适用于中、小型较复杂零件的成批、大量生产。视频：80000吨模锻压机投产锻模根据使用设备分类锤上模锻胎模锻热模锻曲柄压力机上模锻摩擦压力机上模锻平锻机上模锻其他专用设备上模锻1、锤上模锻目前最常用的模锻，在蒸汽-空气模锻锤上进行。锻模的上模装在锤头上，下模装在模垫上，锤头上下运动，打击坯料，以充满模膛，得符合要求的形状锻件。工艺通用性强，设备费用低，生产率较高，能独立完成各种类型零件的锻造。但锻造时振动大、噪音大，劳动条件差，设备要常维修。(1)锻模开式模锻：四边有飞边槽，可补偿、调节，有利充型。可增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满型腔，并容纳多余的金属。工艺方便，应用广泛。闭式模锻：无飞边槽，也无飞边损失，有利于金属塑性变形，但不易保证锻件精度，坯料要求精确计算，省料。模膛模锻模膛制坯模膛终锻模膛预锻模膛1）制坯模膛——对形状复杂的锻件进行预锻按功用分类拔长模膛滚压模膛弯曲模膛切断模膛镦粗台卡压模膛成形模膛压扁台2）模锻模膛A、预锻模膛形状较接近成品，有较大的圆角和斜度，无飞边,使终锻时易充满型腔，减少终锻模的磨损，延长终锻模的寿命。B、终锻模膛使坯料变形到锻件的最终形状和尺寸。视频：锻压模膛根据锻件的复杂程度和生产条件

模膛分为：单膛锻模多膛锻模（2）模锻件图样模锻件图样是制定工艺规程、设计和制造锻模、组织生产、验收工件的依据。绘制模锻件图样时要考虑的问题：1）确定分模面2）加工余量和公差3）模锻斜度4）圆角半径5）冲孔连皮分模面是上下锻模的的分界面，其位置直接影响模锻的工艺过程和锻模的复杂程度、模锻的生产率废品率和成本。确定分模面的原则：保证可以取出锻件。使金属流动方便，能顺序充满模膛。要便于发现上下模错移。应在模膛宽度最大、高度最小处分模。a-a取不出锻件b-b难充满模膛c-c难发现错移d-d分模较合理实线——锻件轮廓线双点划线——零件轮廓线不加工冲孔连皮分模面（3）模锻件结构工艺性合理的分模面外形简单、对称、平直、小的壁厚差尽量避免多孔、深孔、窄沟、深槽与分模面垂直的面上避免有孔、槽要有圆角半径、模锻斜度形状若太复杂，用组合结构（采用锻－焊连接）视频：锤上模锻胎模锻是介于自由锻与模锻之间的一种锻造方法。它既有自由锻造工艺灵活、工具简单的特点，又有模段利用模膛成形，锻件形状复杂、尺寸准确、生产效率高的特点。在模锻设备较少，大部为自由锻锤的生产中，利用自由锻锤进行胎模锻造，对于改善自由锻件“肥头大耳”是有好处的。2、胎模锻视频：胎模锻、锻压胎模锻胎模段使用胎模的种类很多，生产中常用的有：扣模，套模、合模等。①扣模由上、下扣组成，或只有下扣，上扣以上砥铁代替。扣模一般用来对坯料进行全部或局部扣型。锻件在扣模中锻造时，坯料不转动，初步成形后锻件翻转90度，在锤砧上平整侧面。扣模用于具有平直侧面的非回转体锻件的成形，或为合模制坯。

②套模(又称筒模)有开式套模、闭式套模及组合套模三种。开式套模只有下模，上模以上砥铁代替，用于回转体锻件(如齿轮、端盖及法兰盘等)的最终成形或制坯，当用于最终成形时，锻件的端面必须是平面。闭式套模主要用于端面有凸台或凹坑的回转体锻件的制坯和最终成形。

组合套模用于较复杂的锻件。③合模由上模、下模及导向装置组成。适用于各类锻件的最终成形，尤其是较复杂的非回转体锻件，如连杆、拨叉等。2.2.4冲压冲压是利用冲压设备和模具对板料加压，使板料产生分离或变形，制造薄壁零件或毛坯的加工方法。冲压特点能生产复杂薄壁件,废料少。尺寸精度高，表面粗糙度小。耗料少、质量轻、强度、刚度较高。操作简便、生产率高、易于实现机械化和自动化。对冲模要求高，制造复杂，成本高。用于大批量生产。视频：冲压概述，冲模一、冲压基本工序分离工序：使坯料的一部分与另一部分分离的工序。包括落料、冲孔、切断、修整等。变形工序：使坯料的一部分与另一部分产生位移而不断裂的工序。包括弯曲、拉深、翻边等。视频：冲压基本工序1、冲裁冲裁包括落料、冲孔、切断等工序。落料：用冲模沿封闭的轮廓曲线冲切，冲下部分为工件。冲孔：用冲模沿封闭的轮廓曲线冲切，冲下部分为废料。切断:用剪床或冲模沿不封闭曲线切断。（1）冲裁过程冲裁时，其分离过程：1）弹性变形阶段：2）塑性变形阶段：3）断裂分离阶段：

（2）冲裁件的修整正常情况下冲裁件的断面有明显的三个区剪裂带：粗糙略带斜度，断面质量较差。光亮带：尺寸准确、表面光洁，断面质量好。越宽冲裁件质量越好——塑性好的材料。塑性差，光亮带小。榻角精度要求高的冲裁件剪裂带、榻角要修整修整后断面精度可达IT6~IT7，Ra1.6~0.8。（3）冲裁间隙凸模、凹模的刃口要尽量锋利凸模、凹模间留有间隙——冲裁间隙C

C=mS式中：m材料性能系数，S材料厚度若S<3mm，软钢、铝、铜合金：m=6%-10%，硬钢：m=8%-10%冲裁间隙影响断面质量、模具寿命、冲裁力。（4）冲裁件的尺寸和排样冲孔时：孔的尺寸取决于凸模尺寸。落料时：落料件的尺寸取决于凹模的尺寸。排样——在落料前考虑零件在原材料上合理排列。目的是提高材料利用率