第三章锻压成形

第三章锻压成形锻压成型第三章锻压成形§3.1金属塑性变形基础§3.2自由锻§3.3模锻§3.1金属塑性变形基础§3.1.1概述§3.1.2金属塑性变形的实质§3.1.3金属的冷变形与再结晶§3.1.4金属的冷、热变形对组织与性能的影响§3.1.5金属的可锻性§3.1.1概述一、金属塑性成形（压力加工）的概念金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。二、塑性成形（压力加工）的特点1．力学性能高1）组织致密；2）晶粒细化；3）压合铸造缺陷；4）使纤维组织合理分布。2．节约材料1）力学性能高，承载能力提高；2）减少零件制造中的金属消耗（与切削加工相比）。3．生产率高4．适用范围广1）零件大小不受限制；2）生产批量不受限制。§3.1.1概述三、金属压力加工的方法

§3.1.2金属塑性变形的实质1、单晶体的塑性变形滑移和孪生两种方式进行（1）滑移

弹性变形弹塑性变形塑性变形单晶体的变形过程晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面发生相对滑动。要实现上述刚性滑移，从理论上计算所需的外力比实际上测得的要大几千倍。所以实际金属的滑移是靠位错（或空位）的移动来实现的。位错运动引起塑性变形的示意图（2）孪生孪生变形是在切应力作用下，晶体的一部分对应用于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向进行的相对移动。孪生引起塑性变形的示意图§3.1.2金属塑性变形的实质2、多晶体的塑性变形：

多晶体是由大量的大小、形状、晶格排列位向各不相同的晶粒所组成，故它的塑性变形很复杂，可分为晶内变形和晶间变形。晶粒内部的塑性变形称为晶内变形；晶粒之间相互移动或转动称为晶间变形。多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和双晶，但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。§3.1.3金属的冷变形强化与再结晶冷变形后组织变化晶粒沿变形最大的方向伸长晶粒与晶粒均发生扭曲，产生内应力晶粒间产生破碎冷变形后性能变化强度硬度升高、塑性韧性降低。→加工硬化有利：强化金属材料不利：进一步的塑性变形带来困难1、冷变形后组织性能的变化冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在滑移面上产生了许多晶格方向混乱的微小碎晶，滑移面附近的晶格也产生了畸变，增加了继续滑移的阻力，使继续变形困难。对某些不能通过热处理来强化的金属，可用低温变形来提高金属强度指标，如用冷轧、冷拔和冷挤来提高低碳钢、纯铜、防锈铝等所制型材和锻压件的强度和硬度。但在塑性加工中，冷变形强化使塑性变形困难，故采用加热的方法使金属再结晶，而获得好的塑性。§3.1.3金属的冷变形强化与再结晶

常温下塑性变形对低碳钢力性能的影响§3.1.3金属的冷变形强化与再结晶2、金属的回复与再结晶

加工硬化是一种不稳定现象温度升高回到稳定状态随着温度升高，再结结晶过程可分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。T回=（0.25~0.30)T熔

T再=0.4T熔§3.1.3金属的冷变形强化与再结晶加热温度给冷变形金属组织与性能的影响§3.1.4金属的冷、热塑性变形对组织和性能的影响冷变形——金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔，能获得较高的硬度及表面质量。热变形——金属在再结晶温度以上进行的塑性变形。如锻造、热挤和轧制等，能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。1、冷变形后的组织与性能组织：晶格畸变、位错增加、形成纤维组织。性能：强度、硬度增加，塑性、韧性降低§3.1.4金属的冷热塑性变形对组织和性能的影响2、热变形后的组织与性能组织:晶粒细化、缺陷消失、组织致密，产生锻造流线

性能：强度提高、韧性提高；纵向性能优于横向锻压（热变形）的应用

受力复杂件、承受冲击件、负荷较大件，各种工具、模具§3.1.4塑性变形对组织和性能的影响利用锻造流线实例

螺钉的锻造流线不同加工方法制造组织比较图齿轮的锻造流线组织

3、锻造比：锻造前后金属坯料的横截面积之比[或长度（高度）之比]。分为拔长比和镦粗比。一般用拔长比来表示。拔长比Y拔=F0/FY拔=L0/L镦粗比Y镦=F/F0Y镦=H0/H锻造比的选择1、坯料：轧材或锻坯；选择较小锻造比锻造比大于等于1.52、坯料：钢锭；碳钢：拔长比大于等于3

镦粗比大于等于2.5合金钢：Y=3~4高合金钢：Y=4~6高速钢：Y=5~12§3.1.5金属的可锻性一、金属的可锻性（锻造性能）是金属材料在压力加工时成形的难易程度。1.可锻性的衡量指标1）塑性：2）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。是指压力加工过程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力，材料的变形抗力越小，其可锻性越好。2.影响可锻性的因素1）金属的本质①化学成分：Me越低，材料的可锻性越好。②组织状态：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。粗晶粒、柱状晶、网状组织等可锻性↓2）变形条件①变形温度：③应力状态：②变形速度：塑性、变形抗力塑性变形抗力T温越高，材料的可锻性越好。V变越小，材料的可锻性越好。三向压应力—塑性最好、变形抗力最大。三向拉应力—塑性最差。本节复习与思考题金属塑性变形后组织性能有哪些变化？什么是加工硬化现象？有何利弊？纤维组织是怎样形成的？怎样利用纤维组织？什么是锻造比？锻造比对锻件质量有何影响，怎样选择？试述金属的锻造性能及其影响因素。锻造后组织性能的变化铸件内有各种缺陷：通过锻造：锻合孔隙，微裂纹，破碎夹杂（渣），细化、均化组织。出现纤维组织性能变化：强度、硬度、塑性提高，特别是冲击韧性提高。本节结束§3.2自由锻§3.2.1概述§3.2.2自由锻的基本工序§3.2.3自由锻工艺规程的制定§3.2.4自由锻件的结构工艺性§3.2.1概述自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间，施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法。自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法自由可分为手工自由锻和机器自由锻。1、自由锻的特点优点：1）自由锻使用工具简单，不需要造价昂贵的模具；2）可锻造各种重量的锻件，对大型锻件，它是唯一方法3）由于自由锻的每次锻击坯料只产生局部变形，变形金属的流动阻力也小，故同重量的锻件，自由锻比模锻所需的设备吨位小。缺点：1）锻件的形状和尺寸靠锻工的操作技术来保证，故尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多；2）锻件形状比较简单，生产率低，劳动强度大。故自由锻只适用于单件或小批量生产。

§3.2.1概述2、自由锻设备锻锤压力机空气锤蒸汽—空气锤水压机油压机65~750Kg630Kg~5T落下部分总重量=活塞+锤头+锤杆滑块运动到下始点时所产生的最大压力锻锤吨位=压力机吨位=水压机适用于大型锻件蒸汽锤适用于中、小型锻件§3.2.2自由锻工序基本工序自由锻基本工序是使金属坯料产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和尺寸的工艺过程。包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、扩孔、切割、扭转和错移等。辅助工序辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。如钢锭倒棱、预压钳把、压肩（分段压痕）等。修整工序修整工序是为了减少表面缺陷而进行的工序。如整形、滚圆、校正等。自由锻基本工序举例之一镦粗镦粗带尾梢镦粗局部镦粗展平镦粗自由锻基本工序举例之二拔长拔长芯轴拔长自由锻基本工序举例之三芯轴扩孔冲孔与扩孔实心冲子冲孔空心冲子冲孔冲子冲孔绘制锻件图坯料重量及尺寸计算选择锻造工序计算变形力、选择合适的锻造设备确定锻造温度范围、加热及冷却规范确定锻件热处理制度§3.2.3自由锻工艺规程的制订自由锻工艺规程的制定之一以零件图为基础再结合锻造工艺确定敷料为了简化锻件形状，便于进行锻造而增加的一部分金属。锻件余量锻件上凡需要切削加工的表面都应留有加工余量。锻件公差零件的基本尺寸加上加工余量称为锻件基本尺寸，锻造公差是锻件基本尺寸的允许变动量。绘制锻件图自由锻工艺规程的制定之二

计算坯料的重量和尺寸坯料重量可按下式计算：

G料=G锻件+G烧损+G料头式中G料——坯料重量G锻件——锻件重量G烧损——烧损重量，第一次加热取被加热金属的2~3%，以后各次加热取1.5~2%。G料头——在锻造过程中冲掉或被切掉的那部分金属的重量。自由锻工艺规程的制定之二

计算坯料的重量和尺寸坯料的尺寸(横截面积）根据坯料重量可选计算出坯料体积。

V=G/ρ（dm3)确定横截面积时主要考虑：锻件的锻造比和采取的变形方式（锻造比是变形前后的横截面积之比。）对于锭坯锻造比应大于2.5~3对于轧坯：镦粗时考虑高/径比。H0/D0=1.25~2.5拔长时若有锻造比要求，则考虑锻造比。根据锻件形状和锻造工序的特点确定锻造工序。自由锻工艺规程的制定之三

选择锻造工序盘类零件锻造工序：镦粗（或拔长及镦粗）冲孔根据锻件形状和锻造工序的特点确定锻造工序。自由锻工艺规程的制定之三

选择锻造工序轴类零件锻造工序：拔长（或镦粗及拔长），切肩和锻台阶根据锻件形状和锻造工序的特点确定锻造工序。自由锻工艺规程的制定之三

选择锻造工序筒类零件锻造工序：镦粗（或拔长及镦粗），冲孔，在芯轴上拔长。根据锻件形状和锻造工序的特点确定锻造工序。自由锻工艺规程的制定之三

选择锻造工序环类零件锻造工序：镦粗（或拔长及镦粗），冲孔，在芯轴上扩孔。根据锻件形状和锻造工序的特点确定锻造工序。自由锻工艺规程的制定之三

选择锻造工序曲轴类零件锻造工序：拔长（或镦粗及拔长），错移，锻台阶，扭转根据锻件形状和锻造工序的特点确定锻造工序。自由锻工艺规程的制定之三

选择锻造工序弯曲类零件锻造工序：拔长，弯曲坯料的加热加热的目的？始锻温度？终锻温度？加热过程中常见的缺陷有哪些？氧化、脱碳、过热、过烧、裂纹锻件的冷却常见的冷却方式有哪些？空冷坑冷炉冷半轴自由锻工艺卡重量：25kg坯料尺寸：ф130×240材料：18CrMnTi锻件图半轴自由锻工艺卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序1锻出头部半轴自由锻工艺卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序2拔长半轴自由锻工艺卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序3拔长及修整台阶半轴自由锻工艺卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序4拔长及留出台阶半轴自由锻工艺卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序5锻出凹挡及§3.2.4自由锻件的结构工艺性圆锥体的锻造须用专门工具，锻造比较困难，应尽量避免。不合理合理自由锻件的结构工艺性圆柱体与圆柱体交接处的锻造很困难，应改成平面与圆柱体交接。不合理合理自由锻件的结构工艺性加强筋与表面凸台等结构难以用自由锻方法获得，应避免这种设计，对于椭圆形或工字形截面、弧线及曲线形表面，也应避免。不合理合理自由锻件的结构工艺性横截面有急剧变化或形状比较复杂的零件，应分成几个简单部分，再用焊接或机械联接法组合成整体。不合理合理高合金钢的锻造特点备料

高合金钢坯料不允许有表面裂纹等缺陷，锻前需进行退火处理。加热特点与锻造温度范围

应低温装炉，缓慢升温。锻造温度范围窄，只有100~200ºC锻造特点控制变形量增大锻造比变形要均匀避免出现拉应力锻后冷却炉冷或坑冷常见的锻造缺陷裂纹锻造过程中由于加热、冷却、变形、热处理等工艺不当所致。晶粒局部粗大由于加热温度过高、变形不均匀、锻造比太小等。弯曲和变形

白点（氢脆）对白点敏感的钢，加热或冷却不当，造成的裂纹。本节小结自由锻工序有哪几类？自由锻基本工序有哪些？基本工序辅助工序修整工序镦粗、拔长、冲孔与扩孔、弯曲、扭转、错移、切断（割）钢锭倒棱、预压钳把、分段压痕修整平面、彭形滚圆、弯曲本节复习与思考题1、制定自由锻工艺规程应考虑哪些内容？2、绘制锻件图应考虑哪些内容？3、自由锻件可分为哪几种类型？4、下列自由锻件结构是否合理？如不合理，请修改。本节复习与思考题5、试说明下图所示阶梯轴如何进行自由锻本节结束§3.3模锻

§3.3.1锤上模锻§3.3.2其他模锻介绍概述模型锻造—将金属坯料放在具有一定形状的模锻模膛内受压、变形，获得锻件的方法。按使用设备不同，模锻可分为：锤上模锻、胎模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。

模锻的优点

1、生产率高。2、模锻件尺寸精确，加工余量小，精密模锻能取代切削加工3、可锻出形状复杂零件4、节省金属材料，减少切削加工。在批量足够的条件下可降低成本§3.3.1锤上模锻1、模锻设备蒸气-空气模锻锤1—踏板2—机架3—砧座4—操纵系统

模锻锤吨位（KN）5~7.5101520205070~100130锻件重量(kg)<0.505~1.51.5~55~1212~2525~4040~100>100§3.3.1锤上模锻2、锻模结构锤头上模毛边槽下模模垫砧座分模面模膛楔铁§3.3.1锤上模锻3、模膛类型模锻模膛终锻模膛预锻模膛制坯模膛拔长模膛滚挤模膛弯曲模膛切断模膛终锻模膛预锻模膛拔长模膛滚挤模膛弯曲模膛制订锻件图坯料重量及尺寸计算确定模锻工步（模膛）计算变形力、选择合适的锻造设备确定锻造温度范围、加热及冷却规范确定锻件热处理制度4、模锻件工艺规程的制定制定模锻锻件图确定分模面原则要保证锻件能从模膛中取出。分模面应选在锻件最大尺寸的位置。必须使分模面处上下模膛的外形一致。以便于发现错模事故。最好把分模选在能使模膛的深度最浅的的位置处。选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。最好使分模面为一个平面。制定模锻锻件图余量、公差和敷料余量一般在1~4mm，为自由锻的1/2~1/3左右。公差一般在±0.3~3mm。直径小于25的孔不锻出。直径大于25的孔锻出时应留冲孔连皮。连皮厚度与孔径有关，当孔径为30~80mm时，连皮厚度为4~8mm。制定模锻锻件图模锻斜度和圆角半径模锻斜度与h/b有关，h/b越大，斜度越大。一般为5º~15º。内模锻斜度比外模锻斜度大2º~5º。外圆角半径(r)一般取1.5~12mm.内圆角半径(R)一般取外圆角半径的2~3倍确定模锻工步模锻分类1、长轴类2、盘类长轴类模锻件工步常用工步：拔长滚挤弯曲预锻终锻盘类模锻件工步常用工步：镦粗终锻修整工序切边和冲孔●校正●热处理●清理●精压5、模锻件结构工艺性锻件必须具有一个合理的分模面。以保证模锻件易于从模膛中取出，敷料最少，锻模容易制造。只在零件上有与其他机件配合的表面留加工余量。设计零件的外形要力求简单。避免薄壁、高筋、凸起结构。对于复杂零件宜采用锻焊工艺§3.3.2其他模锻介绍一、胎模锻胎模锻是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的工艺方法。其工艺特点介于自由锻和模锻之间。胎模主要有扣模、套筒模及合模等。胎模介绍1、扣模2、套筒模3、合模二、摩擦压力机上模锻——在压力机上的滑块和底座上分别固定上下模，上下模经下压合拢，而获得锻件的方法。

压力机上模锻工作时冲击小、噪声小、操作安全，但生产率低。一般适用于中小批量生产。摩擦压力机底座滑块带传动摩擦盘飞轮丝杠§3.3.2其他模锻介绍§3.3.2其他模锻介绍三、曲柄压力机上模锻优点：1）锻造力是压力，坯料的变形速度较低，可锻造较低塑性金；2）锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在一次行程中即可完成，便于实现机械化和自动化，具有很高生产率；3）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。4）振动和噪声较小，劳动条件改善。缺点：1）设备费用高，模具结构复杂；2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此不能进行拔长、滚压等制坯。1、电动机2、小带轮3、大带轮4、传动轴5、小齿轮6、大齿轮7、离合器8、曲柄9、连杆10、滑块11、楔形工作台12、下顶杆13、楔铁14、顶料连杆15、制动器16、凸轮四、平锻机上模锻

平锻机