锻造工艺过程及模具设计

锻造工艺过程及模具设计第一章概述1.1锻造生产1.2锻造生产的发展过程1.3锻造技术发展的未来1.1锻造生产

锻造的目的是使坯料成形及控制其内部组织性能达到所需几何形状、尺寸以及品质的锻件。一般铸件的内部组织和力学性能不如锻件。比较重要的零件都选用锻造工艺过程生产。

原则上任何一种金属材料都可用锻造方法制成锻件或零件。随着锻造工业的发展，锻件的精度和表面粗糙度逐步达到了车床、铣床加工的水平。特别是粗糙度，有的精锻件甚至超过磨削加工水平。

冷镦、冷挤压、冷精压件（锻件）可以不需机械加工或少量机械加工而直接装机使用。

按所用的工具不同，锻造可分为自由锻和模锻两大类。

自由锻（opendieforging）只使用简单工具利用上下砧直接使坯料成形。模锻（closdieforging）是利用模具使坯料成形。

随着大型水压机的出现，自由锻件单件质量达300～350吨以上，如大型吊钩等。模锻件的外径达1000mm以上。重庆某厂有特大型锻压设备350MN(35000吨)水压机。这种特大型水压机可以用来压制飞机零件如翅膀、起落架等。

为了发挥锻造业的优势，增大每一品种的生产量，为集中生产和专门化生产创造条件，要按照相似的设计要求和制造条件对各种各样的锻件进行科学分类并使之规格化和标准化。

将分散的锻造厂（车间）相对集中，组合成地区性专门化锻造中心(如有关轴承、齿轮、曲轴、连杆、叶片、轮盘、标准件的锻造中心)，建立机械化、自动化程度高的锻造生产线或生产车间，采用专门的锻压设备和模具装置，按科学合理的工艺流程安排自动化生产相类似的锻件组合，甚至可以综合生产布局包括热处理和机械加工等其它后续工序组成的生产线。

不仅锻压设备应当通用，而且工具、模具也应当做到通用。压力机更适应精锻工艺。压力机模锻替代锤上模锻，更易于实现机械化、自动化连续生产。

早在3000多年前，我国劳动人民就已熟练地应用锻造方法制造生产工具和各类兵器。河北藁城出土商代遗址中有兵器、金丝、金箔。1.2锻造生产的发展过程

国内外大多数锻件仍处于毛坯生产阶段，材料利用率只有40%～50%。自由锻件大部分金属变为切屑。用钢锭生产的自由锻件，有25%～33%金属作为冒口和底部切除。

模锻件由于带有机械加工余量、毛边工艺辅料，以及加热火耗等，材料利用率一般在50%左右。模锻流程是指生产一个锻件所经过的模锻生产过程，一般指备料、加热、模锻切边、冲孔、热处理、酸洗、清理、校正。

模锻件占的比重说明了一个国家生产水平、生产率、材料利用率、生产成本及产品品质在国际竞争中的地位。上一世纪50年代末至60年代初，中国制造成功了万吨水压机（上海江南造船厂）和各种类型的锻压机械。

汽车、摩托车工业的发展，大大促进了我国精锻技术的发展。一般的冷、温精锻采用国产设备是可行的。当挤压件的产量在10万件以上，品种有2到3个时，投资购买冷挤压设备就会有较大的经济效益。

我国开发热精锻、冷锻和温锻技术的一些典型应用实例：

复动(闭塞)锻造工艺过程是先进的精锻技术之一，与传统的锻造方式不同。它不是通过模具直接锻打坯料成形，而是在封闭的模具型腔内，通过冲头单向或双向复动挤压成形。北京机电研究所于1998年开发成功“控制成形”(FlowControlForming-简称FCF)技术并应用于汽车空调涡旋压缩机涡旋盘和汽车安全气囊气体发生器等复杂精密铝合金零件(如下图)的批量生产。

前轴的精密辊锻-整体模锻生产过程：生产线布置鸟瞰

25MN(2500吨)螺旋压力机弯曲——终锻成形

1000mm自动辊锻机精密成型辊锻

精密辊锻-整体模锻各道工艺过程的产品

20世纪70年代，南京航空学院的锌铝合金有色金属超塑性成形，洛阳工学院的碳钢等黑色金属甚至模具钢的超塑性成形，北京机电研究所和兵器工业第五九研究所等单位的超塑性成形，都取得了一定的成绩。

从上一世纪70年代开始，国内有不少单位开展摆动辗压研究，如哈尔滨工业大学、武汉理工大学、清华大学、中国兵器工业第五九研究所等。

2005年“汽车摩托车齿轮类零件冷摆辗精密成形关键技术及应用”项目获国家科学技术进步奖二等奖。

温锻较热锻可获得较高精度的锻件，如外星轮三销套温锻-冷精整成形自动化生产线，30CrMnSiNi2A超高强度钢壳体零件温挤压-冷变薄拉深生产线。粉末锻造工艺过程能提高粉末冶金件的密度，大大提高了粉末件的抗拉强度。用板料毛坯代替体积毛坯的锻造工艺过程也在发展之中。锻造工艺过程飞速发展的同时也大大促进了锻压设备的发展。锻压成形所使用的设备应具有良好的刚性、良好的可靠性和稳定性，对生产工序要能自动监控和具备检测功能，要有精密的导向机构，等等。摩擦压力机是我国20世纪的主要锻压设备。

20世纪50年代国内出现了热模锻压机，70年代中国第二汽车制造厂用它完全取代了模锻锤。

1.3锻造技术发展的未来

1.3.1数字化塑性成形技术锻造技术发展的未来是锻造技术数字化。发达国家重视锻造业的发展，不仅着眼于锻造业在本国工业产值中所占比例、对国民经济的贡献、就业安排，而且更重视锻造行业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质技术，把锻造行业看成是经济高级化不可缺少的战略性产业。

数字化主要体现在对锻造过程和产品品质、成本、效益的预测和可控程度。实用中已对汽车发动机连杆精密锻造、汽轮机和压缩机叶片辊锻－模锻的工艺过程和模具设计制造应用了CADCAM一体化技术，如下图所示。

计算机辅助设计系统（CAD）和辅助制造系统（CAM）结合，便构成了自动控制集成系统，即由计算机控制的自动化信息流对锻件的工艺过程设计、锻模的机械加工、装配、检验和管理进行连续处理，并且发展到以它为中心的锻件、锻模设计制造和锻造过程模拟(CAE)一体化的自动控制系统。锻造过程模拟技术(CAE)亦称锻造工艺过程虚拟制造技术或锻造过程的计算机辅助工程分析。

锻造过程模拟技术(CAE)丰富了塑性成形机理的研究手段，使塑性成形向智能化方向发展，为锻模的设计制造提供了科学基础，改善了锻造工程师的工作环境，节省了试制费用和设计时间，缩短了产品研发周期，改进和提升了传统锻造工艺过程及模具设计水平。在实际应用中采用三维模拟技术，对涡旋盘流动控制成形过程进行的模拟，如下图：图1.11涡旋盘控制成形（FCF）工艺过程的三维模拟

锻造过程模拟技术(CAE)通过引入计算机技术等高新技术，架起了联系材料科学基础理论与热加工工程实际的桥梁，使基础学科的理论能够直接定量地指导锻造过程，改变锻造过程设计中长期依赖经验的落后状况。它使工艺设计由经验判断走向定量分析，使锻造过程由“技艺”发展为真正的工程科学，是信息化提升传统工艺过程水平的一个重要体现。锻造技术的发展还必须注意科学化和可控化。锻造生产不再是简单的坯件供应，要发展为零件、部件供应，还可以在产品初步设计阶段，针对零件的可生产性，提供快速分析手段，形成将设计思想转化为产品原型零件，直至市场效果的快速评估系统。做到“设计、制造、营销”一体，协同实现对市场需求的快速响应。锻造技术的发展已不仅是单纯锻造成形技艺的推陈出新，而是各种新材料、传感技术、信息技术、自动控制技术、液压技术、表面技术与锻造原理的融合。锻造技术将实现低噪音、少污染、对改善人类居住和工作环境有利。1.3.2锻压设备与锻压工艺技术的未来发展趋势

国家锻压加工能力主要体现为锻压设备能力与锻压工艺过程技术能力。锻压设备能力包括自有锻造设备能力、模锻设备能力、环形件輾扩锻造能力和板材成形设备能力。

1.锻压设备的大型化发展趋势

由于锻压生产需要巨大的变形力，对大型零件的锻造离不开重型锻压设备，成形力在100MN(万吨级)以上。从某种意义说，重型锻压设备及其所能锻造的大型零件的品质，体现着一个国家重大装备的制造能力。2.锻压设备和锻压工艺过程技术的自动化、精密化发展趋势锻造工业随着汽车工业的发展而壮大。一个国家汽车锻件占锻件总产量的比例反映了锻造工艺过程技术与装备的水平。我国是锻件生产大国，锻件总产量居世界前三位。汽车锻件的巨大市场和产品品质决定了我国锻压设备和锻压工艺过程技术向着自动化、精密化方向发展是必然趋势。3.锻压设备和工艺过程技术的可持续发展—绿色制造绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品在整个生命周期中对环境影响最小，资源利用率最高。锻压生产决定了锻压设备和工艺过程对资源的消耗大，对环境的污染比较严重。锻压设备在制造领域中扮演着越来越重要的角色，因此锻压生产实现绿色制造的意义和经济效果尤为突出。锻压设备是装备制造业中体现制造能力的重要手段，在国家重大工程项目和汽车工业中起着举足轻重的作用。

我国锻压设备和锻压工艺技术应该向大型化、自动化、精密化和绿色锻造方向发展。第2章

锻造用原材料及

坯料准备

2.1锻造用原材料锻造用坯料一般为棒、板、管状的黑色金属、有色金属和贵金属。圆柱体毛坯要考虑高径比H/d,当高径比H/d≥2时，要预制坯，防止在成形过程中弯曲失稳，或产生弯曲，形成折叠；H/d较小时，可采用板料下料。薄板毛坯采用普通冲裁落料或精密冲裁下料2.1.1黑色金属种类举例普通碳素结构钢Q195、Q215、Q235优质碳素结构钢10、20、30、40

合金结构钢铬钢20Cr、30Cr、40Cr铬钼钢20CrMo、30CrMo、40CrMo铬镍钼钢20CrNiMo、30CrNiMo铬锰钢20CrMn、30CrMn

不锈钢奥氏体钢0Cr18Ni9、0Cr17Ni11MoZ、00Cr18Ni10马氏体钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2铁素体钢1Cr17、0Cr13部分冷锻用钢

冷锻用材料

状态

钢热轧退火状态；热轧退火后的剥皮材或无心磨削坯料；经小变形量拉拔的棒材；退火状态的拉拔棒材；铸锭；锻坯

有色金属热轧棒材；热轧板材；退火状态的挤压坯料；退火状态的拉拔坯料；铸件冷锻用材料状态冷锻用钢的尺寸公差圆钢外径mm允差mm圆度mmd<9.00+0-0.03<0.0159.0≤d<18.0+0-0.04<0.02d≥18.0+0-0.05<0.025

剥皮料、无心磨削料的直径公差为0.05~0.1mm。棒材弯曲度≤1%。管材壁厚差<0.3mm。薄壁管的精度要高一些。锻造用钢的宏观缺陷表面缺陷一般包括裂纹、疤痕、折叠和夹杂等。内部缺陷包括低倍缺陷和显微缺陷。低倍缺陷主要有残余缩孔、疏松、气孔、裂纹、树枝晶偏析、异金属夹杂等。显微组织缺陷主要有非金属夹杂物和晶粒度不合格(1)折叠折叠是轧材表面的常见缺陷，折痕方向为轧制方向，边缘弯曲不齐，有时存在一些氧化物夹杂物。这些夹杂物一般较长，在棒材两侧对称分布。若棒材表面存在折叠，必须剥皮去掉。否则将使大批成形件成为废品。(2)划痕材料纵向划痕的产生是由于在轧制、挤压、拉拔过程中，表面金属的流动受到孔型或模具上某种机械阻碍（如毛刺、斑痕及积瘤）而形成的。在低温下形成的划痕，其根部有轻微的变形，附近没有脱碳和氧化现象。划痕能使棒材、板材报废，是造成冷锻成形件开裂的主要原因。(3)发纹

发纹一般顺着钢材的纤维方向，长短不一，细如发丝，头部较浅较尖。往往在发纹中可以发现夹杂物，发纹的周围无氧化脱碳现象。钢材表面的发纹是冷锻成形用钢的一个重大缺陷。在冷锻成形后开裂的零件中，多数由于产生这种缺陷引起。

钢的低倍组织(1)偏析(2)缩孔残余(3)白点(1)偏析偏析是钢锭在凝固过程中产生的化学成份以及杂质的不均匀现象。主要类型有方框偏析、点状偏析和枝晶偏析。碳化物偏析会降低钢的锻造性能，严重者在热加工过程中零件内部产生较大的拉应力，引起锻件开裂。严重硫偏析的存在，会造成材料强度的显著降低，在零件加工后服役使用的过程中，易产生早期脆性断裂。(2)缩孔残余缩孔：钢锭在凝固过程中，由于各部分结晶先后不同以及体积收缩，在钢锭头部的轴心处形成缩孔。缩孔残余：钢锭在开坯时未能全部去掉缩孔，缩孔残留在随后锻轧好的钢材之中，这就是缩孔残余。（3）白点白点是由于钢中存在一定量的氢和各种应力（组织应力、温度应力、塑性变形后的残余应力等）共同作用产生的。白点是隐藏在锻坯内部的一种缺陷，在钢坯的纵向断口上呈圆形或椭圆形的银白色斑点，在横向断口上呈细小裂纹，显著降低钢的韧性。非金属夹杂物

非金属夹杂物在钢中破坏了金属基体的连续性，使材料的塑性和韧性降低；当夹杂物呈链条状分布，或者沿着晶界分布时，对金属的力学性能，特别是动载荷下的力学性能的影响更为严重，常常由于应力集中而导致零件突然断裂。

钢中常见的非金属夹杂物(1)硫化物(2)硅酸盐夹杂物(3)氧化物(4)夹渣(1)硫化物若钢中含锰量较低，硫与铁化合生成硫化铁，硫化铁与铁形成共晶体。热脆：硫化铁熔点只有985℃，经常存在于晶界处。一般钢材在800~1200℃轧制或锻造时，由于共晶体的熔化，导致钢材沿晶界开裂，这种现象称为“热脆”。当钢中含锰量较高时可优先形成硫化锰，可减轻硫的有害影响。如果钢中存在较多的硫化物，将显著降低材料的疲劳性能，尤其是横向力学性能。

(2)硅酸盐夹杂物硅酸盐夹杂物可分为塑性和脆性两种。塑性硅酸盐的形态与硫化锰相似，也沿着钢材轧制方向延伸，呈长条状。脆性硅酸盐也沿着金属流动方向分布，在金属变形时容易发生脆裂。(3)氧化物钢中氧化物主要有FeO、SiO2及Al2O3等FeO很脆，热加工过程中几乎不发生变形，只有在很大的压力下才稍呈椭圆形。SiO2在钢中很少单独存在，经常与其它氧化物形成复杂化合物。Al2O3在显微镜的明场下观察呈暗灰带紫色，它的外形不规则，常以细小颗粒积聚成群分布。Al2O3硬度高、脆性大，外形有棱角。在钢中起到尖锐的缺口作用。(4)夹渣夹渣是用肉眼可观察到的大块夹杂物。夹渣通常是由于冶炼以及浇注过程中，钢液表面的炉渣，或者从出钢槽、钢水包等内壁剥落的耐火材料，在钢液凝固前未能浮出，存留在钢锭内部。钢材中存在大块肉眼可见的夹杂物是不允许的钢的晶粒度钢的晶粒度一般指钢的奥氏体晶粒大小，奥氏体晶粒度包括本质晶粒度和实际晶粒度两种。本质晶粒度是指钢加热到930℃时所具有的奥氏体晶粒的大小。它表示该钢的奥氏体晶粒长大倾向。实际晶粒度是指钢在某一具体热处理条件下所获得的奥氏体晶粒的大小。它主要取决于加热温度和热加工工艺过程制度。45钢在不同回火温度下晶粒度与冲击韧度和硬度的关系序号回火温度/℃晶粒度（7~8级）晶粒度（1~2级）ak(J/cm2)HBak(J/cm2)HB1315102.7

24217.02672425132.023421.02123540164.020731.02124650209.0

18770.0184钢的实际晶粒度钢的实际晶粒度过大，会显著地恶化钢材的塑性。钢材的晶粒度较大时，其加工性能较好，淬透性可以提高。钢的显微组织(1)珠光体形态(2)表面脱碳层(3)再结晶组织(1)珠光体形态粗大片状珠光体不利于冷锻加工成形，而细小的球状珠光体可显著地提高钢材塑性变形的能力。钢材的金相组织由粗变细，由片状变为球状，冷锻成形时不易开裂。对珠光体含量较多的中碳钢和中碳合金钢，在冷锻前必须进行球化处理，以便获得均匀细致的珠光体。(2)表面脱碳层钢材表面的脱碳层影响零件的强度及疲劳性能，降低零件的使用寿命。对冷锻成形用毛坯一般要求在退火后车加工剥皮；退火后不车加工剥皮，那么每边脱碳层深度不得大于其直径的1.5%。（3）再结晶组织对于某些零件，为了保证其有较高的韧度和塑性，需要采用再结晶退火处理。再结晶处理时，要控制的主要参数是加热温度。钢材再结晶时的初始温度与冷锻形变的程度也有关。2.1.2有色金属和贵金属纯铝、纯铜成形容易；合金成份高的铝合金变形性能差，难于成形；黄铜的变形抗力相当于低碳钢；纯镍、银等成形容易。精锻用有色金属和贵金属种类举例铝及其合金纯铝L2、L4、L6；防锈铝LF21；锻铝LD2、LD10、LD31；硬铝LY12、超硬铝LC4铅及其合金纯铅、铅合金锌及其合金纯锌、锌合金锡及其合金纯锡、锡合金铜及其合金纯铜T2、无氧铜TU1、黄铜H65、H80、H96、锌白铜Bzu15~20、白铜B19贵金属铂、金、银、镍、钛、白金有色金属和贵金属的缺陷（1）铝合金的氧化膜在熔炼工程中，敞露的熔体液面与大气中的水蒸气或其它金属氧化物相互作用形成的氧化膜，在浇注时被卷入液体金属内部，铸锭经轧制或锻造，其内部的氧化物被拉成条状或片状，降低了横向力学性能。（2）粗晶环铝合金、镁合金挤压棒材，在其圆断面的外层区域，常出现粗大晶粒，称为粗晶环。粗晶环的产生与许多因素有关，其中主要是由于挤压过程中金属与挤压筒之间的摩擦过大。有粗晶环的棒料，锻造时容易开裂，如粗晶环保留在锻件表层，会降低锻件的性能。因此，锻前须将粗晶环车去2.2下料和下料方法下料是自由锻和模锻的第一道工序。不同的下料方式，直接影响着锻件的精度、材料的消耗、模具与设备的安全以及后续工序过程的稳定。下料方法的优缺点传统的下料方法的下料品质均不太理想，断口不齐，坯料的长度与品质重复精度低。离子束切割、电火花线切割等新型下料方法，能锯切很硬的材料，剪切品质很好，但成本高，不宜用于大批量生产。金属带锯下料既能得到高的下料精度，又能适应大批量生产。

传统的下料方式：坯料体积和余量计算坯料体积应以制件本身的体积为基础，加上精锻成形后飞边、冲孔、切削加工等消耗的废料体积。废料体积大体占整个坯料体积的10%~30%，在特定情况下也可小到5%，大到50%。在采用冷精锻工艺过程生产零件时，特别是在大批量生产的情况下，应该优先考虑节省材料。一般小件精锻时，坯料直径比模具内腔直径小0.1~0.2mm。

2.2.1剪切法一般棒料剪切法一般棒料剪切法有：剪床剪切、冲床剪切。在剪床上剪切的棒料截面尺寸在φ15~（φ150~φ200）mm。剪床的大小，一般由强度极限为450MPa的钢材被剪切的最大直径表示。棒料的剪切过程如下图所示。图2.2棒材的剪切过程

z值的大小与所剪切材料的力学性能有关。最差的情况下z值最大可达0.15~0.20倍棒料直径。如果剪切质量很好，在棒料的剪切端部只产生不大的压痕（如图2.2(d)）。剪切缺陷(如图2.2(e))（1）端面裂纹y；（

2）端面剪切斜度χ过大；（

3）毛刺m；（

4）端面上产生凹陷w；（

5）较大的压痕z。全封闭剪切模具装置如下图：图2.3全封闭剪切模具装置1－固定剪刀；2－坯料；3－活动剪刀；4－滑板5－上压头；6－打料销；7－推料弹簧；8－推簧阀9－定位螺钉；10－滑轮；11－斜块座；12－复位弹簧13－限位螺钉；14－棒料精密模锻对下料的品质要求

生产中评定毛坯的剪切质量和精度，通常以，，，，和等技术参数或以、、、、等数值来表示。参见下图。、、、、和分别为毛坯的体积偏差（或重量偏差）、塌陷、压塌、截面不平度，截面椭圆度和截面倾角。为剪切后的毛坯实际体积与精锻工艺所要求的毛坯体积的差值,v为精锻工艺所要求的毛坯体积。

图2.4评价毛坯剪切品质的一些技术参数、－分别为静、动剪刀形成的压塌深度－截面不平度；－截面倾角；、－分别为棒料直径和毛坯最小直径；－截面光亮带宽度；L－毛坯长度锻造工艺对剪切的质量要求精密棒料剪切法利用专用剪断机的径向夹紧剪切；在普通压力机上安装专用模具的径向夹紧剪切。图2.5径向夹紧剪切原理1－动剪刀；2－夹紧块；3－棒料；4－静剪刀；5－挡板

径向夹紧剪切原理如下图所示：图2.6差动式剪切模的工作原理

1－楔块；2-楔形滑板；3-弹4－剪刀；5－棒料差动式剪切模的工作原理如下图所示：2.2.2锯切法

一般锯切弓形锯锯条往复运动，锯割效率低，而且锯断大直径圆钢时，锯条要加厚，材料利用率降低。圆盘锯在锯断大直径圆钢时，必须使用大直径的圆锯片，机器也变大。锯缝越大，材料利用率越低。弓形锯、圆盘锯、带锯机锯切坯料时消耗锯缝的质量比为：1.56:1.87:1。带锯锯切金属带锯主要由六个部分构成：变速机构锯带张紧装置无级变速液压控制系统冷却系统锯刷床身。下图为GZ4025型卧式带锯的外形图

图2.7GZ4025型卧式带锯的外形图双金属锯带

目前常用的金属带锯锯带以高速钢为齿部材料，以弹簧钢为背部材料，通过电子束复合后开齿而成的双金属锯带。

图2.8电子束焊接的双金属锯带典型锯齿形状如下图：(a)a((b)(b)(c)(d)(e)

图2.9典型锯齿形状(a)标准齿；(b)强力齿；(c)MG齿；(d)ACG齿；(e)变化齿

锯齿定向也影响锯带的切削性能。如图所示为三种典型的锯齿定向型式：(a)(b)(c)

图2.10典型的锯齿定向形式(a)耙形定向；(b)波状定向；(c)直线定向2.2.3其它下料方法砂轮切断：由于砂轮高速旋转下的热影响，产生粉尘，噪音，污染环境。可燃气体熔断：主要是在切断的过程中受到熔断热影响，材料的组织会发生变化，形成变质层，需采用热处理工艺过程消除这种变化。放电切割：成本高，普及率低，不能广泛用于钢材的切断，只宜于应用在经过热处理以后的模具以及高硬材料零件的切割。激光切割：在板料加工上用得较多，但在棒材、型材的切割上用得较少。2.3模锻时的润滑模锻时接触面上的单位压力一般在800～1200MPa，也有高达2500MPa，温度一般在1150～1200℃。在如此高的压力和温度下，建立润滑膜非常困难，模锻时变形金属与模膛表面间的摩擦，将使模膛表面磨损，增大金属的流动阻力并造成脱模困难。2.3.1传统热模锻润滑剂和温锻润滑剂热模锻润滑剂配方（质量分数）使用石墨润滑剂的一般要求使用石墨润滑剂时，要求石墨纯要高，粒要细。一般矿区提供的石墨纯度平均在82%左右，粒度在40～140左右。在石墨中加入某种在升温过程不能脱掉结晶水的无机盐，可使石墨在升温过程中不断得到微量水分，保证提高石墨高温润滑性能。在水基石墨中加人少量亲液胶体或缔合胶体的分散剂，能显著提高溶胶对电解质的稳定性，保护石墨颗粒不致凝聚结团。为了减少石墨的表面张力，加入少量表面活性利，使水与液体或固体的表面张力显著下降，以增强石墨能均匀地分散在水中的能力，防止石墨沉积。具有多性能的水基石墨润滑剂的成分，其配方主要是由固体石墨和无机盐类及介质组成。无机盐在润滑剂中主要起润滑脱模、绝热和高温湿润作用。温锻润滑剂可用作碳钢和不锈钢在300～700℃温度下温锻的润滑剂：2.3.2新型绿色热精密模锻润滑剂由于石墨在生产和使用过程中可能对环境造成污染，21世纪以来，美国、德国、日本正推广使用非石墨型复合材料合成的模锻润滑剂。国产DF型非石墨型复合材料具有良好的润滑性能，可减少模锻变形力，保证模锻件易于脱模，有效延长模具使用寿命1～5倍。DF型非石墨型模锻润滑剂物理特性

DF型非石墨型复合材料合成的模锻润滑剂为胶态，在原封装情况下保存12个月后润滑性能仍不变。具有如下物理特性：

液体成分：去离子水。比重：1.1～1.2。

PH值：9~10。结冰点：0℃(32°F)。DF型非石墨型模锻润滑剂的优点无色、透明，无任何毒性，使用安全，无烟、不燃烧。不产生沉淀。对锻件无任何腐蚀作用，易洗涤清除。锻压后自然挥发，表面不留残渣，自然附着一层油膜，保证锻件表面光洁、美观和避免模具型腔生锈。

2.4钢的软化退火退火软化处理是为了减小变形抗力，提高塑性。对于含碳量0.3%以上的钢材（共析钢和过共析钢），需作珠光体球化处理。参见下图。对于含碳量0.2%以下的钢（亚共析钢）及非铁金属，钢的加热温度可在Ac3相变点以上，按含碳量的不同在820~930℃变化。图2.11珠光体球化处理曲线

a)碳素钢b)合金钢软化退火退火后的坯料晶粒细化，改善了钢的硬化性能，降低了硬度，一般为90~165HBs。退火还能使钢的成份和组织均匀，消除前一工序中产生的内应力，对于保证冷锻件品质起着举足轻重的作用。为了避免退火时发生氧化或者脱碳，降低成本，缩短生产周期，得到光洁或光亮的表面，确保材料的力学性能，保证产品品质，可以对材料进行真空退火或保护气氛热处理，即所谓的光洁退火。20钢不同热处理状态下的力学性能采用磷化处理可以使钢坯料表面发生化学反应，生成磷酸盐被膜。磷酸盐被膜是无机盐，由细小片状结晶组织构成，它呈多孔状态，对润滑剂有很好的吸附作用。磷酸盐被膜与钢表面结合得很牢固，而且磷酸盐被膜具有一定的塑性，冷挤压和冷锻时与钢材一起变形，坯料和模具不直接接触。磷化膜由磷酸盐溶液与金属铁相互作用生成。2.5钢的磷化处理

2.5.1钢制坯料的一般磷化处理工艺2.5.2钢制坯料的快速磷化处理工艺磷化液成份的调整工艺过程(1)当游离酸度低时，加入马日夫盐。每升溶液加5~6g，可提高游离酸度1点。当游离酸度高时，可加入ZnO。(2)游离酸度正常时，加入Zn（NO3）2

可提高总酸度，若降低总酸度则可加H2O稀释。加入马日夫盐也可提高总酸度。如每升溶液加入1g马日夫盐，可提高总酸度1点。2.5.3磷化处理操作过程要点（1）处理液槽的体积要根据处理坯件质量大小合理选择，一般以1m3为宜。水洗、中和、脱脂、被膜处理、润滑处理宜于采用钢板制的液槽，磷酸盐处理、酸洗时内表面应衬以不锈钢板。在对不锈钢进行草酸盐被膜处理和润滑处理时，草酸盐液槽宜用木槽或在钢板槽内表面衬橡皮。（2）加热装置可为电热、蒸汽加热等直接加热装置；加热温度不能低于或高于规定的加热温度；所配制的磷化液或其它溶液浓度不合适时，应随时添加水，注意水中含不超过30mg/l，硬度不超过15度。(3)坯料的搅拌很重要。(4)处理液槽可按直线布置。干燥要充分。被膜处理和润滑处理过的坯料，应充分干燥。

2.5.4被膜处理过的坯料润滑被膜处理过的坯料，一般用被膜润滑剂润滑。被膜润滑剂是以硬脂酸钠（C17H35COONa肥皂为主要份,5~9g/l）和磷酸盐起反应生成金属皂而产生润滑效果；冷挤压和冷锻时，可以对被膜处理后的坯料薄薄地涂上一层低粘度的动、植物油；对于铝合金和铜合金冷挤压和冷锻成形时，可采用羊毛脂、猪油、棕榈油、菜油作润滑剂。2.5.5磷化膜品质不良的形式（1）不产生磷化膜或磷化膜太薄。（2）磷化膜有空白片。（3）磷化膜结晶粗大。（4）磷化膜膜层有黄色沉淀物。磷化膜品质不良的形式（5）磷化膜分布不均匀，有花斑。（6）磷化膜层有挂灰。（7）磷化膜呈红锈色。（8）磷化膜生黄锈，磷化膜结晶粗大。第三章

锻造的加热规范锻前加热 提高金属塑性，降低变形抗力，使坯料易于变形并获得良好的锻件。锻后冷却和热处理获得良好的锻后组织，便于机械加工。3.1一般加热方法

加热方法：火焰加热和电加热1、火焰加热 利用燃料燃烧时所产生的热量，通过对流、辐射加热坯料。燃料来源方便、加热炉修造容易、 加热费低、适应性强。 缺点：：劳动条件差，加热速度慢，质量低、热效率低。应用范围：大、中、小型坯料。2电加热利用电能转换热能来加热坯料。

1）电阻加热电阻加热与火焰加热原理相同，根据发热元件的不同分为：电阻炉加热、盐浴炉加热、接触电加热

电阻炉加热原理：利用电流通过炉内的电热体产生的能量，加热炉内的金属坯料。原理如图3.1。电热体材料：铁铬铝合金 镍铬合金碳化硅元件二硅化钼

图3.1电阻炉原理图1－电热体2－坯料3－变压器●盐浴炉加热原理：电流通过炉内电极产生的热量把导电介质——盐熔融，通过高温介质的对流与传导将埋入介质中的金属加热。●盐浴炉的分类：按照热源的位置分外热式和内热式。●盐浴炉加热的优点：升温快、加热均匀，可以实现金属坯料整体或局部的无氧化加热。●盐浴炉加热的缺点：热效率低、辅助材料消耗大、劳动条件差。

图3.2电极盐浴炉原理图

1－电热体2－高温计3电极

4－熔盐5－坯料6－变压器●接触电加热的加热原理：以低电压（一般为2～15V）大电流直接通过金属坯料，由坯料自身电阻在通过电流时产生的热量加热金属坯料。原理如图3.3。●接触电加热的优点:

速度快、烧损少、加热范围不受限制、热效率高、耗电少、成本低、设备简单、操作方便、使用于长坯料的整体或局部加热的优点。●接触电加热的缺点：对坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求严格。加热温度的测量和控制也比较困难。

图3.3接触电加热原理图1－变压器2－坯料3－触头2）感应加热坯料放入通过交变电流的螺旋线圈内，利用电磁感应发热直接加热。速度快、质量好、温度易控制、烧损少、易实现机械化。适于精密成形的加热。缺点：投资费用高，加热的坯料尺寸范围窄、电能消耗大。图3.4感应电加热原理图1－感应器2－坯料3－电源3.2少、无氧化火焰加热3.2.1少、无氧化加热 减少金属的氧化烧损（使烧损量小于5％）和脱碳，限制氧化皮厚度在0.05～0.06mm以下。

提高加热质量，提高锻件的尺寸精度和表面质量、提高模具寿命。

快速加热、少无氧化火焰加热和介质保护加热。3.2.2少、无氧化火焰加热采用火焰加热的方法，通过控制燃烧炉气的性质，使钢料加热且少无氧化。这就称为少无氧化火焰加热。火焰加热时，主要化学反应为：

Fe+O2→2FeOFe3C+O2→Fe+CO2Fe+CO2→Fe+COFe3C+CO2→Fe+2COFe+H2O→FeO+H2Fe3C+H2O→3Fe+CO+H21）反应是可逆反应，向右：氧化反应，向左：还原反应。2）加热时，与空气消耗系数有关。 空气消耗系数：又称空气过剩系数，是燃料燃烧实际供给的空气量与理论计算空气量之比。3）空气充足时，炉气呈氧化性，空气不足时，炉气呈还原性。4）控制反应前后的生成物与反应物的浓度比。炉气和被加热钢材的平衡图如下：AB线：炉气为氧化性和还原性的分界线。锻造加热炉（炉温1000～1300℃），α降到0.5或更低时，才会形成加热炉正常工作条件的无氧化气体，这时的炉气成分应保持为：

图3.5炉气和被加热钢材的平衡图

3.3钢加热时的缺陷及防止措施氧化、脱碳；过热、过烧；裂纹、开裂。3.3.1氧化、脱碳、增碳1、氧化1）金属在高温加热时，表层中的离子和炉内的氧化性气体发生化学反应，使表面生成氧化物，这种现象叫氧化，也叫烧损。2）氧化的实质是一种扩散过程。3）影响氧化的因素 金属化学成分 炉气成分 加热温度 加热时间4）减少或消除加热时金属氧化的措施：快速加热控制加热炉气的性质炉内应保持不大的正压力介质保护加热2脱碳1）坯料在加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气体以及某些还原性气体发生化学反应，造成坯料表层的含碳量减少，这一表层常称脱碳层，这种缺陷既为脱碳。2）影响脱碳的因素炉气成分坯料的化学成分加热温度加热时间3）防止措施与防氧化的措施相同。3增碳

由于油和空气混合得不太好，燃烧不完全，在坯料表面形成还原性的渗碳气氛，因而产生增碳现象。 不良影响：锻件力学性能变坏，在机械加工时易打刀。3.3.2过热和过烧1、过热当钢加热超过某一温度时，或在高温下停留时间过长，会引起奥氏体晶粒迅速长大，这种现象称为过热。

a)锻造变形大时，晶粒粗大组织一般可以消除。

b)锻造变形小时，终锻温度高，锻后冷却时出现非正常组织。使强度和冲击韧性降低。

c)增加生产周期和费用。防止措施：遵守加热规范，控制加热温度和加热时间。避免截面尺寸相差大的坯料同炉加热。控制炉气的氧化性气体。2过烧当坯料加热超过过热温度，并且在此温度下停留时间过长，不但引起奥氏体晶粒迅速长大，而且还有氧化性气体渗入晶界，这种缺陷称为过烧。过烧时易形成易熔共晶氧化物，晶界局部熔化，使晶粒间结合完全破坏。过烧是加热的致命缺陷，最后使坯料报废。如坯料只发生局部过烧，可将过烧的部分切除。防止措施：遵守加热规范，控制加热温度以及限制坯料在高温时的停留时间。3.3.3裂纹如果坯料在加热过程的某一温度下，拉应力超过它的强度极限，那么就要产生裂纹。产生裂纹的原因：温度应力；组织应力；残余应力。3.4锻造温度范围的确定锻造温度范围是指坯料开始锻造时的温度和结束锻造时的温度之间的温度区间。确定锻造温度范围的原则： 使金属具有良好塑性和较低的变形抗力；保证锻件质量； 锻造温度范围尽可能宽。图3.6碳钢锻造温度范围图确定锻造温度范围的方法： 以合金平衡相图为基础，参考塑性图、抗力图和再结晶图，由塑性、质量和变形抗力三个方面加以综合分析。碳钢锻造温度范围的确定参见下图：图3.6碳钢的锻造温度范围

3.5钢的加热规范3.5.1金属加热规范制定的原则和方法1）加热规范加热规范（加热制度）：炉温－时间的变化曲线（有称加热曲线）表示加热规范。加热规范类型：一段、二段、三段、四段、五段。参见下图：

图3.7锻造加热类型2）制定加热规范的基本原则优质、高效、低消耗。3）制定加热规范的方法加热规范的要素：温度、速度和时间。加热三阶段：预热、加热和保温。（1）装料炉温装料炉温决于温度应力，与钢的导温性和坯料的大小有关。导温性好，尺寸小的钢材，装炉温度不受限制。而导温性差，尺寸大的钢材，则应规定装炉温度，并在该温度下保温一定时间。钢锭加热的装炉温度及保温时间如下图所示：

图3.8钢锭加热的装炉温度及保温时间1－Ⅰ组冷锭的装炉温度2－Ⅱ组冷锭的装炉温度3－Ⅲ组冷锭的装炉温度4－热锭的装炉温度返回（2）加热速度●加热速度用单位时间内金属表面温度升高的多少（℃/h）；或单位时间内金属截面热透的数值mm2/min来表示。●最大可能的加热速度●坯料允许的加热速度[v]圆柱体坯料允许加热速度[v]

加热导热性好的坯料时，用最大的加热速度加热。 加热导热性差的坯料时，在低温阶段，以坯料允许的加热速度加热，升到高温后，按最大加热速度加热。（3）保温时间保温目的（1）装炉温度下的保温：防止金属在温度应力作用下破坏。特别是钢在200～400℃可能因蓝脆而发生破坏。（2）700～850℃的保温：减少前段加热后钢料截面上的温差，从而减少钢料截面内的温度应力和使锻造温度下的保温时间不至过长。（3）锻造温度下的保温：除减少钢料的截面温差使温度均匀外，还借助扩散作用，使组织均匀化。3、终锻温度下的保温时间：最小保温时间和最大保温时间●最小保温时间是指能够使钢料温差达到规定的均匀程度所需的最短时间，可参考图3.9和3.10。●最大保温时间是不产生过热、过烧缺陷的最大允许保温时间。图3.9炉温为1200℃时钢料截面温度差与温度头、坯料直径的关系图3.10均热最小保温时间与温度头坯料直径的关系m坯料截面温度差/℃/%最小保温时间坯料表面加热到始锻温度所需时间（4）加热时间加热时间为加热各个阶段保温时间和升温时间的总和。两种确定加热时间的方法：

1）钢锭（或大型钢坯）的加热时间冷钢锭（或钢坯）在室式炉中加热到1200℃所需要的加热时间可按下式计算：

2）钢材（或中小型钢坯）的加热时间在连续炉或半连续炉中加热时间t可按下式确定：采用室式炉加热时，加热时间的确定方法如下： 对于直径小于200mm的钢坯，碳素钢在室式炉中单个放置时的加热时间如下图所示：图3.11碳素钢在室式炉中单个放置时的加热时间3.5.2钢锭、钢材与中小钢坯的加热规范1）钢锭的加热规范大型钢锭：多段加热规范小型碳素钢和低合金钢锭：一段快速加热规范高合金钢小锭：多段加热规范热锭：以最大的加热速度进行加热。2）钢材与小钢坯的加热规范：直径小于150～

200mm的碳素结构钢材和直径小于100mm的合金结构钢材，采用一段加热规范。直径为200～350mm的碳素结构钢坯（含碳量大于0.45～0.50%）和合金结构钢坯，采用三段加热规范。对于导温性差、热敏感性强的高合金钢坯（如高铬钢、高速钢），则需采取低温装炉，装炉温度为400～6500C。3.6钢锻后的冷却

金属的锻后冷却：终锻温度→室温3.6.1锻件冷却时常见缺陷1）裂纹：锻件在冷却过程中，由于温度应力、组织应力以及残余应力之和超过材料的强度极限而形成裂纹。（1）温度应力初期：表层受拉应力、心部受压应力。冷却后期：心部受拉应力，表层受压应力。锻件冷却过程中轴向温度应力变化和分布示意图如下。

图3.12锻件冷却过程中轴向温度应力变化和分布示意图

a)软钢锻件b)硬钢锻件1-表面应力2-心部应力（2）组织应力由于相变前后组织的比容不同而产生。冷却时的组织应力：三向应力状态，且切向应力最大，这就是有时引起表面纵裂的原因之一。（3）残余应力2）网状碳化物过共析钢、轴承钢、奥氏体不锈钢在锻后冷却时易产生网状碳化物。3）白点白点是一种内部缺陷。白点是在钢的纵向呈圆形或椭形的银白色斑点，合金钢白点的色泽光亮，碳素钢白点较暗。白点横向呈细小的裂纹。白点呈纯脆性。3.6.2锻件的冷却规范1．空冷：在空气中冷却，速度较快。2．坑（箱）冷：锻件锻后放到地坑或铁箱中封闭冷却，或埋入坑中砂子、石灰或炉渣内冷却。3．炉冷：锻件锻后直接装入炉中按一定的冷却规范缓慢冷却。3.7中小钢锻件的热处理3.7.1退火退火是将钢加热到一定的温度，保温一定的时间后缓慢冷却下来的热处理工艺方法。退火的主要目的有：

1）降低硬度，改善切削加工性。

2）细化晶粒，改善力学性能。

3）消除内应力，防止锻件变形或开裂，稳定工件尺寸，减少淬火时变形或开裂的倾向。

4）提高塑性、便于冷加工。中小锻件常用的退火有完全退火（通常称退火）和球火退火（不完全退火）两种。3.7.2正火

正火是将亚共析钢加热到Ac3+(30～50)℃、过共析钢加热到Accm+(30～50)℃,保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺方法。正火的主要应用有：

1）作为普通结构钢锻件最终热处理，可细化晶粒、提高力学性能。2）作为低中碳结构钢的预热处理，可获得合适的硬度，有利于切削加工。3）可以抑制或消除过共析钢网状二次渗碳体的形成。正火比退火生产周期短，节省能源，所以低碳钢多采用正火而不采用退火。正火后锻件硬度较高，为了降低硬度还应进行高温回火。各种锻件热处理加热温度范围示意图如下：图3.12各种锻件热处理加热温度范围示意图3.7.3淬火、回火、调质淬火是将锻件加热到Ac3+(30～50)℃（亚共析钢）或Ac1～Acm之间（过共析钢），经保温后进行急冷。回火是将锻件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后空冷或快冷。

中碳钢或中碳低合金钢的调质处理：淬火＋高温回火。

调质处理主要用于各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、连接螺栓、齿轮及曲轴等。

含碳量小于0.25％的低碳钢锻件，可采用淬火、回火处理。含碳量小于0.15％的低碳钢锻件，可只进行淬火。含碳量为0.15～0.25％的低碳钢锻件，淬火后需进行低温回火。对于高温合金及铝合金，为了提高塑性与韧性，需进行固溶处理；为了提高合金的强度和硬度，需进行时效处理。3.7.4锻件余热热处理●锻件余热热处理：锻后利用锻件自身热量直接进行热处理。●锻件余热热处理分为：不等冷却直接装入热处理炉，再按常规热处理；锻后立即进行热处理。锻后立即进行热处理就叫作形变热处理。

●形变热处理按变形与相变的先后顺序分类：1）变形在相变前的形变热处理2）变形在相变中的形变热处理3）变形在相变后的形变热处理●形变热处理按锻压变形温度高低分类：1）与热锻相结合的形变热处理2）与温锻相结合的形变热处理3）与冷锻相结合的形变热处理3.8铝合金和铜合金的加热规范1、铝合金分类铸造铝合金和变形铝合金；防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝。2、铝合金的加热规范

a)锻造温度范围窄；

b)模锻过程的时间无需加以限制；

c)严格控制加热温度。1、铜合金分类 黄铜、青铜和白铜。2、铜合金加热规范和锻造

a)铜合金种类不同，可锻性差异很大。黄铜在高温下具有良好的塑性和不大的变形抗力，所需的锻压力比普通碳钢小。青铜的组织比黄铜复杂，塑性也比黄铜低，锻造青铜比锻造黄铜困难。

b)铜合金的锻造温度范围窄。

c)铜合金毛坯要加热到锻造温度上限。

第四章自由锻主要工序分析4.1自由锻工艺过程特征和工序分类4.1.1自由锻工艺过程特征（1）工具简单，通用性强，灵活性大，适合单件和小批锻件的生产。（2）工具与坯料部分接触，逐步变形，所需设备功率比模锻小，可锻造大型锻件。（3）靠人工操作控制锻件的形状和尺寸，效率低、劳动强度大。4.1.2自由锻工序分类（1)基本工序：镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲﹑切割﹑错移﹑扭转、锻接等。（2)辅助工序：钢锭倒棱、预压钳把、分段压痕等。（3)修整工序：鼓形滚圆、端面平整、弯曲校正等。

表4—1自由锻工序1预压钳把钢锭倒棱分段压痕

辅助工序

表4—1自由锻工序2弯曲校正鼓形滚圆端面平整修整工序

表4—1自由锻工序34.2镦粗

定义：使坯料高度减小而横截面积增大的锻造工序。

用途:将高径（宽）比大的坯料锻成高径（宽）比小的饼块件；2.锻造空心锻件在冲孔前使坯料横截面增大和平整；锻造轴杆锻件可以提高后续拔长工序的锻造比；提高锻件的力学性能等。4.2.1平砧镦粗主要方法:

平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。1.平砧镦粗变形分析IIIIIIIIIIII

图4.2平砧镦粗变形分布与应力状态分析区域Ⅰ：难变形区；区域Ⅱ：大变形区；区域Ⅲ：小变形区，变形程度介于区域Ⅰ与区域Ⅱ之间。变形结果：变形不均匀，易出现缺陷。根据镦粗后网格的变形程度分为三个变形区:2.镦粗坯料容易出现的缺陷：(１)坯料侧面出现鼓形，可能引起表面纵裂；(２)坯料上下两端出现粗大的铸造组织；(３)坯料内部变形不均匀，晶粒大小不均匀，锻件性能也不均匀；(４)高径比较大的坯料，易产生纵向弯曲,变形失稳。3.为减少缺陷采取的措施１.预热模具，使用润滑剂：如玻璃粉、石墨粉等；２.凹形毛坯镦粗；图4.5铆镦与端面碾压３.软金属垫镦粗；

图4.6软金属垫镦粗4.铆镦、叠镦、套环内镦粗；5.反复镦粗、拔长；

图4.7叠料镦粗6.限制坯料的高径比ⅠⅡⅢⅣⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅡⅡⅡⅡⅡⅡⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅣH0/D0=2.5HO/D0=1.45H0/D0=1～0.67H0/D0=0.22图4.3不同髙径比坯料镦粗的变形情况4.2.2垫环镦粗：单个垫环镦粗、两个垫环镦粗。单垫环镦粗双垫环镦粗垫环镦粗的关键：能否锻出所要求的凸肩高度。坯料高度与直径之比（H0/D0）、环孔与坯料直径之比(d/D0)、变形程度（εH）、环孔斜度（α）及摩擦条件等。分流面的位置与下列因素有关：α图4.9单垫环镦粗4.2.3局部镦粗:

作用：锻造凸肩直径和高度较大的饼块锻件，或端部带有较大法兰的轴杆锻件。特点：与平砧镦粗相似，但受“刚端”的影响。4.10局部镦粗4.3拔长定义：使坯料横截面减小而长度增加的锻造工序。

用途:成形轴杆类锻件；改善锻件内部质量。1.变形程度表示：以坯料拔长前后截面积之比——锻造比KL表示，KL=A0∕A２.变形参数：设拔长前变形区的长、宽、高分别为l0、b0、h0，拔长后变形区的长、宽、高分别为l、b、h，送进量l0

，相对送进量l0/h0，压下量Δh＝h0－h，展宽量Δb＝b－b0,拔长量Δl＝l－l0。4.3.1矩形截面坯料和圆形截面坯料的拔长影响拔长效率的因素1.送进量l：通常取l=（0.4～0.8）b

；2.压下量Δh：Δh大，效率高，在材料塑性允许的前提下，尽量提高。拔长变形实质：一系列镦粗工序的叠加组合。3．拔长工序分析

图4.11矩形截面拔长4.影响拔长质量因素:送进量：相对送进量l0/h0＝0.5～0.8较为合适，绝对送进量常取l＝(0.4～0.8)B；压下量：Δh大，强化心部变形，有利锻合内部缺陷。如坯料的塑性允许，尽量采取大压下量拔长。图4.12拔长送进量对变形和应力分布的影响砧子形状：图4.13拔长砧子形状及其对变形区分布的影响a)上下V形砧b)上平下V砧c)上下平砧图4.14平砧拔长圆形截面坯料时的变形区和横向应力的分布

图4.15平砧拔长圆形截面坯料时截面变化过程拔长操作：4.16拔长操作方法4.3.2空心件拔长：减小空心坯料外径而增加长度的锻 造工序，用以锻造各种长筒锻件。

图4.17心轴拔长1坯料2锻件3心轴4砧子4.4.1冲孔：采用冲子将坯料冲出透孔或盲孔的锻造工序。

冲孔方法：1.实心冲子冲孔；

图4.19实心冲子冲孔1毛坯2冲垫3冲子4心料4.4自由锻其他主要工序当D0/d≤2～3时：拉缩严重，外径明显增大；当D0/d＝3～5时：几乎无拉缩，外径有所增大；当D0/d＞5时：多余金属挤向端面形成凸台。冲孔坯料的形状与坯料直径D0与孔径d之比有关:2.空心冲子冲孔图4.20空心冲子冲孔1坯料2冲垫3冲子4心料3.在垫环上冲孔图4.21在垫环上的冲孔1冲子2坯料3垫环4心料4.4.2扩孔：减小空心坯料壁厚而增加其内外径的锻造工序，用以锻造各种圆环锻件。1.冲子扩孔

图4.22冲子扩孔2.心轴扩孔：相当于使坯料沿圆周方向拔长。图4.23心轴扩孔(马架扩孔）4.4.3弯曲：将坯料弯成所规定外形的锻造工序，用以锻造各种弯曲类锻件。

图4.24弯曲时坯料的形状变化4.4.4错移：将坯料的一部分相对另一部分相互平行错移的锻造工序。用以锻造曲轴类锻件，错移前坯料需要压肩。图4.25错移a)在一个平面内的错移

b)在两个平面内的错移第5章自由锻工艺过程

自由锻应根据锻件的形状和锻造工艺过程特点制定的关自由锻工艺过程规程，安排生产。制定自由锻规程包括设计锻件图、确定坯料品质和尺寸、确定变形工艺过程和锻造比、选择锻造设备等主要内容。5.1自由锻件的分类5.2自由锻件变形工艺过程的确定

自由锻件变形工艺过程的确定就是确定基本工序、辅助工序、修整工序，以及确定各变形工序顺序和中间坯料尺寸等。

制定工艺过程规程是编制自由锻规程最重要的一部分。

锤上或水压机上锻造空心锻件的工艺过程方案，可参考图5-6和图5-7。图5.6锤上锻造空心锻件的工艺过程方案选择图5.7水压机锻造空心锻件的工艺过程方案选接

确定各工序坯料尺寸时应注意：（1）各工序坯料尺寸必须符合变形规则；（3）必须考虑火耗，保证锻件各个部分有适当的体积公差；（4）在锻造最后进行精整时要有一定的修整量。（2）必须考虑各工序变形时坯料尺寸的变化；5.3自由锻件工艺过程规程的制定1．根据零件图绘制锻件图；2．决定坯料的质量和尺寸；3．制订变形工艺过程及选用工具；4．选择锻压设备；5．确定锻造温度范围、加热和冷却规范；6．确定热处理规范；7．提出锻件的技术条件和检验要求；8．填写工艺过程卡片等。1.绘制锻件图1)加工余量2)锻造公差3)锻造余块4)检验试样及操作夹

头5)绘制锻件图图5.9锻件的余块2.确定坯料质量和尺寸1）坯料质量G坯为锻件质量与锻造时各种金属损耗质量之和。2）坯料尺寸确定与所用工序有关。3）钢锭或钢材规格的选择。3.锻比（锻造比）的确定锻比：锻比大小反映了锻造对锻件组织和力学性能的影响，表示锻件在锻造成形时变形程度，是保证锻件品质的一个重要指标。当零件受力方向与纤维方向一致时：取锻比为4；重要锻件：采用镦粗拔长联合工艺，锻比要求高达6～8。一般结构钢锻件：取锻比为2～2.5；4.选定设备吨位确定锻造设备吨位的方法：理论计算法：根据塑性成形原理建立的公式算出锻件成形所需的最大变形力（或变形功），选取设备吨位。

经验类比法：在统计分析生产实践数据的基础上，整理出经验公式、表格或图线，根据锻件某些主要参数（如质量、尺寸、接触面积），直接按公式、表格或图线选取设备吨位。

5.制订自由锻工艺规程卡

锻造工艺规程卡上需填写工艺过程规程制定的所有内容。它包括下料方法、工序、火次、加热设备、加热及冷却规范、锻造设备、锻件锻后处理等等。5.4制定自由锻工艺过程规程举例图5.11齿轮锻件图图5.10齿轮零件图1．设计、绘制锻件图图5-12齿轮锻造工艺过程示意图1-下料2-镦粗3-垫环局部镦粗4-冲孔5-冲子扩孔6-修整2．确定变形工序及工序尺寸

3．计算坯料尺寸坯料体积要考虑锻件体积、冲孔心料体积和烧损体积。4．选择设备吨位根据锻件形状尺寸查有关手册而定。5．确定锻造温度范围

45钢的始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃。

6．填写工艺过程卡片(略)

第6章模锻成形工步分析模锻：利用模具使坯料变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。模锻成形工步的成形方法：开式模锻、闭式模锻、挤压、顶镦。单模膛模锻：一副模具上只有一个模膛；此模膛即为终锻模膛。多模膛模锻：一副模具上有多个模膛，从初始模膛到终锻模膛，每个模膛各完成一个模锻工步。

图6.1单模膛模锻示意图

6.1模具对金属变形的影响

模具形状对金属变形影响很大，为了使模锻成形顺利进行，模锻设计时，必须注意如下方面：一、控制锻件的形状和尺寸：为了保证锻件的形状和尺寸精度，设计热锻模具时应考虑锻件和模具的热收缩，设计精密模锻件还需考虑模具的弹性变形。

二、控制金属的变形方向：

根据金属塑性成形理论，塑性变形时金属主要朝最大主应力的方向流动。在三向压应力的情况下，金属主要朝最小阻力方向流动。因此，对一个待加工的锻件，通过设计不同的制坯工步如拔长、滚挤、弯曲、预锻等（参见图6.2），可控制金属的变形方向，完成对坯料的塑性加工。图6.2多模膛模锻示意图

三、改变变形区的应力场

变形体内的应力场是在外力作用下产生的，一般外力通过模具施加在坯料上，坯料变形的反作用力也由模具承受。合理的模具设计还应使锻件变形时的流动阻力尽量小，使模具所承受的载荷分布均匀，降低峰值应力。四、提高金属的塑性

金属的塑性与应力状态有很大关系，压应力个数越多，静水压力数值越大，材料的塑性越好。封闭的模膛使金属在终锻最后阶段处于三向压应力状态，材料的塑性好。

五、控制坯料失稳，提高成形极限

细长杆在受压时会由于塑性失稳而弯曲，从而可能形成折叠。为控制顶镦时杆件失稳，要求模孔直径D=(1.25～1.50）D0

（D0——坯料直径），这样可依靠模膛内壁限制弯曲的发展，避免折叠产生。6.2开式模锻6.2.1概述：锤上开式模锻时，上模和下模间的间隙不断变小，变形结束时，上下模完全打靠。从坯料开始接触模具到上下模打靠，锻造坯料最大外廓始终敞开，即飞边的仓部未完全充满。

锻造过程中形成横向飞边，飞边既能帮助锻件充满模膛，也可放松对坯料体积的要求。飞边是工艺废料，一般在后续工序中切除。开式模锻示意图如右。

图6-3开式模锻示意图

6.2.2开式模锻成形过程的分析开式模锻的成形过程大体分为三个阶段（见图6.4）：

图6.4开式模锻成形过程的金属流动

1、锻粗阶段：

锻粗阶段是开式模锻的第一阶段。压下量△H1，模锻力为P1（见图6.5）。此时整个坯料都产生变形，在坯料内部近似存在分流面。分流面外的坯料金属流向法兰部分，分流面内的金属流向凸台部分。2、充满模膛阶段：

充满模膛阶段是开式模锻的第二阶段。压下量△H2，模锻力为P2（见图6.5）。这时下模膛已经充满，凸台部分尚未充满，金属开始流入飞边槽。随着桥部金属变薄，金属流入飞边的阻力增大，迫使金属流向凸台和角部，直到完全充满模膛，变形区仍然遍布整个坯料。3、打靠阶段：

打靠阶段是开式模锻的第三阶段。压下量△H3，模锻力为P3（见图6.5）。此时金属已完全充满模膛，但上、下模面尚未打靠（锤上模锻结束时要打靠），多余金属挤入飞边槽，锻造变形力急剧上升，变形区缩小为模锻件中心部分区域。

图6.5开式模锻成形过程锻造力——行程曲线

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研究锻件的成形问题，主要研究第二阶段。

—计算变形力可按第三阶段的变形区域考虑，希望第三阶段尽可能小。图6.7是某回转体锻件模锻第二阶段子午面的网格变化情况。

图6.7某回转体锻件模锻第二阶段子午面的网格变化——预成形工步的作用是按照锻件图的要求和金属流动规律分配坯料体积，得到介乎坯料和终锻件之间而接近终锻件的过渡形状。图6.6分别为圆饼锻件和长轴类锻件在开式模锻时的金属变形模型。图6.6锻件锻造时的金属流动平面和变形方向(a)变形平面(b)锻件形状(c)变形方向6.2.3开式模锻时影响金属成形的主要因素

1.模膛尺寸和形状的影响

金属变形时在模膛内遇到的阻力与下列因素有关：（1）变形金属与模壁间的摩擦系数；（2）模壁斜度；（3）圆角半径R；（4）模膛的宽度和深度；（5）模具温度。图6-8摩擦力对金属充填模膛的影响

图6.9模壁斜度对金属充填模膛的影响

图6.10模具圆角半径对金属流动的影响

2.飞边槽的影响常见飞边槽型式如图6.11。它包括飞边槽桥部和仓部。桥部的主要作用是阻止金属外流，迫使金属充满模膛。较薄的飞边槽桥部，也有利于飞边在后续工序中切除。