机械制造基础- 课件 第十章 锻压成形

什么是锻压?锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变形状、尺寸及改善性能，用以制造机械零件、毛坯或原材料的成型加工方法。锻压的基本生产方式轧制

使金属坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，改变其性能，获得所要求的截面形状的加工方法。挤压将金属坯料置于挤压筒中加压，使其从挤压模的模孔中挤出，横截面积减小，获得所需制品的加工方法。

3）自由锻用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间，使坯料受冲击力作用而变形，获得所需形状的锻件的加工方法。4）拉拔坯料在牵引力作用下通过拉拔模的模孔拉出，产生塑性变形，得到截面细小、长度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷态下进行。

5)模锻利用模具使金属坯料在模膛内受冲击力或压力作用，产生塑性变形而获得锻件的加工方法。

6)板料冲压用冲模使板料经分离或变形得到制件的加工方法。

在上述的六种金属塑性加工方法中，轧制、挤压和拉拔主要用于生产型材、板材、线材、带材等；自由锻、模锻和板料冲压总称锻压，主要用于生产毛坯或零件。

压力加工基本方式示意图锻压加工的特点

(1)改善金属组织、提高力学性能

锻压的同时可消除铸造缺陷，均匀成分，使组织致密，并细化晶粒。

可以形成并能控制金属的纤维组织方向，使其沿零件轮廓连续分布，从而提高零件的力学性能。(2)节约金属材料

比如在热轧钻头、齿轮、齿圈及冷轧丝杠时，其形状及尺寸精度和表面粗糙度已接近或达到成品零件的要求，节省了切削加工设备和材料的消耗。工时，能源等。锻压加工的特点

(3)较高的生产率比如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率约高50倍。(4)锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯，如机器中的主轴、齿轮等，但不能获得形状复杂的毛坯或零件。锻压加工的特点

锻造是对金属坯料施加外力（冲击力或静压力）的作用使之产生塑性变形，获得所需形状、尺寸及性能的毛坯的制造方法。一、影响锻造性能的主要因素1．金属内在因素的影响（1）化学成分不同材料具有不同的塑性和变形抗力。纯金属的锻造性能比其合金好。碳素钢随碳含量增加，锻造性能变差。合金钢中合金元素种类和含量越多，锻造性能越差，特别是加入能提高高温强度的元素（如钨、钼、钒、钛等）后，锻造性能更差。（2）组织结构纯金属与固溶体具有良好的可锻性，尤其是奥氏体，其塑性好，变形抗力小，锻造性能好，所以钢材大多加热至奥氏体状态进行锻造加工；化合物（如渗碳体等）因其高硬度和低塑性，锻造性能很差。另外，金属中晶粒越细小，越均匀，其塑性越高，可锻性越好。铸态组织中晶粒细小而均匀的组织的锻造性能比柱状组织及粗晶粒组织好。一、影响锻造性能的主要因素2．外部变形条件的影响（1）变形温度在不产生过热的条件下，金属的变形温度升高，可锻性变好。（2）变形速度变形速度即单位时间内的变形量，随着变形速度的提高，金属的冷变形强化现象不能通过回复和再结晶及时克服，使塑性下降，变形抗力增加，锻造性能变差。（3）应力状态个方向中压应力数目愈多，可锻性愈好；拉应力数目愈多，可锻性愈差。二、锻造流线和锻造比1.锻造流线锻造流线（也称流纹）是指在锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布，而塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，沿着流线方向（纵向）抗拉强度较高，而垂直于流线方向(横向)抗拉强度较低。二、锻造流线和锻造比当锻造比Y=2时，原始铸态组织中的疏松、气孔被压合，组织得到细化，工件在各个方向的力学性能均有显著提高；当Y=2～5时，工件组织中的流线明显，呈各向异性；当Y>5时，工件在沿流线方向的力学性能不再提高，而垂直于流线方向的力学性能急剧下降。一、锻造加热1.锻造加热的目的金属材料通过加热，随着温度的升高，材料的塑性提高，强度降低，并能使材料内部组织均匀化。因此，金属材料在高温下锻造，可以提高材料的塑性变形量，降低变形抗力。2.锻造温度范围

锻造温度范围是指金属开始锻造的温度（始锻温度）至终止锻造的温度（终锻温度）间的温度间隔。3.锻造加热缺陷及防止措施（1）氧化对于一般的火焰炉，减少坯料氧化的措施是在保证加热质量的前提下，应尽量采用快速加热，缩短加热时间，尤其是高温阶段的时间；尽量采用少装料、勤装料的操作方法；在燃料完全燃烧的情况下，严格控制送风量，以免炉内氧气过剩，产生过多的氧化皮；或采用中性、还原性气氛加热等。一、锻造加热3.锻造加热缺陷及防止措施（2）脱碳减少坯料脱碳的措施是加热前在坯料的表面涂保护涂料；控制炉内气氛中氧和氢的含量；采用快速加热，缩短高温阶段的加热时间，加热好的坯料尽快出炉锻造等。（3）过热

对过热所造成的粗晶粒组织，可用再次锻造或正火等热处理方法消除，但会增加工序、降低生产效率并提高成本。故在锻造时要严格控制加热温度和时间，防止出现过热现象。一、锻造加热3.锻造加热缺陷及防止措施（4）过烧

避免坯料过烧的方法是严格控制锻造加热温度。一般钢材的加热温度必须低于其熔点100℃以上，合金钢的加热温度还应更低一些。（5）裂纹为防止裂纹产生，对于大型锻件或导热性能较差的金属材料，要防止坯料入炉温度过高和加热速度过快，一般应采取预热措施。一、锻造加热

1.自由锻成型将加热的金属坯料置于锻锤或压力机的下砧铁上，对其进行锤击或静压使之产生塑性变形获得所需锻件的制造方法。自由锻特点及应用

自由锻的适应性强，灵活性大，生产周期短，成本低。缺点是锻件尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多，生产率低，劳动强度大、条件差，要求操作者的技术水平较高。

自由锻适合于单件、小批和大型锻件的生产。二、锻造成型自由锻工序自由锻工序分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等。辅助工序包括压钳口、倒棱、压肩等；精整工序是对已成形的锻件表面进行平整，清除毛刺、校直弯曲、修整鼓形等。

基本工序

⑴镦粗

镦粗是减小坯料高度而增大其横截面积的工序。有完全镦粗和局部镦粗之分。镦粗常用来锻造齿轮坯、凸轮、圆盘形锻件。基本工序

⑵拔长拔长是使坯料的横截面积减小，长度增加的工序。拔长时，坯料沿轴向送进，且进行翻转，连续锻打成形。拔长的类型有整体拔长、局部拔长、带芯轴的拔长。

拔长常用于轴类、拉杆、连杆等杆类锻件的锻造。是自由锻造生产应用最多的一种工序。基本工序

⑵拔长圆截面坯料拔长成直径较小的锻件时，须先将坯料打成方形截面再拔长，直到接近锻件的直径时，再锻成八角形，最后滚打成圆形。如图所示。基本工序

⑶冲孔冲孔是利用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。当冲孔直径小于400～500㎜时，一般采用实心冲子冲孔；当锻件高度H与外径D之比小于0.125时（薄饼形锻件），采用垫环上冲孔（又称漏孔），所用垫环孔径应比冲子直径大10～15㎜；当冲孔直径大于400～500㎜时，一般采用空心冲子冲孔，所用漏盘孔径应比空心冲子外径大30～50㎜。基本工序

⑶冲孔双面冲孔时，先将冲子冲深至坯料厚度的2/3～3/4处，取出冲子，翻转工件后，再将孔冲透；较薄工件的单面冲孔时，应将冲子大头朝下，对正冲出透孔。

基本工序

⑷切割切割是分离坯料的工序。常用于料头的切除，或用于钢锭冒口的切除。切割分单面切割、双面切割、四面切割等。基本工序

⑷切割

圆形截面坯料的切割是用了带凹槽的剁垫（置于下砧铁上），边切割边旋转坯料，直至切断。基本工序

⑸弯曲弯曲是将坯料的形状弯成所规定的外形的工序。弯曲常用于角尺、弯板、吊钩、链环等锻件的锻造。基本工序

⑹扭转扭转是使坯料的一部分相对另一部分绕着轴心线旋转一定角度的工序。扭转用于锻造曲轴或校正锻件。对小型坯料的扭转角度不大时，可用大锤打击进行扭转，见图；对大型坯料扭转时，采用吊车吊动带有活动长柄的夹叉进行扭转。基本工序

⑺错移错移是将坯料的一部分相对于另一部分平移一定距离而错移开的工序。主要用于曲轴类锻件的锻造。其操作过程见图。基本工序

⑻扩孔扩孔是将带孔锻件的孔径扩大的工序。有冲子扩孔：预先在坯料上冲出较小孔，然后用直径较大的冲子逐步将孔径扩大到所需尺寸，见图；马杠扩孔（或叫芯棒扩孔），此法用于扩孔量大的薄壁环形锻件的锻造

。

基本工序

⑻自由锻的辅助和修整工序

2.模锻是在高强度金属锻模上预先制出于锻件形状一致的模膛，使坯料在模膛内受压变形，由于模膛对金属坯料流动的限制，因而锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。模锻与自由锻相比，具有以下特点：⑴生产率高、易于机械化，可成批大量生产；⑵锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小，可以减少机械加工余量和余块的数量，节省金属材料和加工工时。

分类：

按设备类型模锻可分为锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。（1）锤上模锻

使用的主要设备是蒸汽—空气模锻锤。由于模锻锤受力大，所以要求设备的刚性好，导向精度高，因此砧座与机架连成一个整体，形成封闭结构；锤头与导轨之间的配合间隙小，锤头运动精确，能保证工作时锻模的上、下模合模准确。模锻锤吨位是锻锤落下部分的质量，为1～16t，锻件质量0.5～150㎏。

形状简单的锻件可在单模膛内锻造成形，称单模膛模锻，见图；复杂的锻件，必须在几个模膛内锻造后才能成形，称多模膛模锻，见图。（1）锤上模锻单模膛锻造单模膛锻模

锻模由上、下模组成。上模和下模分别安装在锤头下端和模座上的燕尾槽内，用楔铁紧固。上、下模合在一起，形成完整的模膛。根据模膛功用不同，分为模锻模膛和制坯模膛。（1）锤上模锻模锻模膛模锻模膛又可分为预锻模膛和终锻模膛。

⑴预锻模膛为了改善终锻时金属的流动条件，避免产生充填不满和折迭，使锻坯最终成形前获得接近终锻形状的模膛，它可提高终锻模膛的寿命。其结构比终锻模膛高度大、宽度小、无飞边槽，模锻斜度和圆角大。⑵终锻模膛模锻时最后成形用的模膛，与热锻件图上相应部分的形状、尺寸一致。模膛周围设飞边槽，通孔锻件需留冲孔连皮。（1）锤上模锻⒉制坯模膛用以初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻件横截面积和形状的要求，使金属能更好地充满模锻模膛的工序称为制坯工序。制坯模膛⑴拔长模膛作用是减少坯料某部分的横截面面积，增加该部分的长度，当模锻件沿轴向各横截面积相差较大时，采用拔长模膛。⑵滚压模膛其作用是减小坯料某部分横截面积，增大另一部分的横截面积。当模锻件沿轴线的各横截面面积相差不很大时或作修整拔长后的毛坯时，采用滚压模膛。⑶弯曲模膛其作用是弯曲杆类模锻件的坯料⑷切断模膛其作用是切断金属。单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口，多件锻造时，用它来分离成单个件。

胎模锻是介于自由锻与模锻之间的锻造方法。

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。所用模具称为胎膜。

胎模锻一般先用自由锻制坯，再在胎膜中最后成形。

与自由锻相比，胎模锻生产率和锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小、节省金属材料、锻件成本低。

与模锻相比，胎模制造简单，成本低，使用方便；但所需锻锤规格和操作者劳动强度大，生产率和锻件尺寸精度不如锤上模锻高。胎模锻

胎模的结构及应用

胎膜不固定在锤头和砧座上，需要时放在下砧铁上。按其结构可大致分为扣模、合模和套筒模三种主要类型。

⑴扣模

用来对坯料进行全部或局部扣形，主要生产杆状非回转体锻件⑵套筒模

锻模成套筒形，主要用于锻造齿轮、法兰盘等回转体锻件⑵套筒模胎模的结构及应用⑶合模

通常由上模和下模两部分组成。为了使上下模吻合及不使锻件产生错移，经常用导柱等定位。合模多用于生产形状较复杂的非回转体锻件，如连杆、叉形件等锻件。

胎模锻适合小型锻件的中、小批量的锻造生产。

工艺规程是指导生产的基本技术文件。编制自由锻工艺规程应遵循设计自由锻零件时，必须考虑锻造工艺是否方便、经济和可能；零件的形状应尽量简单和规则。（零件的结构不合理，将使锻造操作困难，降低生产率和造成金属的浪费）自由锻的工艺规程主要有以下内容绘制锻件图坯料质量和尺寸的计算选择锻造工序

选择锻造设备选择坯料加热、锻件冷却和热处理方法⒈绘制锻件图

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工艺余块、加工余量、锻造公差等之后绘制的图。模锻件的锻件图还应考虑分模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。

锻件图的绘制方法如下：

1）锻件的形状用粗实线，同时用假想线（双点划线）描绘出零件的形状。2）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。

3）绘制锻件图应考虑工艺余块、加工余量、锻件公差等因素。⑴工艺余块为简化自由锻件外形，便于锻造而增加的那部分金属。多用于零件上的小孔台阶和凹档等难以锻出的部位。附录2附表2-1台阶和凹档锻出条件⑵加工余量自由锻件尺寸精度低，表面质量较差，在零件的加工表面上增加的供切削加工用的金属层。⑶锻件公差锻件实际尺寸（锻造尺寸）相对于锻件公称尺寸（零件基本尺寸＋加工余量）所允许的变动量。通常为加工余量的1/4～1/3。⒉计算坯料质量与尺寸

1）坯料的质量为锻件的重量与锻造时各种金属损耗的重量之和，可按下式进行计算：m坯=m锻+m烧+m芯+m切

式中m坯--坯料重量；m锻--锻件重量；m烧--加热时坯料表面氧化烧损的重量，第一次取加热金属质量的2%～3%，以后各次加热取1.5%～2%；

m芯--冲孔时的芯料重量；⒉计算坯料质量与尺寸

m切—修切锻件端部料头的质量。用钢材作坯料时，可按被加热金属质量的2%～4%计算。2）坯料的尺寸与坯料的种类和锻造工序有关，即应充分考虑锻造比。

锻造比是锻造时金属变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的截面积比、长度比或高度比Y表示。

拔长时的锻造比Y=A0/A=L/L0

镦粗时的锻造比Y=A/A0=H0/H

第一锻造工序分别为镦粗时坯料体积V坯的计算式以及拔长时坯料横截面积A坯的计算式。⒊确定锻造工序

通常，自由锻件的成形过程是由一系列锻造工序组合而成的，工序的选择主要是根据锻件的形状和工序的特点来确定。

1）盘类、圆环类锻件包括各种圆盘、叶轮、齿轮、模块等，其特点是横向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。锻造基本工序是镦粗，其中带孔件需冲孔。

2）空心类锻件包括各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造空心件的基本工序有镦粗、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长等。⒊确定锻造工序

3）轴杆类锻件包括各种圆形截面实心轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等，还有矩形方形、工字形截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆等，锻造轴杆件的基本工序是拔长，但对于截面尺寸相差大的铸件，为满足锻造比的要求，则需采取镦粗一拔长工序。

4）曲轴类锻件包括单拐和多拐的各种曲轴，目前锻造曲轴的工艺有自由锻、模锻、全流线挤压锻等。其中自由锻的力学性能差，加工余量大，只在单件或小批生产中应用。其基本工序有拔长、错移和扭转。⒊确定锻造工序5）弯曲类锻件包括各种具有弯曲轴线的锻件，如吊钩、弯杆、曲柄、轴瓦盖等，基本工序是拔长、弯曲。

⒊确定锻造工序⒋确定锻造温度范围

钢加热的目的是为了提高其塑性，降低变形抗力，使坯料容易成形。⒌选择锻造设备

既要保证工件的变形度和较高的生产率，又不浪费动力且操作方便。⒍锻件冷却及热处理规范

常用的锻后冷却方式有三种，即空冷、坑冷、炉冷。空冷（在干燥的地面上）多用于碳的质量分数小于0.5%的碳钢和碳的质量分数小于0.3%的低合金钢中的中、小型锻件；坑冷（填有石灰、砂等绝热材料的坑中或箱中）多用于中碳钢、碳素工具钢和大多数低合金钢的中、小型锻件；炉（500～700℃加热炉中随炉缓冷）多用于高碳钢和高合金钢以及大型锻件。

总之，锻件中碳及合金元素的含量越高，锻件体积越大，形状越复杂，锻后冷却速度越要缓慢，以防止锻件硬化，变形或产生裂纹。⒍锻件冷却及热处理规范

锻后通常进行完全退火，去应力退火、正火、球化退火等热处理，以消除锻造过程带来的缺陷，改善组织，为后续机械加工作准备。⒎填写工艺卡片

⒈零件结构应尽可能简单、对称、平直；

要求锻件外形尽可能由平面和圆柱面组成。一些难以锻出的形状，小的孔和凹槽可用填加余块的办法简化锻件形状。

⒉应避免零件上的锥形、楔形结构；⒊不允许有小凸台

为便于切削加工和装配而设计的小凸台可用沉头孔代替。自由锻锻件结构工艺性自由锻锻件结构工艺性⒋零件上不允许有加强筋；

为了增加强度，可适当增加薄壁筒的外径，或待薄壁筒锻好后再将加强肋焊上去。⒌应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交；

复杂的相贯线无法锻出，改为圆柱体端面与截柱体的平面相交便于锻制。或将各圆柱体锻出后再焊成整体。自由锻锻件结构工艺性四、自由锻锻件结构工艺性板料冲压是指利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。冲压主要用于具有塑性的金属材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜或铝及其合金等，也可以是非金属材料，如胶木、云母、纤维板、皮革等。板料冲压的特点：（1）冲压生产操作简单，生产率高，易于实现机械化和自动化。（2）冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工，即可作为零件使用。（3）金属薄板经过冲压塑性变形获得一定几何形状，并产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。（4）冲模是冲压生产的主要工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。一、冲压成形的基本工序冲压基本工序可分为落料、冲孔、切断等分离工序，和拉深、弯曲等变形工序两大类。1.分离工序它是使板料的一部分与另一部分分离的加工工序。切断：使板料按不封闭轮廓线分离的工序叫切断；落料：是从板料上冲出一定外形的零件或坯料，冲下部分是成品。冲孔：是在板料上冲出孔，冲下部分是废料。冲孔和落料又统称为冲裁。（1）冲裁变形过程（2）排样

冲裁件在条料上的布置方法称为排样。a）有废料排样法b）少废料排样