锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下[试题]

锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下[试题] 第3章 锻 造 锻造是一种借助工具或模具在冲击或压力作用下，对金属坯料施加外力，使其产生塑性变形，改变 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 、形状及性能，用以制造机械零件或零件毛坯的成形加工 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，锻造又称作锻压。 锻造具有细化晶粒、致密组织，并可具有连贯的锻造流线，从而可以改善金属的力学性能。此外，锻造还具有生产率高，节省材料的优点。因此锻造在金属热加工中占有重要的地位。本章主要介绍自由锻、模锻及冲压等热加工的基础知识和成形方法。 3.1概述 3.1.1锻压生产的特点 锻压加工与其它加工方法比较，具有较高的生产效率;可消除零件或毛坯的内部缺陷;锻件的形状、尺寸稳定性好，并具有较高的综合力学性能;锻件的最大优势是韧性好、纤维组织合理、锻件间性能变化小;锻件的内部质量与其加工历史有关，且不会被任何一种金属加工工艺超过。图3.1.1示意地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示出了铸造、锻造、机械加工三种金属加工方法所得到的零件低倍宏观流线。 图3.1.1三种金属加工方法所得零件低倍宏观流线 但是锻压生产也存在以下缺点:不能直接锻制成形状较复杂的零件;锻件的尺寸精度不够高;锻压生产所需的重型的机器设备和复杂的工模具，对于厂房基础要求较高，初次投资费用高。 3.1.2锻压生产的适用范围 锻压生产根据使用工具和生产工艺的不同而分为自由锻、模锻和特种锻造。锻造工艺在锻件生产中起着重大作用。工艺流程不同，得到的锻件质量有很大的差别，使用的设备类型、吨位也相去甚远。锻件的应用范围很广，几乎所有运动的重大受力构件都是由锻压成形的。锻压在机器制造业中有着不可替代的作用，一个国家的锻造水平，可反映出这个国家机器制造业的水平。随着科学技术的发展，工业化程度的日益提高，需求锻件的数量逐年增长。据预测，飞机上采用的锻压(包括板料成形)零件将占85%，汽车将占60,70%，农机、拖拉机将占70%。 3.1.3锻压生产的发展趋势 锻压生产虽然生产效率高，锻件综合性能高，节约原材料;但其生产周期较长，成本较高，处于不利的竞争地位。锻压生产要跟上当代科学技术的发展，需要不断改进技术、采用新工艺和新技术，进一步提高锻件的性能指标;同时缩短生产周期、降低成本。 当代科学技术的发展对锻压生产本身的完善和发展有着重大影响，这主要表现在以下几个方面: 首先，材料科学的发展对锻压技术有着最直接的影响。新材料的出现必然对锻压技术提出了新的要求，如高温合金、金属间化合物、陶瓷材料等难变形材料的成形问题。锻压技术也只有在不断解决材料带来的问题的情况下才能得以发展。 其次，新兴科学技术的出现，当前主要是计算机技术在锻压技术各个领域的应用。如锻模计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术，锻造过程的计算机有元数值模拟技术等。这些新技术的应用，缩短了锻件的生产周期，提高锻模设计和生产水平。 第三，机械零件性能的更高要求。推动锻压技术发展的最大动力是来自交通工具制造业----汽车制造业和飞机制造业。锻件的尺寸、质量越来越大，形状越来越复杂、精密，一些重要受力件的工作环境更苛刻，受力状态更复杂。除了更换强度更高的材料外， 研究和开发新的锻压技术是必然的出路。 3.2锻压工艺基础 3.2.1金属的塑性变形 塑性是金属的重要特性。利用金属的塑性可把加工各种制品。不仅轧制、锻造、挤压、冲压、拉拨等成形加工工艺都是金属发生大量塑性变形的过程，而且在车、铣、刨、钻等各种切削加工工艺中，也都发生金属的塑性变形。 塑性变形不仅可以使金属获得一定的形状和尺寸，而且还会引起金属内部组织与结构变化，使铸态金属的组织与性能得到一定的改善。因此，研究金属的塑性变形过程及其机理，了解变形后金属的组织结构与性能的变化规律，以及加热的影响，对改进金属材料加工工艺，提高产品质量和合理使用金属材料等方面都有具有重要意义。 1. 塑性变形的实质 各种金属压力加工方法都是通过金属的塑性变形实现的。金属受外力后，首先产生弹性变形，当外力超过一定限度后，才产生塑性变形。 弹性变形的实质是在外力的作用下，金属内部的原子偏离了原来的平衡位置，使金属产生变形，这会造成原子位能的提高，而处于高位能的原子具有返回原来位能最低的平衡位置的倾向。因而，当外力取消后，原子返回原来的位置，变形也就消失了。 塑性变形的实质是在外力的作用下金属内部的原子沿一定的晶面和晶向产生了滑移的结果。 在一般情况下，实际金属都是多晶体。多晶体的变形是与其中各个晶粒的变形行为有关的。为了便于研究，有必要先通过单晶体的塑性变形来掌握金属塑性变形的基本规律。 (1)单晶体的塑性变形 实验表明，晶体只有在切应力作用下才会发生塑性变形。 单晶体的塑性变形过程如图3.2.1所示。图3.2.1a为晶体未受外力的原始状态;当晶体 受到外力作用时，晶格将产生弹性畸变，如图 3.2.1b所示，此为弹性变形阶段;若外力继续增加，超过一定限度后，晶格的畸变程度超过了弹性变形阶段，则晶体的一部分将会相对另一部分发生滑移，如图3.2.1c所示;晶体发生滑移后，去除外力，晶体的变形将不能全部恢复因而产生了塑性变形，如图3.2.1d所示。 图3.2.1单晶体的变形过程 a)未变形 b)弹性变形C)弹塑性变形 d)塑性变形 (2)多晶体的塑性变形 实际使用的金属材料都不相同的许多晶粒所组成，故每个晶粒在塑性变形时，将受到周围位向不同的晶粒及晶界的影响与约束，即每个晶粒不是处于独立的自由变形状态。晶粒变形时既要克服晶界的阻碍，又需要其周围晶粒同时发生相适应的变形来协调配合，以保持晶粒间的结合和晶体的连续性，否则将导致晶体破裂。 大量实验结果表明，多晶体的塑性变形正是由于存在着晶界和各晶粒的位向差别，其变形抗力要比同种金属的单晶体高得多。 3.2.2变形后金属的组织和性能 1. 加工硬化、回复和再结晶 金属材料经塑性变形后，其组织和性能发生了一系列重大变化。组织上的变化表现为:晶粒沿金属流动方向伸长，晶格畸变，位错密度增加，产生内应力，产生碎晶。性能上的变化表现为:随着变形程度的增加，强度及硬度显著提高，而塑性和韧性则很快 下降。变形度愈大，性能的变化也愈大。这种由于塑性变形的变形度增加，使金属的强度、硬度提高，而塑性下降的现象称为加工硬化或冷作硬化。 加工硬化现象在工程技术中具有重要的实用意义。首先可利用加工硬化来强化金属，提高金属强度、硬度和耐磨性。特别是对那些不能用热处理强化的材料，如纯金属、某些铜合金、铬镍不锈钢和高锰钢等，加工硬化更是唯一有效的强化方法。冶金厂出厂的“硬”或“半硬”等供应状态的某些金属材料，就是经过冷轧或冷拉等方法，生产加工的硬化产品。 加工硬化还可以在一定程度上提高构件在使用过程中的安全性。因为构件在使用过程中，往往不可避免地会在某些部位(如孔、键槽、螺纹以及截面积过渡处)出现应力集中和过载荷现象。在这种情况下，由于金属能加工硬化，局部过载部位在产生少量塑性变形后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到了平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。 加工硬化也有其不利的一面。由于它使金属塑性降低，给进一步冷塑性变形带来困难，并使压力加工时能量消耗增大。为了使金属材料能继续变形，必须进行中间热处理来消除加工硬化现象。这就增加了生产成本，降低了生产率。 为了消除加工硬化效应，恢复材料的塑性，以便继续进行变形加工，或为了消除变形过程中产生的内应力，就要对工件进行退火处理。 经塑性变形后的工件，在退火加热温度不太高时，冷变形金属的显微组织无明显的变化，只能使内应力明显降低和消除，金属的力学性能没有显著变化，即强度、硬度下降很少，塑性提高不多，这一过程称为回复。 当加热温度较高，塑性变形后金属被拉长的晶粒重新形核、结晶，变为等轴晶粒， 称为再结晶。再结晶后的金属，强度、硬度显著下降，塑性和韧性显著提高，内应力完 全消除。开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度。纯金属的再结晶温度与熔点 的大致关系是,?0.4,(,)。 再熔 再结晶完成后，若加热温度继续升 高或加热时间延长，金属的晶粒便 开始不断长大。再结晶后的金属的 力学性能与再结晶晶粒度关系很 大，晶粒越细小，金属的综合力学 性能越好。 3.2.2金属加工硬化及回复和再结晶与性能的关系 金属的加工硬化及回复、再结晶过程中的力学性能变化如图3.2.2所示。 2. 塑性变形的分类和对金属组织和性能的影响 根据变形时的温度，金属的塑性变形分为冷变形和热变形。 金属在其再结晶温度以下进行塑性变形称为冷变形。冷变形加工后金属内部形成纤维组织，变形后金属具有明显的加工硬化现象，所以冷变形的变形量不宜过大，避免工件撕裂或降低模具寿命。冷变形加工具有精度高、表面质量好、力学性能好的特点，广泛应用于板料冲压、冷挤压、冷镦及冷轧等常温变形加工。 金属在其再结晶温度以上进行变形加工称为热变形。加工过程中产生的加工硬化随时被再结晶软化和消除，使金属塑性显著提高，变形抗力明显减小。因此，可以利用较小的能量获得较大的变形量。适合于尺寸较大、形状复杂的工件的变形加工。热变形加工产品表面易形成氧化皮，尺寸和表面质量较低。自由锻、热模锻、热轧等都属于热变形的范畴。 金属热变形时组织和性能的变化主要表现在以下几个方面: 1)变形加工时，金属中的脆性杂质被破碎，并沿金属流动方向呈粒状或链状分布; 塑性杂质则沿变形方向呈带状分布，这种杂质的定向分布称为流线。通过热变形可以改变和控制流线的方向和分布，加工时因尽可能使流线与零件的轮廓相符合而不 被切断。图3.2.3是锻造曲轴和轧材切削加工曲轴的流线分布，明显看出经切削 加工的曲轴流线易沿轴肩部位发生断裂，流线分布不合理。 2)热变形加工可以使铸坯中的组织缺陷得到明显改善，如铸坯中粗大的柱状晶经热变形 加工后能变成较细的等轴晶粒;气孔、缩松被 压实，使金属组织的致密度增加;某些合金钢 中的大块碳化物被打碎并均匀分布;可以消除 金属材料的偏析，使成分均匀化。 图3.2.3曲轴的流线分布示意图 a,切削 b,锻造 3.2.3金属的锻造性能 金属的锻造性能是衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。金属的锻造性能的优劣，常用金属的塑性和变形抗力两个指标来衡量。金属塑性好，变形抗力低，则锻造性能好，反之则差。影响金属材料塑性和变形抗力的主要因素有两个方面。 1.金属的本质 (1)金属的化学成分 不同化学成分的金属，其塑性不同，锻造性能也不同。一般纯金属的锻造性能较好。金属组成合金后，强度提高，塑性下降，锻造性能变差。例如碳钢随着碳含量的增加，塑性下降，锻造性能变差。合金钢中合金元素的含量增多，锻造性能也变坏。 (2)金属的组织状态 金属的组织结构不同，其锻造性能有很大差别。由单一固溶体组成的合金，具有良好的塑性，其锻造性能也较好。若含有多种合金而组成不同性能的组织结构，则塑性降低，锻造性能较差。 另外，一般来说，面心立方和体心立方结构的金属比密排六方结构的金属塑性好。 金属组织内部有缺陷，如铸锭内部有疏松、气孔等缺陷，将引起金属的塑性下降，锻造时易出现锻裂等现象。铸态组织和晶粒粗大的结构不如轧制状态和晶粒细小的组织结构锻造性能好，但晶粒越细小，金属变形抗力越大。 2.金属的变形条件 (1)变形温度 随着温度的升高，金属原子动能升高，易于产生滑移变形，从而提高了金属的锻造性能。所以加热是锻压生产中很重要的变形条件。但温度过高金属出现过热、过烧时，塑性反而显著下降。对于加热温度需根据金属的材质不同要控制在一定范围，即合适的变形温度范围。 (2)变形速度 变形速度是指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度大，会使金属的塑性下降，变形抗力增大，但变形速度很大时，由于热效应会使 变形金属的温度升高而提高塑性、降低变形抗力。 (3)变形时的应力状态 压应力使塑性提高，拉应力使塑性降低;工具和金属间的摩擦力将使金属的变形不均匀，导致金属塑性降低，变形抗力增大。 综合上述，金属的塑性和变形抗力是受金属的本质与变形条件等因素所制约。在选用锻压加工方法进行金属成形时，要依据金属的本质和成形要求，充分发挥金属的塑性，尽可能降低其变形抗力，用最少的能耗，获得合格的锻压件。 3.3自由锻 3.3.1概述 自由锻是将加热好的金属坯料，放在锻造设备的上、下砧铁之间，施加冲击力或压力，使之产生塑性变形，从而获得所需锻件的一种加工方法。坯料在锻造过程中，除与上、下砧铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，故称自由锻。 自由锻通常可分为手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻主要是依靠人力利用简单 工具对坯料进行锻打，从而改变坯料的形状和尺寸获得所需锻件。手工锻造生产率低，劳动强度大，锤击力小，在现代工业生产中已为机器锻造所代替。机器自由锻主要依靠专用的自由锻设备和专用工具对坯料进行锻打，改变坯料的形状和尺寸，从而获得所需锻件。自由锻的优点是:所用工具简单、通用性强、灵活性大，适合单件和小批锻件，特别是特大型锻件的生产。自由锻的缺点是:锻件精度低、加工余量大、生产效率低、劳动强度大等。 3.3.2自由锻设备 根据锻造设备的不同，又分为锤锻自由锻和水压机自由锻两种。前者用于锻造中、小自由锻件，后者主要用以锻造大型自由锻件。 锤锻自由锻的通用设备是空气锤和蒸汽-空气自由锻锤。空气锤由自身携带的电动机直接驱动，落下部分重量在40~1000kg之间，锤击能量较小，只能锻造100kg以下的小型锻件。空气锤的结构如图3.3.1所示，它主要由以下几个主要部分组成: 图3.3.1 空气锤的结构和工作原理 1-踏杆 2-砧座 3-砧垫 4-下砧 5-上砧 6-锤杆 7-工作缸 8-下旋阀 9-上旋阀10-压缩气缸 11-手柄 12-锤身 13-减速器 14-电动机 15-工作活塞 16-压缩活塞 17-连杆 18-曲柄 1)机架 机架又称锤体，由工作缸、压缩缸、锤身和底座组成。 2)传动部分 由电动机、减速器、曲柄连杆及压缩活塞等组成。 3)操纵部分 由上、下旋阀、旋阀套和操纵手柄(踏杆)等组成。 4)工作部分 包括落下部分(工作活塞、锤杆和上砧块)和锤砧(下砧、砧垫、砧座) 为满足锻造的稳定性，砧座的质量要求不小于落下部分质量的12~15倍。砧座安装在坚固的钢筋水泥基础上，而且在砧座与基础之间垫有垫木，以消除打击时产生的震动。 蒸汽-空气锤利用压力为0.6~0.9Mpa的蒸汽或压缩空气作为动力，蒸汽或压缩空气由单独的锅炉或空气压缩机供应，投资比较大。常用的双柱式蒸汽-空气锤的构造如图3.3.2所示，其主要组成部分有: 图3.3.2 双柱式蒸汽 - 空气自由锻锤 1-砧座 2-砧垫 3-下砧 4-上砧 5-锤头 6-导轨 7-锤杆 8-活塞 9-气缸 10-缓冲缸 11- 滑阀 12-节气阀 13-滑阀操纵杆 14-节气阀操纵杆 15-立柱 16-底座 17-拉杆 1)机架 机架又称锤身，由铸铁或铸钢铸成的左右立柱15组成，并由螺栓紧固在 底座16上，再用前后拉杆将两立柱连接起来，以增强刚性。 2)气缸及缓冲机构 气缸9是将蒸汽或压缩空气所具有的能量转变为打击功能的结构，在上部安装有缓冲气缸10，以防活塞8冲击气缸盖。 3)落下部分 落下部分包括活塞8、锤杆7、锤头5和上砧4等。 4)配气 - 操纵机构 配气机构位于气缸侧面，由滑阀11和滑阀12组成。操纵机构由节气阀操纵杆14、滑阀操纵杆13等组成。操纵机构的作用是通过操作节气阀和滑阀，使锤头实现悬空、压紧工件、单次打击和连续打击等动作。 5)砧座 砧座由下砧3、砧垫2和砧座1组成。砧座的质量是落下部分质量的10~15倍，足够的质量可保证打击时不会产生弹跳和减弱打击，也不易产生下沉。 图3.3.3水压机本体的典型结构 1-下横梁 2-下砧 3-立柱 4--上砧 5-活动横梁6-上横梁 7-密封圈 8-柱塞 9-工作缸 10-回程缸11-回程柱塞 12、13-管道 14-回程横梁 15-回程拉杆 自由锻水压机是锻造大型锻件的主要设备。大型锻造水压机的制造和拥有量是一 个国家工业水平的重要 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 。我国已经能自行设计制造125000KN以下的各种规格的自 由锻水压机。水压机是根据液体的静压力传递原理(即帕斯卡原理)设计制造的。水压 机主要由本体和附属设备组成。水压机本体的典型结构如图3.3.3所示，它由固定系统和 活动系统两部分组成: 1)固定系统 主要由下横梁1、立柱3、上横梁6、工作缸9和回程缸10等组成， 下横梁固定在基础上。 2)活动系统 主要由活动横梁5、工作柱塞8、回程柱塞11、回程横梁14和回程拉杆15等部分组成。 水压机的附属设备主要有水泵、蓄压器、充水罐和水箱等。 水压机上锻造时，以压力代替锤锻时的冲击力，大型水压机能够产生数万KN甚至更大的锻造压力，坯料变形的压下量大，锻透深度大，从而可改善锻件内部的质量，这对于以钢锭为坯料的大型锻件是很必要的。此外，水压机在锻造时振动和噪音小，工作条件好。 3.3.3自由锻工序 根据作用与变形要求不同，自由锻的工序分为基本工序、辅助工序和精整工序三类。 (1) 基本工序 指改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，称为基本工序。包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转、错移等工步。 (2) 辅助工序 是为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如倒棱、压肩等工步。 (3) 修整工序 修整锻件的最后尺寸和形状，提高锻件表面质量，使锻件达到图纸要求的工序叫修整工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲等工步。 任何一个自由锻件的成形过程，上述三类工序中的各工步可以按需要单独使用或进行组合。 自由锻各工序和所包含的工步简图见表3.3.1所示。 表3.3.1 自由锻工步简图 3.3.4自由锻件的分类和锻造过程 按自由锻件的外形及其成形方法，可将自由锻件分为六类:饼块类、空心类、轴杆 类、曲轴类、弯曲类和复杂形状类锻件。自由锻件分类见简图见表3.3.2所示。 表3.3.2 自由锻件分类表 (1)饼块类锻件 这类锻件主要有圆盘、叶轮、齿轮、模块等零件的毛坯。其所采用的基本工序是镦粗工步。随后的辅助工序和修整工序有:倒棱、滚圆、平整等工步。饼块类锻件锻造过程如图3.3.4所示。 (2)空心类锻件 这类锻件主要有各种圆环、齿圈、轴承环、缸体、空心轴等零件的毛坯。所采用的基本工序有镦粗、冲孔、扩孔或芯轴拔长等工步。辅助工序和修整工 图3.3.4 饼块类锻件齿轮锻造过程 ,1,下料 ,2,镦粗 ,3,镦挤凸台 ,4,冲孔 ,5,滚圆 ,6,平整 图3.3.5 空心类锻件锻造过程 (a)圆环的锻造过程 (b)圆筒的锻造过程 (1)下料 (2)镦粗 (3)冲孔 (1)下料 (2)镦粗 (3)冲孔 (4)芯轴扩孔 (5)平整端面 (4)芯轴拔长 (5)锻件 序有:倒棱、滚圆、校正等工步。空心类锻件锻造过程如图3.3.5所示。 (3)轴杆类锻件 这类锻件可以是直轴或阶梯轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等;也可以是矩形、方形、工字形或其他截面的杆件，如连杆、摇杆、杠杆等。锻造轴杆类锻件的基本工序有拔长或镦粗+拔长工步。辅助工序和修整工序有倒棱和滚圆工步。轴杆类零件锻造过程如图3.3.6所示。 (4)曲轴类锻件 锻造曲轴类锻件的基本工序有拔长、错移和扭转等工步。辅助和修整工序有:分段压痕、局部倒棱、滚圆和校正等工步。曲轴类零件锻造过程如图3.3.7所示。 图3.3.6 轴杆类锻件锻造过程 ,1,下料 ,2,拔长 ,3,镦出法兰 ,4,拔出锻件 图3.3.7 三拐曲轴锻造过程 ,1,下料 ,2,压槽,卡出II段,,3,错移、压出II拐扁方,4,压槽,I、III分段,,5,压出I、III拐扁方,6,压槽,I、III与轴端分段,,7,摔出中间、两端轴颈 ,8,扭转 I、III拐各30º (5)弯曲类锻件 锻造这类锻件的基本工序有拔长、弯曲工步。辅助工序和修整工序有:分段压痕、滚圆和平整等工步。弯曲类锻件的锻造过程如图3.3.8所示。 (6)复杂形状类锻件 这类锻件主要有阀体、叉杆、吊环体、十字轴等。其形状较复杂，锻造难度比较大，所用辅助工具也较多。因此在锻造时应选择合理的锻造工序，保证锻件顺利成形。 图3.3.8 弯曲类锻件锻造过程 ,1,下料 ,2,压槽卡出两端 ,3,拔长中间部分 ,4,弯曲左端圆弧 ,5,弯曲右端圆弧 ,6,弯曲中间圆弧 3.4模锻 模锻是将加热后的坯料放在锻模模镗内，在锻压力的作用下使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。与自由锻相比，模锻的优点是: 1)由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂; 2)锻件内部的锻造流线按锻件轮廓分布，从而提高了零件的机械性能和使用寿命; 3)锻件表面光洁、尺寸精度高、节约材料和切削加工工时; 4)生产率较高; 5)操作简单，易于实现机械化。 但是，由于模锻是整体成形，并且金属流动时，与模膛之间产生很大的摩擦阻力， 因此所需设备吨位大，设备费用高;锻模加工工艺复杂、制造周期长、费用高，所以模锻只适用于中、小型锻件的成批或大量生产。不过随着计算机辅助设计--制造(CAD/CAM)技术的飞速进步，锻模的制造周期将大大缩短。 按使用的设备类型不同，模锻又分为锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上锻模、平锻机上模锻、液压机上模锻等。 3.4.1锤上模锻 锤上模锻是在自由锻基础上最早发展起来的一种模锻生产方法，即在模锻锤上的模锻。它是将上、下模块分别固紧在锤头与砧座上，将加热透的金属坯料放入下模型腔中，借助于上模向下的冲击作用，迫使金属在锻模型槽中塑性流动和填充，从而获得与型腔形状一致的锻件。 模锻锤包括蒸汽--空气模锻锤、无砧座锤、高速锤和螺旋锤。其中蒸汽--空气模锻锤是普遍应用的模锻锤，国外最大的模锻锤是31.75吨，我国最大的模锻锤为16吨。其结构如图3.4.1所示。 锤上模锻能完成镦粗、拔长、滚挤、弯曲、成形、预锻和终锻等各变形工步的操作，锤击力量的大小和锤击频率可以在操作中自由控制和变换，可完成各种长轴类锻件和短轴类锻件的模锻，在各种模锻方法中具有较好的适应性;设备费用也比其他模锻设备相对较低，是我国当前模锻生产中应用最多的一种锻造方法，该设备结构简单、造价低、操作简单、使用灵活，目前广泛应用于汽车、船用及航空锻件的生产。其缺点是工作时振动和噪音大，劳动条件仍然较差;难以实现较高程度的操作机械化;完成一个变形工步要经过多次锤击，生产率仍不太高。因而，在大批生产中有逐渐被压力机上模锻取代的趋势。 3.4.2曲柄压力机上模锻 曲柄压力机上模锻是一种比较先进的模锻方法。曲柄压力机的结构和工作原理如图 3.4.2所示。电动机通过飞轮释放能量，曲柄连杆机构带动滑块沿导轨作上下往复运动， 图3.4.2 曲柄压力机的结构及传动原理简图 1-电动机 2-小皮带轮 3-飞轮 4-传动轴 5-小齿轮 6-大齿轮 7-圆盘摩擦离合器 8-曲柄 9-连杆 10-滑块 11-上顶出机构 12-上顶杆 13-楔形工作台 14-下顶杆 15-斜楔 16-下顶出机构 17-带式制动器 18-凸轮 进行锻压工作。锻模分别安装在滑块的下端和工作台上。 与锤上模锻相比，曲柄压力机模锻具有一系列优点: 1)作用于坯料上的锻造力是压力，不是冲击力，工作时振动和噪音小，劳动条件得到改善。 2)坯料的变形速度较低。这对于低塑性材料的锻造有利，某些不适于在锤上锻造的材料，如耐热合金、镁合金等，可在压力机上锻造。 3)锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在滑块的一次行程中即可完成，并且便于实现机械化和自动化，具有很高的生产率。 4)滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使锻件的模锻斜度、加工余量和锻造公差大大减小，因而锻件精度比锤上模锻件高。 这种模锻方法的主要缺点是设备费用高，模具结构也比一般锤上锻模复杂，仅适用于大批量生产的条件;对坯料的加热质量要求高，不允许有过多的氧化皮;由于滑块的行程和压力不能在锻造过程中调节，因而，不能进行拔长，滚挤等工步的操作。 3.4.3平锻机上模锻 平锻机是曲柄压力机的一种，又称卧式锻造机。它沿水平方向对坯料施加锻造压力。按照分模面的位置可分为垂直分模平锻机和水平分模平锻机。 图3.4.3为平锻机工作原理示意图。平锻机启动前，棒料放在固定凹模6的型槽中，并由前挡料板4定位，以确定棒料的变形部分长度L。然后，踏下脚踏板，使离合器工0 作。平锻机的曲柄凸轮机构保证按下列顺序工作:在主滑块前进过程中，活动凹模7迅速进入夹紧状态，在Lp部分将棒料夹紧;前挡板4 退去;凸模(冲头)3与热毛坯接触，并使其产生塑性变形直至充满型槽为止。当机器回程时，各部分的运动顺序是:冲头从凹模中退出。活动凹模回复原位，冲头回复原位，从凹模中取出锻件。 平锻机上模锻在工艺上有如下特点: 1) 锻造过程中坯料水平放置，坯料都是棒料或管材，并且只进行局部(一端)加热和局部变形加工。因此，可以完成在立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件，也可用长棒料连续锻造多个锻件。 2) 锻模有两个分模面，锻件出模方便，可以锻出在其它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件。 3)需配备对棒料局部加热的专用加热炉。 与曲柄压力机上模锻类似，平锻机上模锻也是一种高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，劳动条件也较好，但平锻机是模锻设备中结构较复杂的一种，价格贵、 投资大，仅适用于锻件的大批量生产。目前平锻机已广泛用于大批量生产汽门、汽车半轴、环类锻件等。 3.4.4摩擦压力机上模锻 摩擦压力机是靠飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造，如图3.4.4所示。摩擦压力机属于锻锤锻压设备，其行程速度介于模锻锤和曲柄压力机之间，有一定的冲击作用，滑块行程和冲击能量都可自由调节，坯料在一个模膛内可以多次锻击，因而工艺性能广泛，既可完成镦粗、成形、弯曲、预锻、终锻等成形工序，也可进行校正、精整、切边、冲孔等后续工序的操作，必要时，还可作为板料冲压的设备使用。 摩擦压力机的飞轮惯性大，单位时间内的行程次数比其它设备低得多，这对于再结晶速度较低的塑性材料的锻造是有利的，但也因此生产率较低。由于采用摩擦传动，摩 擦压力机的传动效率低，因而，设备吨位的发展受到限制，通常不超过10000KN。 图3.4.4 摩擦压力机传动图 a)外形图 b)传动图 1-螺杆 2-螺母 3-飞轮 4-圆轮 5-传动带 6-电动机 7-滑块 8-导轨 9-机架 10-机座 摩擦压力机上模锻适用于小型锻件的批量生产。摩擦压力机结构简单、性能广泛、 使用维护方便，是中、小型工厂普遍采用的锻造设备。近年来，许多工厂还把摩擦压力机与自由锻锤、辊锻机、电镦机等配成机组或组成流水线，承担模锻锤、平锻机的部分模锻工作，有效地扩大了它的使用范围。 3.4.5其它模锻设备 1. 螺旋压力机 螺旋压力机一般适用于中、小批量生产的各种形状的模锻件，尤其是适用于锻造轴对称性的锻件。螺旋压力机按其结构分类。可分为摩擦螺旋压力机、液压螺旋压力机和电动螺旋压力机，如图3.4.5所示。近年 来还出现了气液螺旋压力机和离合器式 高能螺旋压力机。它们共同的特点是飞 轮在外力驱动下储备足够的能量，再通 过螺杆传递给滑块来打击毛坯做功。螺 旋压力机同时具有锤和曲柄压力机的特 点，可进行模锻、冲压、镦锻、挤压、 精压、切边、弯曲和校正等工作。而且 该设备结构简单、 振动小、基础简单， 可大大减少设备和厂房的投资。 2. 液压机 液压机是一种利用液体压力来传递能量的锻压设备，它包含以油做工作介质的油压机和以水为工作介质的水压机。锻造液压机有自由锻液压机、模锻液压机和切边液压机之分。锻造生产常用的模锻液压机又有通用模锻液压机和专用模锻液压机两类。模锻水压机外形如图3.4.6所示。 此类设备的特点是:行程和锻造能力较大，工作台面大，工作液体的压力高，在整 个工作过程中压力和速度变化不大，在静压条件下金属变形均匀，锻件组织均匀，应用范围广，对于铝镁合金、钛合金或高温合金锻件更为适用。现在世界最大的模锻水压机是原苏联在1955~1960年间制造的750000kN大型模锻水压机。 图3.4.6 450MN模锻水压机 1-工作缸 2-工作缸支承梁 3-同步缸 4-回程缸 5-纵梁 6-固定梁 7-立柱 3. 精压机 精压机是一种工作行程小、刚度大、变形力较大的锻造设备。它的特点是滑块行程小，曲柄--连杆机构通过短而粗的肘杆机构带动滑块上、下运动。其结构如图3.4.7所示。 精压机的结构与其它压力机的最大差别是滑块、肘杆机构及装模高度调节机构不同，大 部分工作变形力由两肘杆承受，连杆受力较小。精压机模锻件的公差约为普通模锻件的1/3左右。在飞机结构和发动机中，精压机模锻件的应用较多。但精压机模锻要求有高质量的毛坯、精确的模具、少无氧化的加热条件、良好的润滑和较复杂的工序间清理等，所以生产成本较高，在一定批量下才能降低成品零件的总成本。 4. 楔横轧机 图3.4.7 精压机 楔横轧机主要用来生产大批量的轴类锻件或预制毛坯。其结构形式可分为单辊弧形式楔横轧机、辊式楔横轧机和板式楔横轧机三种，如图3.4.8所示。 其中辊式楔横轧机由于生产率较高，轧制产品尺寸精度容易保证，能方便准确地实现径向、轴向的调整而得到广泛应用。 3.5板料冲压 3.5.1概述 板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。板料冲压的坯料通常都是较薄的金属板料，而且，冲压时不需加热，故又称为薄板冲压或冷冲压，简称冷冲或冲压。 1. 板料冲压的特点和应用 与锻造和其它加工方法相比，板料冲压具有下列特点: 1)它是在常温下通过塑性变形对金属板料进行加工的，因而，原材料必须具有足够的塑性，并应有较低的变形抗力。 2)金属板料经过塑性变形的冷变形强化作用，并获得一定的几何形状后，具有结 构轻巧、强度和刚度较高的优点。 3)冲压件尺寸精度高、质量稳定、互换性好，一般不再进行切削加工，即可作为零件使用。 4)冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。 5)冲压模具结构复杂、精度要求高、制造费用高，只有在大批量生产的条件下，采用冲压加工方法在经济上才是合理的。 板料冲压是机械制造中的重要加工方法之一，它在现代工业的许多部门都是得到广泛的应用，特别是在汽车制造、拖拉机、电机、电器、仪器仪表、兵器及日用品生产等工业部门中占有重要的地位。 2. 冲压设备 板料冲压设备主要是剪床和冲床。 (1)剪床 剪床用于把板料切成需要宽度的条料，以供冲压工序使用。剪床的外形及传动机构如图3.5.1所示。，电动机1通过带轮使轴2转动，再通过齿轮传动及离合器 图3.5.1 剪 床 a)外形图 b)传动图 1-电动机 2-轴 3-离合器 4-曲轴 5-滑块 6-工作台 7-滑块制动器 3使曲轴4转动，于是带有刀片的滑块5便上下运动，进行剪切工作。6为工作台，7是 滑块制动器。 (2)冲床 冲床的种类很多，主要有单柱冲床、双柱冲床、双动冲床等。图3.5.2是单柱冲床外形及传动示意图。电动机5带动飞轮4通过离合器3与单拐曲轴2相接，飞 图3.5.2 单柱冲床 1-制动闸 2-曲轴 3-离合器 4-飞轮 5-电动机 6-踏板 7-滑块 8-连杆 轮可在曲轴上自由转动。曲轴的另一端则通过连杆8与滑块7 连接。工作时，踩下踏板6离合器将使飞轮带动曲轴转动，滑块做上下运动。放松踏板，离合器脱开，制动闸1立即停止曲轴转动，滑块停留在待工作位置。 3.5.2板料冲压的基本工序 板料冲压的基本工序有冲裁、弯曲、拉深、成形等。 1. 冲裁 冲裁是使板料沿封闭的轮廓线分离的工序，包括冲孔和落料。这两个工序的坯料变形过程和模具结构都是一样的，二者的区别在于冲孔是在板料上冲出孔洞，被分离的部分为废料，而周边是带孔的成品;落料是被分离的是的部分是成品，周边是废料。 冲裁时板料的变形和分离过程，如图3.5.3所示。凸模和凹模的边缘都带有锋利的刃口。当凸模向下运动压住板料时，板料受到挤压，产生弹性变形并进而产生塑性变形，当上、下刃口附近材料内的应力超过一定限度后，即开始出现裂纹。随着冲头(凸模)继续下压，上、下裂纹逐渐向板料内部扩展直至汇合，板料即被切离。 图3.5.3 冲裁过程 a)变形 b)产生裂纹 c)断裂 d)断口 冲裁后的断面可明显地区分为光亮带、剪裂带、圆角和毛刺四部分。其中光亮带具有最好的尺寸精度和光洁的表面，其它三个区域，尤其是毛刺则降低冲裁件的质量。这四个部分的尺寸比例与材料的性质、板料厚度、模具结构和尺寸、刃口锋利程度等冲裁条件有关。为了提高冲裁质量，简化模具制造，延长模具寿命及节省材料，设计冲裁件 及冲裁模具时应考虑: 1)冲裁件的尺寸和形状 在满足使用要求的前提下，应尽量简化，多采用圆形、矩形等规则形状，以便于使用通用机床加工模具，并减少钳工修配的工作量。线段相交处必须圆弧过渡。冲圆孔时，孔径不得小于板料厚度δ;冲方孔时，孔的边长不得小于0.9δ;孔与孔之间或孔与板料边缘的距离不得小于δ。 2)模具尺寸 冲裁件的尺寸精度依靠模具精度来保证。凸凹模间隙对冲裁件断面质量具有重要影响，合理的间隙值可按表3.5.1选择。在设计冲孔模具时，应使凸模刃口等于所要求孔的尺寸，凹模刃口尺寸则是孔尺寸加上两倍的间隙值。设计落料模具时，则应使凹模刃口尺寸为成品尺寸，凸模则减去两倍的间隙值。 3) 冲压件的修整 修整工序是利用修整模沿冲裁件的外缘或内孔，切去一薄层金 属，以除去塌角、剪裂带和毛刺等，从而提高冲裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。只 表3.5.1 冲裁模的合理间隙值 材料种类 材 料 厚 度 δ/mm 0.1~0.4 0.4~1.2 1.2~2.5 2.5~4.0 4.0~6.0 黄铜、低碳钢 0.01~0.02 (7~10)% δ (9~12)% δ (12~14)% δ (15~18)% δ 中、高碳钢 0.01~0.05 (10~17)% δ (18~25)% δ (25~27)% δ (27~29)% δ 磷青铜 0.01~0.04 (8~12)% δ (11~14)% δ (14~17)% δ (18~20)% δ 铝及铝合金(软) 0.01~0.03 (8~12)% δ (11~12)% δ (11~12)% δ (11~12)% δ 铝及铝合金(硬) 0.01~0.03 (10~14)% δ (13~14)% δ (13~14)% δ (13~14)% δ 有当对冲裁件的质量要求较高时，才需要增加修整工序。修整在专用的修整模上进行，模具间隙约为0.006~0.01mm。修整时单边切除量约为0.05~0.2mm，修整后的切面粗糙度Ra值可达1.25~0.63um，尺寸精度可达IT6~IT7。 2. 弯曲 弯曲是将平直板料弯成一定角度和圆弧的工序，如图3.5.4所示。弯曲时，坯料外侧的金属受拉应力作用，发生伸长变形。坯料内侧金属受压应力作用，产生压缩变形。在 这两个应力--应变区之间存在一个不产生应力和应变的中性层，其位置在板料的中心部 位。当外侧的拉应力超过材料的抗拉强度时，将产生弯裂现象。坯料越厚、内弯曲半径r越小，坯料的压缩和拉伸应力越大， 越容易弯裂。为防止弯裂，弯曲模的弯 曲半径要大于限定的最小弯曲半径r，min 通常取r= (0.25~1)δ。此外，弯min 曲时，应尽量使弯曲线和坯料纤维方向 垂直，不仅能防止弯裂，也有利于提高 图3.5.4 弯曲过程 零件的使用性能。 塑性弯曲和任何的塑性变形一样，在外加载荷的作用下，板料产生的变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。当外载荷去除后，塑性变形保留下来，而弹性变形部分则要恢复，从而使板料产生与弯曲方向相反的变形，这种现象称为弹复，又称回弹，如图3.5.5所示。弹复后，弯曲角减小(由α变为α')，弯曲半径增大(由r变为r ')。弹复的程度通常以弹复角Δα表示: Δα = α- α' 显然，弹复现象会影响弯曲件的尺 寸精度。弹复角的大小与材料的机械性 能、弯曲半径、弯曲角等因素有关。材 料的屈服强度越高、弯曲半径越大(即 弯曲程度越轻)，则在整个弯曲过程中， 弹性变形所占的比例越大，弹复角则越 大。这就是曲率半径大的零件不易弯曲 图3.5.5 弯曲时的弹复现象 成形的道理。此外，在弯曲半径不变的 1-弹复前 2-弹复后 条件下，弯曲角越大，变形区的长度就越大，因而，弹复角也越大。 为了克服弹复现象对弯曲零件尺寸的影响，通常采取的措施是利用弹复规律，增大凸模压下量，或适当改变模具尺寸，使弹复后达到零件要求的尺寸。此外，也可通过改变弯曲时的应力状态，把弹复现象限制在最小的范围内。 3. 拉深 拉深是利用拉深模使平面板料变为开口空心件的冲压工序，又称拉延。拉深可以制成筒形、阶梯形、球形及其它复杂形状的薄壁零件。 拉深过程如图3.5.6所示。原始直径为D的板料，经拉深后变成内径为d的杯形零件。凸模压入过程中，伴随着坯料变形和厚度的变化。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。其余环形部分坯料经变形成为空心件的侧壁，厚度有所减小。侧壁与底之间的过渡圆角部位被拉薄最严重。拉深件的法兰部分厚度有所增加。拉深件的成形是金属材料产生塑性流动的结果，坯料直径越大，空心件直径越小，变形程度越大。 图3.5.6 拉深过程 图9.5.7拉深废品 1-冲头 2-压板 3-凹模 a)拉穿 b)皱折 拉深件最容易产生的缺陷是拉裂和起皱。拉裂产生的最危险的部位是侧壁与底的过 渡圆角处。为使 拉深过程正常进行，必须把底部和图侧壁的拉应力限制在不使材料发生塑性变形的限度内，而环形区内的径向拉应力，则应达到和超过材料的屈服极限，并且，任何部位的应力总和都必须小于材料的强度极限，否则，就会造成如图3.5.7a所示的拉穿缺陷。起皱是拉深时坯料的法 兰部分受到切向压应力的作用，使整个法兰产生波浪形的连续弯曲现象。环形变形区内的切向压应力很大，很容易使板料产生如图3.5.7b所示的皱折现象，从而造成废品。为此，必须采取以下措施: 1)拉深模具的工作部分，必须加工成圆角。圆角半径r=10δ，r=(0.6~1)r; 凹凸凹 2)控制凸模和凹模之间的间隙Z=(1.1~1.5)δ。间隙过小，容易擦伤工件表面，降低模具寿命。 3)正确选择拉深系数。板料拉深时的变形程度通常以拉深系数m表示: m = d / D 式中 d------拉深后的工件直径; D-----坯料直径。 拉深系数越小，拉深件直径越小，变形程度越大，越容易产生拉裂废品。拉深系数一般不小于0.5~0.8，塑性好的材料可取下限值。 4)为了减少由于摩擦引起的拉深件内应力的增加及减少模具的磨损，拉深前要在工件上涂润滑剂。 5)为防止产生皱折，通常都用压边圈将工件压住。压边圈上的压力不宜过大，能压住工件不致起皱即可。 4. 成形 成形是使板料或半成品改变局部形状的工序，包括压肋、压坑、胀形、翻边等。 (1)压肋和压坑(包括压字，压花) 是压制出各种形状的凸起和凹陷的工序。采用的模具有刚模和软模两种。图3.5.8所示是用刚模压坑。与拉深不同，此时只有冲头下的 这一小部分金属在拉应力作用下产生塑性变形，其余部分的金属并不发生变形。图3.5.9 图3.5.8 刚模压坑 图3.5.9 软模压肋 所示是用软模压肋，软模是用橡胶等柔性物体代替一半模具。这样，可以简化模具制造，冲制形状复杂的零件。但软模块使用寿命低，需经常更换。此外，也可采用气压或液压成形。 图3.5.10 刚模胀图3.5.11 软模胀形 形 1-凸模 2-凹模 3-工件 4-橡胶 5-外套 6- 1-分瓣凸模 2-芯子 3-工件 4-顶杆 垫块 (2)胀形 是将拉深件轴线方向上局部区段的直径胀大也可采用刚模(如图3.5.10所示)或软模(如图3.5.11所示)进行。刚模胀形时，由于芯子2的锥面作用，分瓣凸模1在压下的同时沿径向扩张，使工件3胀形。顶杆4将分瓣凸模顶回到起始位置后， 图3.5.13 翻孔过程 图3.5.12 翻边 即可将工件取出。显然，刚模的结构和冲压工艺都比较复杂，而采用软模则简便得多。因此，软模胀形得到广泛应用。 (3)翻边 是在板料或半成品上沿一定的曲线翻起竖立边缘的冲压工序。按变形的性质，翻边可分为伸长翻边和压缩翻边。当翻边在平面上进行时，称平面翻边;当翻边在曲面上进行时，又称曲面翻边。如图3.5.12所示。孔的翻边是伸长类平面翻边的一种特定形式，又称翻孔。翻孔过程如图3.5.13所示。 成形工序使冲压件具有更好的刚度和更加合理的空间形状。 3.6锻压件结构设计 在设计锻压件结构和形状时，除满足使用性能要求外，还应考虑锻压设备和工具的特点。良好的锻压件结构工艺性应以结构合理、锻造方便、减少材料和工时的消耗和提高生产率为目的加以确定。在进行锻压件的结构设计时应注意的主要问题见表3.6.1所示。 表3.6.1 锻压件的合理结构 复习与思考题: 3-1 为什么钢制机械零件需要锻造而不宜直接选用型材进行加工, 3-2 单晶体和多晶体塑性变形的实质各是什么, 3-3 区分冷变形和热变形。 3-4 冷变形强化对金属组织性能有何影响，在实际生产中怎样运用其有利因素, 3-5 再结晶对金属组织性能有何影响，在实际生产中怎样运用其有利因素, 3-6 锻造流线的存在对金属机械性能有何影响，在零件设计中应注意哪些问题, 3-7 为什么要规定锻造加热温度范围, 3-8 金属在加热时可能会出现哪些缺陷，如何预防, 3-9 自由锻有哪些主要工序,并叙述其应用范围。 3-10 设计自由锻零件时应注意哪些问题, 3-11 试确定图3-1所示零件的锻造工艺。 图3-1～题3-11图 3-12 试比较各种模锻方法的工艺特点及应用。 3-13 生活用品中有哪些产品是板料冲压制成的,举例说明其冲压工序。 3-14 弯曲时，工件受力和变形的过程如何,易产生什么缺陷，如何防止, 3-15 拉深时，工件受力和变形的情况如何,拉深时常见的废品有哪些，如何防止, 3-16 简述其它压力加工方法的特点。