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1、锻造加工技术第六章 锻造与冲压成形技术锻造和冲压都是通过工模具对金属毛坯施加压力，使其产生塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的坯料或零件的成形方法。锻造是一种体积成形方法，通常在高温下进行；冲压是一种板成形方法，通常在室温下进行。锻造和冲压是机械制造中非常重要的成形技术，在工业生产中占有举足轻重的地位。锻压成形技术水平及其生产能力，体现了一个国家的工业技术发展水平，对国民经济建设有着重大影响。6.1 锻造成形技术6.1.1 锻造技术发展概况在现代技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成锻件或零件，只是难易程度不同。今天，锻件精度愈来愈高，可以达到甚至超过机械加工的一般精度水平

2、。如各种冷温挤压标准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等；锻件重量愈来愈大，随着大型水压机的出现，自由锻件的重量超过了一百吨，模锻件的外径也达到100厘米以上；锻件的复杂程度由于多分模面的出现也得到了明显地提高，带有来福线的空心管件已经可在专用锻压设备上直接成形。一般地说，锻件复杂程度不如铸件，但铸件的内部组织和机械性能却不能与锻件相提并论。经过热处理的锻件，无论冲击韧性、断裂强度、疲劳强度等力学性能均占压倒性优越。一切重要零件均选用锻造方法生产，其根本原因也就在于此。这种势态在可预见的未来，仍然会保持下去。特别是在二十一世纪新时代，应当看到，一切工业部门都将面临着革新浪潮的冲击，届时得以保持

3、下来的，将是采用最新技术的部门，而且会出现不同生产工艺的相互竞争。例如，长期以来，各类曲轴生产为锻造业的垄断领域。但由于铸造技术的迅速发展，至少今天在一些国家曲轴铸件取代了一部分曲轴锻件。涡轮叶片自从问世以来，几乎认为非锻莫属，但现在美国越来越多地采用铸造涡轮叶片。生产上的这种取代现象，反映了人类社会的发展和科学技术的进步。在这个进程中，锻造业的作用和生命力丝毫没有因此而削弱，相反，而是朝着更高的水平发展。如上所述，齿轮、叶片、空心轴类件等不是也曾认为非机械加工不可，事实上今天锻造工艺代替机械加工已比比皆是。尽管机械加工的尺寸精度和表面光洁度高，但随着少无切削锻造工艺的发展，锻件精度和光洁度也

4、已逐步达到了车床、铣床，甚至磨床加工的水平。冷镦、冷挤压、冷精压的锻件，可以不需机械加工直接装机使用，如销子、螺钉、螺帽标准件等。至于生产率和材料利用率，锻造工艺处于领先地位。二十世纪三十年代出现的冷镦、冷挤工艺，使标准件和一些军工产品零件的材料利用率从一般锻件的4050%提高到85%以上；四十年代出现的精锻轴类件技术，为各种轴类件少无切削生产打下了基础；五十年代发展起来的辊扎技术，极大地提高了轴承行业钢球、滚柱、轴承内外环的生产率和材料利用率，实现了专线机械化自动连续生产；六十年代各国更是大量地开展了精锻工艺的研究工作，确定了在锻压机上伞齿轮、圆柱齿轮及各类叶片精锻成形的可能性。为了实现形状

5、复杂的、特薄的锻件精确成形，高速锤新设备首先在西欧英美应运而生。我国从六十年代中期也开展了这方面的研制工作。毫无疑问，随着锻造技术的日益发展，将更加有力地证明，锻造方法在工业生产中的作用、对国民经济的影响是极其深远的。锻造方法处于毛坯生产的现况不仅会得到改变，并且要向生产广度开发新的领域。6.1.2 锻造成形方法分类锻造成形的主要方法是自由锻和模锻。自由锻造是一种简单、灵活的金属成形方法，尽管对于中小型锻件成批或大量生产的情况下，自由锻公认是一种过时的、不经济的锻造成形方法，可是对于小批或单位生产，特别是大型锻件，在锤上或水压机上进行自由锻，却仍是一种适用的、经济的生产方法。模锻是锻造成形的主

6、要工艺，所用设备主要有模锻锤、无砧座锤、曲柄压力机、螺旋压力机和高速锤等。模锻生产率高、锻件尺寸稳定、材料利用率高，所以普遍使用于中小型锻件成批和大量生产。汽车、拖拉机、飞机、动力机械等工业中，据估计，模锻件数量大，占这些行业锻件总重量的90%左右。锻造成形除自由锻和各种模锻基本方法外，还有一些其它特殊成形方法，如电镦、冷挤压、旋转锻造、辊锻、摆动辗压、多锤头精锻、磁力锻造、超塑性成形、静液压成形、悬浮式锻造等在国内外近二十余年来发展很快。这类特殊锻造成形技术，将有力推动材料加工行业的迅猛发展。本书重点介绍自由锻和模锻的基本成形工艺。6.1.3 自由锻造自由锻造（简称自由锻）是金属塑性加工的一

7、种简单而灵活的基本成形方法。它是利用锻压设备上下砧块和一些简单通用工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形。自由锻有手工锻造和机器锻造之分。随着机器制造工业的迅速发展，现在生产中主要采用机器锻造。根据锻造设备类型不同，机器锻造可分为锻锤自由锻和水压机自由锻两种。前者用以锻造中小锻件，后者主要锻造大型锻件。由于自由锻所用的工具简单，通用性强，灵活性大，因此适合单件和小批量锻件的生产。自由锻件是由坯料逐步变形而成，工具只与坯料部分接触，故所需设备功率比模锻要小得多，所以自由锻也适于锻造大型锻件。如万吨模锻水压机只能模锻几百公斤重的锻件，而万吨自由锻水压机却可锻造重达百吨以上大型锻件。可见，对于大型锻件

8、的锻造，只能采取自由锻成形技术。但是，自由锻是靠工人的操作来控制锻件的形状和尺寸，所以锻件的精度差，锻造生产率低，劳动强度较大。针对以上不足，近些年来自由锻生产在提高锻件精度和实现机械化方面，正在不断得到改善和发展。6.1.3.1自由锻工序与锻件分类任何锻件的自由锻造成形过程，均由一系列变形工序组成。根据工序的变形特点和变形程度的不同，自由锻的工序可以分为基本工序、辅助工序和修整工序三类。改变坯料的形状和尺寸以获得锻件的工序称为基本工序。自由锻的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转、锻接等。为了完成基本工序而使坯料预先产生某一变形的工序叫做辅助工序，如钢锭倒棱

9、、预压钳把、分段压痕等。用来精整锻件尺寸和形状，消除锻件表面不平、歪扭等，使锻件完全达到锻件图要求的工序叫做修整工序，如鼓形滚圆、端面平整、弯曲校直等。修整工序的变形量通常都很小。上述各种自由锻工序的简图，见表61。自由锻是一种通用性很强的成形方法，它可以锻造多种多样的锻件，锻件形状复杂程度相差很大。为了便于安排生产和制订工艺规范，应按照锻造工艺特点给锻件分类，即把形状特征相同、变形过程类似的锻件归为一类。按此，自由锻锻件可分为六类：饼块类锻件、空心类锻件、轴轩类锻件、曲轴类锻件、弯曲类锻件和复杂形状锻件。锻件分类简图见表62。表61 自由锻件工序简图表62 自由锻件分类图本书以镦粗和拔长为例

10、对自由锻基本工序进行分析。6.1.3.2 镦粗使坯料高度减小而截面增大的锻造工序为镦粗。镦粗用于：将高径（宽）比大的坯料锻成高径（宽）比小的饼块锻件；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；提高锻件的横向机械性能和减小机械性能的异向性等。镦粗的主要方法有平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。1平砧镦粗 坯料在上下平砧间或镦粗平板间进行的镦粗称为平砧镦粗，如图6-1所示。镦粗的变形程度除用压下量H（H= H0-H）、相对变形、对数变形表示之外，常以坯料镦粗前后的高度之比镦粗比KH来表示，即： （6-1） 或 （6-2）式中 H0、H镦粗前、后坯料的高度 坯料

11、高度方向的对数变形 （6-3） 坯料高度方向的相对变形， （6-4）镦粗是自由锻最基本的工序。不仅一些锻件（如饼块锻件、空心锻件）必需采用镦粗成形，在其它锻造工序（如拔长、冲孔等）中也都包含镦粗因素。因此，了解镦粗时的变形规律，对掌握锻造工艺具有重要意义。图6-1 平砧镦粗 图6-2 圆柱坯料镦粗时的变形分布 I难变形区 II大变形区 III小变形区用平砧镦粗圆柱坯料时，随着高度的减小，金属不断向四周流动。由于坯料和工具之间存在摩擦，镦粗后坯料的侧表面将变成鼓形，同时造成坯料内部变形分布不均。通过采用网格法的镦粗实验可以看到（图6-2），根据镦粗后网格的变形程度大小，沿坯料对称面可分为三个变形

12、区。区域I：由于摩擦影响最大，该区变形十分困难，称为“难变形区”。区域II：不但受摩擦的影响较小，应力状态也有利于变形，因此该区变形程度最大，称为“大变形区”。区域III：其变形程度介于区域I与区域II之间，称为“小变形区”。因鼓形部分存在切向拉应力，容易引起表面产生纵向裂纹。对不同高径比尺寸的坯料进行镦粗时，产生鼓形特征和内部变形分布也不同，如图6-3所示。镦粗高径比的坯料时，开始在坯料的两端先产生双鼓形，形成I、II、III、IV四个变形区。其中，区域I、II、III同前所述，坯料中部为均匀变形区IV，该区受摩擦影响小，内部变形均匀分布，侧表面保持圆柱形。如果继续镦粗到，则由双鼓形变为单鼓

13、形。镦粗高径比1的坯料时，只产生单鼓形，形成三个变形区。当镦粗高径比0.5的坯料时，变形区I中的I也产生一定变形，鼓形逐渐减小。上述平砧镦粗时的金属流动特点，对锻造工艺和锻件质量都很不利。由于坯料侧面出现鼓形，不但要增加修整工序，并且可能引起表面纵裂，对低塑性材料尤为敏感。此外，由于坯料内部变形的不均匀，必然引起锻件晶粒大小不均，从而导致锻件的性能也不均，这对晶粒度要求严格的锻件影响极大。如镦粗圆盘锻件时，在锻件的中部（相当II区），变形程度很大，为三向压应力状态，不但有利于焊合缺陷，还可得到细晶粒组织。而在锻件两端（相当I区），因为属于难变形区，所得组织晶粒粗大。因此，为了保证锻件质量，要求

14、尽量减小鼓形，提高变形的均匀性。在锻造生产中可以采用以下工艺措施。图6-4 凹形坯料镦粗 图6-5 软金属垫镦粗 图6-6 坯料叠起镦粗1 坯料 2板状软垫 3环形软垫（1）凹形坯料镦粗如图6-4所示，镦前对坯料端部局部变形，镦成侧表面向内凹的形状。对小坯料可用倾斜旋转倒棱方法锻成图6-4a形状，而大坯料可用擀铁使端部局部变形成图6-4b形状。然后进行镦粗，将内凹部分锻出，这样可以减小鼓形，使变形均匀。（2）软金属垫镦粗这种方法是将坯料放在两个软金属垫之间进行镦粗，如图6-5所示。由于容易变形的软金属垫的流动，对坯料产生了向外的主动摩擦力，促使坯料端部的金属向四周流动。因此，坯料镦粗时不会形成

15、鼓形，没有难变形区，变形比较均匀。金属软垫形式有两种，一种是板状软垫，镦后锻件端面内凹（图6-5a）；另一种是环形软垫，镦后锻件端面外凸（图6-5b）。两者相比，后者较好。（3）坯料叠起镦粗在镦粗成形薄饼类锻件时，可将两个坯料叠起来镦粗，镦到侧面出现鼓形后，把坯料翻转180再叠起镦粗，镦到侧面为圆柱面止，如图6-6所示。这种方法不但可以获得没有鼓形的锻件，由于上下端部先后均位于II区变形，因此消除了难变形区而使变形均匀。另外，为了锻合坯料内部的缺陷和减小镦粗的变形力，在镦粗时应将坯料加热到最高允许的加热温度。2垫环镦粗 坯料在单个垫环上或在两个垫环间进行的镦粗称为垫环镦粗，如图6-7所示。这种

16、镦粗方法，用于锻造带有单边或双边凸肩的饼块锻件。由于锻件凸肩直径和高度比较小，采用的坯料直径要大于环孔直径，因此垫环镦图6-7 垫环镦粗粗变形实质属于镦挤。坯料在进行垫环镦粗时，金属可朝两个方向流动，一部分是沿着径向流向四周，使锻件的外径增大；另一部分沿着轴向流入环孔，增大锻件凸肩高度。可以想象，在金属径向流动与轴向流动区间，存在一个不产生流动的分界面，称为分流面。分流面的位置与下列因素有关：坯料高度与直径之比、环孔与坯料直径之比、变形程度（）、环孔斜度（）及摩擦条件等。3局部镦粗 坯料只是局部长度（端部或中间）进行镦粗称为局部镦粗，如图6-8所示。这种镦粗方法可以锻造凸肩直径和高度较大的饼块

17、锻件，也可锻造端部带有较大法兰的轴杆锻件。局部镦粗时的金属流动特征，与平砧镦粗相似，但受不变形部分的影响，即“刚端”影响。锻件以局部镦粗方式成形时，坯料尺寸最好是按杆部直径选取。为了避免镦粗时产生纵向弯曲，坯料变形部分高径比应小于2.53。因此，对于头部较大而杆部较细的锻件，只能采用大于杆部直径的坯料。锻造时可先拔长杆部，然后再局部镦粗头部。或者相反，先局部镦粗成形头部，然后再拔长得到杆部。6.1.3.3 拔长使坯料横截面减小而长度增加的锻造工艺称为拔长。拔长除了用于轴杆锻件成形，还常用来改善锻件内部质量。由于拔长是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形，所以它是锻造生产中耗费工时最多的一种锻

18、造工序。因此，在研究拔长工序时，除了分析影响拔长质量的因素以外，还应分析影响拔长效率的有关因素。1 拔长变形特点 坯料拔长时，每送进压下一次，只有部分金属变形。如图6-9所示，拔长前变形区的长为l0、宽为b0、高为h0。l0又称送进量，称为相对送进量。拔长后变形区的长为l、宽为b、高为h。h=h0-h称为压下量，b=b-b0称为展宽量，l=l-l0称为拔长量。拔长的变形程度是以坯料拔长前后的截面积之比锻造比（简称锻比）KL来表示，即： （6-5）式中 F0拔长前坯料的截面积，即F0=h0b0；F拔长后坯料的截面积，即F=hb。拔长时的金属流动规律，根据最小阻力定律可知，当l0=b0时，考虑到未

19、变形部分（刚端）的影响，l近似等于b；当l0b0时，则lb；当l0b。由此可见，采用小送进量拔长时，拔长量大而展宽量小，有利于提高拔长效率。因此，通常多以小送进量进行拔长。但是送进量也不能过小，因为会增多压下次数，这在一定程度上将降低拔长效率。如采用型砧拔长，由于金属横向流动受到限制，迫使金属主要沿着轴向流动，所以与平砧相比拔长效率可提高2040%。在坯料沿着轴向逐次送进拔长时，变形相当于一系列镦粗工序组合。通过采用网格法的拔长实验可看到（图6-10），拔长具有与镦粗变形相类似的特征，即坯料侧表面产生鼓形，内部的变形分布不均匀。所不同的是拔长有刚端的影响，横向展宽相对减小，轴向伸长得到增加。但

20、是必须指出，从拔长过程网格变化可看到（图6-11），坯料各个部分都能充分变形，因而拔长后锻件内部组织比较均匀。这也就是拔长能够改善内部组织，提高锻件质量的原因所在。2拔长变形计算 采用平砧拔长矩形截面坯料时，高度方向压缩减少的金属体积，一部分沿纵向转移使坯料伸长，一部分沿横向转移使坯料展宽。拔长时坯料横截面的变化，如图6-25所示。一般情况下：Ff0。根据实验，展宽强度系数f取决于送料比、坯料尺寸、即。具体数值可参考表6-3确定。展宽强度系数f与锻比KL和高度相对变形程度的关系如下： （6-8）对一定尺寸坯料，当与f已定时，可以算出锻比KL。从而，便能确定每次拔长后的锻坯尺寸，以及确定拔长所需

21、要的压下次数。 （6-9） （6-10） （6-11）式中 F0、F为坯料拔长前后的横截面积； l为坯料压下一次后的变形区长度。如沿坯料整个长度L0压了一遍，坯料拔长后全长为L，所需的压缩次数为n，则 （6-12） （6-13）6.1.3.4 锻造设备吨位选择在制订锻造工艺规程时，设备吨位选择也很重要。如选的设备吨位太小，锻件内部锻不透，而且生产率低；若设备吨位选的过大，不但浪费动力，提高锻造成本，操作也不灵便，还易打坏工具。因此，锻造设备吨位大小要适当。确定锻造设备吨位的方法有：理论计算法和经验类比法两种。1理论计算法 理论计算法是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

22、变形功），按此选取设备吨位。尽管目前的一些理论计算公式还不够精确，但仍能给确定锻造设备的吨位提供一定依据。在所有自由锻造工序中，镦粗工序的变形力（变形功）最大。很多锻造过程与镦粗有关，因此，一般常以镦粗力（镦粗功）的大小来选择设备。下面介绍工程上常用的主应力法关于变形力的计算方法。用液压机锻造时，由于压下速度比较慢，通常是根据锻件成形所需的变形力P来选择设备吨位。P=PF （6-14）式中 P为坯料与工具接触面上的单位流动压力（也称平均单位压力）；F为坯料与工具的接触面在水平方向的投影面积。因此，只要算出单位流动压力P，便可确定变形力P。（1）圆柱体坯料镦粗当时，单位流动压力可按下式计算： （

23、6-15）式中 D、H为镦粗终了锻件的直径和高度；为屈服应力，是坯料在相应变形温度和速度条件下的真实应力；为摩擦系数，在热锻时=0.30.5，热锻如无润滑，一般取=0.5。当时，单位流动压力可用下式计算： （6-16）（2）长方体坯料镦粗长为l、宽为a、高为H的锻件，单位流动压力的计算公式为： （6-17）如为长板锻件，即较小时，则 （6-18）若是方形锻件，即l=a时，则 （6-19）（3）坯料进行拔长采用上下平砧拔长矩形坯料时，可按下式计算单位流动压力： （6-20）式中 l0为送进量； h为锻件高度。采用圆弧砧子拔长圆形坯料时，则按下式计算单位流动压力： （6-21）式中 l0为送进量；

24、 d为锻件直径。2经验类比法 经验类比法是在统计分析生产实践数据的基础上，整理出经验公式、表格和图线，根据锻件某些主要参数（如重量、尺寸、接触面积），直接通过公式、表格或图线选定所需锻压设备吨位。锻锤吨位可按如下经验公式计算：镦粗时 G=（0.0020.003）kF（公斤） （6-22） 表6-4系数k 式中 k与坯料强度极限有关的系数，按表6-4确定；F锻件镦粗后与锻锤的接触面积（毫米2）。拔长时 G=2.5F（公斤） （6-23） 式中 F坯料横截面面积（厘米2）自由锻锻锤的锻造能力范围，可参照表6-5。表6-5 自由锻锻锤的锻造能力范围 锻锤吨位（千牛）锻件类型2.557.5102030

25、50圆饼D（mm）200250300400500600750H (mm)3550100150250300300圆环D（mm）15035040050060010001200H (mm)6075100150200250300圆筒D (mm)150175250275300125125125150500L(mm)150200275300350400550圆轴D(mm)80125150175225275350G（公斤）10020030050075010001500方块H=B(mm)80150175200250300450G(公斤)2550701003508001000扁方B(mm)10016017520

26、0400600700H(mm)7152025405070成型锻件G（公斤）520355070100300吊钩起重量（吨）351020305075钢锭直径（mm）125200250300400450600钢坯边长（mm）100175225275350400550注：D锻件外径、d锻件内径、H锻件高度、B锻件宽度、L锻件长度、G锻件重量。6.1.3.5制订自由锻工艺过程举例现以齿轮为例，制订该零件锻造工艺过程如下：图6-13为齿轮零件图，材料为45号钢，生产数量20件。由于生产批量小，应采取自由锻造。1 绘制锻件图 齿轮件采用自由锻方法，要锻出齿形技术上是不可能的，应加上余块，简化锻件外形以便锻造

27、。根据“锤上自由锻造锻件机械加工余量和公差标准”查得，锻件余量和公差为：，内孔余量为1.2a，取，于是便可绘出齿轮的锻件图，为图6-14。2计算坯料重量和尺寸锻件重量：公斤芯料重量：。 =（1.181.57）60265 0.3公斤烧损重量：公斤所以，坯料重量等于 公斤由于采用镦粗成形，坯料尺寸按下式计算：毫米，取D0=120毫米 毫米确定坯料尺寸为 120202（毫米）。3. 确定变形工艺和工具 根据锻件尺寸D=212、d=130、H=62，得到、。变形过程为：镦粗冲孔冲子扩孔。由于锻件带有单面凸肩，坯料直径比凸肩直径小，因而采取垫环局部镦粗。此件还可采取翻边锻造成形和套模冲切成形锻造方法。前

28、者操作过程复杂，要求技术水平较高，后者需专用工具，冲孔芯料损失较大。经过分析比较，决定采取垫环局部镦粗冲孔冲子扩孔变形工艺方案。工序顺序，工序尺寸，如图6-15所示。图6-15 齿轮锻造工艺过程开始镦粗是为了去除氧化皮，考虑到以后冲孔扩孔时金属还会沿径向流动，垫环镦粗后的外径D应小于锻件外径D，D可按下经验公式确定。，取D=280毫米式中 d锻锻件孔径；d冲子冲子直径。为了避免扩孔产生裂纹，冲子扩孔前需再次加热。扩孔分三次进行，每次扩孔量为：20、25、25毫米。最后，将锻件修整到锻件图尺寸。垫环孔腔体积V盘孔应比锻件凸肩体积V凸肩增大1015%，厚壁件取小值，薄壁件取大值。V盘孔=1.12V凸肩=813000毫米3垫环高度H盘考虑到冲孔产生拉缩现象，通常约比锻件凸肩高度H凸肩增大1535%。厚壁件取小值，薄壁件取大值。H盘=1.2H凸肩40毫米根据体积不变条件，算得垫环内径d盘为：d盘160毫米由于垫环内孔侧壁带有斜度，小端为154毫米，大端为163毫米。4选择锻造设备吨位 参照表6-5选取0.5吨自由锻锤。5确定锻造温度范围 45号钢的始锻温度为1200，终锻温度为800。6填写工艺卡片（从略）。