鍛造工藝學4-模具設計與制造專業(yè)

1、機電工程系模具設計與制造專業(yè)第四章第四章 自由鍛主要工序分析自由鍛主要工序分析Seite 2Seite 3Seite 4空氣錘空氣錘Seite 54-1 4-1 概概 述述一、定義一、定義自由鍛自由鍛利用沖擊力或壓力使金屬在上下兩個平板利用沖擊力或壓力使金屬在上下兩個平板之間產生變形，從而得到所需形狀及尺寸的鍛件。之間產生變形，從而得到所需形狀及尺寸的鍛件?；蛘哒f：只用簡單的工具，或在鍛造設備的上下砧間或者說：只用簡單的工具，或在鍛造設備的上下砧間直接對坯料施加外力，使坯料產生變形而獲得所需形直接對坯料施加外力，使坯料產生變形而獲得所需形狀及內部質量的鍛件的加工方法。狀及內部質量的鍛件的加工方

2、法。Seite 6自由鍛造：自由鍛造：手工手工自由鍛造和自由鍛造和機械機械自由鍛造（自由鍛）自由鍛造（自由鍛）鍛錘自由鍛鍛錘自由鍛產生沖擊力使金屬坯料變形（中小型）產生沖擊力使金屬坯料變形（中小型）水壓機自由鍛水壓機自由鍛靠壓力使坯料變形（大型）靠壓力使坯料變形（大型）優(yōu)點：所用工具簡單，通用性強、靈活性大，因此適合單件優(yōu)點：所用工具簡單，通用性強、靈活性大，因此適合單件和小批鍛件。和小批鍛件。缺點：鍛件精度低，加工余量大，生產率低，勞動強度大。缺點：鍛件精度低，加工余量大，生產率低，勞動強度大。Seite 7二、自由鍛工序分類二、自由鍛工序分類 自由鍛工序自由鍛工序：基本工序基本工序、輔助工

3、序輔助工序和和修整工序修整工序基本工序基本工序 指能夠大幅度地改變坯料形狀和尺寸指能夠大幅度地改變坯料形狀和尺寸的工序，是主要變形工序。的工序，是主要變形工序。如鐓粗、拔長、沖孔、芯軸拔長、彎曲、錯移、扭轉、切割如鐓粗、拔長、沖孔、芯軸拔長、彎曲、錯移、扭轉、切割、芯軸擴孔等。、芯軸擴孔等。 輔助工序輔助工序 指在坯料進入基本工序前預先變形指在坯料進入基本工序前預先變形的工序。的工序。 如鋼錠倒棱和縮頸倒棱、預壓鉗把、階梯軸分段壓痕等。如鋼錠倒棱和縮頸倒棱、預壓鉗把、階梯軸分段壓痕等。Seite 8修整工序修整工序 即后續(xù)工序。指用來精整鍛件尺寸和即后續(xù)工序。指用來精整鍛件尺寸和形狀使完全達到

4、鍛件圖要求的工序。一般是在某一形狀使完全達到鍛件圖要求的工序。一般是在某一基本工序完成后進行?；竟ば蛲瓿珊筮M行。 如鐓粗后的鼓形滾圓和截面滾圓，凸起、凹下及不如鐓粗后的鼓形滾圓和截面滾圓，凸起、凹下及不平和有壓痕面的平整，拔長后的彎曲校直和鍛斜后的校正平和有壓痕面的平整，拔長后的彎曲校直和鍛斜后的校正等。等。自由鍛件的成形都是這三類工序的組合自由鍛件的成形都是這三類工序的組合Seite 9Seite 10輔助工序輔助工序Seite 11修整工序修整工序Seite 12三、金屬塑性變形及流動的幾個問題三、金屬塑性變形及流動的幾個問題（一）影響金屬塑性變形流動的三個因素（一）影響金屬塑性變形流動

5、的三個因素 加載情況、受力情況、變形情況加載情況、受力情況、變形情況 整體加載整體加載整體受力整體受力 如鐓粗如鐓粗 局部加載局部加載整體受力整體受力整體變形整體變形 如沖孔（如沖孔（D/d5D/d5D/d5）Seite 13（二）金屬塑性變形的不均勻性（二）金屬塑性變形的不均勻性 實質上是由金屬質點的不均勻流動引起的。實質上是由金屬質點的不均勻流動引起的。（三）塑性變形時金屬的流動方向（三）塑性變形時金屬的流動方向 最小阻力定律最小阻力定律Seite 144-2 4-2 自由鍛工序特點自由鍛工序特點 定義：在外力作用下，使坯料高度減小定義：在外力作用下，使坯料高度減小，橫截面增大的鍛造工序。

6、，橫截面增大的鍛造工序。一、一、鐓粗鐓粗Seite 15（二）鐓粗的作用：（二）鐓粗的作用： 獲得橫截面較大而高度較小的鍛件（餅塊件）。獲得橫截面較大而高度較小的鍛件（餅塊件）。 用作沖孔前的準備工序用作沖孔前的準備工序( (增大坯料的橫截面積以便于增大坯料的橫截面積以便于沖孔沖孔) )。 “反復鐓拔法反復鐓拔法”，鐓粗與拔長相結合，可提高鍛造，鐓粗與拔長相結合，可提高鍛造比，同時擊碎合金工具鋼中的塊狀碳化物，并使其分布比，同時擊碎合金工具鋼中的塊狀碳化物，并使其分布均勻以提高鍛件的使用性能。均勻以提高鍛件的使用性能。 提高鍛件的橫向力學性能以減小力學性能的異向性提高鍛件的橫向力學性能以減小力

7、學性能的異向性。Seite 16（四）主要質量問題和變形流動特點（四）主要質量問題和變形流動特點 -針對圓截面坯料針對圓截面坯料的鐓粗討論的鐓粗討論 1 1質量問題：側表面產生縱向或質量問題：側表面產生縱向或4545裂紋；裂紋； 側表面出現(xiàn)鼓形；側表面出現(xiàn)鼓形； 上下端存留鑄態(tài)組上下端存留鑄態(tài)組織；織； 高坯料鐓粗易失穩(wěn)高坯料鐓粗易失穩(wěn)彎曲。彎曲。（三）（三）主要方法主要方法: : 平砧鐓粗平砧鐓粗、墊環(huán)鐓粗和局部鐓粗。、墊環(huán)鐓粗和局部鐓粗。Seite 172 2變形流動特點變形流動特點（1 1）鐓粗時由于坯料兩端面與工具存在摩擦力而導致金屬）鐓粗時由于坯料兩端面與工具存在摩擦力而導致金屬變形

8、不均勻。變形不均勻。 坯料上下端面及其表層金屬因受摩擦力影響成為難變坯料上下端面及其表層金屬因受摩擦力影響成為難變形區(qū)（形區(qū)（）；區(qū)域（）；區(qū)域（）為大變形區(qū)）為大變形區(qū); ; 區(qū)域（區(qū)域（）為小變形）為小變形區(qū)。因此，鐓粗結果，坯料由圓柱形變?yōu)楣男巍Ａ硗?，（區(qū)。因此，鐓粗結果，坯料由圓柱形變?yōu)楣男?。另外，（I I）區(qū)與工具接觸，溫度降低快，也是難變形的原因之一。）區(qū)與工具接觸，溫度降低快，也是難變形的原因之一。i. i. 這樣三個區(qū)域的變形不均勻使金屬內部晶粒粗細不一。大變形區(qū)變形這樣三個區(qū)域的變形不均勻使金屬內部晶粒粗細不一。大變形區(qū)變形充分，得到細晶粒；難變形區(qū)，還保留粗大的鑄態(tài)組織。充

9、分，得到細晶粒；難變形區(qū)，還保留粗大的鑄態(tài)組織。ii.ii.（）（）（）區(qū)變形的不均，又引起了側表面裂紋的產生。）區(qū)變形的不均，又引起了側表面裂紋的產生。Seite 18hrIIIIIIIIIIII平砧鐓粗變形分布與應力狀態(tài)分析平砧鐓粗變形分布與應力狀態(tài)分析Seite 19（2 2）不同高徑比不同高徑比坯料的鐓粗坯料的鐓粗 坯料形狀和尺寸對鐓粗時不均勻變形也有影響。坯料形狀和尺寸對鐓粗時不均勻變形也有影響。H0/D0=2.5H0/D0=2.5HO/D0=1.45HO/D0=1.45H0/D0=1H0/D0=10.670.67H0/D0=0.22H0/D0=0.22不同髙徑比坯料鐓不同髙徑比坯料

10、鐓 粗的變形情況粗的變形情況Seite 203 3為減少缺陷可采取的為減少缺陷可采取的措施措施有：有： a a 采用潤滑，預熱工具采用潤滑，預熱工具 b b 用側凹形毛坯鐓粗用側凹形毛坯鐓粗Seite 21c c 使用軟金屬墊鐓粗使用軟金屬墊鐓粗 軟金屬墊鐓粗軟金屬墊鐓粗 Seite 22d d 疊料鐓粗疊料鐓粗 疊料鐓粗疊料鐓粗f 反復鐓粗拔長工藝反復鐓粗拔長工藝Seite 23單墊環(huán)鐓粗Seite 24 局部鐓粗局部鐓粗Seite 25二、二、拔長拔長 （一）定義：使坯料橫截面減小，以增加其長度的（一）定義：使坯料橫截面減小，以增加其長度的鍛造工序鍛造工序（二）拔長作用：（二）拔長作用：

11、由橫截面積較大的坯料得到橫由橫截面積較大的坯料得到橫截面積較小、而軸向較長的軸類鍛件；截面積較小、而軸向較長的軸類鍛件； 作為輔助工序作為輔助工序進行局部變形；進行局部變形； “反復鐓拔反復鐓拔”工序。工序。Seite 26拔長工序是通過逐次送進和反復轉動坯料進行壓縮拔長工序是通過逐次送進和反復轉動坯料進行壓縮變形，耗費工時最多。變形，耗費工時最多。 拔長操作方法Seite 27（三）拔長時主要質量問題和變形流動特點：（三）拔長時主要質量問題和變形流動特點： 1 1質量問題：裂紋，表面折疊，端面內凹，組織質量問題：裂紋，表面折疊，端面內凹，組織與性能不均。與性能不均。 2 2拔長時的變形特點拔

12、長時的變形特點拔長時坯料變形情況與鐓粗變形有某些相似之處，拔長時坯料變形情況與鐓粗變形有某些相似之處，它是兩端帶有不變形金屬的鐓粗。它是兩端帶有不變形金屬的鐓粗。Seite 28拔長時，最關注的是拔長速度和拔長對鍛件質量拔長時，最關注的是拔長速度和拔長對鍛件質量的影響。的影響。影響這兩項指標的影響這兩項指標的主要因素主要因素有的：送進量有的：送進量L0、壓、壓下量下量h、砧面與坯料的形狀、錘擊的輕重與操作、砧面與坯料的形狀、錘擊的輕重與操作方法以及坯料的加熱溫度等等。方法以及坯料的加熱溫度等等。 矩形截面拔長矩形截面拔長Seite 29（1 1）送進量送進量的大小，除影響生產率外，還影響鍛件質

13、量的大小，除影響生產率外，還影響鍛件質量當送進量太小，而坯料厚度（當送進量太小，而坯料厚度（h h0 0）又比較大，即當）又比較大，即當L L0 00.5h(0.5(0.50.75)h0.75)h。否則，會產生折疊，表面折疊產生主要是送進量與否則，會產生折疊，表面折疊產生主要是送進量與壓下量不合適，導致鍛件報廢。壓下量不合適，導致鍛件報廢。 拔長時坯料溫度應適中、均勻。錘擊須快，錘拔長時坯料溫度應適中、均勻。錘擊須快，錘擊的輕重（打擊力的大?。┮阅苠懲概髁蠟闇?。擊的輕重（打擊力的大?。┮阅苠懲概髁蠟闇?。Seite 323 3坯料拔長時缺陷的防止措施坯料拔長時缺陷的防止措施 （1 1）表面橫向裂

14、紋與角裂，前者是由于送進量過）表面橫向裂紋與角裂，前者是由于送進量過大同時壓縮量也過大所引起的；后者除了變形原因大同時壓縮量也過大所引起的；后者除了變形原因外，主要是由于角部溫度散失快，產生溫度應力，外，主要是由于角部溫度散失快，產生溫度應力，引起表面拉力過大引起表面拉力過大( (應及時進行倒角應及時進行倒角) )。 （2 2）表面折疊）表面折疊 主要是由于送進量太小主要是由于送進量太小Seite 33（3 3）內部橫向裂紋）內部橫向裂紋 也是由于送進量太小，出現(xiàn)也是由于送進量太小，出現(xiàn)雙鼓形特征，引發(fā)軸心拉應力。雙鼓形特征，引發(fā)軸心拉應力。 （4 4）內部縱向裂紋）內部縱向裂紋 送進量過大，

15、壓下量較小，送進量過大，壓下量較小，所造成的中心拉應力。所造成的中心拉應力。 （5 5）端面內凹）端面內凹 送進量太小，表面金屬變形大、送進量太小，表面金屬變形大、軸心尚未來得及變形引起的。軸心尚未來得及變形引起的。 此外還有：對角線裂紋，端面裂紋，端部孔壁裂此外還有：對角線裂紋，端面裂紋，端部孔壁裂紋紋Seite 34（四）型砧拔長（四）型砧拔長 坯料在坯料在V V型砧或圓弧型砧中拔長。型砧或圓弧型砧中拔長。V V型砧有兩型砧有兩種情形：即種情形：即“上平下上平下V”V”型和型和“上下上下V”V”型。其作用是利用側壓型。其作用是利用側壓限制金屬的橫向流動，迫使金屬沿軸向伸長。限制金屬的橫向流

16、動，迫使金屬沿軸向伸長。在型砧中拔長可提高生產率，防止內部縱向裂紋的產生。在型砧中拔長可提高生產率，防止內部縱向裂紋的產生。 拔長砧子形狀及其對變形區(qū)分布的影響 a)上下V形砧 b)上平下V砧 c) 上下平砧Seite 35（五）空心件拔長（五）空心件拔長( (芯軸拔長芯軸拔長) ) 在拔長時孔中穿一根芯軸，是一種減小空心坯料在拔長時孔中穿一根芯軸，是一種減小空心坯料的壁厚而增加其長度的鍛造工序。的壁厚而增加其長度的鍛造工序。適用于鍛造長筒形鍛件適用于鍛造長筒形鍛件 主要質量問題：孔內壁開裂和壁厚不均主要質量問題：孔內壁開裂和壁厚不均Seite 36三、三、沖孔沖孔 （一）定義：采用沖子將坯料

17、沖出透孔或盲孔（一）定義：采用沖子將坯料沖出透孔或盲孔( (不透孔不透孔) )的鍛造工序稱為沖孔。的鍛造工序稱為沖孔。較薄的坯料通常采用單面沖孔；較薄的坯料通常采用單面沖孔；厚度較大的鍛件，一般采用雙面沖孔法厚度較大的鍛件，一般采用雙面沖孔法 實心沖子沖孔 1毛坯 2沖墊 3沖子 4 心料Seite 37（二）沖孔常用于：（二）沖孔常用于： 大于大于3030的盲孔或透孔鍛件；的盲孔或透孔鍛件； 需要擴孔的鍛件需需要擴孔的鍛件需要預沖孔；要預沖孔； 需拔長的空心件需需拔長的空心件需要預沖孔。要預沖孔。 具有透孔或盲孔的零件，在鍛造時應盡量采用沖孔工序具有透孔或盲孔的零件，在鍛造時應盡量采用沖孔工

18、序將孔鍛出，以求節(jié)約原材料和減少機械加工工作量。將孔鍛出，以求節(jié)約原材料和減少機械加工工作量。Seite 38（三）沖孔時主要質量問題和變形特點（三）沖孔時主要質量問題和變形特點 1 1沖孔時，在沖頭下的圓柱體區(qū)（沖孔時，在沖頭下的圓柱體區(qū)（A A區(qū)）的金屬受鐓粗區(qū)）的金屬受鐓粗作用，沿水平方向流動，但受到外圍環(huán)形區(qū)金屬的阻礙而處作用，沿水平方向流動，但受到外圍環(huán)形區(qū)金屬的阻礙而處于三向壓應力狀態(tài)。環(huán)形區(qū)（于三向壓應力狀態(tài)。環(huán)形區(qū)（B B區(qū)）則受到圓柱體區(qū)向外擴區(qū)）則受到圓柱體區(qū)向外擴張作用而處于切向拉應力狀態(tài)。當切向拉應力超過材料強度張作用而處于切向拉應力狀態(tài)。當切向拉應力超過材料強度時，鍛件孔壁就會產生縱向裂紋。時，鍛件孔壁就會產生縱向裂紋。 沖孔后，坯料的形狀也會走樣，即上端面凹進，下端面沖孔后，坯料的形狀也會走樣，即上端面凹進，下端面凸出，高度減小和側面產生鼓形。因此，沖孔后鍛件尚需加凸出，高度減小和側面產生鼓形。因此，沖孔后鍛件尚需加修整工序。修整工序。Seite 39 2 2沖孔時易產生的缺陷及防止措施沖孔時易產生的缺陷及防止措施 走樣走樣 主要是由于坯料尺寸不合理。沖孔前主要是由于