成形工藝與模具設計第九章課件

1、第三篇 鍛造工藝與模具設計第九章 鍛造工藝概述第十章 熱鍛工藝及模具設計第十一章 冷鍛工藝及模具設計第十二章 其他金屬體積成形方法簡介第九章 鍛造工藝概述第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點第二節(jié) 鍛造工藝流程第三節(jié) 鍛造設備第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點一、鍛造工藝分類二、鍛造工藝特點三、鍛造工藝現狀及發(fā)展第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點一、鍛造工藝分類1.按鍛造溫度分類(1)冷鍛：冷鍛通常是指坯料在常溫下進行的鍛造加工。(2)熱鍛：將金屬坯料加工至再結晶溫度以上鍛造的方法。(3)溫鍛：將鍛坯加熱至再結晶溫度以下鍛造的方法。鍛造加熱溫度劃分方法，在生產中并不完全統(tǒng)一。比如，鋼的再結晶溫度約為460，但普遍采用8

2、00作為劃分線，高于800為熱鍛；在300800之間稱為溫鍛或半熱鍛。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點一、鍛造工藝分類2.按生產方式分類如果按照鍛造的生產方式分類，應分為手工鍛造和機械鍛造兩大類。手工鍛造是指利用手錘及簡單工具進行的鍛造。機械鍛造根據其使用的設備和模具不同分為自由鍛、模鍛、胎模鍛及特種鍛造等。(1)自由鍛：指坯料在鍛擊方向以外的變形基本不受外部限制，利用錘砧或簡單通用性工具進行的鍛造。(2)模鍛：指金屬坯料在受到模具型腔限制的同時產生體積再分配的鍛造方法，包括開式和閉式鍛造。(3)胎模鍛：介于自由鍛與模鍛之間的一種過渡型鍛造方法。(4)特種鍛造：指具有一定特色工藝的鍛造方法。第一節(jié)

3、鍛造工藝分類及特點二、鍛造工藝特點1.改善金屬組織、提高力學和物理性能金屬鑄錠經過鍛造加工，原有粗大枝狀晶被打碎，在再結晶溫度下變形使晶粒得到細化；鍛合原有的氣孔、縮松等缺陷，使材料結構均勻、密實；金屬經過鍛擊后沿流動方向形成纖維組織，獲得較強的抵抗能力，力學和物理性能得到提高。2.生產效率高鍛造是在高速打擊力作用下使金屬產生體積再分配，因而生產效率非常高。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點二、鍛造工藝特點3.材料利用率高鍛造通過將坯料體積重新分配來獲得所需的形狀和尺寸，屬于少、無切屑加工，可大幅度減少因制件形狀所需切削加工的材料去除，降低材料浪費和切削加工量。4.適用范圍廣利用鍛造方法可以加工各種機

4、械零件。與其他任何制造方法一樣，鍛造也存在一些不足和缺欠，如不能加工脆性材料，生產外形和內腔復雜的零件比較困難。對熱鍛來說，加熱使金屬產生氧化、脫碳及燒損等。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點三、鍛造工藝現狀及發(fā)展1.鍛造生產在工業(yè)中的重要地位鍛造是機械制造中重要的加工方法之一，可以提供機械加工毛坯，也可以直接制造機械零件。金屬經過鍛造可以改變強度、硬度等力學性能，顯著優(yōu)于同種材料的鑄件。在工業(yè)制造中，鍛造產品占有相當大的比重。鍛件的質量分別占飛機和坦克總質量的85%和70%，占載重汽車總質量的80%左右。近年來，鍛造技術的提高和發(fā)展，使其在汽車、航空、兵器及電器工業(yè)中占有越來越重要的地位。第一節(jié) 鍛

5、造工藝分類及特點三、鍛造工藝現狀及發(fā)展2.鍛造生產現狀據統(tǒng)計，目前我國擁有各類鍛壓設備超過3萬臺；能夠制造120000kN鍛造水壓機和80000kN以下的熱模鍛壓力機，并可自行制造輥鍛、擺輾等先進鍛壓設備。從加熱設備來看，煤氣和燃油加熱爐已被廣泛采用，中頻、工頻感應加熱爐的應用也日益增多。更重要的是，目前我國已經掌握了一些復雜大型合金鋼零件的鍛造技術，重大設備所需大型鍛件，基本可自行生產制造。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點三、鍛造工藝現狀及發(fā)展3.鍛造技術的發(fā)展從整體上來看，我國鍛造生產規(guī)模和技術水平與工業(yè)先進國家相比還有一段差距。突出表現在模鍛件生產量不足鍛件生產總量的30%，而先進國家這一比例

6、已高達80%，并且我國模鍛件生產仍以錘上模鍛為主，熱模鍛壓力機等先進設備利用較少，鍛造生產自動化程度相對較低。另外，一些重要鍛模的使用壽命明顯低于世界先進水平，致使鍛件成本居高不下，阻礙了我國鍛造生產和鍛造技術的快速發(fā)展。第二節(jié) 鍛造工藝流程鍛造工藝流程是指鍛造生產中的各工序的組成順序。通常將在同一設備上利用同一工模具所完成的加工稱一個工序；在一個工序中，在同一工位上完成的鍛造加工，稱作一個工步。熱模鍛加工的工藝流程最長，如圖所示。圖9-1熱模鍛工藝流程簡圖第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點一、備料工序1.確定鍛造材料鍛造用金屬材料需具有一定塑性，變形流動性好而不易破裂。碳素鋼、合金鋼以及銅、鋁等非鐵

7、合金均可用于鍛造加工。但鑄鐵的塑性很差，在外力作用下易碎裂，因此不能鍛造。鍛造材料的原始狀態(tài)有鑄錠，經開坯的棒、錠料，金屬粉末和液態(tài)金屬等。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點一、備料工序2.下料(1)剪切下料剪切下料分為冷切和熱切兩種，冷切生產效率高，但所需剪切力大。對于含碳及合金量較高的鋼材，因塑性較差，冷切時端部易產生崩裂，因而需熱切下料。熱切時的預熱溫度隨材料硬度增加而升高，常用預熱溫度為350550。(2)折斷下料折斷下料是利用鋸切或氣割預先開出缺口，施加壓力使缺口處產生應力集中而折斷的下料方法。折斷下料只適用于硬度較高的高碳或高合金鋼，可在普通壓力機上完成，通常也需將坯料加熱至200400。

8、第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點一、備料工序(3)鋸切下料鋸切下料適用于斷面較大的坯料，鋸切端面平整，長度尺寸精確。圓形鋸盤直徑達2m，可以鋸切的棒料直徑為750mm。但鋸切下料生產效率低，金屬損耗量大。對于硬度非常高的金屬坯料，如高溫合金等，可采用砂輪片或其他方法切割下料。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點二、加熱工序加熱的原則是在保證坯料整體均勻熱透的前提下，盡可能縮短加熱時間，以減少金屬的氧化，并降低燃料消耗。因此，需要正確確定始鍛溫度和終鍛溫度。鍛造加熱方法主要有火焰加熱、電加熱及少無氧化加熱等。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點三、變形工序變形工序即鍛造成形工序，是鍛造生產的主體工序。不同鍛件及其鍛造工藝

9、方法，變形工序各不相同。對于模鍛工藝來說，變形可分為制坯工序(步)和模鍛工序(步)兩種。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點四、鍛后工序鍛后工序的作用是補充完成模鍛和其他前期工序的不足，使鍛件完全符合鍛件圖及其技術條件要求的輔助工序。鍛后工序主要包括切邊、沖孔、彎曲、扭轉、熱處理、校正、表面清理、去除飛邊、精壓等。1.切邊、沖孔在開式模鍛中，為了使金屬充滿型腔和容納多余金屬，均設有飛邊槽。因此，鍛后需由切邊工序將這部分廢料切除。另外，對于帶孔鍛件，模鍛時無法鍛出通孔，鍛后必須增設沖孔工序，將鍛造盲孔內連皮沖掉。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點四、鍛后工序2.校正對于細長桿、薄盤類鍛件，終鍛起模、切邊、沖孔時處

10、于紅熱狀態(tài)，也易造成形狀畸變。另外，鍛件熱處理、清理及運送過程中，由于各種原因也會產生上述非加工變形。因此，當鍛件走樣變形超過允許范圍時，就必須增設校正工序。鍛后校正可分為熱校正和冷校正兩種方式，一般應按鍛件圖技術要求或工藝規(guī)范利用平砧、觸頭或專用校正模等進行校正。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點四、鍛后工序3.熱處理鍛后熱處理主要有正火和調質兩種。硬度要求較低的鍛件，可正火處理，對于硬度要求較高的鍛件，往往需要調質處理。4.清理鍛后清理的目的主要是去除鍛件表層氧化皮，為其后的電鍍、噴漆或切削加工提供清潔表面，同時使氧化坑暴露出來，為檢驗鍛件質量提供條件。鍛后清理的方法主要有滾筒清理、噴丸清理、拋丸

11、清理及酸洗等。酸洗后鍛件的表面和輪廓更加清晰，既可暴露表面裂紋，又方便檢驗鍛件形狀尺寸。第一節(jié) 鍛造工藝分類及特點五、檢驗工序檢驗是鍛造生產中一項必不可少的重要環(huán)節(jié)，通常分為工序間檢驗和最終檢驗兩種。檢驗項目包括幾何形狀尺寸、表面質量、金屬組織和力學性能等，需根據鍛件的具體要求確定。第三節(jié) 鍛造設備一、鍛造設備分類、表示及選用1.模鍛設備的分類按鍛造方式，可分為常規(guī)模鍛設備、專用及精密模鍛設備等。按設備輸出力的形式，可分為鍛錘、機械壓力機和液壓壓力機。錘類主要有空氣錘、蒸汽-空氣錘、高速錘、夾板錘、液壓錘等；機械壓力機主要有曲柄壓力機、摩擦壓力機、平鍛機、電動螺旋壓力機等；液壓壓力機包括普通液

12、壓壓力機、液壓螺旋壓力機、熱模鍛壓力機及多向模鍛液壓壓力機等。第三節(jié) 鍛造設備一、鍛造設備分類、表示及選用2.鍛造設備能力的表示方法(1)輸出壓力kN：一般機械壓力機輸出用公稱壓力(kN)表示。但曲柄壓力機的實際輸出壓力隨曲柄轉角不同而變化，選用時須注意額定壓力角范圍。而液壓壓力機輸出壓力僅與液壓缸輸出能力有關。(2)落下部分質量kg或t各種帶砧座鍛錘，如空氣錘、蒸汽-空氣錘等，習慣采用包括錘頭、錘桿及活塞環(huán)等落下部分的質量(kg或t)間接表示輸出能力。這類設備的輸出打擊力不確定，因錘頭與工作活塞之間的相對位置及其操作差異，同噸位鍛錘輸出的打擊力完全不同。第三節(jié) 鍛造設備一、鍛造設備分類、表示

13、及選用(3)輸出能量kJ對于無砧座錘、高速錘等對擊類鍛錘，采用打擊能量kJ表示輸出能力。(4)用輸出壓力kN和打擊能量kJ雙重表示摩擦壓力機通常給出兩種輸出參數，如10000kN的摩擦壓力機，同時還給出其最大打擊能量為160kJ。第三節(jié) 鍛造設備一、鍛造設備分類、表示及選用3.鍛造設備的選用(1)保證足夠的變形力(2)按鍛造方式確定設備類型自由鍛和胎模鍛時通常采用空氣錘、蒸汽-空氣錘或水壓機；模鍛則采用曲柄壓力機、蒸汽-空氣錘或液壓壓力機等。(3)根據鍛件質量要求及生產批量精度要求較高的復雜鍛件，可選用液壓壓力機或曲柄壓力機。大批量生產，通常選用模鍛錘或模鍛壓力機。第三節(jié) 鍛造設備二、鍛錘1.

14、空氣錘空氣錘是由電動機通過曲軸帶動壓縮活塞，產生壓縮空氣驅動工作活塞和錘頭上下運動的鍛錘，其結構形式及工作原理如圖9-2所示，有圖9-2a所示單臂式和圖9-2b所示拱式錘身結構。此外，還有橋式錘身結構。圖9-2空氣錘結構原理第三節(jié) 鍛造設備二、鍛錘空氣錘的主要結構包括電動機、機械傳動機構、壓縮缸、工作缸、操縱機構、錘砧、錘身和落下部分。起動時，電動機通過減速器帶動曲柄轉動，經連桿再傳遞給壓縮缸活塞，使其往復直線運動。調節(jié)氣閥使壓縮空氣通過轉閥交替進入工作缸的上、下部。踏下踏桿，驅動工作缸活塞連同錘桿、錘頭和上砥鐵一起向下運動，進行打擊鍛造。通過手柄或腳踏板控制進、排氣閥的位置，可使錘頭實現上懸

15、、單擊、連擊和下壓等動作。空氣錘的打擊力，是落下部分質量的8001000倍，打擊速度快，作用力呈沖擊性，適用于小型鍛件生產。第三節(jié) 鍛造設備二、鍛錘2.蒸汽-空氣錘圖9-3所示為蒸汽-空氣錘的基本結構及工作原理圖。靠錘頭與導軌之間的配合保證錘頭垂直運動精度，使落下打擊時的橫向移動量較小，因而鍛造精度相對高。圖9-3蒸汽-空氣錘第三節(jié) 鍛造設備二、鍛錘3.高速錘高速錘以其打擊速度高而得名， 其結構如圖9-4所示。圖9-4高速錘的基本結構及工作原理高速錘是利用高壓氣體驅動、高壓液體蓄能，實現懸空對擊的鍛造設備。常用來鍛造常規(guī)設備上難以成形的薄壁帶有高肋形狀的精密鍛件，特別適合于鍛造高強度、低塑性合

16、金，如鈦合金、鎢、鉬等高溫合金。第三節(jié) 鍛造設備二、鍛錘4.液壓錘液壓錘可分為氣液和純液壓兩種驅動形式。液壓錘具有高效、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，利用氣液驅動制成的液壓動力頭來改造高能耗的蒸汽-空氣錘，在我國已有巨大的發(fā)展。液壓錘的缺點是設備較復雜，操作不如蒸汽-空氣錘方便靈活，規(guī)格一般為25400kJ。第三節(jié) 鍛造設備三、機械壓力機圖9-5曲柄壓力機傳動機構1.曲柄壓力機曲柄壓力機是以曲柄連桿機構作為主傳動結構的機械式壓力機，其傳動機構如圖9-5所示。曲柄壓力機上模鍛的鍛模可以設計成鑲塊式結構，制造簡單、易于更換維修。第三節(jié) 鍛造設備三、機械壓力機圖9-6鍛壓機結構及工作原理2.熱模鍛壓力機通常簡稱

17、為鍛壓機， 其結構及基本工作原理如圖9-6所示。鍛壓機模鍛時，可用多型腔模進行多擊模鍛，可實施切邊、沖孔工序，但不適宜拔長工步。對于長軸類鍛件，需配備專用制坯機械。鍛壓機結構較復雜，成本高，勞動條件較好，但生產效率沒有顯著提高。第三節(jié) 鍛造設備三、機械壓力機圖9-7摩擦壓力機傳動機構3.摩擦壓力機摩擦壓力機也稱螺旋壓力機，傳動系統(tǒng)如圖9-7所示。摩擦壓力機滑塊運動速度不高，金屬變形過程中可充分進行再結晶，適于鍛造低塑性金屬，實現彎曲、校正、壓印及修邊等工序。但摩擦壓力機承受偏載的能力較差，通常只適用于單膛鍛模的鍛造，不適合于大批量生產。第三節(jié) 鍛造設備三、機械壓力機圖9-8平鍛機傳動原理4.平鍛機平鍛機傳動原理如圖9-8所示。實現雙向鍛造是平鍛機上模鍛的主要特點之一。平鍛機結構復雜，價格高，鍛前金屬氧化皮清理困難。平鍛機鍛造的工藝適應性較差，不適宜鍛造非對稱鍛件。第三節(jié) 鍛造設備四、液壓壓力機1.液壓壓力機(油壓機)液壓壓力機通常也稱為油