工程材料及機械制造基礎(chǔ)(ii)熱加工基礎(chǔ) 王俊昌版 第二章 鍛壓

第二章鍛壓

概述：鍛壓——對坯料施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形，改變尺寸，形狀及性能，用以制造機械零件、工件或毛坯的成形加工方法，是鍛造和沖壓的總稱。壓力加工還包括軋制、擠壓、拉撥等。壓力加工的基礎(chǔ)：塑性變形軋制、擠壓、拉拔以生產(chǎn)原材料為主，用于獲取型材、棒材、線材，板材及各種管材。鍛造沖壓常用于生產(chǎn)毛坯或零件特點：①組織致密、再結(jié)晶細化、提高力學性能②沖壓件精度高③內(nèi)腔形狀復雜不易獲取，（金屬流動性不如鑄造）

§2-1金屬的鍛造性能一、金屬的塑性變形概述

復習：彈性變形——彈塑性變形——彈復塑性變形實質(zhì)：滑移和孿生加工硬化

再結(jié)晶、再結(jié)晶溫度

二、熱鍛、冷鍛、溫鍛、等溫鍛

1、熱鍛T＞T再2、冷鍛室溫下進行的鍛造工藝3、溫鍛高于室溫和低于再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)進行的鍛造工藝4、等溫鍛：溫度保持恒定不變的鍛造方法三、鍛造流線和鍛造比1、鍛造流線——金屬的脆性雜質(zhì)被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布；塑性雜質(zhì)隨金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布，鍛后金屬組織就具有一定的方向性。2、鍛造比——鍛造時變形程度的一種表示方法。通常用變形前后截面比，長度比或高度比來表示

鍛造比對鍛件的鍛透程度和力學性能的影響：（1）經(jīng)鍛壓加工、使金屬組織更加致密，力學性能提高（2）鍛造比越大，鍛造流線越明顯，鑄造流線不能用熱處理方法消除。

拔長時：y=A0/A=L/L0鐓粗時:y=A/A0=H0/H都是＞1的數(shù)值應用：使零件工作時，最大正應力與流線方向重合，最大切應力與流線方向垂直，并使流線分布與零件的輪廊相吻合，盡量不被切斷。（如圖2-2、2-3）

圖2-2曲軸的流線組織分布a)鍛造曲軸b)切削加工的曲軸

圖2-3不同成形工藝齒輪的流線組織a)棒料經(jīng)切削成形b)扁鋼經(jīng)切削成形c)棒料鐓粗后切削后成形d)熱軋成形

四、金屬的鍛造性能

指金屬經(jīng)受鍛壓加工時成形的難易程度的工藝性能衡量指標：塑性、變形抗力決定于金屬的本質(zhì)和變形條件（一）金屬的本質(zhì)1、化學成分：純金屬一般具有良好的鍛造工藝性能2、金屬組織：純金屬及固溶體鍛造性能好

（二）變形條件1、變形溫度：變形溫度低、金屬的塑性差，變形抗力大。鍛造溫度范圍—是指鍛件由始鍛溫度到終鍛溫度的間隔。（碳素鋼的鍛造溫度范圍如圖2-4）

圖2-4

碳素鋼的鍛造溫度范圍2、變形速度：單位時間內(nèi)的變形程度（變形速度的影響如圖2-5）

圖2-5變形速度對金屬鍛造的影響

3、應力狀態(tài)（1）不同方法，應力狀態(tài)不同（如圖2-6）

圖2-6不同成形方法金屬的應力狀態(tài)a)擠壓b)拉拔c)自由鍛鐓粗（2）應力狀態(tài)對塑性、變形抗力影響（如圖2-7）

4、坯料表面質(zhì)量

圖2-7應力狀態(tài)對變形抗力的影響a)同號應力b)異號應力

五、金屬的塑性變形規(guī)律

（一）體積不變條件塑性變形的金屬密度的變化很小，所以可認為變形前后的體積相等。此假設(shè)稱為體積不變條件。實際加熱時、金屬的氧化、脫碳、變形過程中氣孔，縮松和內(nèi)部微裂紋的壓合，均會使密度略有增加，體積稍減小。利用此可計算零件的坯料尺寸，工件間尺寸及鍛模模膛尺寸等。

（二）最小阻力定律“如果物體在變形過程中其質(zhì)點有向各種方向移動的可能性時，則物體各質(zhì)點向著阻力最小的方向移動”。金屬內(nèi)某一質(zhì)點流動阻力最小的方向是通過該質(zhì)點向金屬變形部分的周邊所作的法線方向。（如圖2-8、2-9、2-10、2-11）

圖2-8不同截面金屬的流動情況a)圓形截面b)方形截面c)長方形截面

圖2-11在V形砧或圓形砧上拔長a)V形砧拔長b)圓形砧拔長

圖2-9金屬鐓粗變形

圖2-10在平砧上拔長時金屬的流動情況a)l>ab)l<a

§2-2自由鍛

自由鍛——只用簡單通用性工具，或在鍛造設(shè)備的上、下砧間直接使坯料變形獲取所需的幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件。

一、自由鍛設(shè)備根據(jù)對坯料作用力的性質(zhì)不同。

鍛錘（空氣錘、蒸汽——空氣錘）

壓力機——水壓機空氣錘、蒸汽空氣錘二、自由鍛工藝規(guī)程的制訂

工藝規(guī)程是規(guī)定產(chǎn)品或零部件制造工藝過程和操作方法的工藝文件。（一）繪制鍛件圖自由鍛件的鍛件圖是在零件圖的基礎(chǔ)上考慮了加工余量、鍛件公差，工藝余塊等之后繪制的圖。模鍛件的鍛件圖還應考慮分模面的選擇，模鍛斜度和圓角半徑等。

繪制自由鍛件圖應考慮以下因素：1、加工余量和鍛件公差加工余量——鍛件基本尺寸——鍛件公差——2、鍛造余塊零件上較小的孔，狹窄的凹檔或凸緣。直徑差較小而長度不大的臺階等難于鍛造的地方，通常都需填滿金屬，這部分金屬稱為鍛造余塊鍛件圖的繪制方法：（如圖）

①鍛件形狀用粗實線，同時用假想線描繪出零件的形狀。②鍛件的尺寸和公差標注在尺寸線的上面，零件的尺寸和公差用括號標注在尺寸線的下面或側(cè)面。③圖上無法標注的技術(shù)要求，如鍛造溫度范圍，鍛造比、氧化缺陷，脫碳層深度等以技術(shù)條件方式用文字說明。（二）計算坯料的重量和尺寸

1、坯料重量：鍛件重量與鍛造時各種損耗的重量之和

m坯=m鍛+m燒+m芯+m切

2、坯料尺寸：由坯料重量計算坯料體積3、最后依選擇的坯料截面尺寸確定其長度

（三）選擇變形工序

基本工序：鐓粗、拔長、沖孔、芯棒拔長，馬杠擴孔、彎曲、切斷、錯移、扭轉(zhuǎn)、鍛接等。

輔助工序：切痕、壓肩

修整工序：精整鍛件表面外形，鼓形滾圓，彎曲校直等。工序選擇主要是根據(jù)鍛件形狀和工序特點來確定：

鍛件分六大類：軸桿類：拔長空心類鍛件：鐓粗、沖孔、馬杠擴孔、芯棒拔長餅塊類鍛件：鐓粗、帶孔件需沖孔曲軸類鍛件：拔長、錯移、扭轉(zhuǎn)彎曲類鍛件：拔長、彎曲復雜形狀鍛件：適當工序組合

（四）選擇鍛造設(shè)備噸位

根據(jù)坯料的種類，重量以及鍛造的基本工序等因素結(jié)合本廠條件選取1、經(jīng)驗類比法—經(jīng)驗類比法是在統(tǒng)計分析的生產(chǎn)實踐數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上總結(jié)歸納出的經(jīng)驗公式或圖表來估算鍛造所需設(shè)備噸位的一種方法。2、查表法（五）確定加熱火次（六）填寫工藝卡（鍛造工藝卡如表2-8）

三、自由鍛零件結(jié)構(gòu)工藝性（表2-9）

1、自由鍛件最好采用平直、對稱、簡單的形狀2、鍛件上應避免帶楔形、曲線形、錐形的表面3、不允許有小凸臺、加強肋不允許采用圓柱與圓柱相貫的鍛件結(jié)構(gòu)

§2-3模鍛

利用模具使毛坯變形而獲得鍛件的鍛造方法與自由鍛相比特點：鍛件精度高、流線組織合理、力學性能高等優(yōu)點。生產(chǎn)率高、金屬消耗少，能鍛復雜鍛件，工人技術(shù)水平要求相對低。缺點：鍛造設(shè)備昂貴、每種鍛模只能加工一種鍛件分類：

開式模鍛——兩模間間隙的方向與模具運動方向相垂直，模鍛過程中間隙不斷減小的模鍛方式。

閉式模鍛——兩模間間隙方向與模具運動方向平行，模鍛過程中，間隙大小不變化的模鍛方式。

多向模鍛——在多個方向上同時進行加載的鍛造方向，它是在具有多個分模間的閉式模膛內(nèi)進行的。

一、錘上模鍛（蒸汽——空氣模鍛錘如圖2-20）（一）模鍛錘

上、下模分別固定在模鍛錘的錘頭和砧座上。錘頭與導軌的間隙比自由鍛錘的小。模鍛錘噸位選擇：經(jīng)驗類比法、查表法（二）鍛模及鍛模模鏜

鍛模材料性能要求及常用材料足夠強度、韌性、硬度、良好的導熱、抗熱疲勞、回火穩(wěn)定性和抗氧化性。錘上模鍛使用的鍛模是由帶燕尾的上、下模組成，分別用鑲條固定在錘頭和模座上，其接觸面上所形成的空間為模膛。（單模膛模鍛如圖2-21、多模膛模鍛如圖2-22）

圖2-21單模膛模鍛1—砧鐵2—模座3—下模4—上模5—鑲條6—錘頭7—鍛造中的坯料8—坯料9—帶飛邊和連皮的鍛件10—飛邊和連皮11—鍛件

圖2-22彎曲連矸的多模膛模鍛a)下模b)切邊模c)工藝過程1—檢驗角2—拔長模膛3—滾壓模膛4—終斷模膛5—預鍛模膛6—彎曲模膛7—原始坯料8—拔長9—滾壓10—彎曲11—預鍛12—終鍛13—飛邊14—鍛件

1、制坯模膛—用以初步改變毛坯形狀，合理分配金屬。以適應鍛件橫截面積和形狀的要求，使金屬能很好地充滿模鍛模膛的工序稱為制坯工序。包括拔長、滾壓、壓肩、彎曲、成形等。2、模鍛模膛

（1）預鍛模膛——為改善終鍛時金屬的流動條件，避免產(chǎn)生充填不滿和折疊，使鍛坯最終成形前獲取接近終鍛形狀的模膛。

（2）終鍛模膛——最后成形用的模鏜

A、飛邊槽由飛邊橋、飛邊侖組成（如圖2-18）作用：（1）容納多余金屬（2）飛邊橋?qū)α鲃咏饘儆凶璧K作用，保證金屬充滿模膛（3）對模具起緩沖作用，保護模具。

圖2-18開式模鍛

B、沖孔連皮——帶孔的模鍛件在模鍛時不能直接獲取透孔。在該部位留下一層較薄金屬，稱為連皮。常見三種形式：（如圖2-25）平底連皮斜底連皮帶倉連皮圖2-25連皮形式a)下底連皮b)斜底連皮c)帶倉連皮

（三）錘上模鍛工藝規(guī)程制訂

1、繪制模鍛件的鍛件圖（如圖2-27、2-28、2-29、2-30、2-31）

圖2-27頭部偏大鍛件的分模位置

圖2-28有流線要求鍛件的分模位置

圖2-29模鍛斜度

圖2-30圓角半徑

圖2-31齒輪坯模鍛鍛件圖

（1）分模面的選擇（2）加工余量（3）模鍛斜度（4）圓角半徑2、確定模鍛工步：長軸類、餅塊類3、坯料計算4、選擇模鍛設(shè)備5、模鍛的后續(xù)工序：（切邊沖孔模）

（四）模鍛零件的結(jié)構(gòu)工藝性1、應具有合理的分模面，模鍛斜度和圓角半徑；2、模鍛件尺寸精度高，非配合表面設(shè)計成非加工表面；3、零件外形應力求簡單、平直、對稱、截面相差不宜過于懸殊；4、應避免空間，深槽、深孔及多孔結(jié)構(gòu)，以利于金屬的充滿模具制造和延長模具壽命。

二、胎模鍛胎模是在自由鍛設(shè)備上鍛造模鍛件時使用的模具。常用的胎模有摔模、扣模、墊模、套模、合模、彎曲模、跳模等。（如圖2-40、2-41、2-42、2-43、2-45）

圖2-8不同截面金屬的流動情況a)圓形截面b)方形截面c)長方形截面

圖2-40胎模類型

圖2-41摔模a)卡摔b)型摔c)光摔d)校正率

§2-4沖壓使板料經(jīng)分離或成形而得到制件的工藝特點：1、具有較高精度和較低的表面粗糙度。2、強化金屬、重量輕、強度、剛度較高3、能生產(chǎn)形狀較復雜平板件和中空類零件。沖壓件要求原材料具有良好的塑性和較低的變形抗力。

一、沖壓的基本工序（一）分離工序——使沖壓件與板料沿一定的輪廊線相互分離的工序。

1、切斷——將坯料沿不封密的曲線分離的沖壓方法。

2、沖裁——利用沖模將板料以封密的輪廊與坯料分離的沖壓方法。是沖孔和落料的總稱。

1）沖裁過程分析：塌角、光亮帶、斷裂帶（如圖2-56）

圖2-56金屬板料的沖裁過程a)彈性變形b)塑性變形c)分離d)落下部分的放大圖

2）沖裁間隙：凹、凸模工作部分水平投影尺寸之差稱為沖裁間隙。合理的間隙值z可按下面的經(jīng)驗公式確定z=K*δ3）凸模、凹模尺寸的確定。落料時凹模刃口尺寸等于落料件尺寸，凸模尺寸為凹模尺寸減去z；沖孔時凸模尺寸等于孔的尺寸，凹模尺寸為凸模尺寸加z。4）沖裁力計算：應用相應的計算公式來計算

5）整修：利用整修模沿沖裁件的外緣或內(nèi)孔刮去一層薄薄的切屑，以提高沖裁件的加工精度和降低剪斷面表面粗糙度值的沖壓方法。（如圖2-57）

圖2-57整修a)外緣整修b)內(nèi)孔整修

（二）成形工序

除分離工序外，使坯料塑性變形，獲取所需形狀尺寸的制件的沖壓工序。1、拉深（拉延）—變形區(qū)在一拉一壓的應力狀態(tài)作用下，使板料（淺的室心坯）成形為空心件而厚度基本不變的加工方法。（如圖2-58）圖2-58拉深a)拉深過程b)圓板坯料制成筒形件時材料的轉(zhuǎn)移1—凸模2—壓邊圈3—板料4—凹模5—空心零件

1）拉深過程分析2）拉深件廢品及形狀不良（破裂、起皺、凸耳如圖2-59）

3）拉深系數(shù)——拉深后制件的直徑與其毛坯的直徑之比稱為拉深系數(shù)。m=d/D

保證危險斷面不被拉裂的拉深系數(shù)的最小值，又稱為極限拉深系數(shù)。一般mmin取0.5-0.82、彎曲——將板料、型材或管材在彎矩作用下彎成具有一定曲率和角度的制件的成形方法。彎曲時，變形區(qū)材料內(nèi)側(cè)多壓縮，外側(cè)受拉伸。

彎曲彎形時應注意的幾個問題：A、內(nèi)彎曲半徑rmin，限定最小彎曲半徑B、彎曲線與坯料流向方向要垂直C、坯料有無表面缺陷，劃傷、毛刺等。D、彎曲回彈（如圖2-65）圖2-65減小回彈的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計a)減去回彈角的凸模b)凹形弧