第三章鍛壓成形

第三章鍛壓成形鍛壓成型第三章鍛壓成形§3.1金屬塑性變形基礎§3.2自由鍛§3.3模鍛§3.1金屬塑性變形基礎§3.1.1概述§3.1.2金屬塑性變形的實質§3.1.3金屬的冷變形與再結晶§3.1.4金屬的冷、熱變形對組織與性能的影響§3.1.5金屬的可鍛性§3.1.1概述一、金屬塑性成形（壓力加工）的概念金屬材料在外力作用下產生塑性變形，獲得具有一定形狀、尺寸和力學性能的毛坯或零件的生產方法。二、塑性成形（壓力加工）的特點1．力學性能高1）組織致密；2）晶粒細化；3）壓合鑄造缺陷；4）使纖維組織合理分布。2．節(jié)約材料1）力學性能高，承載能力提高；2）減少零件制造中的金屬消耗（與切削加工相比）。3．生產率高4．適用范圍廣1）零件大小不受限制；2）生產批量不受限制。§3.1.1概述三、金屬壓力加工的方法

§3.1.2金屬塑性變形的實質1、單晶體的塑性變形滑移和孿生兩種方式進行（1）滑移

彈性變形彈塑性變形塑性變形單晶體的變形過程晶體的一部分相對另一部分沿一定的晶面發(fā)生相對滑動。要實現(xiàn)上述剛性滑移，從理論上計算所需的外力比實際上測得的要大幾千倍。所以實際金屬的滑移是靠位錯（或空位）的移動來實現(xiàn)的。位錯運動引起塑性變形的示意圖（2）孿生孿生變形是在切應力作用下，晶體的一部分對應用于一定的晶面（孿晶面）沿一定方向進行的相對移動。孿生引起塑性變形的示意圖§3.1.2金屬塑性變形的實質2、多晶體的塑性變形：

多晶體是由大量的大小、形狀、晶格排列位向各不相同的晶粒所組成，故它的塑性變形很復雜，可分為晶內變形和晶間變形。晶粒內部的塑性變形稱為晶內變形；晶粒之間相互移動或轉動稱為晶間變形。多晶體的晶內變形方式和單晶體一樣，也是滑移和雙晶，但各個晶粒所處的塑性變形條件不同，即晶粒內晶格排列的方向性決定了其變形的難易，與外力成45度的滑移面最易變形。因為其產生的切應力最大?！?.1.3金屬的冷變形強化與再結晶冷變形后組織變化晶粒沿變形最大的方向伸長晶粒與晶粒均發(fā)生扭曲，產生內應力晶粒間產生破碎冷變形后性能變化強度硬度升高、塑性韌性降低?！庸び不欣簭娀饘俨牧喜焕哼M一步的塑性變形帶來困難1、冷變形后組織性能的變化冷變形強化的原因是：在塑性變形過程中，在滑移面上產生了許多晶格方向混亂的微小碎晶，滑移面附近的晶格也產生了畸變，增加了繼續(xù)滑移的阻力，使繼續(xù)變形困難。對某些不能通過熱處理來強化的金屬，可用低溫變形來提高金屬強度指標，如用冷軋、冷拔和冷擠來提高低碳鋼、純銅、防銹鋁等所制型材和鍛壓件的強度和硬度。但在塑性加工中，冷變形強化使塑性變形困難，故采用加熱的方法使金屬再結晶，而獲得好的塑性。§3.1.3金屬的冷變形強化與再結晶

常溫下塑性變形對低碳鋼力性能的影響§3.1.3金屬的冷變形強化與再結晶2、金屬的回復與再結晶

加工硬化是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象溫度升高回到穩(wěn)定狀態(tài)隨著溫度升高，再結結晶過程可分為回復、再結晶和晶粒長大三個階段。T回=（0.25~0.30)T熔

T再=0.4T熔§3.1.3金屬的冷變形強化與再結晶加熱溫度給冷變形金屬組織與性能的影響§3.1.4金屬的冷、熱塑性變形對組織和性能的影響冷變形——金屬在再結晶溫度以下進行的塑性變形。如冷沖壓、冷彎、冷擠、冷鐓、冷軋和冷拔，能獲得較高的硬度及表面質量。熱變形——金屬在再結晶溫度以上進行的塑性變形。如鍛造、熱擠和軋制等，能消除冷變形強化的痕跡，保持較低的塑性變形抗力和良好的塑性。1、冷變形后的組織與性能組織：晶格畸變、位錯增加、形成纖維組織。性能：強度、硬度增加，塑性、韌性降低§3.1.4金屬的冷熱塑性變形對組織和性能的影響2、熱變形后的組織與性能組織:晶粒細化、缺陷消失、組織致密，產生鍛造流線

性能：強度提高、韌性提高；縱向性能優(yōu)于橫向鍛壓（熱變形）的應用

受力復雜件、承受沖擊件、負荷較大件，各種工具、模具§3.1.4塑性變形對組織和性能的影響利用鍛造流線實例

螺釘的鍛造流線不同加工方法制造組織比較圖齒輪的鍛造流線組織

3、鍛造比：鍛造前后金屬坯料的橫截面積之比[或長度（高度）之比]。分為拔長比和鐓粗比。一般用拔長比來表示。拔長比Y拔=F0/FY拔=L0/L鐓粗比Y鐓=F/F0Y鐓=H0/H鍛造比的選擇1、坯料：軋材或鍛坯；選擇較小鍛造比鍛造比大于等于1.52、坯料：鋼錠；碳鋼：拔長比大于等于3

鐓粗比大于等于2.5合金鋼：Y=3~4高合金鋼：Y=4~6高速鋼：Y=5~12§3.1.5金屬的可鍛性一、金屬的可鍛性（鍛造性能）是金屬材料在壓力加工時成形的難易程度。1.可鍛性的衡量指標1）塑性：2）變形抗力：材料的塑性越好，其可鍛性越好。是指壓力加工過程中變形金屬作用于施壓工具表面單位面積上的壓力，材料的變形抗力越小，其可鍛性越好。2.影響可鍛性的因素1）金屬的本質①化學成分：Me越低，材料的可鍛性越好。②組織狀態(tài)：純金屬和固溶體具有良好的可鍛性。粗晶粒、柱狀晶、網狀組織等可鍛性↓2）變形條件①變形溫度：③應力狀態(tài)：②變形速度：塑性、變形抗力塑性變形抗力T溫越高，材料的可鍛性越好。V變越小，材料的可鍛性越好。三向壓應力—塑性最好、變形抗力最大。三向拉應力—塑性最差。本節(jié)復習與思考題金屬塑性變形后組織性能有哪些變化？什么是加工硬化現(xiàn)象？有何利弊？纖維組織是怎樣形成的？怎樣利用纖維組織？什么是鍛造比？鍛造比對鍛件質量有何影響，怎樣選擇？試述金屬的鍛造性能及其影響因素。鍛造后組織性能的變化鑄件內有各種缺陷：通過鍛造：鍛合孔隙，微裂紋，破碎夾雜（渣），細化、均化組織。出現(xiàn)纖維組織性能變化：強度、硬度、塑性提高，特別是沖擊韌性提高。本節(jié)結束§3.2自由鍛§3.2.1概述§3.2.2自由鍛的基本工序§3.2.3自由鍛工藝規(guī)程的制定§3.2.4自由鍛件的結構工藝性§3.2.1概述自由鍛指將金屬坯料放在鍛造設備的上下抵鐵之間，施加沖擊力或壓力，使之產生自由變形而獲得所需形狀的成形方法。自由鍛主要用于單件、小批生產，也是生產大型鍛件的唯一方法自由可分為手工自由鍛和機器自由鍛。1、自由鍛的特點優(yōu)點：1）自由鍛使用工具簡單，不需要造價昂貴的模具；2）可鍛造各種重量的鍛件，對大型鍛件，它是唯一方法3）由于自由鍛的每次鍛擊坯料只產生局部變形，變形金屬的流動阻力也小，故同重量的鍛件，自由鍛比模鍛所需的設備噸位小。缺點：1）鍛件的形狀和尺寸靠鍛工的操作技術來保證，故尺寸精度低，加工余量大，金屬材料消耗多；2）鍛件形狀比較簡單，生產率低，勞動強度大。故自由鍛只適用于單件或小批量生產。

§3.2.1概述2、自由鍛設備鍛錘壓力機空氣錘蒸汽—空氣錘水壓機油壓機65~750Kg630Kg~5T落下部分總重量=活塞+錘頭+錘桿滑塊運動到下始點時所產生的最大壓力鍛錘噸位=壓力機噸位=水壓機適用于大型鍛件蒸汽錘適用于中、小型鍛件§3.2.2自由鍛工序基本工序自由鍛基本工序是使金屬坯料產生一定程度的塑性變形，以達到所需形狀和尺寸的工藝過程。包括鐓粗、拔長、彎曲、沖孔、擴孔、切割、扭轉和錯移等。輔助工序輔助工序是為基本工序操作方便而進行的預先變形工序。如鋼錠倒棱、預壓鉗把、壓肩（分段壓痕）等。修整工序修整工序是為了減少表面缺陷而進行的工序。如整形、滾圓、校正等。自由鍛基本工序舉例之一鐓粗鐓粗帶尾梢鐓粗局部鐓粗展平鐓粗自由鍛基本工序舉例之二拔長拔長芯軸拔長自由鍛基本工序舉例之三芯軸擴孔沖孔與擴孔實心沖子沖孔空心沖子沖孔沖子沖孔繪制鍛件圖坯料重量及尺寸計算選擇鍛造工序計算變形力、選擇合適的鍛造設備確定鍛造溫度范圍、加熱及冷卻規(guī)范確定鍛件熱處理制度§3.2.3自由鍛工藝規(guī)程的制訂自由鍛工藝規(guī)程的制定之一以零件圖為基礎再結合鍛造工藝確定敷料為了簡化鍛件形狀，便于進行鍛造而增加的一部分金屬。鍛件余量鍛件上凡需要切削加工的表面都應留有加工余量。鍛件公差零件的基本尺寸加上加工余量稱為鍛件基本尺寸，鍛造公差是鍛件基本尺寸的允許變動量。繪制鍛件圖自由鍛工藝規(guī)程的制定之二

計算坯料的重量和尺寸坯料重量可按下式計算：

G料=G鍛件+G燒損+G料頭式中G料——坯料重量G鍛件——鍛件重量G燒損——燒損重量，第一次加熱取被加熱金屬的2~3%，以后各次加熱取1.5~2%。G料頭——在鍛造過程中沖掉或被切掉的那部分金屬的重量。自由鍛工藝規(guī)程的制定之二

計算坯料的重量和尺寸坯料的尺寸(橫截面積）根據坯料重量可選計算出坯料體積。

V=G/ρ（dm3)確定橫截面積時主要考慮：鍛件的鍛造比和采取的變形方式（鍛造比是變形前后的橫截面積之比。）對于錠坯鍛造比應大于2.5~3對于軋坯：鐓粗時考慮高/徑比。H0/D0=1.25~2.5拔長時若有鍛造比要求，則考慮鍛造比。根據鍛件形狀和鍛造工序的特點確定鍛造工序。自由鍛工藝規(guī)程的制定之三

選擇鍛造工序盤類零件鍛造工序：鐓粗（或拔長及鐓粗）沖孔根據鍛件形狀和鍛造工序的特點確定鍛造工序。自由鍛工藝規(guī)程的制定之三

選擇鍛造工序軸類零件鍛造工序：拔長（或鐓粗及拔長），切肩和鍛臺階根據鍛件形狀和鍛造工序的特點確定鍛造工序。自由鍛工藝規(guī)程的制定之三

選擇鍛造工序筒類零件鍛造工序：鐓粗（或拔長及鐓粗），沖孔，在芯軸上拔長。根據鍛件形狀和鍛造工序的特點確定鍛造工序。自由鍛工藝規(guī)程的制定之三

選擇鍛造工序環(huán)類零件鍛造工序：鐓粗（或拔長及鐓粗），沖孔，在芯軸上擴孔。根據鍛件形狀和鍛造工序的特點確定鍛造工序。自由鍛工藝規(guī)程的制定之三

選擇鍛造工序曲軸類零件鍛造工序：拔長（或鐓粗及拔長），錯移，鍛臺階，扭轉根據鍛件形狀和鍛造工序的特點確定鍛造工序。自由鍛工藝規(guī)程的制定之三

選擇鍛造工序彎曲類零件鍛造工序：拔長，彎曲坯料的加熱加熱的目的？始鍛溫度？終鍛溫度？加熱過程中常見的缺陷有哪些？氧化、脫碳、過熱、過燒、裂紋鍛件的冷卻常見的冷卻方式有哪些？空冷坑冷爐冷半軸自由鍛工藝卡重量：25kg坯料尺寸：ф130×240材料：18CrMnTi鍛件圖半軸自由鍛工藝卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序1鍛出頭部半軸自由鍛工藝卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序2拔長半軸自由鍛工藝卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序3拔長及修整臺階半軸自由鍛工藝卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序4拔長及留出臺階半軸自由鍛工藝卡重量：25kg坯料尺寸ф130×240

材料：18CrMnTi工序5鍛出凹擋及§3.2.4自由鍛件的結構工藝性圓錐體的鍛造須用專門工具，鍛造比較困難，應盡量避免。不合理合理自由鍛件的結構工藝性圓柱體與圓柱體交接處的鍛造很困難，應改成平面與圓柱體交接。不合理合理自由鍛件的結構工藝性加強筋與表面凸臺等結構難以用自由鍛方法獲得，應避免這種設計，對于橢圓形或工字形截面、弧線及曲線形表面，也應避免。不合理合理自由鍛件的結構工藝性橫截面有急劇變化或形狀比較復雜的零件，應分成幾個簡單部分，再用焊接或機械聯(lián)接法組合成整體。不合理合理高合金鋼的鍛造特點備料

高合金鋼坯料不允許有表面裂紋等缺陷，鍛前需進行退火處理。加熱特點與鍛造溫度范圍

應低溫裝爐，緩慢升溫。鍛造溫度范圍窄，只有100~200oC鍛造特點控制變形量增大鍛造比變形要均勻避免出現(xiàn)拉應力鍛后冷卻爐冷或坑冷常見的鍛造缺陷裂紋鍛造過程中由于加熱、冷卻、變形、熱處理等工藝不當所致。晶粒局部粗大由于加熱溫度過高、變形不均勻、鍛造比太小等。彎曲和變形

白點（氫脆）對白點敏感的鋼，加熱或冷卻不當，造成的裂紋。本節(jié)小結自由鍛工序有哪幾類？自由鍛基本工序有哪些？基本工序輔助工序修整工序鐓粗、拔長、沖孔與擴孔、彎曲、扭轉、錯移、切斷（割）鋼錠倒棱、預壓鉗把、分段壓痕修整平面、彭形滾圓、彎曲本節(jié)復習與思考題1、制定自由鍛工藝規(guī)程應考慮哪些內容？2、繪制鍛件圖應考慮哪些內容？3、自由鍛件可分為哪幾種類型？4、下列自由鍛件結構是否合理？如不合理，請修改。本節(jié)復習與思考題5、試說明下圖所示階梯軸如何進行自由鍛本節(jié)結束§3.3模鍛

§3.3.1錘上模鍛§3.3.2其他模鍛介紹概述模型鍛造—將金屬坯料放在具有一定形狀的模鍛模膛內受壓、變形，獲得鍛件的方法。按使用設備不同，模鍛可分為：錘上模鍛、胎模鍛、曲柄壓力機上模鍛、摩擦壓力機上模鍛、平鍛機上模鍛等。

模鍛的優(yōu)點

1、生產率高。2、模鍛件尺寸精確，加工余量小，精密模鍛能取代切削加工3、可鍛出形狀復雜零件4、節(jié)省金屬材料，減少切削加工。在批量足夠的條件下可降低成本§3.3.1錘上模鍛1、模鍛設備蒸氣-空氣模鍛錘1—踏板2—機架3—砧座4—操縱系統(tǒng)

模鍛錘噸位（KN）5~7.5101520205070~100130鍛件重量(kg)<0.505~1.51.5~55~1212~2525~4040~100>100§3.3.1錘上模鍛2、鍛模結構錘頭上模毛邊槽下模模墊砧座分模面模膛楔鐵§3.3.1錘上模鍛3、模膛類型模鍛模膛終鍛模膛預鍛模膛制坯模膛拔長模膛滾擠模膛彎曲模膛切斷模膛終鍛模膛預鍛模膛拔長模膛滾擠模膛彎曲模膛制訂鍛件圖坯料重量及尺寸計算確定模鍛工步（模膛）計算變形力、選擇合適的鍛造設備確定鍛造溫度范圍、加熱及冷卻規(guī)范確定鍛件熱處理制度4、模鍛件工藝規(guī)程的制定制定模鍛鍛件圖確定分模面原則要保證鍛件能從模膛中取出。分模面應選在鍛件最大尺寸的位置。必須使分模面處上下模膛的外形一致。以便于發(fā)現(xiàn)錯模事故。最好把分模選在能使模膛的深度最淺的的位置處。選定的分模面應使零件上所加的敷料最少。最好使分模面為一個平面。制定模鍛鍛件圖余量、公差和敷料余量一般在1~4mm，為自由鍛的1/2~1/3左右。公差一般在±0.3~3mm。直徑小于25的孔不鍛出。直徑大于25的孔鍛出時應留沖孔連皮。連皮厚度與孔徑有關，當孔徑為30~80mm時，連皮厚度為4~8mm。制定模鍛鍛件圖模鍛斜度和圓角半徑模鍛斜度與h/b有關，h/b越大，斜度越大。一般為5o~15o。內模鍛斜度比外模鍛斜度大2o~5o。外圓角半徑(r)一般取1.5~12mm.內圓角半徑(R)一般取外圓角半徑的2~3倍確定模鍛工步模鍛分類1、長軸類2、盤類長軸類模鍛件工步常用工步：拔長滾擠彎曲預鍛終鍛盤類模鍛件工步常用工步：鐓粗終鍛修整工序切邊和沖孔●校正●熱處理●清理●精壓5、模鍛件結構工藝性鍛件必須具有一個合理的分模面。以保證模鍛件易于從模膛中取出，敷料最少，鍛模容易制造。只在零件上有與其他機件配合的表面留加工余量。設計零件的外形要力求簡單。避免薄壁、高筋、凸起結構。對于復雜零件宜采用鍛焊工藝§3.3.2其他模鍛介紹一、胎模鍛胎模鍛是在自由鍛設備上使用胎模生產模鍛件的工藝方法。其工藝特點介于自由鍛和模鍛之間。胎模主要有扣模、套筒模及合模等。胎模介紹1、扣模2、套筒模3、合模二、摩擦壓力機上模鍛——在壓力機上的滑塊和底座上分別固定上下模，上下模經下壓合攏，而獲得鍛件的方法。

壓力機上模鍛工作時沖擊小、噪聲小、操作安全，但生產率低。一般適用于中小批量生產。摩擦壓力機底座滑塊帶傳動摩擦盤飛輪絲杠§3.3.2其他模鍛介紹§3.3.2其他模鍛介紹三、曲柄壓力機上模鍛優(yōu)點：1）鍛造力是壓力，坯料的變形速度較低，可鍛造較低塑性金；2）鍛造時滑塊的行程不變，每個變形工步在一次行程中即可完成，便于實現(xiàn)機械化和自動化，具有很高生產率；3）滑塊運動精度高，并有鍛件頂出裝置，使模鍛斜度、加工余量、鍛造公差減小，鍛件精度比錘上模鍛高。4）振動和噪聲較小，勞動條件改善。缺點：1）設備費用高，模具結構復雜；2）滑塊行程和壓力不能在鍛造過程中調整，因此不能進行拔長、滾壓等制坯。1、電動機2、小帶輪3、大帶輪4、傳動軸5、小齒輪6、大齒輪7、離合器8、曲柄9、連桿10、滑塊11、楔形工作臺12、下頂桿13、楔鐵14、頂料連桿15、制動器16、凸輪四、平鍛機上模鍛

平鍛機