3锻压利用金属在冷态或热态下借助外力作用所产生的塑性变形，来

3锻压利用金属在冷态或热态下借助外力作用所产生的塑性变形，来 3锻 压 利用金属在冷态或热态下借助外力作用所产生的塑性变形，来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，称为金属压力加工，简称锻压。塑性变形是金属压力加工的主要特征，故具有一定塑性的各类钢、大多数有色金属及其合金均可进行压力加工生产。 金属压力加工的基本生产方法、特点及应用见表3-1。其中，锻造和板料冲压是两类最为常见的加工方法。表3-1 金属压力加工的分类、特点及应用类型简 图特 点适用场合及发展趋势轧制用轧机和轧辊;加热状态或常温状态;减少坯料截面尺寸批量生产钢管、钢轨、角钢、工字钢与各种板料等型材 趋势: 高速轧制，线材达120m/s，板材30m/s;精密轧制，提高尺寸精度及板形精度;轧锻复合生产钢球、齿轮、轴类、环类零件毛坯，力求少无切削拉拔用拉拔机或拉拔模;常温或低温加热状态;减少坯料截面尺寸批量生产钢丝、铜铝电线、包装线、铜铝电排等丝、带、条等型材 趋势: 高尺寸精度、低表面粗糙度挤压用挤压机或挤压模;常温或加热状态;主要改变坯料截面形状批量生产塑性较好的复杂截面型材如铝合金门窗构条、铝散热片等，或生产毛坯如齿轮、螺栓、铆钉等，现我国可生产千余种冷挤压件 趋势: 高速精密、锻焊结合，如用挤锻机可自动、快速将棒料连续挤压成锥齿轮，每分钟可近百件、近百公斤;温挤45钢汽车后轴管，重达9kg自由锻用自由锻锤或压力机和简单工具;一般在加热状态下使坯料成形单件、小批量生产外形简单的各种规格毛坯，如轧辊、大电机主轴等，以及锻工、钳工用的简单工具，也适用于修配场合 趋势: 锻件大型化，提高内在质量;国内已生产重达5万吨级船用轴系锻件，全纤维船用曲轴锻件已达国际水平;操作机械化第1篇 材料成形技术3 锻压续表 类型简 图特 点适用场合及发展趋势模锻用模锻锤或压力机和锻模;一般在加热状态下使坯料成形批量生产中、小型毛坯(如汽车的曲轴、连杆、齿轮等)和日用五金工具(扳手等) 趋势: 少无切削、精密化，如精密模锻叶片、齿轮锻件公差可达0.05,0.2mm，还可直接锻出8,9级精度的齿形板料冲压用剪床、冲床和冲模;一般在常温状态下使板料分离或成形批量生产日用品，如钢、铝制的碗、锅、勺等和电子仪表、汽车等工业用的零件或毛坯，如自行车链条、汽车车厢、油箱 趋势: 自动化、精密化;精密冲裁尺寸公差可达0.01mm之内，表面粗糙度Ra3.6,0.2μm;非传统成形工艺发展较快，如旋压、超塑、爆炸成形等 锻造以热态的金属锭或棒料作为原材料，又可分为自由锻造和模型锻造，介于两者之间的过渡方式称为胎模锻。自由锻有手工自由锻和机器自由锻之分。前者是传统的、原始的生产方式，后者是现代生产方式，也是目前机器制造业获得毛坯的重要加工方法。 金属材料经过锻造，其内部原有的缺陷如微小裂纹、气孔、缩松等在锻造力的作用下可被压合，形成细小晶粒和特有的纤维组织，因此，锻件组织致密，力学性能(尤其是抗拉强度和冲击韧度)比同类材料的铸件大为提高。一些重要零件(特别是承受重载和冲击载荷)的毛坯，如各种机械中所用的轴、齿轮及其他零件，通常采用锻造方法生产毛坯。此外模型锻造还有较高的生产率和锻件成形精度，可达到少、无切削的目的，因而广泛应用于机器制造行业。锻造的主要缺点是锻件形状的复杂程度(尤其是内腔形状)不及铸件。 板料冲压是以冷态板材为原材料，并利用安装在压力机上的模具迫使板材产生分离或变形的加工方法。其中模具是关键的工装设备，其设计和制造水平是衡量一个国家工业发展的标志。由于冲压制品的重量轻、强度高、刚度好、尺寸稳定、互换性好，故在批量生产中得到广泛应用。在汽车、航天、电器、仪表、国防和日用品工业中，冲压件所占比例相当大。 3.1 锻坯的加热与锻件冷却3.1.1 锻坯的加热与锻造温度范围1. 加热的目的 在常温下， 一些塑性好的金属材料也能锻造成形，但变形量受到一定限制，而且变形抗力很大，甚至难以达到预期的成形要求。图3-1所示是碳钢的机械性能随加热温度变化的曲线。可以看出，随着温度的提高，金属的塑性增加而强度降低。因此，锻造前对金属坯料进行加热是锻造工艺过程中的一个重要环节。 图3-1 碳钢的力学性能随加热 温度变化曲线对坯料进行加热的目的是提高金属的塑性并降低其变形抗力，以改善锻造性能。加热后锻造可用较小的锻打力产生较大的变形而不致破裂，且锻后具有良好的组织。 2. 锻造温度范围 通常加热温度越高，金属的塑性越好而强度越低、变形抗力越小;但加热温度不能过高，否则会出现加热缺陷，使锻件质量下降，甚至造成锻件报废。因此，为了保证金属在变形时具有良好的塑性，又不致产生加热缺陷，锻造必须在合理的温度范围内进行。 金属材料锻造时，所允许加热的最高温度称为始锻温度。毛坯在锻造过程中，随着热量的散失，温度不断下降，因而塑性越来越差，变形抗力越来越大，温度下降到一定程度后，不仅难以继续变形，且易锻裂，必须及时停止锻打，重新加热。金属材料不宜再锻的温度称为终锻温度。从始锻温度到终锻温度称为锻造温度范围。几种典型钢材的锻造温度范围如表3-2所示。表3-2 常用钢材的锻造温度范围钢 类始锻温度/?终锻温度/?钢 类始锻温度/?终锻温度/?碳素结构钢1200,1250800高速工具钢1100,1150900合金结构钢1150,1200800,850耐热钢 1100,1150800,850碳素工具钢1050,1150750,800弹簧钢 1100,1150800,850合金工具钢1050,1150800,850轴承钢 1080800 金属在加热和锻造过程中的温度变化可用仪表(热电高温计或光学高温计)测量，在实际生产中锻工也常用观察金属火色的方法来判断，如碳钢的始锻温度为亮黄色，终锻温度为樱红色。 3.1.2 加热缺陷及其防止 坯料在加热过程中常见的缺陷有氧化、脱碳、过热、过烧和加热裂纹等。 1. 氧化与脱碳 金属坯料加热时，其表层与炉气中的氧化性气体(CO2、O2、H2O和SO2等)发生化学反应生成氧化皮，造成金属的烧损，这种现象称为氧化。氧化皮的形成不仅造成金属材料的损耗，而且影响锻件的质量并腐蚀炉子。在模锻时，由于氧化皮使锻模磨损加剧，造成锻件表面质量下降。此外，坯料每加热一次，由于氧化而造成的烧损量约占坯料质量的2%,3%. 金属坯料在加热过程中，其表层的碳在高温下与O2、H2、H2O和CO2等进行化学反应，造成表层碳减少的现象叫脱碳。脱碳后的金属材料，其硬度、强度和耐磨性均降低。如果脱碳层深度小于锻件加工余量时，对零件使用基本没有危害，否则会严重影响其使用性能。 对于一般火焰加热炉，防止氧化和脱碳的方法大体相同，可采用如下工艺措施: (1) 尽量采用高温装炉的快速加热法，少装勤装，缩短坯料在高温下停留的时间; (2) 由于过多的空气会加速氧化过程，因此应控制进入炉内的空气量，在完全燃烧的条件下，尽可能减少过剩空气量，并减少燃料中的水分; (3) 保温时炉膛应保持不大的正压力，防止冷空气进入炉膛; (4) 加热前将坯料涂刷保护层或在保护性气氛中加热，实现少氧化、无氧化加热，并减少脱碳。 2. 过热 如果坯料的加热温度过高或在始锻温度下保温时间过长，会使晶粒过分长大，这种现象叫过热。过热的锻件晶粒粗大，金属塑性下降，锻造时容易产生裂纹。对于已产生过热但尚未锻造的坯料，可用冷却后重新加热的方法挽救。若锻后发现粗晶组织，可通过热处理如正火的 方法细化晶粒。 3. 过烧 如果坯料的加热温度更高(高于过热温度)，或已过热的坯料长时间在高温下停留，会使晶粒间低熔点物质熔化;同时，由于炉中的氧化性气体的渗入，使晶粒边界物质氧化，从而削弱晶粒间的联系，一经锻打就会破碎而成为废品，这种现象称为过烧。过烧缺陷无法进行挽救，只有严格控制加热温度、加热速度以及坯料在高温下的停留时间来加以防止。 4. 加热裂纹 坯料加热时， 由于内外温度差造成温度应力，组织变化伴随着体积变化造成组织应力，此外，坯料内部原本留有残余应力。这些应力的联合作用，可能会导致加热裂纹的产生。加热裂纹一旦出现，坯料即报废，无法挽救。一般中、小型锻件，以轧材为坯料时， 不会产生加热裂纹。而对大型钢锭加热，尤其对高碳钢和合金钢锭坯料加热，要注意防止产生加热裂纹。可采用缓慢加热、分段加热或对坯料进行预热等手段防止裂纹的产生。 3.1.3 加热设备 根据热源不同，锻造用加热设备分为火焰加热炉和电加热炉两类。前者是利用燃料(煤、重油和煤气)的燃烧所产生的热能直接对金属加热;后者则是通过将电能转变为热能对金属加热。 1. 反射炉 反射炉是以煤为燃料的火焰加热炉。其热效率较低，主要用于中小批量生产的自由锻造车间，其结构如图3-2所示。煤在燃烧室中燃烧产生的高温炉气越过火墙，进入加热室对金属坯料加热，加热温度可达1350?左右，剩余炉气进入烟室经烟道排出。燃烧所需的空气由鼓风机供给，经过热交换器预热后进入加热室。 反射炉操作的注意事项如下。 (1) 用木柴将火引燃，小开风门，待火烧旺后加入煤焦，煤焦燃透后加入新煤，再加大风量。 (2) 坯料装炉和取出应依次进行，以免加热不充分或产生过热、过烧。并注意先关风门后开炉门。 (3) 装取坯料应穿戴好防护用具，以免热辐射烤伤或烫伤。 (4) 炉口至锻造设备之间应保持畅通，工件传送应靠近地面，不准抛掷，以免伤人。 (5) 应及时加煤和清除炉渣，以保持炉火正常，炉内氧化皮也应及时清除。 2. 油炉和煤气炉 油炉和煤气炉分别以重油和煤气为燃料进行加热，其结构大致相同，仅喷嘴结构有所差别。它们都设有专门的燃烧室，加热时利用压缩空气将重油或煤气由喷嘴直接喷射到加热室(即炉膛)内进行燃烧加热坯料，生成的废气由烟道排出。调节重油或煤气及压缩空气的流量，便可以控制炉膛的温度。室式重油炉如图3-3所示。此种炉加热比较均匀，生产率较高，可与钢件模锻设备配合使用。 图3-2 反射炉结构示意图 图3-3 室式重油炉结构示意图 3. 电阻炉 电阻炉是利用电流通过分布在炉膛壁上的电热元件产生的电阻热为热源，通过辐射和对流加热坯料的设备。电阻炉通常为箱形，有中温箱式电阻炉和高温箱式电阻炉两种。电阻炉结构简单、体积小、操作简便、温度控制准确、加热质量高，且可通入保护性气体控制炉内气氛，以防止和减少坯料加热时的氧化;但耗电多、费用高。电阻炉主要用于精密锻造及高合金钢、有色金属等加热质量要求高的场合。中温箱式电阻炉的结构如图3-4所示。 4. 感应电加热 在感应器通入交变电流产生的交变磁场作用下，金属坯料内部产生交变涡流。由于涡流发热 和磁化发热，便直接将金属坯料加热，如图3-5所示。 此外还有电接触加热、盐浴炉和真空炉加热等。 图3-4 中温箱式电阻炉结构示意图 图3-5 感应电加热原理图 1-感应器; 2-坯料; 3-电源 3.1.4 锻件的冷却 由于终锻温度一般较高，若不采取措施保证锻件缓慢冷却，会因热应力和组织应力而使锻件出现变形、裂纹等缺陷。因此，锻件冷却是保证锻件质量的重要环节。工业生产中常用的冷却方法有三种。 (1) 空冷 锻后将锻件置于车间干燥的地面上并在无风的空气中自然冷却，但不能放置在潮湿、寒冷、有强烈气流的地方。一般低、中碳钢和低合金钢中的中、小型锻件及大型锻件采用此种冷却方法。 (2) 坑冷 将锻件埋在充填有石灰、干砂或炉灰的坑中冷却。一般合金钢的中、小型锻件采用此种冷却方法，而碳素工具钢锻件应先空冷至650,700?，然后再坑冷。 (3) 炉冷 将锻件放在500,700?的加热炉中随炉缓慢冷却。一般尺寸较大的合金钢锻件采用炉冷。 此外，锻件中的碳、合金元素的含量越多，锻件的体积越大、形状越复杂，冷却速度越要缓慢，否则会造成锻件变形、表面过硬不易切削加工，以及裂纹等缺陷。 3.1.5 锻件的热处理 为了细化晶粒，均匀组织，减少锻造残余应力，调整硬度，改善机械加工性能，为最终热处理做准备，在机械加工之前，锻件一般需进行热处理。 常用的热处理方法有正火及各种退火等。具体热处理工艺要根据锻件材料的种类、化学成分及对锻件的要求选择(可参阅第1章有关内容). 3.2 自 由 锻 造 自由锻是利用冲击力或压力，使金属坯料在上、下两砥铁之间产生变形而获得毛坯的成形方法。金属坯料在锻造过程中，只有部分表面与上、下砥铁或其他辅助工具接触，其余则为自由表面，变形不受限制，锻件的形状和尺寸主要靠锻工严格按锻件工艺进行操作来保证，生产率低。但其所用工具简单，设备通用性强，因而广泛应用于单件和小批量生产。对于重型锻件，自由锻是唯一的加工方法。 自由锻又分为手工自由锻和机器自由锻。前者是靠人力和手工工具对坯料施加外力，只能生产小型锻件，效率低，目前在工业上已基本被淘汰;后者靠机器对坯料施加外力，能够锻造各种大小的锻件，是自由锻的主要方式。 3.2.1 自由锻造设备及工具1. 锻造设备 锻造所用的设备有两大类，一类是以冲击力使金属坯料产生塑性变形的锻锤，如空气锤、蒸汽-空气锤;另一类是以静压力使金属坯料产生塑性变形的液压机，如水压机、油压机。 1) 空气锤 空气锤是生产小型锻件的常用设备，可用于锻造中、小型锻件。它既可进行自由锻造，又可进行胎模锻造。其外形及工作原理如图3-6所示。 图3-6 空气锤 (a) 外形图; (b) 工作原理图 空气锤由锤身、压缩缸、工作缸、减速机构、操作机构、落下部分及砧座部分等组成。 锤身用来安装和固定锤的其他部分，工作缸和压缩缸与锤身铸为一体。减速机构由带轮、齿轮减速装置及曲柄连杆等组成。操纵机构包括踏杆(或手柄)、连接杠杆、上旋阀和下旋阀， 在下旋阀中装有一个只准空气作单向流动的逆止阀。落下部分由工作活塞、锤头和上砥铁组成。空气锤的规格用落下部分的质量表示，如65kg的空气锤，是指其落下部分的质量为65kg。砧座部分由砧座、砧垫和下砥铁组成，用以支持工件及工具，并承受锤击。 通电启动空气锤后，通过踏杠或手柄(见图3-6)，操纵上下控制阀，可使空气锤实现空转、锤头上悬、锤头压紧、连续锻打和单次锻打五种运动，以满足各种加工需要。 (1) 空转 压缩缸和工作缸的上、下部分都与大气相通，锤的落下部分靠自重停在下砥铁上，这时压缩缸活塞虽能上、下运动，但锤头不工作。 (2) 锤头上悬 压缩缸和工作缸的上部都经上旋阀与大气相通，压缩空气只能经下旋阀进入工作缸下部。下旋阀中的逆止阀可防止压缩空气倒流，因此，气体的压力足以将工作活塞顶起，使锤头上悬。此时可在锤上进行各种辅助工作，如摆放锻件、工具和检查锻件尺寸等。 (3) 锤头压紧 压缩缸上部和工作缸下部与大气相通，压缩空气经逆止阀进入工作缸上部，使锤头向下压紧锻件。此时可进行弯曲或扭转等工作。 (4) 连续锻打 上、下旋阀与大气连通的气道全部隔断，把两个汽缸的上部与下部分别经上、下旋阀连通，压缩空气交替地进入工作缸的上部和下部，推动锤头上、下往复运动(此时逆止阀不起作用)，实现连续锻打。 (5) 单次锻打 将踏杆踩下后立即抬起，或将手柄由锤头上悬位置快速移向连续锻打位置，即成为单次锻打。 上述五种动作，基本满足了生产中的使用要求，其中单次锻打和连续锻打力量的大小是通过下旋阀调节的。手柄(或脚踏杆)扳动角度小，通气孔开启小，由压缩缸进入工作缸的压缩空气量少，打击力就小;反之，打击力就大。 生产上常用的空气锤锻造能力如表3-3所示。表3-3 空气锤规格选用参考数据规格/kg 锻件65751502002504005607501000能锻方钢最大断面边长/mm5065130150175200270270280 能锻圆钢最大直径/mm6085145170200220280300400锻件最大质量/kg24681026456284 2) 蒸汽-空气锤 蒸汽-空气锤是生产大、中型锻件常用的设备，它是用0.6,0.9MPa压力的蒸汽或压缩空气作为动力源进行工作的。生产上常用的是双柱拱式蒸汽-空气锤，其外形及工作原理如图3-7所示。 图3-7 双柱拱式蒸汽-空气锤 (a) 外形图; (b) 工作原理图 1-上气道; 2-进气管; 3-节气阀; 4-滑阀; 5-排气管; 6-下气道; 7-下砥铁; 8-砧垫; 9-砧座; 10-坯料; 11-上砥铁; 12-锤头; 13-锤杆; 14-活塞; 15-工作缸 蒸汽-空气锤是由机架、汽缸、落下部分、配气操纵机构及砧座等部分组成。机架即锤身，有左右两个立柱，通过螺栓固定在底座上。汽缸和配气机构的阀室铸成一体，用螺栓与锤身的上端面相连接。落下部分是锻锤的执行机构，由活塞、锤杆、锤头和上砥铁组成。配气操纵机构由滑阀、节气阀、进气管、操纵杠杆组成。砧座由下砥铁、砧垫、砧座组成。为提高打击效果，砧座质量为落下部分的15倍，以保证锤击时锻锤的稳定。 蒸汽-空气锤也是通过操纵手柄，使滑阀处于不同位置或上下运动，来完成锻锤的上悬、压紧、单次锻打和连续锻打动作。其规格以落下部分的质量大小来表示，生产上常用蒸汽-空气锤锻造能力如表3-4所示。 3) 水压机 水压机是生产大型锻件常用的设备，是以高压水泵所产生的高压水(15,40MPa)为动力进行工作的。水压机广泛采用三梁四柱式传动机构，并带有活动工作台。其典型结构如图3-8所示。表3-4 蒸汽-空气锤规格选用参考数据规格/t轴 类 锻 件最大直径/mm最大质量/kg方截面锻件最大边长/mm成形锻件最大质量/kg1175250200 702225500250180327575030032053501500450700图3-8 水压机 1, 2-管道; 3-回程柱塞; 4-回程缸; 5-回程横梁; 6-拉杆; 7-密封圈; 8-上砥铁; 9-下砥铁; 10-下横梁; 11-立柱; 12-活动横梁; 13-上横梁; 14-工作柱塞; 15-工作缸 水压机主要由固定系统和活动系统两部分组成。固定系统由上横梁、下横梁、工作缸、回程缸和立柱组成。工作缸和回程缸固定在上横梁上，下横梁上面装有下砥铁。上、下横梁和四根立柱组成一个封闭的刚性机架，工作时，机架承受全部工作载荷。活动系统由工作活塞、活动横梁、回程柱塞和拉杆组成，活动横梁的下面装有上砥铁。 水压机的基本动作是: 当高压水沿管道1进入工作缸时，工作柱塞带动活动横梁沿立柱下行，对坯料进行锻压。当高压水沿管道2进入回程缸下部时，则推动回程柱塞上行，通过回程小横梁的拉杆将活动横梁提升离开坯料， 从而完成锻压与回程一个循环。 水压机的规格是以水压机产生的静压力的大小表示的。在生产上常用自由锻水压机的锻造能力如表3-5所示。表3-5 水压机规格选用的参考数据锻造工序规格/MN镦 粗拔 长最大钢锭质量/kg钢锭平均直径/mm最大钢锭质量/kg钢锭平均直径/mm 8.0 2500 498 5000 63412.5500063480007512524000106349000140630320001179520001406606000014961300001986120150000210530000072402. 锻造工具 除了锻锤和水压机外，锻造还需要一些锻造工具。工业上常用锻造工具如图3-9 所示。 图3-9 锻造工具 3.2.2 自由锻造基本工序 将金属毛坯锻造成一定形状和尺寸的锻件过程由一系列工序组成。自由锻生产工序可分为基本工序、辅助工序及精整工序。基本工序是使毛坯产生塑性变形，以达到所需形状和