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142536概述锻压工艺基础自由锻模锻板料冲压锻压件结构设计模块一铸、锻、焊工艺及应用3.1概述锻压：一种借助工具或模具在冲击或压力作用下，对金属坯料施加外力，使其产生塑形变形，改变尺寸、形状及性能，用以制造机械零件或零件毛坯的成形加工方法，锻压又称作锻造或冲压。3.1.1锻压生产的特点优点：锻件的韧性好、纤维组织合理、尺寸稳定性好、锻件间性能变化小。图3.1三种金属加工方法所得零件低倍宏观流线缺点：不能直接锻制成形状复杂的零件；锻件的尺寸精度不够高；锻压生产所需的重型的机器设备和复杂的工具，对于厂房基础要求较高，初次投资费用大。3.1.2锻压生产的实用范围类型：自由锻、模锻、特种锻造。锻件的适用范围很广，几乎所有运动的重大受力构件都是由锻压成形的。3.1.3锻压生产的发展趋势与当代的科学技术有很大的关系：首先：材料科学的发展对锻压技术有着最直接的影响。其次：新型科学的出现，缩短了锻件的生产周期，提高锻模设计和生产水平。第三：机械零件性能的要求使得研究和开发新的锻压件是必然的出路。3.1概述3.2锻压工艺基础3.2.1金属的塑形变形塑形：是金属的重要特性。具有一定塑性的金属坯料在外力作用下，当内应力达到一定的条件，就会发生塑性变形；由于金属材料都是晶体，故要说明塑性变形的实质，必须从其晶体结构来说明。1.单晶体的塑性变形滑移变形：晶体内的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面作相对滑动。其变形过程如图3-2所示。晶体在晶面上的滑移，是通过位错的不断运动来实现的。如图3-3所示。当很多晶面同时滑移积累起来就形成滑移带，如图3-4所示，形成可见的变形。2.多晶体的塑性变形（如图3-5所示）多晶体的晶内变形方式和单晶体一样，也是滑移和双晶，但各个晶粒所处的塑性变形条件不同，即晶粒内晶格排列的方向性决定了其变形的难易，与外力成45度的滑移面最易变形。因为其产生的切应力最大。如图3-6反映了晶粒位向与受力变形的关系。3.2锻压工艺基础3.2.2变形后金属的组织和性能1.加工硬化、回复和再结晶1）加工硬化指金属在低温下进行塑性变形时，金属的强度和硬度升高，塑性和韧性下降的现象，如图3-7所示；变形程度越大，冷变形强化现象越严重。2）回复指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力减少。3）再结晶指当温度升高到一定程度时，金属原子获得更高的热能，通过金属原子的扩散，使冷变形强化的结晶构造进行改变，成长出许多正常晶格的新晶粒，新晶粒代替原变形晶粒的过程即为再结晶。利用金属再结晶过程消除低温变形后的冷变形强化，恢复金属的良好塑性，以利于后继的冷变形加工3.2锻压工艺基础3.2.2变形后金属的组织和性能2.塑形变形的分类和对金属组织和性能的影响根据变形的温度，金属的塑形变形分为冷变形和热变形。冷变形：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔，能获得较高的硬度及表面质量。热变形：指金属在其再结晶温度以上进行塑性变形。如锻造、热挤和轧制等，能消除冷变形强化的痕迹，保持较低的塑性变形抗力和良好的塑性。金属热变形时组织和性能的变化主要表现在以下几个方面：（1）变形加工时，在金属铸锭中含有的夹杂物多分布在晶界上，在金属塑性变形时，晶粒沿变形方向伸长，塑性夹杂物也随着变形一起被拉长，呈带状分布；脆性夹杂物被打碎呈碎粒状或链状分布；通过再结晶过程，晶粒细化，而夹杂物却依然呈条状和链状被保留下来，形成锻造流线。动画演示（2）热变形加工可以使铸造毛坯中的组织缺陷得到明显改善。3.2锻压工艺基础3.2.3金属的锻造性能金属的锻造性能是用来衡量金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度，是金属的工艺性能指标之一。常用金属的塑性和变形抗力两个因素来综合衡量。塑性越好，变形抗力越小，则锻造性能越好。影响金属锻造性能的因素有：金属的本质和金属的变形条件。1.金属本质的影响1）金属的化学成分：化学成分不同，塑性不同，锻造性能不同。2）金属的组织状态：组织结构不同，锻造性能不同；单一固溶体组成的合金，塑性好，锻造性能好；铸态柱状组织和粗晶结构不如细小均匀的晶粒结构；金属内部有缺陷也不一样。2.金属的变形条件1）变形温度：温度升高，塑性上升，降低变形抗力，易于锻造；但温度过高也会产生相应的缺陷，如氧化，脱碳、过热和过烧等。故要严格控制锻造温度范围。3.2锻压工艺基础2）变形速度：指金属在锻压加工过程中单位时间内的相对变形量。变形速度的影响较复杂：一方面变形速度增大，冷变形强化现象严重，变形抗力增大，锻造性能变坏；另一方面变形速度很大时产生的热能使金属温度升高，提高塑性，降低变形抗力，锻造性能变好。如图3-8所示。3）变形时的应力状态：不同压力加工方法，金属内部的应力状态是不同的，如图3-9所示。在金属塑性变形时，压应力数目越多，其塑性变形越好，因为压应力使滑移面紧密结合，防止产生裂纹；拉应力则使塑性变形降低，应为它使缺陷扩大，使滑移面分离。但压应力时变形抗力增大。故必须综合考虑塑性和变形抗力。3.3自由锻3.3.1概述自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁之间，施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获得所需形状的成形方法。坯料在锻造过程中，除与上下抵铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性强。自由锻主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。3.3.2自由锻设备自由锻设备常用的有锻锤和压力机。1）空气锤：它由电动机直接驱动，打击速度快，锤击能量小，适用于小型锻件；其结构与原理如图3-10所示。动画演示2）蒸汽—空气锤：利用蒸汽或压缩空气作为动力，构造及工作原理如图3-11所示，适用于中小型锻件。3）水压机：以压力代替锤锻时的冲击力，适用于锻造大型锻件；其工作过程包括空程、工作行程、回程、悬空。其原理和结构如图3-12所示。3.3自由锻3.3.3.自由锻工序根据作用与变形要求的不同，可分为基本工序、辅助工序和精整工序。1.基本工序：改变坯料的形状和尺寸以达到锻件基本成形的工序，包括镦粗（动画演示）、拔长（动画演示）、冲孔（动画演示）、弯曲（动画演示）、切割、扭转、错移（动画演示）等。最常用的是镦粗、拔长、冲孔。2.辅助工序：为了方便基本工序的操作，而使坯料预先产生某些局部变形的工序。如压钳口、倒棱和切肩。3.精整工序：修整锻件的最后尺寸和形状，消除表面的不平和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序。如修整鼓形、平整端面、校直弯曲。3.3.4.自由锻件的分类和锻造过程1.饼块类锻件主要有圆盘、叶轮等零件的毛坯。工序：墩粗（基本工序）；倒棱、滚圆、平整（辅助和修整工序）等工步。3.3自由锻2.空心类锻件主要有圆环、齿圈、轴承环等零件的毛坯。工序：基本工序：墩粗、冲孔、扩孔或芯轴拔长辅助和修整工序：倒棱、滚圆、校正等工步3.轴杆类锻件主要有传动轴、轧辊、立柱、拉杆等零件。工序：基本工序：拔长或墩粗+拔长工步辅助和修整工序：倒棱、滚圆工步4.曲轴类锻件主要有曲轴。工序：基本工序：拔长、错移和扭转等工步辅助和修整工序：分段压痕、局部倒棱、滚圆和校正等工步3.3自由锻5.弯曲类锻件工序：基本工序：拔长、弯曲工步辅助和修整工序：分段压痕、滚圆和平整等工步6.复杂形状类锻件主要有阀体、叉杆、吊环体、十字轴等零件。锻造难度较大。模锻是将加热好的坯料放在锻模模膛内，在锻压力的作用下迫使坯料变形而获得锻件的一种加工方法。坯料变形时，金属的流动受到模膛的限制和引导，从而获得与模膛形状一致的锻件。与自由锻相比，模锻的优点是：1）由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状可以比较复杂；2）锻件内部的锻造流线比较完整，从而提高了零件的力学性能和使用寿命。3）锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和切削加工工时；4）生产率较高；5）操作简单，易于实现机械化；6）生产批量越大成本越低。模锻的缺点：1）模锻是整体成形，摩擦阻力大，故模锻所需设备吨位大，设备费用高；2）锻模加工工艺复杂，制造周期长，费用高。故只适用于中小型锻件的成批或大批生产。如图3-13所示为典型模锻件。动画演示模锻广泛应用于国防工业和机械制造业，按质量计算模锻件在飞机上占85%，坦克占70%，汽车占80%，机车占60%。按使用设备不同，模锻可分为：锤上模锻、胎模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。3.4模锻3.4.1.锤上模锻锤上模锻即在模锻锤上的模锻。模锻锤的构造如图3-14a所示，锻模结构如图3-14b所示，由带有燕尾的上模和下模组成。模膛根据其功能不同可分为制坯模膛和模锻模膛两大类：（1）制坯模膛。用于将形状复杂的模锻件初步锻成近似锻件的模膛。又可分为：1）拔长模膛。减少坯料某部分横截面积，增加该部分长度，如图3-15a所示。2）滚压模膛。翻转操作使零件成形的模膛。如图3-15b所示。3）弯曲模膛。使坯料弯曲的模膛，如图3-15-c所示。4）切断模膛。如图3-15d所示。（2）模锻模膛1）预锻模膛。为改善金属流动条件，使锻件最终成形前获得接近终锻形状的模膛。2）终锻模膛。模锻时最后成形用模膛，需有飞边槽。带冲孔连皮和飞边的锻件如图3-16所示。根据模锻件的复杂程度，可将锻模设计为单膛锻模和多膛锻模，简单锻件如齿轮坯可仅设计为单膛锻模；对弯曲连杆可设计为多膛锻模，如图3-17所示。3.4模锻3.4.2.曲柄压力机上模锻曲柄压力机的结构与传动原理如图3-18所示，吨位一般为200~1200kN；与锤上模锻比，具有下述特点：优点：1）锻造力是压力，坯料的变形速度较低，可锻造较低塑性合金；2）锻造时滑块的行程不变，每个变形工步在一次行程中即可完成，便于实现机械化和自动化，具有很高生产率；3）滑块运动精度高，并有锻件顶出装置，使模锻斜度、加工余量、锻造公差减小，锻件精度比锤上模锻高。4）振动和噪声较小，劳动条件改善。缺点：1）设备费用高，模具结构复杂；2）滑块行程和压力不能在锻造过程中调整，因此不能进行拔长、滚压等制坯。3.4模锻3.4.3.平锻机上模锻平锻机相当于卧式的曲柄压力机，它沿水平方向对坯料施加锻造压力。其结构和原理如图3-19所示。其特点是：1）坯料都是棒料或管材，并且只进行局部（一端）加热和局部变形加工，因此可锻造立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件。平锻机上锻件如图3-20所示。2）锻模有两个分模面，锻件出模方便，可以锻出在其它设备上难以完成的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件。3）需配备对棒料局部加热的专用加热炉。4）是高效率、高质量、容易实现机械化的锻造方法，但设备结构复杂，价格贵，适用于大批量生产。3.4.4.摩擦压力机上模锻摩擦压力机是将飞轮旋转所积蓄的能量转化成金属的变形能进行锻造的，属锻锤类锻压设备。其结构与传动原理如图3-21所示。摩擦压力机上模锻的特点如下：1）滑块运动速度低，可锻造低塑性合金钢和有色金属；2）承受偏心载荷能力差，仅适合单膛模锻；3）打击速度低，可采用组合模具，降低生产成本，缩短生产周期；4）滑块行程不固定，故工艺性广泛。3.4模锻3.4.5其他模锻设备1.螺旋压力机一般适用于中、小批量生产的各种形状复杂的模锻件，尤其是适用于锻造轴对称性的锻件。2.液压机是一种用液体压力来传递能量的锻压设备。3.精压机精密模锻是在普通锻压设备上，装置具有模腔形状复杂（近于产品零件形状）、尺寸精度高的锻模，直接锻造出所要求的产品零件，如图3-22所示的差速器行星锥齿轮。4.楔横轧机主要用来生产大批量的轴类锻件或预制毛坯。3.4模锻3.5.1概述板料冲压是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。1.板料冲压的特点和应用：1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力。2）金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻巧，强度和刚度较高。3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械加工即可作零件使用。4）冲压生产