第5章模锻工艺及锻模设计

—38—第十一—第十二—第十三—第十四上次课程回顾：第三节铸造工艺方案的确定一、造型、制芯方法的选择二、铸件浇注位置的确定三、分型面的选择四、型（砂）芯设计第四节铸造工艺参数的确定一、铸件尺寸公差二、机械加工余量三、铸件工艺余量四、铸件工艺补正量五、起模斜度（铸造斜度）六、铸造收缩率七、最小铸出孔及槽八、反变形量第五节液态金属成形工艺设计实例一、铸造工艺图的绘制二、铸件图的绘制三、铸型（装配）图的绘制四、铸造工艺规程和工艺卡片的编制—39—问题：1在铸造生产中，选择造型方案时应考虑哪些基本原则？2什么叫浇注位置？选择浇注位置应遵循哪些原则？3怎样选择分型面？—40—1在铸造生产中，选择造型方案时应考虑哪些基本原则？（1）造型、制芯方法应与生产批量相适应；（2）造型、制芯方法应适合工厂条件；（3）要兼顾铸件的精度要求和成本。2什么叫浇注位置？选择浇注位置应遵循哪些原则？浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的位置。（1）铸件上质量要求高的部分及重要工作面、重要加工面、加工基准面和大平面应尽量朝下或垂直安放；（2）铸件的厚大部位应放在上部，尽量满足铸件自下而上的顺序凝固；（3）应保证铸件有良好的液态金属导入位置保证铸型充满；（4）应尽量少用或不用砂芯。3怎样选择分型面？（1）分型面应选在铸件最大截面处，以保证顺利起出模样而不损坏铸型；（2）尽量将铸件全部或大部分放在同一个半型内；（3）尽量减少分型面的数量；（4）分型面应尽量选用平面；（5）便于下芯、合型和检查型腔尺寸；（6）考虑工艺特点，尽量使加工及操作工艺简单。—41—第四章内容回顾：第四章液态金属成形工艺设计第一节液态金属成形工艺设计概论一、设计依据二、设计内容和程序第二节铸件结构的工艺性一、铸造工艺对铸件结构的要求二、铸造合金对铸件结构的要求三、铸造方法对铸件结构的要求第三节铸造工艺方案的确定一、造型、制芯方法的选择二、铸件浇注位置的确定三、分型面的选择四、型（砂）芯设计第四节铸造工艺参数的确定一、铸件尺寸公差二、机械加工余量三、铸件工艺余量四、铸件工艺补正量五、起模斜度（铸造斜度）六、铸造收缩率七、最小铸出孔及槽八、反变形量第五节液态金属成形工艺设计实例一、铸造工艺图的绘制二、铸件图的绘制三、铸型（装配）图的绘制四、铸造工艺规程和工艺卡片的编制—42—测验：1名词解释（1）铸造；（2）砂型铸造；（3）熔模铸造；（4）消失模铸造；（5）压力铸造；（6）低压铸造；（7）差压铸造。2什么叫浇注系统？由几部分组成？3铸造工艺参数有哪些？4常用冒口有哪些？说明冒口的作用。冷铁的作用是什么？5什么叫浇注位置？如何确定浇注位置？6什么叫分型面？如何确定分型面7比较图a及图b哪个铸造工艺好，并简要说明。—43—第五章模锻工艺及锻模设计塑性成形技术是指利用金属的塑性，在外力的作用下，获得具有一定轮廓、尺寸和力学性能的产品的加工技术。塑性成形原理的核心内容—塑性力学锻造与冲压（锻压）：将固态金属（体积金属或板料金属）加热，或在室温下在锻压机器的外力作用下通过模具成形为所需锻件或冲压件产品的方法。锻造：锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。—44—三峡升船机螺母柱毛坯我国首台400MN（4万吨）重型航空模锻液压机重型航空模锻液压机进行热试顺利锻造出首个大型盘类件产品—45—第一节毛坯加热与锻件冷却一、毛坯加热方法1锻前加热的目的目的：提高金属塑性、降低变形抗力、使金属易于流动成形—锻造生产过程中的一个极其重要的环节。2加热方法（1）燃料火焰加热固体（煤、焦炭等）、液体（重油、柴油等）、气体（煤气、天燃气等）缺点：劳动条件差，炉内气氛、炉温及加热质量较难控制，容易造成环境污染。（2）电加热优点、缺点电阻加热感应加热（3）少无氧化加热精密模锻时，毛坯必须采用少无氧化加热，可减少钢材的氧化和脱碳，有利于提高模具寿命。实现少无氧化加热的方法有多种，简单而效果较好的是带保护气氛的感应加热。—46—3金属加热时的变化和常见缺陷金属在加热过程中，由于能量升高，原子的振动加快、振幅增大，以及电子运动的自由行程改变，还有周围介质的影响等原因，金属将发生如下变化：化学变化：氧化、脱碳、吸氢，产生氧化皮与脱碳层等；物理变化：热导率、热扩散率、膨胀系数、密度等随温度的升高而变化；组织结构变化：过热、过烧；力学性能变化：随加热温度升高，金属的塑形提高，变形抗力降低，残余应力逐步消失；但也可能产生温度应力与组织应力，过大的内应力会引起加热的金属开裂。4金属材料锻造温度范围的确定锻造温度范围：是指开始锻造（始锻温度）与结束锻造（终锻温度）之间的温度区间。锻造温度确定的原则：确定锻造温度范围的基本方法：一般来讲，碳钢的锻造温度范围根据铁-碳相图就可确定；铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢及高温合金，往往须要综合运用各种方法，才能确定出合理的锻造温度范围。各种材料的始锻和终锻温度可查手册。—47—5金属的加热规范金属在锻前加热时，应尽快达到规定的始锻温度，以减少氧化，节省燃料，提高生产率。但是，温度升得太快，温度应力就大，往往会造成毛坯开裂。因此，在实际生产中，金属毛坯应按一定的加热规范进行加热。加热规范：金属毛坯装炉开始到出炉的整个过程中，炉温和料温随时间变化的规定。为方便起见，加热规范通常是以炉温—时间的变化曲线来表示。一段、二段、三段或多段加热规范。预热、加热、均热等几个阶段。如何制定加热规范？确定加热过程不同阶段的炉温、升温速度和加热与均温时间。—48—二、锻件冷却方法锻件的冷却时锻造后根据锻件材料性质，按照不同的速度冷却到室温的工序。如果冷却速度选择不当，锻件可能因产生裂纹或白点而报废。1锻件在冷却过程中的内应力（1）冷却时的温度应力锻件在冷却初期，表层冷却快，体积收缩大；心部冷却慢，体积收缩小。由于表层金属收缩受到心部金属的阻碍，结果在金属的表层产生了拉应力，心部产生了压应力。此时心部温度仍较高，变形抗力小，且塑性较好，还允许微量塑性变形，使温度应力得以松弛。到了冷却后期，锻件表面已接近室温，基本上不再收缩，这时表层金属反而阻碍心部金属继续收缩，导致心部由受压应力转变成受拉应力，从而易产生冷却裂纹。若锻件材料为抗力大、塑性低的合金，在冷却初期表层金属内产生的拉应力不能得到松弛，就是在冷却后期，也只能使表层金属初期产生的拉应力有所降低，但表层仍为拉应力，心部仍为压应力。因此，冷却过程中低碳钢与低合金钢锻件可能出现内裂，而高碳钢与高合金钢锻件则易产生外裂。（2）冷却过程中的组织应力（3）冷却过程中的残余应力2锻件的冷却方法按照冷却速度的不同，锻件的冷却方法有三种，即在空气中冷却、在灰砂中冷却和在炉内冷却。1在空气中冷却2在干燥的灰、砂坑（箱）内冷却3在炉内冷却—49—上次课程回顾：第五章模锻工艺及锻模设计第一节毛坯加热与锻件冷却一、毛坯加热方法二、锻件冷却方法—50—问题？1什么叫锻压？什么叫锻造？2金属毛坯加热的目的是什么？主要加热方法有哪些？—51—1什么叫锻压？什么叫锻造？锻造与冲压（锻压）：将固态金属（体积金属或板料金属）加热，或在室温下在锻压机器的外力作用下通过模具成形为所需锻件或冲压件产品的方法。锻造：锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。2金属毛坯加热的目的是什么？主要加热方法有哪些？目的：提高金属塑性、降低变形抗力、使金属易于流动成形。加热方法：（1）燃料火焰加热；（2）电加热；（3）少无氧化加热。—52—第二节锻件分类及锻件图设计模锻即模型锻造，是利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。开式模锻：沿锻件分型面周围形成横向飞边的模锻。—53——54—一、锻件的分类为了便于拟定工艺规程和锻模设计，应将各种形状的锻件进行分类。目前比较一致的分类方法是，按照锻件的外形和模锻时毛坯的轴线方向，把锻件分为短轴线类（圆饼类）和长轴线类。锻件的分类如下：短轴线类锻件特点：打击方向、流动平面长轴线类锻件特点：—55—二、表示模锻件复杂程度的参数模锻件形状对模锻时金属流动和变形力的影响很大，因此，必须找出表示锻件形状复杂程度的参数。一般用锻件的体积与其外廓包容体的体积之比来表示锻件复杂性的，而且比较准确地估计到偏离主轴的那部分所带来的影响，即形状复杂系数S为：bVVS当S=1-0.63时，形状复杂程度为较低的Ⅰ级，锻件形状简单；当S=0.63-0.32时，形状复杂程度为较低的Ⅱ级，为普通形状锻件；当S=0.32-0.16时，形状复杂程度为较低的Ⅲ级，锻件形状较复杂；当S0.16时，形状复杂程度为较低的Ⅳ级，锻件形状复杂。提斯特（Teteies）提出的轴对称锻件的形状复杂系数为S、分别是纵、横截面形状系数。—56—三、锻件图的设计在工艺规程制定、锻模设计与加工、模锻生产过程及锻件检验中，都离不开锻件图。锻件图分为冷锻件图和热锻件图。冷锻件图—用于最终锻件检验和热锻件图设计；热锻件图—用于锻模设计与加工制造。冷锻件图通常称为锻件图。它是根据零件图设计，其设计内容如下：1确定分模面确定分模面位置的最基本原则是：保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从模腔中取出；此外，应争取获得镦粗成形。锻件分模面位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上。—57—为了提高锻件质量和生产过程的稳定性，除满足上述分模原则外，确定开式模锻件的分模位置还应考虑下列要求：（1）易于发现上下模腔的相对错移；（2）尽可能选用直线分模，使模锻加工简单。但对头部尺寸较大、且上下不对称的锻件，则宜用折线分模，以利充满成形；（3）对圆饼类锻件，当H≤D时，宜取径向分模，而不取轴向分模；（4）应保证锻件有合理的金属流线分布。—58——59—2确定机械加工余量和公差普通模锻件均经机械加工成为零件。原因？（1）毛坯在高温下产生氧化和脱碳；（2）毛坯体积变化及终锻温度波动；（3）由于锻件出模的需要，模膛壁带有斜度，锻件侧壁需添加敷料；（4）模膛磨损和上下模难免的错移现象；（5）锻件形状复杂，需作适当简化，保证模锻成形。3模锻斜度模锻斜度：在锻件上与分模面垂直的平面或曲面所附加的或固有的斜度。其作用是使锻件能顺利地从模膛取出。外模锻斜度α：锻件冷却收缩过程中，趋向于离开模壁的部分。内模锻斜度β：锻件冷却收缩过程中，将模膛中突起部分夹得更紧的部分。为了制造模具时采用标准刀具，模锻斜度应按以下数值选用：0°15ˊ、…、15°等—60—4圆角半径圆角：为了使金属易于流动和充满模膛，提高锻件的成形质量并延长锻模的使用寿命，锻件上所有的转接处都要用圆弧连接，使尖角、棱边呈圆弧过渡，此过渡称为锻件的圆角。外圆角半径r：凸圆角半径，外圆角对应模膛内圆角内圆角半径R：凹圆角半径，内圆角对应模膛外圆角—39—问题：充填模膛困难，开裂，压塌，力学性能下降，回流折叠。外圆角半径——过小，过大内圆角半径——过小，过大圆角半径的大小与锻件的形状尺寸有关，锻件高度尺寸大，圆角半径应加大。外圆角半径：r=余量+零件相应处半径内圆角半径：R=（2-3）r为便于选用标准刀具，圆角半径应按下列标准选定：1、1.5、2mm、…、30mm等—39—5冲孔连皮模锻不能直接锻出通孔，因此，在设计热锻件图时，必须在孔内保留一层连皮，然后在切边压力机上冲除掉。问题：过薄，锻不足并要求较大的打击力，模具凸出部分加速磨损或打塌；过厚，冲除连皮困难，锻件形状走样，浪费金属。—40—6技术条件锻件图带连皮的锻件，不需绘出连皮的形状和尺寸，因为在检验用的锻件图上连皮已经切除。零件图的主要轮廓线应用点划线在锻件图上表示出来，便于了解各部分的加工余量是否满足要求。凡在锻件图上无法表示的有关锻件质量及其它检验要求，均列于技术条件的说明中。一般技术条件包含如下内容：1）未注明的模锻斜度和圆角半径；2）允许的错移量和残余飞边的宽度；3）允许的表面缺陷深度；4）表面清理方法；5）锻后热处理方法及硬度要求；6）需要取样进行金相组织检验和力学性能检测时，应在锻件图上注明取样位置。—4