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第六章锻压与冲压加工技术第一节锻压加工工艺基础锻压是使金属材料在外力的作用下产生塑性变形，从而获得具有一定形状和尺寸的毛坯或零件的一种加工法。锻压包括锻造和冲压。根据成形方法的不同，锻造又分为自由锻造和模型锻造两类。自由锻造按工作时所受作用力来源的不同，又可分为手工自由锻造和机器自由锻造两类。冲压是使板料分离或成形而得到制件的加工方法。冲压由于是一种高效率的生产方法，所以它在汽车、拖拉机、航空、仪表及国防等工业部门中占有极其重要的地位。锻造和冲压应用非常广泛，是目前机制制造中毛坯生产的主要方法之一。图6-1所示为锻压方法示意图。图6-1锻压方法示意图（a）自由锻造（b）模型锻造（c）板料冲压锻造的材料应具有良好的塑性，以便在锻造加工时能产生较大的塑性变形而不破坏。钢和有色金属具有一定的塑性，都可以进行压力加工，而铸铁的塑性极差，不能锻压加工。锻造生产与其他加工方法相比，具有以下特点。①可以改善金属的内部组件，提高金属的机械性能。通过锻造能使锻件金属中的气孔及疏松压实，细化晶粒，并形成纤维组织。当纤维组织沿着零件轮廓合理分布时，能提高零件的塑性和韧性。②具有较高的劳动生产率。以制造六角螺母为例，用模锻成形后再加工螺纹，生产效率可比全部用切削加工提高约50倍。如果采用多工位冷鐓，则生产效率可提高400倍以上。③节约金属材料。一些精密模锻件的尺寸精度和表面粗糙度能接近成品零件的要求，需要少量甚至不需要切削加工即可得到成品零件，从而减少了金属的损耗。④适用范围广。锻造质量小的可不到1kg，大的重达数百吨。锻造既可进行单件小批量生产，又可以进行大批量生产。⑤锻造工艺的不足之处是不能锻造外形和内腔复杂的工件。一、锻件图和锻造比1．锻件图自由锻件的锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制而成的图样。模锻件的锻件图还应考虑分模面的选择、模锻斜度和圆角半径等。在锻件图中，锻件的外形用粗实线表示，零件（精、粗加工）的外形用双点画线表示。锻件的基本尺寸与公差注在尺寸线上面，零件的尺寸则注在尺寸线下面的括号内，如图6-2所示。图6-2锻件图①锻件基本尺寸：在零件尺寸基础上加放余量所得到的尺寸称为锻件的基本尺寸。②机械加工余量：成形时为了保证机械加工最终能获得所需要的尺寸而允许保留的多余金属部分称为机械加工余量，如图6-3（a）所示。③锻件公差：锤锻制成的锻件，其尺寸不可能正好达到锻件基本要求，允许有一定限度的偏差，超过基本尺寸的称为上偏差，小于基本尺寸的称为下偏差。上、下偏差的代数差的绝对值称为锻件公差。④余块；在锻件的某些难以锻出的部位添加的一些大于机械加工余量的金属体积称为余块，如图6-3（a）所示。⑤台阶：轴类锻件的某一段直径大于邻接的一段或两段直径时，则大径部分的尺寸称为台阶，如图6-3（b）所示。⑥法兰：在锻件上的台阶部分长度为直径的0.25～0.5倍，而直径至少为其邻接部分最大直径的1.5倍的部分，称为法兰，如图6-3（b）所示。⑦凹挡：锻件某一部分的直径（或非圆形锻件的截面尺寸）小于其邻接两部分的直径的（或尺寸）部分，称为凹挡，如图6-3（b）所示。图6-3机械加工余量示意图2．锻造比①锻造比：坯料锻造前后的横截面积之比称为锻造比。锻造比在不同的工序中有不同的计算方法。鐓粗时：YS＝S前/S后式中：YS——鐓粗时的锻造比；S前、S后——鐓粗前、后的横截面积。拔长时：YΦ=Φ前/Φ后式中：YΦ——拔长时的锻造比；Φ前、Φ后——拔长前、后的横截面积。②最小阻力定律：金属受到外力作用发生塑性变形时，会沿着阻力最小的方向移动，该现象称为最小阻力定律。二、锻造加热炉锻造前必须对金属坯料进行加热，其目的是提高金属的塑性和降低其变形阻力。加热锻件坯料在锻造加热炉中进行。1.手锻炉手工锻造加热炉简称手锻炉。其基本结构由炉膛、烟囱、送风装置等组成，如图6-4所示。燃烧所需要的空气由鼓风机经送风管从炉管下方进入煤层。燃料从前炉门添入，后炉门一般和前炉门相对，以便出渣和加热长杆类或长轴类锻件时外伸之用。烟囱和炉膛连成一体，且不均匀。图6-4手锻炉的结构示意图1-灰坑；2-火沟糟；3-鼓风机；4-炉膛；5-后炉门；6-烟囱2.反射炉反射炉是以煤为燃料的火焰加热炉。它主要由燃烧室、加热室、鼓风装置、换热器、烟道和烟囱等部分组成，如图6-5所示。图6-5反射炉的结构示意图l-一次送风管；2-水平炉膛；3-燃烧室；4-M次送风管；5-火墙；6-加热室；7-装出料炉门；8-鼓风机；9-烟囱；10-烟道；11-换热器加热过程为：将煤块从添煤口加入燃烧室，空气由鼓风机送入换热器预热后（温度可达300℃以上），经一次送风管从炉底下进入燃烧室，与煤进行燃烧，生成富有一氧化碳的气体火焰。火焰通过火墙从炉子拱顶得到完全燃烧，使加热室形成高温（可达1350℃左右），对坯料加热。3．重油加热炉和煤气加热炉这两种炉子的基本结构相同，它是由喷嘴或烧嘴将重油或煤气与空气混合后直接喷射到加热室内燃烧的。其基本形式有室式、推杆式和转台式，图6-6所示为室式重油加热炉的结构示意图。工作时，重油或气体燃料和空气从安装在炉壁或炉顶上的烧嘴喷入加热室燃烧，废气经烟道排出，炉口用来装料和出料，其外面设有炉门。室式炉适合加热单件或小批量生产的中、小型坯料，并常与自由锻造配合作用。4．电阻加热炉电阻加热炉利用电热通过电流元件产生热量，间接加热金属。炉子通常做成箱形。其特点是结构简单，炉内气温容易控制，温度控制准确，但升温慢。箱式电阻炉可分为低温、中温和高温3种，其结构如图6-7所示。中温箱式电阻炉的工作温度范围为450℃～950℃。常用于加热有色金属及其合金；而高温箱式电阻炉的加热温度为1250℃～1350℃，通常用来加热高温合金、高合金钢坯料。图6-6室式重油加热炉的结构示意图1-加热室（炉膛）；2-喷嘴；3-烟道；4-炉口图6-7箱式电阻炉的结构示意图l-炉门；2-电热体；3-炉膛；4-踏杆三、锻件坯料的加热及冷却金属加热的目的是为了提高其塑性，降低变形抗力，并使内部组织均匀。它是整个锻造生产过程中的一个重要环节，直接影响产品的质量及生产率。锻件冷却的方法对锻件的质量也有很大的影响，应予以充分的重视。1.锻造温度范围锻造温度范围是指合理的始锻温度和合理的终锻温度之间的一段温度间隔。1）始锻温度始锻温度就是指开始锻造的温度。一般始锻温度要求高一些，这样能使金属的塑性提高，可延长锻造时间。但是，加热温度超过一定限度时，将会使金属产生过热和过烧的缺陷，从而影响锻件的质量或造成废品。通常，始锻温度应比金属材料的熔点低100℃～200℃。图6-8所示为碳素钢的锻造温度范围。从图中可以看出，含碳量愈高，始锻温度愈低。合金钢的始锻温度一般要比相同含碳量的碳钢低些。图6-8碳素钢的锻造温度范围2）终锻温度终锻温度就是指停止锻造的温度。一般来说，终锻温度要求低一些，这样可以延长锻造时间，减少加热次数。但温度过低，金属就要产生加工硬化，甚至发生开裂。若终锻温度过高，会使锻件的晶粒比较粗大，从而降低了锻件的机械性能。从图6-8中可以看出，碳素钢的合理终锻温度约为800℃，而合金钢一般为800℃～900℃。钢材的具体锻造温度范围与钢有关。普通碳素钢的始锻温度与终锻温度范围为700℃～1250℃；优质碳素钢为800℃～1200℃；合金结构钢（如18Cr3MoWV、40CrNi等）为800℃～1200℃；碳素工具钢（T9、T10）为770℃～1100℃。金属在加热和锻造时的温度，可用热电高温计或光学高温计测量，也常用观察火色的方法进行判断。钢材的温度与火色的关系见表6-1。表6-1钢材的温度与火色的关系温度/℃130012001100900800700火色白色亮色黄色樱红赤红暗红3）加热速度钢材加热时，其热量自外表逐渐到内层，同时外表升温快，内层较慢。所谓加热速度是指在单位时间内钢材表面温度上升的度数（℃／h），也可以用单位时间内钢材热透的厚度（mm／min）来表示。由此可知，提高钢材的加热速度可以提高生产效率，同时可以降低钢材的烧伤和脱碳以及减少燃料的消耗。但过高的加热速度，会使钢材外表面热量来不及传给内层，结果因受热不均而产生很大的热应力，增大了生产裂纹的可能性。因此，确定钢材加热时间（或加热速度）的原则是在避免因热应力而产生裂纹的前提下，能在最短的时间内达到合理的始锻温度。对于一些导热性较差的高碳钢、高合金钢或断面尺寸较大的钢材，应首先进行低温预热，然后再进行快速加热。而对一些导热性较好的低碳钢、低合金钢或断面尺寸较小的钢材，则可不经预热而直接加热。2.锻件的冷却方法正确的加热和合理的锻造，能获得高质量的锻件。但如果锻件冷却不当，也将影响锻件的质量，如产生翘曲、裂纹及表面过硬等，严重的还会使锻件报废。因此，选择和严格遵守冷却规范，也是锻造生产中的重要环节。按照冷却速度的快慢，常用的冷却方法有如下3种。①空冷：将铸件单独或成堆放置，在空气中自然冷却。这种方法冷却速度快，适用低碳钢、中碳钢的小型锻件。②坑冷：将锻件置于坑内，上面覆盖箱盖或将其埋人黄沙、石灰或煤渣中，使锻件缓慢冷却。这种方法冷却速度较慢，适用低合金钢及截面尺寸较大的锻件。③炉冷：将锻件放人温度为500℃～700℃的炉内，停留一定的时间，然后和炉子一起冷却。这种方法冷却速度最为缓慢，适用于高合金钢及大型锻件。第二节自由锻造自由锻造是利用锻压设备的冲击力或静压力，使加热到一定温度的金属坯料在上下砧面之间产生变形，从而获得所需要的锻件的一种锻造方法。锻件的形状和尺寸主要是依靠技术工人使用通用工具来保证的。它是在工厂中广泛采用的锻造方法。主要用于单件小批量生产，也是大型特大型锻件的唯一生产方式。一、自由锻造方法自由锻造的基本工序有鐓粗、拔长、冲孔、切割和弯曲等。1．鐓粗鐓粗是减低坯料高度，增大坯料截面积的锻造工序。例如齿轮、叶轮、圆盘类零件都是用截面积较小的坯料锻造成截面积较大、高度较小的锻件。鐓粗可分为整体鐓粗和局部鐓粗，如图6-9所示。鐓粗时，为防止坯料产生纵向弯曲，坯料鐓粗部分的高度不应大于坯料直径的2.5～3倍。局部鐓粗时，可只对鐓粗部分加热，然后放在漏盘（垫环）上进行，以限制变形范围。2．拔长拔长是缩小坯料横截面积，增加坯料长度的锻造工序，如图6-10（b）所示。拔长主要适用于锻造光轴、台阶轴、连杆、拉杆等较长的锻件。拔长时，需用手钳将坯料钳牢，锤击时应绕其轴心线不断地翻转坯料，翻转方法如图6-10（b）和图6-10（C）所示。当采用反复90°翻转时，操作比较方便，但复形不均匀。采用沿轴旋线翻转时，坯料变形和温度变化较均匀，但操作不方便。为防止坯料产生弯曲和折叠，每次拔长时，应注意坯料宽度和厚度的比例，并掌握好坯料的送进量。图6-9鐓粗（a）整体鐓粗；（b）局部鐓粗图6-10拔长（a）拔长示意图；（b）反复90°翻转；（c）沿螺旋线翻转3．冲孔冲孔是用冲子在坯料上冲击通孔或不通孔的锻造工序。冲孔常用于齿轮、套筒和圆环等锻件。冲孔前，通常先将坯料鐓粗，以减小冲孔的深度并保持端面平整。冲孔后，大部分锻件还需要拔长、扩孔或修理。冲孔的方法有双面冲孔和单面冲孔两种。双面冲孔的过程如图6-11所示。先试冲一凹痕，以保证孔位正确，当凹痕无偏差后，向凹痕内撤少许煤粉（以利于取出冲子），用于冲子深至坯料厚度的2/3～3/4，然后翻转坯料再将孔冲穿。较薄的坯料可采用单面冲孔，其方法如图6-12所示，料置于漏盘上，将冲子的大头向下，直接将孔冲穿。图6-11双面冲孔过程图6-12单面冲孔4．切割切割是用剁刀将坯料切断或部分割开的锻造工序。切割的方法有以下几种。①单面切割：将剁刀垂直于坯料，锤击剁刀使其切入坯料至底部附近。翻转坯料后，用剁刀或克棍对准切口将坯料剁断，如图6-13所示。这种方法适用于切断坯料和切除料头。图6-13单面切割②双面和四面切割：在坯料的两个相对面上先后切割，称为双面切割。若先切割两相对面，再切割相邻相对面，则称为四面切割。这种方法适用于切割截面积较大的坯料。③圆料切割：将坯料放置于剁料槽内，第一刀切入坯料截面1/3～