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工程材料与热加工基础——程晓宇《工程材料与热加工基础》第十章锻压生产机械工程系金工教研室工程材料与热加工基础——程晓宇1、何为锻压？锻压是对坯料施加外力，使其产生塑性变形、改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造与冲压的总称，属于压力加工的范畴。锻压设备第二章锻压工程材料与热加工基础——程晓宇2、锻压特点：塑性变形是压力加工的基础，凡具有一定塑性的金属如钢及大多数有色金属，均可进行压力加工。与铸造相比，压力加工的优点是：金属铸锭经塑性变形后，铸造组织的内部缺陷如气孔、缩孔、微裂纹等得到焊合，再结晶后可细化晶粒，金属的各种力学性能得到提高。冲压件又具有重量轻、精度高、刚性好等优点。但由于锻压件是在固态成形，金属的流动受到限制。因此，对于形状复杂、尤其是内腔形状复杂的零件，从制造工艺上锻件远不及铸件容易实现。另外，锻件的成本比铸件高，材料利用率等方面也不如铸件。然而，从锻件力学性能的提高，锻造流线更加与受力条件相适应，在同样受力条件下，零件的几何尺寸可以缩小的角度看，又可以大大降低原材料的使用量，延长零件的使用寿命，节约金属。工程材料与热加工基础——程晓宇一、金属的塑性变形概述金属塑性变形的实质，对于单晶体是由于金属原子某晶面两侧受切应力作用产生相对滑移，或晶体的部分晶格相对于某晶面沿一定方向发生切变，即滑移理论和孪生理论。第一节金属的锻造性能工程材料与热加工基础——程晓宇二、热锻、冷锻、温锻、等温锻从金属学的观点划分锻压加工的界限为再结晶温度。1．热锻在金属再结晶温度以上进行的锻造工艺称为热锻。在变形过程中冷变形强化和再结晶同时存在，属于动态再结晶。2．冷锻在室温下进行的锻造工艺称为冷锻。冷锻可以避免金属加热出现的缺陷，获得较高的精度和表面质量，并能提高工件的强度和硬度。但冷锻变形抗力大，需用较大吨位的设备，多次变形时需增加再结晶退火和其它辅助工序。目前冷锻主要局限于低碳钢、有色金属及其合金的薄件及小件加工。3．温锻在高于室温和低于再结晶温度范围内进行的锻造工艺称为温锻。与热锻相比，坯料氧化脱碳少，有利于提高工件的精度和表面质量；与冷锻相比，变形抗力减小、塑性增加，一般不需要预先退火、表面处理和工序间退火。温锻适用于变形抗力大、冷变形强化敏感的高碳钢、中高合金钢、轴承钢、不锈钢等。4．等温锻在锻造全过程中，温度保持恒定不变的锻造方法称为等温锻。工程材料与热加工基础——程晓宇三、锻造流线和锻造比锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性，通常称为锻造流线，又叫纤维组织。锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。通常用变形前后的截面比、长度比或高度比来表示。锻造比对锻件的锻透程度和力学性能有很大影响。当锻造比达到2时，随着金属内部组织的致密化，锻件纵向和横向的力学性能均有显著提高；当锻造比为2-5时，由于流线化的加强，力学性能出现各向异性，纵向性能虽仍略提高，但横向性能开始下降，锻造比超过5后，因金属组织的致密度和晶粒细化度均已达到最大值，纵向性能不再提高，横向性能却急剧下降。因此，选择适当的锻造比相当重要。一般，碳素结构钢取2-3，合金结构钢取3-4。对于某些高合金工具钢和特殊性能的合金钢，为促进合金碳化物分布的均匀化，击碎钢中的碳化物，常采用较大的锻造比，如高速钢取5-12，不绣钢取4-6。锻造比越大，锻造流线越明显；锻造流线的稳定性很高，不能用热处理方法消除，只有经过锻压使金属变形，才能改变其方向和形状。工程材料与热加工基础——程晓宇四、金属的锻造性能是指金属经受锻压加工时成形的难易程度的工艺性能。其优劣常用塑性和变形抗力综合衡量。塑性高、变形抗力小则锻造性能好。它决定于金属的本质和变形条件。（一）金属的本质1．化学成分纯金属一般具有良好的锻造性能。碳钢随碳的质量分数的增加，锻造性能逐渐变差。合金元素的加入会劣化锻造性能2．金属组织纯金属及固溶体锻造性能好，而碳化物的锻造性能差。铸态柱状晶组织和粗晶结构不如细小而又均匀晶粒结构的金属锻造性能好。工程材料与热加工基础——程晓宇（二）变形条件1．变形温度变形温度低，金属的塑性差、变形抗力大，不但锻压困难，而且容易开裂。提高金属变形时的温度，可使原子动能增加，原子间的结合力消弱，使塑性提高，变形抗力减小。锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。2．变形速度变形速度指单位时间内的变形程度，变形速度低时，金属的回复和再结晶能够充分进行，塑性高、变形抗力小；随变形速度的增大，回复和再结晶不能及时消除冷变形强化，使金属塑性下降，变形抗力增加，锻造性能变差。常用的锻压设备不可能超过临界变形速度。工程材料与热加工基础——程晓宇（二）变形条件3．应力状态采用不同的变形方法，在金属中产生的应力状态是不同的。应力状态对于塑性的影响为：压应力数目越多，塑性越好；拉应力数目越多，塑性越差；应力状态对于变形抗力的影响为：同号应力状态下的变形抗力大于异号状态下的变形抗力。所以，在选择变形方法时，对于塑性高的金属，变形时出现拉应力有利于减少能量消耗；对于塑性低的金属应尽量采用三向压应力以增加塑性，防止裂纹。4．坯料表面质量表面粗糙或有划痕、微裂纹、粗大夹杂都会在变形过程中产生应力集中，使缺陷扩展甚至开裂。故塑性加工前应对坯料表面进行清理消除缺陷，有时甚至需要进行表面预切削去掉坯料的表层金属。工程材料与热加工基础——程晓宇五、金属的塑性变形规律1．体积不变条件由于塑性变形时金属密度的变化很小，所以可认为变形前后的体积相等。此假设称为体积不变条件。2．最小阻力定律最小阻力定律是描述塑性变形流动规律的一种理论，如果物体在变形过程中其质点有向各种方向移动的可能性时，则物体各质点将向着阻力最小的方向移动。一般，金属内某一质点流动阻力最小的方向是通过该质点向金属变形部分的周边所作的法线方向。工程材料与热加工基础——程晓宇只用简单的通用性工具，或在锻造设备的上、下砧间直接使坯料变形而获得所需的几何形状及内部质量的锻件，这种方法称为自由锻。一、自由锻设备根据对坯料作用力的性质不同，自由锻设备可分为产生冲击力的锻锤和产生静压力的压力机两大类。第二节自由锻工程材料与热加工基础——程晓宇二、自由锻工艺规程的制订（一）绘制锻件图锻件图是根据零件图绘制的。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的图。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。锻件图的绘制方法如下：1）锻件的形状用粗实线，同时用假想线（双点划线）描绘出零件的形状。2）锻件的尺寸和公差标注在尺寸线的上面，零件的尺寸和公差用括号标注在尺寸线的下面或侧面。3）图上无法标注的技术要求，如锻造温度范围、锻造比、氧化缺陷、脱碳层深度等以技术条件方式用文字说明。工程材料与热加工基础——程晓宇（二）计算坯料的重量和尺寸1．坯料重量坯料的重量为锻件的重量与锻造时各种金属损耗的重量之和，可按下式进行计算：m坯=m锻+m烧+m芯+m切式中m坯--坯料重量；m锻--锻件重量；m烧--加热时坯料表面氧化烧损的重量。与所用加热设备类型等因素有关，可参考相关资料；m芯m切--冲孔时的芯料重量；m切--锻造中被切掉的金属重量。2．坯料尺寸根据计算出的坯料重量即可计算杯料的体积，最后依据选择的坯料截面尺寸确定其长度。工程材料与热加工基础——程晓宇（三）选择变形工序通常，自由锻件的成形过程是由一系列变形工序组合而成的，工序的选择主要是根据锻件的形状和工序的特点来确定。一般可将锻件分为六大类:1．轴杆类锻件包括各种圆形截面实心轴，如传动轴、轧辊、立柱、拉杆等，还有矩形方形、工字形截面的杆件如摇杆、杠杆、推杆、连杆等，锻造轴杆件的基本工序是拔长，但对于截面尺寸相差大的铸件，为满足锻造比的要求，则需采取镦粗一拔长工序。2．空心类锻件包括各种圆环、齿圈、轴承环和各种圆筒、缸体、空心轴等，锻造空心件的基本工序有镦粗、冲孔、马杠扩孔、芯棒拔长等。工程材料与热加工基础——程晓宇（三）选择变形工序3．饼块类锻件包括各种圆盘、叶轮、齿轮、模块等，其特点是横向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。锻造基本工序是镦粗，其中带孔的件需冲孔。4．曲轴类锻件包括单拐和多拐的各种曲轴，目前锻造曲轴的工艺有自由锻、模锻、全流线挤压锻等。其中自由锻的力学性能差，加工余量大，只在单件或小批生产中应用。其基本工序有拔长、错移和扭转。5．弯曲类锻件包括各种具有弯曲轴线的锻件，如吊钩、弯杆、曲柄、轴瓦盖等，基本工序是拔长、弯曲。6．复杂形状锻件包括阀体、叉杆、十字轴等，锻造难度大，应根据锻件形状特点，采用适当工序组合锻造。工程材料与热加工基础——程晓宇三、自由锻零件结构工艺性1、零件结构应尽可能简单、对称、平直；2、应避免零件上的锥形、楔形结构；如图2-3所示。避免锥形、楔形结构工程材料与热加工基础——程晓宇三、自由锻零件结构工艺性3、应避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交；避免圆柱面与圆柱面、圆柱面与棱柱面相交工程材料与热加工基础——程晓宇三、自由锻零件结构工艺性4、零件上不允许有加强筋；工程材料与热加工基础——程晓宇三、自由锻零件结构工艺性5、对横截面尺寸相差很大或形状复杂的零件，应尽可能分别对其进行锻造，然后用螺纹连接。如下图：螺纹连接工程材料与热加工基础——程晓宇四、高合金钢锻造特点（一）高合金钢的组织和再结晶特点1．金属组织结构复杂、塑性低；2．再结晶温度高，再结晶速度低，变形抗力大。（二）高合金钢的加热特点1．导热性差；2．锻造温度范围窄。工程材料与热加工基础——程晓宇四、高合金钢锻造特点（三）高合金钢锻造操作特点1．备料；2．控制变形量，增大锻造比；3．变形要均匀；4．避免出现拉应力。（四）高合金钢的锻后冷却由于高合金钢的导热性差，塑性低，终锻温度较高，如果冷却速度快，会因热应力和组织应力使锻件出现裂纹。因此，终锻后应尽快采取工艺措施保证锻件缓慢冷却。工程材料与热加工基础——程晓宇模型锻造利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法称为模锻。特点：与自由锻相比，模锻具有锻件精度高、流线组织合理、力学性能高等优点，而且生产率高，金属消耗少，并能锻出自由锻难以成形的复杂锻件。受设备吨位的限，模锻件不能太大，一般重量不超过150kg。分类：按模具类型模锻可分为开式模锻（有飞边模锻）、闭式模锻（无飞边模锻）和多向模锻等；按设备类型模锻可分为锤上模锻、胎模锻、压力机上模锻等。第三节模锻工程材料与热加工基础——程晓宇一．锤上模锻（一）模锻锤锤上模锻所用设备主要是蒸汽-空气模锻锤，模锻锤的吨位为1t-16t。选择模锻锤的锻造能力有经验类比法和查表法。1．经验类比法模锻锤吨位可用公式：G=（3.5-6.3）KA式中G-模锻锤吨位（kg）；A-锻件总变形面积，包括锻件投影面积、冲孔连皮面积及飞边面积（cm2）；K-钢种因数，可查阅相关资料。2．查表法(模锻锤吨位亦可查阅相关资料。)工程材料与热加工基础——程晓宇（二）模锻及锻模模膛（二）模锻及锻模模膛要求模具在高温下具有足够的强度、韧性、硬度和耐磨性，良好的导热性、抗热疲劳性、回火稳定性和抗氧化性。尺寸较大的模具还应具有高的淬透性和较小的变形。常用5CrNiMo、5CrMnMo钢等热锻模具材料制作锻模。锤上模锻使用的锻模是由带燕尾的上、下模组成，分别用镶条固定在锤头和模座上。上、下模接触时，其接触面上所形成的空间为模膛。具有一个模膛的锻模称为单模膛模锻，具有两个以上模膛的锻模称为多模膛模锻。工程材料与热加工基础——程晓宇（二）模锻及锻模模膛多模膛模锻时，按其模膛的结构和功用可分为制坯模膛和模锻模膛两类。1.制坯模膛用以初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻件横截面积和形状的要求，使金属能更好地充满模锻模膛的工序称为制坯工序。如下图所示：工程材料与热加工基础——程晓宇2.模锻模膛2.模锻模膛模锻模膛又可分为预锻膛和终锻模膛。（1）预锻模膛为了改善终锻