第2章 锻压

第2章锻压教学目的(1)掌握锻压生产设备、工具及自由锻的基本操作。(2)掌握自由锻和冲压的基本工序。2.1锻坯的加热和锻件的冷却锻坯的加热和锻件的冷却都是锻造工艺过程中的重要环节，它直接影响锻件的质量。2.1.1锻坯的加热目的及锻造温度范围2.1.1.1锻坯的加热目的加热的目的是提高金属的塑性和降低其变形抗力，即提高金属的可锻性。除少数具有良好塑性的金属可在常温下锻造成型(称为冷锻)外，大多数金属在常温下的可锻性较低，造成锻造困难或不能锻造。但将这些金属加热到一定温度后，可以大大提高其可锻性，并只需要施加较小的锻打力，便可使其发生较大的塑性变形，称为热锻。2.1.1.2锻造温度范围加热是锻造工艺过程中的一个重要环节，它直接影响锻件的质量。如果加热温度过高，会使锻件产生加热缺陷，锻件质量下降，甚至造成废品。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。各种金属材料锻造时允许的最高加热温度称为该材料的始锻温度，终止锻造的温度称为该材料的终锻温度。坯料开始锻造的温度(始锻温度)和终止锻造的温度(终锻温度)之间的温度间隔，称为锻造温度范围。常见钢材的锻造温度范围见表2-1。在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度应取得高一些，以便有较充裕的时间使坯料锻造成型，减少加热次数。在保证坯料还有足够塑性的前提下，终锻温度应定的低一些，以便获得内部组织细密、力学性能较好的锻件，同时也可延长锻造时间，减少加热火次。但终锻温度过低会使金属难以继续变形，易出现锻裂现象和损伤锻造设备。表2-1常用钢材的锻造温度范围材料种类始锻温度/℃终锻温度/℃低碳钢1200～1250800中碳钢1150～1200800合金结构钢1100～1130850铝合金450～500350～380金工实习48铜合金800～900650～700锻坯金属的加热温度可以用仪表测量，还可以通过观察加热毛坯的火色来判断，即用火色鉴定法，火色鉴定法是实际生产中较为常用的方法。碳素钢加热温度与火色的关系见表2-2。表2-2碳素钢加热温度与火色的关系火色黄白淡黄黄淡红樱红暗红赤褐温度/℃1300120011009008007006002.1.2锻造加热设备在锻造生产中，根据加热采用热源的不同，分为火焰加热和电加热。前者利用烟煤、重油或煤气燃烧时产生的高温火焰直接加热金属，后者是利用电能转化为热能加热金属。其中，火焰炉包括手锻炉、反射炉、煤气炉及油炉，电加热包括电阻加热(如电阻炉)、感应加热及接触加热装置。2.1.2.1手锻炉手锻炉由灰坑、火沟槽、送风装置及其他辅助装置构成，其结构示意图如图2-1所示。手锻炉是以煤或焦炭作燃料的火焰加热炉。煤由前炉门加入，放在炉箅4上面，而燃烧煤所用的空气则由鼓风机3经过风管从炉箅下面进入煤层。后炉门5一般都与炉箅相对，这样不仅便于出渣，而且也可以供加热长杆或轴类锻件时外伸之用。手锻炉结构简单，操作容易，升温快，但加热温度不均匀，加热质量不高，劳动生产率低，在单件小批量生产或局部加热生产中应用较多。因此，手锻炉是目前锻造实习中普遍采用的加热设备之一。2.1.2.2反射炉反射炉是以煤为燃料的火焰加热炉，燃料在燃烧室中燃烧，高温炉气及火焰通过炉顶反射到加热室中加热金属坯料，其结构示意图如图2-2所示。燃烧室1中产生的高温炉气越过火墙2反射进入加热室(炉膛)3内加热坯料4，燃烧所需要的空气经过换热器8预热后送入燃烧室，而废气经烟道7排出，坯料从炉门5装取。这种炉子普遍用于中小批量的锻件的生产。第2章锻压49图2-1手锻炉结构示意图图2-2反射炉结构示意图1—灰坑；2—火沟槽；3—鼓风机；4—炉箅；1—燃烧室；2—火墙；3—加热室；4—坯料；5—后炉门；6—烟囱；7—前炉门；8—堆料平台5—炉门；6—鼓风机；7—烟道；8—换热器2.1.2.3油炉和煤气炉室式重油炉结构示意图如图2-3所示。重油和压缩空气分别由两个管道送入喷嘴，压缩空气从喷嘴中喷出时，所造成的负压将重油带出并喷成雾状，在炉膛内燃烧。煤气炉的构造与重油炉基本相同，主要区别是喷嘴的构造不同。2.1.2.4电阻炉电阻炉是常用的电加热设备，是利用电流通过布置在炉膛围壁上的电热元件产生的电阻热为热源，通过辐射和对流将坯料加热的。炉子通常做成箱形，分为中温箱式电阻炉和高温箱式电阻炉。中温箱式电阻炉如图2-4所示，以电阻丝为电热元件，通常做成丝状或带状，放在炉内的砖槽中或搁板上，最高使用温度为1000℃；高温电阻炉通常以硅碳棒为电热元件，最高使用温度为1350℃。图2-3室式重油炉结构示意图图2-4中温箱式电阻炉1—坯料；2—炉膛；3—炉门；1—踏杆(控制炉门升降)；2—炉门；4—喷嘴；5—烟道3—电阻丝；4—炉膛；5—坯料箱式电阻炉有结构简单，体积小，操作简便，炉温均匀并易于调节，坯料氧化较小，加热质量好，坯料加热温度适应范围较大等优点。但电能消耗大，热效率较低，适合于自由锻或模锻合金钢、有色金属坯料的单件或成批的加热。金工实习50感应加热是利用交流感应线圈产生交变磁场，使置于线圈中的坯料产生涡流损耗和磁滞损耗热而升温加热。具有加热速度快、加热质量好、控温准确和易于实现自动化等特点，但是成本高。感应器能加热的坯料尺寸小，适合于模锻或有色金属的大批量加热。接触加热是利用大电流通过金属坯料产生的电阻热加热。这种加热方式加热速度快、金属消耗少及热效率高，适合于模锻坯料的大批量加热。2.1.3锻件的常见加热缺陷2.1.3.1氧化和脱碳金属坯料在加热过程中，若将其加热到高温时，坯料表层中的铁和炉气中的氧化性气体(如氧气、二氧化碳、水和二氧化硫等)发生化学反应，生成氧化皮，这种现象称为氧化。氧化会造成金属烧毁，每加热一次，氧化烧损量为坯料重量的2%～3%，严重的氧化会造成锻件表面质量的下降，加剧锻模的磨损，降低模具使用寿命。钢料加热到高温时，金属坯料表层的碳氧或氢产生化学反应而烧损，造成坯料表面含碳量减少，这种现象称为脱碳。金属脱碳后，表层的硬度与强度会明显降低。如果脱碳层厚度小于机械加工余量，则对锻件没有什么危害。反之，就严重影响锻件质量，甚至造成锻件的报废。减少锻件氧化和脱碳的措施主要有：在保证加热质量的前提下，严格控制送风量，采用快速加热，避免坯料在高温下停留时间过长或采用少氧化、无氧化的加热方法。2.1.3.2过热和过烧当坯料加热温度过高或高温下保持时间过长时，就会引起晶粒迅速长大变粗，这种现象称为过热。过热会导致钢的强度和冲击韧度降低，力学性能下降，应尽量避免。但是对于过热的坯料，可以采用多次锻打把晶粒打碎，或在锻后进行热处理(调质或正火)的方法使其晶粒细化，改善坯料力学性能。当坯料加热温度过高，接近于熔化温度或在高温下长时间停留时，由于炉气中的氧性化气体的渗入，使晶粒间的物质被氧化，内部组织间的结合力将完全消失，这时坯料锻打会破碎成废品，这种现象称为过烧。过烧的坯料无法挽救，避免过烧的措施是严格控制加热温度和保温时间，使坯料的加热温度至少应低于熔点100℃。2.1.3.3裂纹对于加工大型锻件或导热性较差的金属材料，如果加热温度过高或过快，将使坯料的心部和外部表层温差过大，产生的热应力超过材料的强度极限，会使坯料产生裂纹，故加热应分段进行。为防止裂纹现象，应严格制定和遵守正确的加热规范(包括入炉温度、加热速度及保温时间等)。2.1.4锻件的冷却锻件的冷却同加热一样，也是保证锻件质量的重要环节，锻件的冷却是指锻后从终锻温度冷却到室温。如果冷却的方法不当，会造成坯料产生硬化、变形或裂纹缺陷。常用的冷却方法有以下3种：(1)空冷。在无风的空气中，锻件放在干燥的地面上冷却。适用于低、中碳钢和合金第2章锻压51结构钢的小型锻件的冷却。(2)坑冷。锻后在充填有石灰、砂子或炉灰的地坑或铁箱中冷却。坑冷速度较空冷慢，适用于碳素工具钢和合金工具钢锻件的冷却。(3)炉冷。锻后件在500～700℃的加热炉中，随炉缓慢冷却。适用于大型锻件和高合金锻件的冷却。2.2自由锻将加热后的金属坯料置于铁砧上或锻压机器的上、下抵铁之间直接进行的锻造，称为自由锻造。前者称为手工自由锻(简称手锻)，后则称为机器自由锻(简称机锻)。自由锻生产效率低，劳动强度大，锻件的精度低，对操作工人的技术要求较高。但是自由锻所使用的工具简单，设备的通用性强，工艺灵活性高，所以广泛用于单件、小批量零件及大型锻件毛坯的生产。2.2.1自由锻设备自由锻常用的设备有空气锤、蒸汽-空气锤和水压机等，其中空气锤使用灵活，操作方便，是生产小型锻件最常用的自由锻设备。2.2.1.1空气锤空气锤是生产小型锻件及胎膜锻造的常用设备，由锤身(单柱式)、双缸(压缩缸和工作缸)、传动机构、操纵机构、落下部分和锤砧等几个部分组成，如图2-5所示。图2-5空气锤(a)外形图；(b)工作原理1—工作缸；2—旋阀；3—压缩缸；4—手柄；5—锤身；6—减速机构；7—电动机；8—脚踏杆；9—砧座；10—砧垫；11—下砧块；12—上砧块；13—锤杆；14—工作活塞；15—压缩活塞；16—曲轴连杆机构；17—上旋阀；18—下旋阀空气锤的工作原理是，电动机7经过减速机构6减速，通过曲轴连杆机构16，使压缩金工实习52活塞15在压缩缸3内作往复运动产生压缩空气，进入工作缸1使锤杆作上下运动以完成各项工作。空气锤是将电能转化为压缩空气的压力能来产生打击力的。空气锤的规格是以落下部分的质量来表示的。例如150kg空气锤就是指锤的落下部分的质量为150kg。锻锤的打击力大约是落下部分质量的100倍。常用空气锤规格为65～750kg，可以根据锻件的质量和尺寸合理选用。2.2.1.2蒸汽-空气锤蒸汽-空气锤是以蒸汽或压缩空气为工作介质驱动锤头上下运动对坯料进行打击。如图2-6所示为双柱拱式蒸汽-空气锤，其工作原理是通过操作手柄控制滑阀，使气体进入气缸的上下腔并推动活塞上下运动，达到使锤头上悬、下压、单打或连续打击等的动作。蒸汽-空气锤自身不带动力装置，另需蒸汽锅炉向其提供具有一定压力的蒸汽，或空气压缩机向其提供压缩空气。其锻造能力明显大于空气锤，一般为1～5t，所以常用于大、中型锻件的锻造生产。2.2.1.3水压机大型锻件需要在液压机上锻造，水压机是最常用的一种，如图2-7所示。水压机不依靠冲击力，而是靠静压力使坯料变形，工作平稳，因此工作时振动小。不需要笨重的砧座，锻件变形速度低，变形均匀，易将锻件锻透，使整个截面呈细晶粒组织，从而改善和提高了锻件的力学性能，容易获得大的工作行程并能在行程的任何位置进行锻压，劳动条件较好。但由于水压机主体庞大，并需配备供水和操纵系统，故造价较高。水压机的压力大，规格为500～12500t，能锻造1～300t的大型重型坯料。图2-6双柱拱式蒸汽-空气锤图2-7水压机1—工作气缸；2—落下部分；3—机架；1—工作缸；2—工作柱塞；3—上横梁；4—活动横梁；4—操纵手柄；5—砧座5—立柱；6—下横梁；7—回程柱塞；8—回程缸；9—上砧；10—下砧；11—回程横梁；12—拉杆第2章锻压532.2.1.4自由锻工具常用的自由锻工具有夹持工具、衬垫工具、打击工具及测量工具等。部分自由锻工具如图2-8所示。图2-8常用自由锻工具(a)垫环；(b)刻模；(c)压铁；(d)摔子；(e)剁刀；(f)测量工具2.2.2自由锻的基本工序及其操作锻件的成型过程是由各种变形工序组成的。根据变形的性质和程度不同，自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。基本工序是指能够大幅度地改变坯料的形状和尺寸的工序。该工序是锻造过程中的主要变形工序。如镦粗、拔长、冲孔、扩孔、芯轴拔长、切割、弯曲、扭转、错移和锻接等，其中镦粗、拔长和冲孔3个工序应用得最多。辅助工序是指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如预压钳把、切肩及压痕等。修整工序是指用来精整锻件尺寸和形状，消除锻件表面不平、歪曲等，使锻件完全达到要求的工序。如滚圆、平整及整形等。2.2.2.1镦粗镦粗是指使毛坯高度减少、横截面积增大的锻造工序。镦粗有完全镦粗和局部镦粗两种方式，如图2-9所示。镦粗是自由锻