第12章-特-种-锻-造

第12章特种锻造12.1摆动辗压12.2旋转锻造12.3液态模锻12.4等温锻造12.5辊锻12.6楔横轧12.7粉末锻造12.8半固态金属成形12.1摆动辗压12.1.1摆动辗压的工作原理12.1.2摆动辗压的特点12.1.3摆动辗压的分类与应用•摆动辗压是利用一个带圆锥形的摆头对毛坯局部加压，并绕中心连续滚动的加工方法，如图12-1所示。带圆锥形的摆头，其中心线OZ与机器主轴中心线OM相交成α角(1°～3°)，给液压缸称为摆角。当主轴旋转时，OZ轴绕OM轴旋转，当坯料沿轴向进给时，摆头就对坯料进行连续局部加载，摆头每旋转一周，坯料将产生一个压下量，最后达到整体成形的目的。摆动辗压属于连续的局部加载、局部变形、整体受力的成形方法。采用摆动辗压，用较小的力就可逐步成形较大的工件。12.1.1摆动辗压的工作原理图12-2摆动辗压的成形方式a)局部镦粗b)反挤c)开式模成形d)正反挤复合图12-1摆动辗压工作原理示意图1—摆头2—毛坯3—滑块4—进给液压缸12.1.2摆动辗压的特点摆动辗压具有以下优点：1)省力。2)产品精度高，质量好。3)摆动辗压适合加工薄而形状复杂的饼盘类锻件。4)劳动环境好，劳动强度低。5)设备投资少，制造周期短，见效快，占地面积小，易于实现机械化、自动化。摆动辗压的缺点主要有：1)摆动辗压设备比一般压力机多一套摆头传动系统，结构较复杂，而且机器受周期性偏心载荷，对设备的刚度要求高。2)摆动辗压对制坯要求严格。3)模具寿命较低。12.1.3摆动辗压的分类与应用图12-3离合器盘毂摆动辗压工艺过程a)温锻预制坯b)摆动辗压终成形12.2旋转锻造12.2.1旋转锻造的原理及工艺特点12.2.2旋转锻造件的缺陷及预防12.2.3旋转锻造的分类与应用12.2.1旋转锻造的原理及工艺特点旋转锻造工艺具有如下主要优点：1)锻件力学性能好，锻件流线可沿零件外形分布。2)锻件的精度高，表面粗糙度值小。3)材料利用率高，有些锻件可以节约材料50%。4)生产效率高，由于锻造机打击频率高，速度快，锻打过程能自动控制，生产率可达150件/h以上。5)自动化程度高，新型径向精密锻造机上可实现调整、上料、锻打、过载保护、消振和排烟的自动化，因此劳动强度小，操作简单。旋转锻造工艺也存在以下的缺点：1)不适于复杂的一般形状的锻造制品。2)由于是通过反复进行局部加工而成形，因此与常规锻造相比，加工时间稍有延长。3)由于与模具的接触时间延长、旋转方向的接触摩擦等原因，在热、温加工时，会使模具温度上升，缩短模具寿命，有时需要对模具进行冷却。图12-4滚柱式旋转锻造机锻造原理图图12-5旋转锻造时金属的流动12.2.2旋转锻造件的缺陷及预防(1)尾部凹坑多数旋转锻造件的尾端心部会产生向里凹陷，称为尾部凹坑。(2)棱角即锻件上出现的明显的多边形。(3)螺旋形凹坑及时更换锻模，清理毛坯氧化皮和适当降低始锻温度可以防止锻件表面形成螺旋形凹坑。(4)螺旋形脊椎纹锻件外表面有时会产生螺旋形凸起小块，它很像动物脊椎骨的形状。(5)尾部马蹄形锻件伸长变形不均匀，会导致尾部呈现马蹄形。12.2.3旋转锻造的分类与应用１.冷锻、温锻和热锻２.无芯轴空心轴锻造和有芯轴空心轴锻造３.逐段锻造和连续锻造图12-6汽车底盘吸振器管状活塞杆12.3液态模锻12.3.1液态模锻的原理12.3.2液态模锻的分类12.3.3液态模锻的特点12.3.4液态模锻对设备的要求12.3.5液态模锻对模具的要求12.3.1液态模锻的原理图12-7液态模锻工艺流程a)浇注b)加压c)顶出图12-8平冲头直接加压法a)加压前b)加压时12.3.2液态模锻的分类(1)平冲头上加压法将熔化金属液浇入凹模，平冲头下行与凹模形成封闭模膛，使液态金属在平冲头的直接压力下凝固成形，如图12-8所示。(2)平冲头下加压法将液态金属浇入下平冲头与下模形成的储料室内，在上模与下模闭合后，下平冲头将储料室中的金属液挤入封闭的模膛中，并使液态金属在压力的作用下凝固成形，如图12-9所示。(3)异形冲头加压法根据冲头结构的不同，分为凸式冲头加压法、凹式冲头加压法和复合式冲头加压法三种。图12-9平冲头间接加压法a)加压前b)加压时图12-10异形冲头加压法a)凸式冲头加压法b)凹式冲头加压法c)复合式冲头加压法12.3.3液态模锻的特点液态模锻工艺成形的主要特点有以下几方面：1)在成形过程中，尚未凝固的金属液自始至终经受等静压，并在压力作用下发生结晶凝固，流动成形。2)已凝固的金属在成形过程中，在压力作用下产生塑性变形，使毛坯外侧紧贴模膛壁，金属液获得并保持等静压。3)由于凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液承受的等静压值不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降。4)固-液区在压力作用下，发生强制性的补缩。主要应用在以下几方面：1)可用于生产各种类型的合金，如铝合金、锌合金、铜合金、灰铸铁、球墨铸铁、碳钢、不锈钢等。2)适用于一些形状复杂且性能有一定要求的产品。3)适用于壁厚适中的零件，否则将给成形带来困难，甚至产生废品。图12-11液态模锻模型a)第一种模型b)第二种模型1—外层硬壳2—液固两相区3—中心液相区12.3.4液态模锻对设备的要求在通用液压机上进行液态模锻时，液压机应满足如下要求：1)有足够大的压力，并能在一定的时间内保持稳定的锻造力，以保证锻造过程顺利进行。2)有较快的空程速度，以提高液态模锻的生产率。3)有足够大的工作台面积和足够高的最大封闭高度，以便于液态模锻模具的安装和调整。4)刚性足够。要求专用液压机具有如下功能：1)有熔炼保温炉，以供应液态模锻工作时所需要的合金液。2)液压机应有足够大的压力，以满足液态模锻时的要求。3)液压机有预合模动作，以便实现液态模锻工作的第一步，即铸造成形。4)为了能进行对向及多向锻造，专用液压机应有下顶缸和侧向加压缸。5)对于全自动液压机，应有自动定量浇注机械手、自动喷涂机械手和自动取件机械手。12.3.5液态模锻对模具的要求1)在高温下应有较高的强度、硬度、耐磨性和适当的塑性；在长期工作中，其组织与性能应稳定。2)应有较好的导热性和抗热疲劳性能。3)在高温下不易氧化，能抵抗液态合金的粘焊及熔蚀。4)淬透性好，热处理变形小。5)线膨胀系数小。6)有良好的锻造及可加工性。7)在修复或修改模具时能焊接。12.4等温锻造12.4.1等温锻造的原理12.4.2等温锻造的分类12.4.3等温锻造的特点12.4.4等温锻造模具设计的一般原则12.4.1等温锻造的原理图12-12等温锻造模具装置原理图1—下模板2—中间垫板3、8—隔热层4、5—加热圈6—凸模7—上模板9—凹模10—顶杆11—垫板12.4.2等温锻造的分类(1)等温精密模锻即金属在等温条件下锻造得到小斜度或无斜度、小余量或无余量的锻件的方法。(2)等温超塑性模锻即金属在等温且极低的变形速率(10-4s-1)条件下，呈现出异常高的塑性状态，从而使难变形金属获得所需的形状和尺寸的方法。(3)粉末坯等温锻造即以粉末冶金预制坯(通过热等静压或冷等静压)为等温锻造原始坯料，在等温超塑性条件下，使坯料产生较大变形、压实，从而获得锻件的方法。12.4.3等温锻造的特点等温锻造常用的成形方法也是开式模锻、闭式模锻和挤压等，它与常规锻造相比，具有以下特点：1)锻造时，模具和坯料要保持在相同的恒定温度下。2)考虑到材料在等温锻造时具有一定粘性，即应变速率敏感性，等温锻造时的变形速度应很低，因此，一般在运动速度较低的液压机上进行。3)可提高设备的使用能力。4)由于等温锻造时，坯料一次变形程度很大，如果再进行适当的热处理或形变热处理，锻件就能获得非常细小而均匀的显微组织。5)采用等温锻造工艺生产薄腹板的筋类、盘类、梁类、框类等精密件具有很大的优越性。由等温锻造工艺特点所决定，等温锻件具有以下优点：1)余量小，精度高，复杂程度高，锻后加工余量小，或局部加工甚至不加工。2)锻件纤维连续，力学性能好，各向异性不明显。3)锻件无残余应力。4)材料利用率高。5)提高了金属材料的塑性。12.4.4等温锻造模具设计的一般原则1)选择形状复杂、在常规锻造时不易成形或需经多火次成形的锻件以及组织、性能要求十分严格的锻件作为等温锻件。2)选择开式或闭式模锻方法，应根据锻件结构、尺寸及后续加工要求和设备安模空间来确定。3)模具总体设计应能满足等温锻造工艺要求，结构合理，便于使用和维护。4)锻模工件部分应有专门的加热、保温、控温等装置，并能达到等温锻造成形所需的温度。5)除特殊锻件需专用模具外，模具应设计为通用型。6)应合理选用模具各部分所用的材料，以保证模具零件在不同温度下有可靠的使用性能。7)等温锻造模具温度高，为防止热量散失和过多地传导给设备，应在模座和底板之间设置绝热层，上下底板还应开水槽通水冷却；同时还应注意电绝缘，以保证设备正常工作和生产人员安全。8)应考虑导向和定位问题。12.5辊锻12.5.1辊锻的原理12.5.2辊锻的分类及特点12.5.3辊锻的咬入条件及前滑12.5.4辊锻工艺与模具设计12.5.1辊锻的原理图12-13辊锻工艺原理图12-14辊锻变形过程12.5.2辊锻的分类及特点1)产品精度高，表面粗糙度值小。2)锻件质量好，具有好的金属流线。3)材料利用率高，多型槽辊锻成形毛坯的金属消耗量比锤上多型槽模锻降低6%～10%。4)锻辊连续转动，生产效率高。5)模具寿命长。6)所需设备吨位小。7)工艺过程简单，无冲击、振动等，劳动条件好，易于实现自动化。12.5.3辊锻的咬入条件及前滑1.金属咬入条件2.前滑1.金属咬入条件式中，μ是摩擦系数；α是咬入角，即金属开始咬入时的角度，端部自然咬入时，α不超过25°，而中间咬入时，α可以增至32°～37°。2.前滑图12-15开始咬入时的作用力图解图12-16辊锻时的前滑和后滑12.5.4辊锻工艺与模具设计1.型槽分类2.上压力与下压力3.辊锻中心线4.制坯辊锻1.型槽分类辊锻型槽分为开式和闭式两种，如图12-17所示。开式型槽中，毛坯易于展宽，型槽浅利于辊锻，但不易获得几何形状较精确的锻件。闭式型槽的特点与之相反。3.辊锻中心线图12-17辊锻型槽图12-18上、下辊径不同的辊锻图12-19锻辊中心线图12-20型槽中性线4.制坯辊锻图12-21椭圆-方型槽系1—毛坯2—型槽图12-22椭圆-圆型槽系图12-23毛坯截面的轴长比12.6楔横轧12.6.1楔横轧的原理及特点12.6.2楔横轧的分类及应用12.6.3楔形模的参数及设计12.6.1楔横轧的原理及特点与锻造工艺相比，具有如下显著优点：1)工作载荷小。2)设备质量轻。3)生产率高。4)产品精度高。5)工作环境好。6)易于实现机械化、自动化生产等。图12-24楔横轧的原理图1—带楔形模具的轧辊2—轧件3—导板12.6.2楔横轧的分类及应用1)模具加工、检验与调整简单。2)模具速度恒定不变，速度差小，因此变形稳定，有利于防止产生内部缺陷，并可提高模具寿命。3)毛坯的位置稳定，不需侧向支承导向尺，从而简化了机器的结构。图12-25平面楔形模横轧工艺原理图12-26平面楔形模图12-27楔形模型槽的断面图a)开式b)闭式图12-28外回转楔形模横轧图12-29内回转楔形模横扎图12-30双头套式螺母扳手图12-31球头销平面楔形模横轧工艺12.6.3楔形模的参数及设计1)模具设计成组装式的，各组件可以单独更换。2)为了保证型槽间正确地对准，组装模应可横向移动。3)模具各组件的大小要合适，尺寸过大不利于进行热处理，尺寸过小不利于热交换，工作时易使模具温度升高，寿命降低。4)根据工艺上的要求，如横轧非对称的工件有不同的楔角，则倾角也设计成不同的角度，以改善工件的表面粗糙度。5)模具上不希望有锐边，如果工件的形状允许，其圆角半径应大于1mm。图12-32楔形模的结构及受力分布图12-33楔形轧制示意图12.7粉末锻造12.7.1粉末锻造的特点、分类及应用12.7.2金属粉末的选用12.7.3预成形坯的制备12.7.4预成形坯的锻造