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第4章压力加工4.1概述4.1.1锻压的概念锻压是在外力作用下使金属材料产生塑性变形，从而获得具有一定形状和尺寸的毛坯或零件的加工方法。锻压是锻造和冲压的总称，它们是属于压力加工的一部分。锻造又可分为自由锻和模锻两种方式。自由锻还可分为手工自由锻和机器自由锻两种。用于锻压的材料应具有良好的塑性和较小的变形抗力。以便锻压时产生较大的塑性变形而不致被破坏。在常用的金属材料中，锻造用的材料有低碳钢、中碳钢、低合金钢、纯金属以及具有良好塑性的铝、铜等有色金属，受力大或有特殊性能要求的重要合金钢零件；冲压多采用低碳钢等薄板材料。铸铁无论是在常温或加热状态下，其塑性都很差，不能锻压。在生产中，不同成分的钢材应分别存放，以防用错。在锻压车间里，常用火花鉴别法来确定钢的大致成分。锻造生产的工艺过程为：下料—加热—锻造—热处理—检验。在锻造中、小型锻件时，常以经过轧制的圆钢或方钢为原材料，用锯床、剪床或其它切割方法将原材料切成一定长度，送至加热炉中加热到一定温度后，在锻锤或压力机上进行锻造。塑性好、尺寸小的锻件，锻后可堆放在干燥的地面冷却；塑性差、尺寸大的锻件、应在灰砂或一定温度的炉子中缓慢冷却，以防变形或裂纹。多数锻件锻后要进行退火或正火热处理，以消除锻件中的内应力和改善金属基体组织。热处理后的锻件，有的要进行清理，去除表面油垢及氧化皮，以便检查表面缺陷。锻件毛坯经质量检查合格后再进行机械加工。冲压多以薄板金属材料为原材料，经下料冲压制成所需要的冲压件。冲压件具有强度高、刚性大，结构轻等优点。在汽车、拖拉机、航空、仪表以及日用品等工业的生产中占有极为重要的地位。4.1.2锻造对零件力学性能的影响经过锻造加工后的金属材料，其内部原有的缺陷（如裂纹，疏松等）在锻造力的作用下可被压合，且形成细小晶粒。因此锻件组织致密、力学性能（尤其是抗拉强度和冲击韧度）比同类材料的铸件大大提高。机器上一些重要零件（特别是承受重载和冲击载荷）的毛坯，通常用锻造方法生产。使零件工作时的正应力与流线的方向一致，切应力的方向与流线方向垂直，如图4-1所示。用圆棒料直接以车削方法制造螺栓时，头部和杆部的纤维不能连贯而被切断，头部承受切应力时与金属流线方向一致，故质量不高。而采用锻造中的局部镦粗法制造螺栓时，其纤维未被切断，具有较好的纤维方向，故质量较高。有些零件，为保证纤维方向和受力方向一致，应采用保持纤维方问连续性的变形工艺，使锻造流线的分布与零件外形轮廓相符合而不被切断，如吊钩采用锻造弯曲工序、钻头采用扭转工序等。曲轴广泛采用的“全纤维曲轴锻造法”，如图4-2b所示。可以显著提高其力学性能，延长使用寿命。图4-1螺栓的纤维组织比较a)车削方法b)镦粗法图4-2曲轴纤维分布示意图a)纤维被切断b)纤维完整分布4.2金属的加热与锻件的冷却4.2.1金属的加热加热的目的是提高金属的塑性和降低变形抗力，即提高金属的锻造性能。除少数具有良好塑性的金属可在常温下锻造成形外，大多数金属在常温下的锻造性能较差，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，可以大大提高了塑性，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，这就是热锻。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。加热温度如果过高，会使锻件产生加热缺焰，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。一、锻造加热设备锻造加热炉按热源的不同，分为火焰加热炉和电加热炉两大类。图4-3明火炉结构示意图1-排烟筒2-坯料3-炉膛4-炉蓖5-风门5-风管1、火焰加热炉采用烟煤、焦炭、重油、煤气等作为燃料。当燃料燃烧时，产生含有大量热能的高温火焰将金属加热。现介绍几种火焰加热炉。（1）明火炉：将金属坯料置于以煤为燃料的火焰中加热的炉子，称为明火炉，又称为手锻炉。其结构如图4-3所示。由炉膛、炉罩、烟筒、风门和风管等组成。其结构简单，操作方便，但生产率低，热效率不高，加热温度不均匀和速度慢。在小件生产和维修工作中应用较多。锻工实习常使用这种炉子。因此，常用来加热手工自由锻及小型空气锤自由锻的坯料，也可用于杆形坯料的局部加热。（2）油炉和煤气炉：这两种炉分别以重油和煤气为燃料，结构基本相同，仅喷嘴结构不同。油炉和煤气炉的结构形式很多，有室式炉、开隙式炉、推杆式连续炉和转底炉等。如图4-5所示，为室式重油加热炉示意图，由炉膛、喷嘴、炉门和烟道组成。其燃烧室和加热室合为一体，即炉膛。坯料码放在炉底板上。喷嘴布置在炉膛两侧，燃油和压缩空气分别进入喷嘴。压缩空气由喷嘴喷出时，将燃油带出并喷成雾状，与空气均匀混合并燃烧以加热坯料。用调节喷油量及压缩空气的方法来控制炉温的变化。这种加热炉用于自由锻，尤其是大型坯料和钢锭的加热，它的炉体结构比反射炉简单、紧凑，热效率高。近年来，为提高锻件表面质量，通过控制燃烧炉气的性质，实现坯料的少或无氧化加热。如图4-6所示，为我国精锻生产中采用的一室二区敞焰少无氧化加热炉示意图。图4-5室式重油炉示意图图4-6一室二区敞焰少无氧化加热炉示意图2、电加热炉电加热炉有电阻加热炉、接触电加热炉和感应加热炉等，如图4-7所示。电阻炉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。炉子通常作成箱形，分为中温箱式电阻炉如图4-8所示和高温箱式电阻炉，如图4-9所示。前者的发热体为电阻丝，如图4-8所示。最高工作温度950℃，一般用来加热有色金属及其合金的小型锻件；后者的发热体为硅碳棒，最高工作温度为1350℃，可用来加热高温合金的小型锻件。电阻加热炉操作方便，可精确控制炉温，无污染，但耗电量大，成本较高，在小批量生产或科研实验中广泛采用。图4-7电加热的方式(a)电阻加热(b)接触电加热(c)感应加热图4-8箱式电阻炉示意图1-炉门；2-电阻体；3-热电偶；4-工件图4-9红外箱式炉示意图1-踏杆2-炉门3-炉膛4-温度传感器5-硅碳棒冷端6-硅碳棒热端7-耐火砖8-反射层二、锻造温度范围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，称为锻造温度范围见表4-1。在保证不出现加热缺陷的前提下，始锻温度应取得高一些，以便有较充足的时间锻造成形，减少加热次数。在保证坯料还有足够塑性的前提下，终锻温度应选得低一些，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，减少加热次数。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。1、锻造温度的控制方法(1)温度计法通过加热炉上的热电偶温度计，显示炉内温度，可知道锻件的温度；也可以使用光学高温计观测锻件温度。表4-1常用钢材的锻造温度范围材料种类始锻温度表(℃)终锻温度(℃)材料种类始锻温度(℃)终锻温度(℃)碳素结构钢合金结构钢碳素工具钢合金工具钢铝合金1200-12501150-12001050-11501050-1150450-500800800-850750-800800-850350-380高速工具钢耐热钢弹簧钢轴承钢铜合金1100-11501100-11501100-11501080800-900900800-850800-850800650-700(2)目测法实习中或单件小批生产的条件下可根据坯料的颜色和明亮度不同来判别温度，即用火色鉴别法见表4-2。表4-2碳钢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(℃)130012001100900800700600三、碳钢常见的加热缺陷由于加热不当，碳钢在加热时可出现多种缺陷，碳钢常见的加热缺陷见表4-3。表4-3碳钢常见的加热缺陷名称实质危害防止（减少）措施氧化坯料表面铁元素氧化烧损材料；降低锻件精度和表面质量；减少模具寿在高温区减少加热时间；采用控制炉气成分命的少无氧化加热或电加热等。采用少装、勤装的操作方法。在钢材表面涂保护层脱碳坯料表层被烧损使含碳量减少降低锻件表面硬度、变脆，严重时锻件边角处会产生裂纹过热加热温度过高，停留时间长造成晶粒粗大锻件力学性能降低，须再经过锻造或热处理才能改善过热的坯料通过多次锻打或锻后正火处理消除过烧加热温度接近材料熔化温度，造成晶粒界面杂质氧化坯料一锻即碎，只得报废正确地控制加热温度和保温的时间裂纹坯料内外温差太大，组织变化不匀造成材料内应力过大坯料产生内部裂纹，并进一步扩展，导致报废某些高碳或大型坯料，开始加热时应缓慢升温4.2.2锻件的冷却热态锻件的冷却是保证锻件质量的重要环节。通常，锻件中的碳及合金元素含量越多，锻件体积越大，形状越复杂，冷却速度越要缓慢，否则会造成表面过硬不易切削加工、变形甚至开裂等缺陷。常用的冷却方法有三种，见表4-4。表4-4锻件常用的冷却方式方式特点适用场合空冷锻后置空气中散放，冷速快，晶粒细化低碳、低合金钢小件或锻后不直接切削加工件坑冷（堆冷）锻后置干沙坑内或箱内堆在一起，冷速稍慢一般锻件，锻后可直接进行切削加工炉冷锻后置原加热炉中，随炉冷却，冷速极慢含碳或含合金成分较高的中、大型锻件，锻后可进行切削加工4.2.3锻件的热处理在机械加工前，锻件要进行热处理，目的是均匀组织，细化晶粒，减少锻造残余应力，调整硬度，改善机械加工性能，为最终热处理做准备。常用的热处理方法有正火、退火、球化退火等。要根据锻件材料的种类和化学成分来选择。4.3自由锻的设备及工具4.3.1机器自由锻设备使用机器设备，使坯料在设备上、下两砧之间各个方向不受限制而自由变形，以获得锻件的方法称机器自由锻。常用的机器自由锻设备有空气锤、蒸气-空气锤和水压机，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。空气锤的规格是用落下部分的质量来表示，一般为50～1000kg。一、空气锤空气锤是由锤身（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4-10a所示。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。空气锤的传动是由电动机经过一级带轮减速，通过曲轴连杆机构，使活塞在压缩缸内作往复运动产生压缩空气，进入工作缸使锤杆作上下运动以完成各项工作。空气锤的工作原理如图4-10b所示。图4-10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-连杆17-上旋阀18-下旋阀空气锤操作过程是：首先，接通电源，启动空气锤后通过手柄或脚踏杆，操纵上下旋阀，可使空气锤实现空转、锤头悬空、连续打击、压锤和单次打击五种动作，以适应各种加工需要。1、空转（空行程）当上、下阀操纵手柄在垂直位置，同时中阀操纵手柄在“空程”位置时；压缩缸上、下腔直接与大气连通，压力变成一致，由于没有压缩空气进入工作缸，因此锤头不进行工作。2、锤头悬空当上、下阀操纵手柄在垂直位置，将中阀操纵手柄由“空程”位置转至“工作”位置时，工作缸和压缩缸的上腔与大气相通。此时，压缩活塞上行，被压缩的空气进入大气；压缩活塞下行，被压缩的空气由空气室冲开止回阀进入工作缸的下腔，使锤头上升，置于悬空位置。3、连续打击（轻打或重打）中阀操纵手柄在“工作”位置时，驱动上、下阀操纵手柄（或脚踏杆）向逆时针方向旋转使压缩缸上、下腔与工作缸上、下腔互相连通。当压缩活塞向下或向上运动时，压缩缸下腔或上腔的压缩空气相应地进入工作缸的下腔或上腔，将锤头提升或落下。如此循环，锤头产生连续打击。打击能量的大小取决于上、下阀旋转角度的大小，旋转角度越大，打击能量越大。4、压锤（压紧锻件）当中阀操纵手柄在“工作”位置时，将上、下阀操纵手柄由垂直位置向顺时针方向旋转45°，此时工作缸的下腔及压缩缸的上腔和大气相连通。当压缩活塞下行时，压缩缸下腔的压缩空气由下阀进入空气室，并冲开止回阀经侧旁气道进入工作缸的上腔，使锤头压紧锻件。5、单次打击单次打击是通过变换操纵手柄的操作位置实现的。单次打击开始前