张家港国泰华盛好不好:金属工艺学多媒体讲义

第3章 锻造和板料冲压
锻造和板料冲压总称为锻压。锻压是对金属坯料施加一外力，使之产生塑性变形，从而获得具有一定尺寸、形状和内部组织的毛坯或零件的一种压力加工方法。如下图为锻压的一种方式——镦粗。

锻造能消除金属铸锭中的一些铸造缺陷，使其内部晶粒细化，组织致密，力学性能显著提高。所以重要的机器零件和工具部件，如车床主轴、高速齿轮、曲轴、连杆、锻模、和刀杆等大都采用锻造制坯。
3.1  锻  造
锻造的工艺方法主要有自由锻、模锻和胎膜锻。生产时，按锻件质量的大小，生产批量的多少选择不同的锻造方法。
3.1.1自由锻
锻造时，金属坯料受上下抵铁的压缩变形，而向四周为自由的塑性流动，故称为自由锻。由于工件的尺寸和形状要靠操作技术来保证，所以自由锻要求工人有较高的技术水平。
自由锻生产率低，加工余量大，但工具简单，通用性大，故被广泛用于锻造形状较简单的单件、小批生产的锻件。
3.1.1.1坯料的加热
金属材料在一定温度范围内，随温度的上升其塑性会提高，变形抗力会下降，用较小的变形力就能使坯料稳定地改变形状而不出现破裂，所以锻造时要对工件加热。
（1）始锻温度与终锻温度  允许加热达到的最高温度称为始锻温度，停止锻造的温度称为终锻温度。由于化学成分的不同，每种金属材料始锻和终锻温度都是不一样的。几种常用金属材料的锻造温度范围见表3-1所示。
表3-1常用金属材料的锻造温度范围
材料种类
始锻温度/℃
终锻温度/℃
低碳钢
1200~1250
800
中碳钢
1150~1200
800
合金结构钢
1100~1180
850
锻件的温度可用仪表测定，在生产中也可根据被加热金属的火色来判别，如碳钢的加热温度与火色的关系如下：
温度(℃) 1300 1200 1100 900 800 700 小于600
火色 白色 亮黄 黄色 樱红 赤红 暗红  黑色
（2）加热缺陷  对锻件加热不当，则会产生以下缺陷。
1）过热  加热温度超过该材料的始锻温度，或在高温下保温过久，金属材料内部的晶粒会变得粗大，这种现象称为过热。过热使锻坯的塑性下降，可锻性变差。可通过重结晶退火的方法使晶粒重新细化。
2）过烧  加热温度远远高于始锻温度，接近该材料的熔点，晶粒边界发生严重氧化而使晶粒间失去结合力，这种现象称为过烧。过烧的坯料一经锻打即会碎裂，是不可修复的缺陷。

图3-1  红外箱式炉
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
3)氧化和脱碳  加热时钢料与高温的氧、二氧化碳和水蒸气接触，使坯料表面产生氧化皮和脱碳层。每次加热的氧化烧损量约占坯料总重量的2~3%，下料计算时必须加上这个烧损量。
（3）加热炉  锻件加热可采用一般燃料如焦炭、重油等进行燃烧，利用火焰加热，也可采用电能加热。典型的电能加热设备是高效节能红外箱式炉，其结构如图3-1所示。它采用硅碳棒为发热元件，并在内壁涂有高温烧结的辐射涂料，加热时炉内形成高辐射均匀温度场，因此升温快，单位耗电低，达到节能目的。红外炉采用无级调压控制柜与其配套，具有快速启动，精密控温，送电功率和炉温可任意调节的特点。
3.1.1.2空气锤
自由锻设备有空气锤、蒸汽-空气锤和水压机等，分别适合小、中和大型锻件的生产。
（1）空气锤的结构和工作原理   空气锤的结构如图3-2 所示，由锤身、压缩缸、工作缸、传动机构、操纵机构、落下部分及砧座等组成。空气锤的公称规格是以落下部分的质量来表示的。落下部分包括了工作活塞、锤杆、锤头和上抵铁。例如65Kg空气锤，是指其落下部分质量为65Kg，而不是指它的打击力。
空气锤的工作原理亦如图3-2所示，电动机通过减速机构带动曲柄连杆机构转动，曲柄连杆机构把电动机的旋转运动转化为压缩活塞的上下往复运动，压缩活塞通过上下旋阀将压缩空气压入工作缸的下部或上部，推动落下部分的升降运动，实现锤头对锻件的打击。

图3-2空气锤
1—踏杆  2—砧座  3—砧垫  4—下抵铁  5—上抵铁  6—下旋伐  7—上旋阀  8—工作缸  9—压缩缸  10—减速装置  11—电动机  12—工作活塞  13—压缩活塞  14—连杆
（2）空气锤的操作  通过踏杆或手柄操纵配气机构（上、下旋阀），可实现空转、悬空、压紧、连续打击和单次打击等操作。
1）空转  转动手柄，上、下旋阀的位置使压缩缸的上下气道都与大气连通，压缩空气不进入工作缸，而是排入大气中，压缩活塞空转。
2）悬空  上悬阀的位置使工作缸和压缩缸的上气道都与大气连通，当压缩活塞向上运行时，压缩空气排入大气中，而活塞向下运行时，压缩空气经由下旋阀，冲开一个防止压缩空气倒流的逆止阀，进入工作缸下部，使锤头始终悬空。悬空的目的是便于检查尺寸，更换工具，清洁整理等。
3）压紧  上下旋阀的位置使压缩缸的上气道和工作缸的下气道都与大气连通，当压缩活塞向上运行时，压缩空气排入大气中，而当活塞向下运行时，压缩缸下部空气通过下旋阀并冲开逆止阀，转而进入上下旋阀连通道内，经由上旋阀进入工作缸上部，使锤头向下压紧锻件。与此同时，工作缸下部的空气经由下旋阀排入大气中。压紧工件可进行弯曲、扭转等操作。
4）连续打击  上下旋阀的位置使压缩缸和工作缸都与大气隔绝，逆止阀不起作用。当压缩活塞上下往复运动时，将压缩空气不断压入工作缸的上下部位，推动锤头上下运动，进行连续打击。
5）单次打击  由连续打击演化出单次打击。即在连续打击的气流下，手柄迅速返回悬空位置，打一次即停。单打不易掌握，初学者要谨慎对待，手柄稍不到位，单打就会变为连打，此时若翻转或移动锻件易出事故。
3.1.1.3自由锻的基本工序
自由锻造时，锻件的形状是通过一些基本变形工序将坯料逐步锻成的。自由锻造的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲和切断等。

a）                            b）
图3—3  镦粗
a）全部镦粗     b）局部镦粗
（1）镦粗  镦粗是对原坯料沿轴向锻打，使其高度减低、横截面增大的操作过程。这种工序常用于锻造齿轮坯和其他圆盘形类锻件。 镦粗工艺请看
镦粗分为全部镦粗和局部锻粗两种，如图3—3所示。
镦粗时应注意下列几点：
1）镦粗部分的长度与直径之比应小于2.5，否则容易镦弯，如图3—4所示。
2）坯料端面要平整且与轴线垂直，锻打用力要正，否则容易锻歪。
3）镦粗力要足够大，否则会形成细腰形或夹层，如图3—5所示。
       
a)                  b)                                   a）                                                          b）
图3—4  镦弯                                                  图3—5 细腰形和夹层
（2）拔长  拔长是使坯料的长度增加，截面减小的锻造工序，通常用来生产轴类件毛坯，如车床主轴、连杆等。拔长时，每次的送进量L应为砧宽B的０．３~０．７倍，若L太大，则金属横向流动多，纵向流动少，拔长效率反而下降。若L太小，又易产生夹层，如图3-6所示。锻件的拔长过程请看

图3-6拔长的送进量
拔长过程中应作90°翻转，较重锻件常采用锻打完一面再翻转90°锻打另一面的方法；较小锻件则采用来回翻转90°的锻打方法，如图3-7所示。

图3-7拔长时坯料的翻转方法
a)打完一面后翻转90゜   b)来回翻转90゜锻打
圆形截面坯料拔长时，先锻成方形截面，在拔长到边长直径接近锻件直径时，锻成八角形截面，最后倒棱滚打成圆形截面，如图3-8所示。这样拔长效率高，且能避免引起中心裂纹。

图3-8圆形坯料拔长时的过度截面形状
（3）冲孔  用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。实心冲子双面冲孔如图3-9所示，在镦粗平整的坯料表面上先预冲一凹坑，放稍许煤粉，再继续冲至约3/4深度时，借助于煤粉燃烧的膨胀气体取出冲子，翻转坯料，从反面将孔冲透。冲孔过程请看

图3-9实心冲头双面冲孔
（4）弯曲   使坯料弯曲成一定角度或形状的锻造工序，如图3-10所示。锻件弯曲过程请看

图3-10弯曲
a）、b）角度弯曲    c）成形弯曲
（5）扭转  使坯料的一部分相对另一部分旋转一定角度的锻造工序，如图3-11所示。
（6）切割  分割坯料或切除料头的锻造工序。

图3-11  扭转
3.1.1.4锻件的锻造过程示例
任何锻件往往是经若干个工序锻造而成的，在锻造前要根据锻件形状、尺寸大小及坯料形状等具体情况，合理选择基本工序和确定锻造工艺过程。表3-2所示为六角螺母的锻造工艺过程示例，其主要工序是镦粗和冲孔。
表3-2  螺母的锻造过程
序号
火次
操作工序
简 图
工  具
备  注
1
下料

錾子或剪床
按锻件图尺寸，考虑料头烧损，计算坯料尺寸，并使H0/do＜2.5
2
1
镦粗

尖口钳
3
2
冲孔

尖口钳
圆钩钳
冲  子
4
3
锻六角

心棒
用心棒插入孔中，锻好一面转60°锻第二面，再转60°即锻好。
5
3
罩圆
倒角

尖口钳
罩圆凹模
6
3
修整

心棒
平锤
修整温度可略低于800℃