材料與成形技術(shù)-3

封面第3章鍛壓成形3.1概述

鍛壓是對坯料施加外力，利用金屬的塑性變形，改變坯料的尺寸和形狀，并改善其內(nèi)部組織和力學(xué)性能，獲得所需毛坯或零件的成形加工方法。它是鍛造和沖壓成形的總稱。與其它加工方法比，鍛壓成形有以下特點：①工件組織致密，力學(xué)性能高；②除自由鍛以外，其余鍛壓加工生產(chǎn)率較高；③節(jié)約金屬材料。鍛壓成形技術(shù)是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主體技術(shù)之一。據(jù)統(tǒng)計，全世界75％的鋼材需經(jīng)塑性成形，在汽車生產(chǎn)中，70％以上的零部件是利用金屬塑性加工而成的。

3.1.1金屬的塑性變形1．金屬的塑性變形

金屬材料通常情況下都是由無數(shù)小晶粒構(gòu)成的多晶體。多晶體的變形與各個晶粒的變形行為有很大的關(guān)系。實驗表明，晶體只有在切應(yīng)力的作用下才會發(fā)生塑性變形。室溫下，單晶體的塑性變形主要是通過滑移和孿生進行的。3

滑移是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對于晶體的另一部分沿滑移面作整體滑動，圖3-1為單晶體在切應(yīng)力作用下的滑移變形過程。金屬晶體在未受外力時，晶格處于正常排列狀態(tài)。當切應(yīng)力較小，未超過金屬的屈服強度時，晶格產(chǎn)生歪扭，金屬發(fā)生彈性變形。但當切應(yīng)力進一步增大至超過金屬的屈服強度時，晶體的一部分相對于另一部分沿受剪晶面產(chǎn)生滑移。外力去除后晶格彈性歪扭消失，但金屬原子的滑移保留下來，金屬產(chǎn)生塑性變形。

孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分原子相對于另一部分原子沿某個晶面轉(zhuǎn)動，使未轉(zhuǎn)動部分與轉(zhuǎn)動部分的原子排列呈鏡面對稱。

孿生變形只有在滑移變形受到限制而無法進行的情況下才會發(fā)生。如鎂、鋅、鎘等具有密排六方晶格的金屬滑移變形比較困難，容易產(chǎn)生孿生變形；而面心立方晶格的金屬一般不易發(fā)生孿生變形。體心立方晶格的金屬也只有在低溫或室溫沖擊載荷作用下才可能發(fā)生孿生變形。多晶體的塑性變形與單晶體基本相似，每個晶粒內(nèi)的塑性變形仍以滑移和孿生兩種方式進行。但多晶體由于存在晶界與許多不同位向的晶粒，其塑性變形抗力比單晶體高得多，變形被分配在各個晶粒內(nèi)部進行，使各個晶粒的變形均勻而不致產(chǎn)生過分的應(yīng)力集中。故金屬晶粒越細，晶界越多，其強度就越高，塑性和韌性也越好。2．冷塑性變形對金屬組織與性能的影響

1）冷塑性變形對金屬性能的影響金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，隨變形度的增加，其強度、硬度提高，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象稱為加工硬化。加工硬化現(xiàn)象在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的意義。生產(chǎn)上常用加工硬化來強化金屬，提高金屬的強度、硬度及耐磨性。尤其是純金屬、某些銅合金及鎳鉻不銹鋼等難以用熱處理強化的材料，加工硬化更是唯一有效的強化方法。加工硬化也有其不利的一面。在冷軋薄鋼板、冷拔細鋼絲及深拉工件時，由于產(chǎn)生加工硬化，金屬的塑性降低，進一步冷塑性變形困難，故必須采用中間熱處理來消除加工硬化現(xiàn)象。

2）冷塑性變形對金屬組織的影響金屬在外力作用下進行塑性變形時，金屬內(nèi)部的晶粒也由原來的等軸晶粒（圖3-3a）變?yōu)檠丶庸し较蚶L的晶粒，當變形度增加時，晶粒被顯著拉長成纖維狀，這種組織稱為冷加工纖維組織(圖3-3b)。

圖3-3工業(yè)純鐵冷變形前后的顯微組織（100）(a)(b)3．冷變形金屬的回復(fù)與再結(jié)晶

3）產(chǎn)生殘余應(yīng)力金屬材料在塑性變形過程中，由于其內(nèi)部變形不均勻?qū)е略谧冃魏笕詺埓嬖诮饘俨牧蟽?nèi)的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力。生產(chǎn)中常通過滾壓或噴丸處理使金屬表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而使其疲勞極限顯著提高。但殘余應(yīng)力的存在也是導(dǎo)致金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕以及變形開裂的重要原因。經(jīng)過冷變形以后的金屬，其組織結(jié)構(gòu)及性能均發(fā)生了變化，并且產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。生產(chǎn)中，若要求其組織結(jié)構(gòu)及性能恢復(fù)到原始狀態(tài)，并消除殘余應(yīng)力，必須進行相應(yīng)的熱處理。冷變形金屬隨熱處理溫度的提高，將經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶及晶粒長大三個階段。

1）回復(fù)當加熱溫度較低時，冷變形金屬的纖維組織沒有明顯變化，其力學(xué)性能也變化不大，但金屬的殘余應(yīng)力顯著降低，這一階段稱為回復(fù)，其回復(fù)溫度為T回（T回=0.25～0.3T熔）。2）再結(jié)晶4．金屬材料的熱塑性變形

經(jīng)冷加工變形后的金屬重新加熱到再結(jié)晶溫度(T再=0.4T熔)以上，其顯微組織將發(fā)生明顯變化，被拉長而呈纖維狀的晶粒又變?yōu)榈容S狀晶粒，同時加工硬化與殘余應(yīng)力完全消除，這一過程稱為再結(jié)晶。金屬材料在高溫下強度下降，塑性提高，易于進行變形加工，故生產(chǎn)中有冷、熱加工之分。金屬在再結(jié)晶溫度以下進行的塑性變形稱為冷變形加工，冷變形加工時將產(chǎn)生加工硬化。金屬在再結(jié)晶溫度以上進行的塑性變形稱為熱變形加工。熱變形加工時產(chǎn)生的加工硬化將隨時被再結(jié)晶所消除。熱變形加工可使金屬中的氣孔和疏松焊合，并可改善夾雜物、碳化物的形態(tài)、大小和分布，提高鋼的強度、塑性及沖擊韌度。熱變形時鑄錠中的非金屬夾雜物沿變形方向被拉長成纖維組織（熱加工流線），且再結(jié)晶不能改變其纖維狀組織的分布形態(tài)。纖維組織使金屬材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性，其縱向（沿纖維方向）的力學(xué)性能明顯高于橫向（垂直纖維方向）。因此在設(shè)計時應(yīng)盡量使工件受到的最大拉應(yīng)力方向與纖維方向相一致，與剪應(yīng)力或沖擊力方向相垂直，并力求流線沿工件外形輪廓連續(xù)分布，以保證零件的使用性能。3.1.2金屬及合金的鍛造性

圖3-4合理的流線分布形式金屬及合金的鍛造性是指材料在鍛壓加工時的難易程度。若金屬及合金材料在鍛壓加工時塑性好，變形抗力小，則鍛造性好；反之，則鍛造性差。因此，金屬及合金的鍛造性常用其塑性及變形抗力來衡量。金屬及合金的鍛造性主要取決于材料的本質(zhì)及其變形條件。

1.材料的本質(zhì)

(1)化學(xué)成分不同化學(xué)成分的合金材料具有不同的鍛造性。純金屬比合金的塑性好，變形抗力小，因此純金屬比合金的鍛造性好；合金元素的含量越高，鍛造性越差，因此低碳鋼比高碳鋼的鍛造性好；相同碳含量的碳鋼比合金鋼的鍛造性好，低合金鋼比高合金鋼的鍛造性好。

(2)組織結(jié)構(gòu)金屬的晶粒越細，塑性越好，但變形抗力越大。金屬的組織越均勻，塑性也越好。相同成分的合金，單相固溶體比多相固溶體塑性好，變形抗力小，鍛造性好。

2.變形條件

(1)變形溫度隨變形溫度的提高，金屬原子的動能增大，削弱了原子間的引力，滑移所需的應(yīng)力下降，金屬及合金的塑性增加，變形抗力降低，鍛造性好。但變形溫度過高，晶粒將迅速長大，從而降低了金屬及合金材料的力學(xué)性能，這種現(xiàn)象稱為“過熱”。若變形溫度進一步提高，接近金屬材料的熔點時，金屬的晶界發(fā)生氧化，鍛造時金屬及合金易沿晶界產(chǎn)生裂紋，這種現(xiàn)象稱為“過燒”。過熱可通過重新加熱鍛造和再結(jié)晶使金屬或合金恢復(fù)原來的力學(xué)性能，但過熱使鍛造火次增加，而過燒則使金屬或合金報廢。因此，金屬及合金的鍛造溫度必須控制在一定的溫度范圍內(nèi)。

2)變形速度變形速度是指單位時間內(nèi)金屬的變形量。金屬在再結(jié)晶以上溫度進行變形時，加工硬化與回復(fù)、再結(jié)晶同時發(fā)生。采用普通鍛壓方法時，回復(fù)、再結(jié)晶不足以消除由塑性變形所產(chǎn)生的加工硬化，隨變形速度的增加，金屬的塑性下降，變形抗力增加，鍛造性降低。當變形速度高于臨界速度時，產(chǎn)生大量的變形熱，加快了再結(jié)晶速度，金屬的塑性增加，變形抗力下降，鍛造性提高。圖3-7幾種常用鍛壓方法的應(yīng)力狀態(tài)

3)變形方式（應(yīng)力狀態(tài)）變形方式不同，變形金屬的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)也不同。圖3-7所示為幾種常用鍛壓方法的應(yīng)力狀態(tài)。拉拔時，坯料沿軸向受到拉應(yīng)力，其他方向為壓應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)的金屬塑性較差。鐓粗時，坯料中心部分受到三向壓應(yīng)力，周邊部分上下和徑向受到壓應(yīng)力，而切向為拉應(yīng)力，周邊受拉部分塑性較差，易鐓裂。擠壓時，坯料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，金屬呈現(xiàn)良好的塑性狀態(tài)。實踐證明，拉應(yīng)力的存在會使金屬的塑性降低，三向受拉金屬的塑性最差。三個方向上壓應(yīng)力的數(shù)目越多，則金屬的塑性越好。因此，塑性較好的材料可選用拉應(yīng)力狀態(tài)下變形（如拉拔等），塑性較差的材料應(yīng)選用壓應(yīng)力狀態(tài)下變形（如擠壓、模鍛等）。3.2鍛造13利用沖擊力或靜壓力使加熱后的坯料在鍛壓設(shè)備上、下砧之間產(chǎn)生塑性變形，以獲得所需尺寸、形狀和質(zhì)量的鍛件加工方法稱為鍛造。常用的鍛造方法為自由鍛、模鍛及胎模鍛。3.2.1自由鍛利用沖擊力或靜壓力使經(jīng)過加熱的金屬在鍛壓設(shè)備的上、下砧間向四周自由流動產(chǎn)生塑性變形，獲得所需鍛件的加工方法稱為自由鍛。自由鍛分為手工鍛造和機器鍛造兩種。手工鍛造只能生產(chǎn)小型鍛件，機器鍛造是自由鍛的主要方式。自由鍛主要用于單件、小批量鍛件的生產(chǎn)以及大型鍛件的生產(chǎn)。1．自由鍛的主要設(shè)備

自由鍛的設(shè)備分為鍛錘和液壓機兩大類。生產(chǎn)中使用的鍛錘有空氣錘和蒸汽-空氣錘，其噸位以鍛錘落下部分的質(zhì)量表示?？諝忮N錘擊速度高，噸位較小，只有500N～10KN，用于鍛造100kg以下的鍛件。蒸汽-空氣錘的噸位較大，可達10～50KN，用于鍛造1500kg以下的鍛件。液壓機是以液體產(chǎn)生的靜壓力使坯料變形的，其壓力可達5～15000KN，可鍛造重達300t的大型鍛件，是生產(chǎn)大型鍛件的唯一方式。2．自由鍛的工序

自由鍛工序分為基本工序、輔助工序、精整工序三大類。自由鍛的基本工序是指鍛造過程中使金屬產(chǎn)生塑性變形，從而達到鍛件所需形狀和尺寸的工藝過程?；竟ば蛑饕戌叴?、拔長、沖孔、擴孔、彎曲、扭轉(zhuǎn)、錯移和切割等，實際生產(chǎn)中最常用的為鐓粗、拔長和沖孔。輔助工序是在基本工序操作前，為方便基本工序的進行，預(yù)先使坯料產(chǎn)生局部塑性變形的工序。精整工序是指修整鍛件表面的形狀和尺寸工序，通常在終鍛溫度以下進行，如修整鍛件鼓形、去除鍛件毛刺、平整端面等。3．自由鍛工藝設(shè)計

自由鍛工藝設(shè)計包括繪制鍛件圖，計算坯料的尺寸和質(zhì)量，確定鍛造工序，選擇鍛造設(shè)備和工具，確定鍛造溫度范圍以及制訂加熱、冷卻熱處理規(guī)范等。

表3-2常見鍛件的自由鍛工序

鍛件類別常見鍛件圖例鍛造工序盤類零件齒輪、凸輪等鐓粗、沖孔軸桿類零件傳動軸、連桿等鐓粗、拔長、切肩、拔長筒類零件筒體等拔長、鐓粗、沖孔、在心軸上拔長環(huán)類零件圓環(huán)、法蘭、齒圈等鐓粗、沖孔、擴孔曲軸類零件曲軸、偏心軸等

拔長、錯移、拔長、扭轉(zhuǎn)彎曲類零件吊鉤、軸瓦等

拔長、彎曲4．自由鍛鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性自由鍛由于受到鍛造設(shè)備、工具及工藝特點的限制，在自由鍛零件設(shè)計時，除滿足使用性能外，還應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。自由鍛鍛件表面一般只能由平面和圓柱面組成，對于橫截面尺寸變化較大、形狀復(fù)雜的鍛件，可以分成幾部分分別鍛造，然后再進行機械連接或焊接成整體。表3-4為自由鍛鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性要求。表3-4自由鍛鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性要求工藝要求不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)盡量避免錐面或斜面結(jié)構(gòu)避免空間相貫曲線續(xù)表工藝要求不合理結(jié)構(gòu)合理結(jié)構(gòu)避免加強筋、凸臺、工字形結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的鍛件，可以分成幾部分分別鍛造，然后再進行機械連接或焊接成整體3.2.2模鍛23模型鍛造簡稱模鍛，是指將加熱后的金屬坯料放在鍛模模膛，使坯料受壓變形，從而獲得鍛件的方法。與自由鍛相比模鍛具有以下特點：模鍛件形狀和尺寸精度高，表面質(zhì)量好，加工余量小，節(jié)省金屬材料；生產(chǎn)率高；操作簡單，易于實現(xiàn)自動化；模鍛設(shè)備精度要求較高，噸位要求較大，鍛模結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高，生產(chǎn)準備周期較長。因此，模鍛適用于中、小型鍛件的成批及大量生產(chǎn)，在汽車、拖拉機、飛機制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。模鍛按使用設(shè)備不同，可分為錘上模鍛和壓力機上模鍛。1．錘上模鍛錘上模鍛是指將鍛模裝在模鍛錘上進行鍛造。在錘的沖擊力下，金屬在模膛中成形，特別適合于多模膛模鍛，能完成多種變形工序，是目前我國鍛造生產(chǎn)中使用最為廣泛的一種模鍛方法。

1）模鍛錘錘上模鍛最常用的設(shè)備為蒸汽空氣模鍛錘。2）錘上模鍛的過程（錘上模型鍛造）

蒸汽空氣模鍛錘的構(gòu)造及工作原理與蒸汽空氣自由鍛錘基本相似，其主要區(qū)別為：模鍛錘的砧座較大，機架直接用帶彈簧的螺栓安裝在砧座上，形成封閉結(jié)構(gòu)；模鍛錘的錘頭與導(dǎo)軌間的間隙很小，并可調(diào)整，因此錘頭運動精確，保證上、下模能準確對準，從而獲得形狀和尺寸準確的模鍛件。模鍛錘的噸位以錘桿落下部分的質(zhì)量表示。常用模鍛錘的噸位為1~16t，通常用以鍛造0.5~150kg的模鍛件。鍛模主要由上模和下模兩部分組成。上?？科溲辔膊塾眯ü潭ㄔ谀ｅ戝N的錘頭上，并與錘頭一起作上、下運動。下模靠其燕尾槽用楔固定在模座上，模座再用楔固定在模鍛錘的砧座上。模鍛時，將加熱后的坯料放在鍛模下模的模膛中，鍛模上模隨錘頭向下錘擊時，使坯料變形充滿模膛，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件。3）鍛模模膛

鍛模模膛按其作用的不同可分為模鍛模膛、制坯模膛和切斷模膛三大類。模鍛模膛的作用是將坯料經(jīng)過變形后形成鍛件。模鍛模膛有預(yù)鍛模膛和終鍛模膛兩種。鍛模模膛的種類及作用見表3-6。表3-6鍛模模膛的種類及其作用模膛名稱圖

例作用及用途特

點模

鍛

模

膛預(yù)鍛將坯料變形到接近鍛件的形狀和尺寸，便于終鍛時金屬充滿終鍛模膛，減少終鍛模膛的磨損，延長鍛模的壽命，主要用于形狀較為復(fù)雜的鍛件預(yù)鍛模膛的形狀與終鍛模膛相近，其模膛高度、模鍛斜度和圓角比終鍛模膛大，寬度略小，且沒有飛邊槽終鍛將坯料最終變形到鍛件所需要的形狀和尺寸模膛的形狀與鍛件的形狀一致，但尺寸比鍛件大一個收縮量。模膛四周設(shè)置飛邊槽，用以增加金屬從模膛中流出的阻力，促使金屬充滿模膛，同時容納多余的金屬模膛名稱圖

例作用及用途特

點制

坯

模

膛鐓粗及壓扁減少坯料高度，增大坯料直徑（鐓粗）或?qū)挾龋▔罕猓?，用于餅塊類鍛件的制坯是制坯的第一步，通常模膛安放在模具的邊角處拔長減少毛坯某部分的橫截面積，增加毛坯長度，用于長軸類鍛件的制坯是制坯的第一步，需錘擊多次，邊送進邊翻轉(zhuǎn)，并可清除氧化皮滾擠減少毛坯某一部分的橫截面積，以增加另一部分的橫截面積，從而使金屬按鍛件形狀分布，適用于橫截面積相差較大的鍛件的制坯坯料不軸向送進，僅反復(fù)繞軸線翻轉(zhuǎn)彎曲彎曲坯料，使之獲得近似于模鍛模膛在分模面上的輪廓形狀結(jié)構(gòu)特點與成形模膛相似，但無聚料作用，且變形量比成形模膛大切斷模膛切斷已鍛好的鍛件。多工位鍛模的最后一個工步，常置于鍛模的前角或后角上續(xù)表圖3-12彎曲連桿的鍛模及成形過程示意圖4)模鍛圖的繪制

(1)選擇分模面分模面是指鍛模上模與下模的分界面。模鍛件分模面的選擇關(guān)系到鍛件成形、鍛件脫模以及鍛件質(zhì)量等一系列問題。確定模鍛件分模面的原則通常為：①分模面應(yīng)選在鍛件最大截面處，以便于鍛件順利脫模；②分模面應(yīng)使模膛深度最淺，且上、下模深度基本一致，以便于金屬充滿模膛；③分模面應(yīng)盡量為平面，以簡化模具結(jié)構(gòu)，方便模具制造；

④分模面應(yīng)保證鍛件所需敷料最少，以節(jié)省金屬材料；⑤對帶孔盤類零件，為鍛出凹孔，應(yīng)徑向分模而不宜軸向分模。例：圖3-13(2)確定機械加工余量和鍛件公差模鍛件上凡需機械加工的部位均要求留有機械加工余量，并標注鍛造公差。通常模鍛件的機械加工余量為1~4mm，鍛造公差為±0.3~±3mm之間，具體數(shù)值可根據(jù)鍛件尺寸、鍛件形狀復(fù)雜程度、鍛件材料及精度要求等查閱有關(guān)手冊。圖3-14模段斜度

(3)確定模鍛斜度為了便于將模鍛件從模膛中取出，鍛件沿錘擊方向的表面應(yīng)留有一定的斜度，稱為模鍛斜度，如圖3-14所示。

(4)確定圓角半徑模鍛件上所有轉(zhuǎn)角處都應(yīng)設(shè)計成圓角（圖3-15），以便金屬在模膛中流動，保持金屬纖維的連續(xù)性，提高鍛件的質(zhì)量并避免模鍛件轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生應(yīng)力集中及變形開裂現(xiàn)象，延長模具壽命。(5)沖孔連皮圖3-15圓角半徑錘上模鍛不能鍛出通孔，而必須在孔內(nèi)保留一層金屬層，稱為沖孔連皮。沖孔連皮鍛后需在壓力機上去除。沖孔連皮常采用平底連皮、斜底連皮等形式。模鍛件上直徑小于25mm的孔一般不予鍛出。圖3-16_1平底沖孔連皮圖3-16_2斜底沖孔連皮5)模鍛工序的選擇

模鍛工序主要按模鍛件的形狀和尺寸來確定。模鍛件按其形狀可分為長軸類零件(如臺階軸、曲軸、連桿等)和盤類零件(如齒輪、法蘭盤等)兩大類。圖3-18為盤類模鍛件，其模鍛工序通常采用鐓粗或壓扁模膛制坯后終鍛成形。對于長軸類模鍛件，其模鍛工序通常采用拔長、滾擠、預(yù)鍛、終鍛和切斷等工序。圖3-18盤類模鍛件6）模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計模鍛件結(jié)構(gòu)時，應(yīng)充分考慮模鍛的工藝特點和要求，盡量使鍛模結(jié)構(gòu)簡單，模膛易于加工，模鍛件易于成形，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)成本低。因此，模鍛的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮以下原則：

(1)避免鍛件橫截面面積相差過大，避免模鍛件上有薄壁、高肋及直徑過大的凸緣。圖3-20a所示鍛件橫截面面積相差過大，凸緣太高太薄。模鍛時，坯料難以充滿模膛。圖3-20b所示薄壁零件過扁過薄，鍛造時薄的部分不易鍛出。圖3-21a所示工件上有一高而薄的凸緣，材料充模、鍛模制造及鍛件取出都比較困難。如改成圖3-21b所示形狀，既不影響使用性能，鍛造又比較方便。圖3-20模鍛件結(jié)構(gòu)工藝性示例1(a)(b)(b)(a)圖3-21模鍛件結(jié)構(gòu)工藝性示例2(4)對于形狀復(fù)雜的鍛件可考慮采用鍛焊組合結(jié)構(gòu)，如圖3-23所示。

(2)模鍛件應(yīng)盡量避免深溝、深槽、深孔以及多孔結(jié)構(gòu)，必要時可將這些部位設(shè)計成余塊，以便模具制造及延長模具使用壽命。圖3-22所示零件四個Φ20mm的孔不必鍛出，留待以后機加工成形即可。圖3-22齒輪(3)鍛件形狀應(yīng)盡量簡單，外形力求對稱，盡可能不用多向彎曲結(jié)構(gòu)。圖3-23鍛焊組合件2.壓力機上模鍛錘上模鍛操作簡便、工藝適應(yīng)性廣，在中、小鍛件的生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。但錘上模鍛鍛造時振動及噪聲大、勞動條件差、蒸汽作功效率低、能源消耗大，近年來大噸位的模鍛機有逐步被壓力機取代的趨勢。生產(chǎn)上常用的壓力機有摩擦壓力機、曲柄壓力機、平鍛壓力機等。

1)曲柄壓力機

(1)曲柄壓力機的工作原理曲柄壓力機的工作原理如圖3-24所示。電動機4通過V形皮帶帶動帶輪3轉(zhuǎn)動，帶輪3通過傳動軸經(jīng)小齒輪6、大齒輪7帶動曲軸9，并經(jīng)連桿10將曲軸9的旋轉(zhuǎn)運動變成滑塊1的往復(fù)運動。沖模的上模固定在滑塊上，從而完成對坯料的沖壓過程。圖3-24曲柄壓力機工作原理示意圖1－滑塊；2－制動器床身；3－帶輪；4－電動機；5－轉(zhuǎn)軸；6－小齒輪、7－大齒輪；8－離合器；9－曲軸；10－連桿；11－工作臺；12－楔形墊塊(2)曲柄壓力機工藝特點及應(yīng)用范圍①曲柄壓力機的沖壓行程較大，是曲軸偏心半徑的兩倍，但其行程固定，機架剛度好。且滑塊與導(dǎo)軌之間的間隙小，裝配精度高，設(shè)有上下頂出裝置，模鍛斜度小甚至為零，故鍛件的精度高，并能節(jié)省材料。②滑塊的運動速度低，坯料變形速度慢，適合加工低塑性合金。③可采用組合鍛模，模膛由多個鑲塊拼合后固定在模板上，模具制造簡單，互換性好。④滑塊的每次行程可完成一道工序，生產(chǎn)效率高。⑤由于采用靜壓力，振動小，噪聲低，易于實現(xiàn)自動化。但是，由于曲柄壓力機滑塊行程固定不變，且坯料在靜壓力下一次成形，金屬不易充填較深的模膛，不宜用于拔長、滾擠等變形工序，需先進行制坯或采用多模膛鍛造。此外，坯料的氧化皮也不易去除，必須嚴格控制加熱質(zhì)量。曲柄壓力機與同樣鍛造能力的模鍛錘相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，因此適合在大批、大量生產(chǎn)中制造優(yōu)質(zhì)鍛件。2)平鍛機平鍛機的主要結(jié)構(gòu)與曲柄壓力機相似，因滑塊沿水平方向運動，帶動模具對坯料水平施壓，故稱為平鍛機。

(1)平鍛機的工作原理平鍛機根據(jù)凹模分模方式的不同，可分為垂直分模平鍛機和水平分模平鍛機兩種。水平分模平鍛機的工作原理如圖3-25所示。電動機1通過傳動帶2帶動帶輪4轉(zhuǎn)動，帶輪帶動離合器3并通過傳動軸5、齒輪8使曲軸7轉(zhuǎn)動。隨曲軸轉(zhuǎn)動，連桿9推動主滑塊11及上面的凸模12在水平面作前后往復(fù)運動，同時曲軸又驅(qū)使凸輪6旋轉(zhuǎn)，凸輪6通過杠桿16使副滑塊及活動凹模15在水平面作往復(fù)的夾緊運動。鍛造時，將坯料放入固定凹模14，前端由擋料板定位，啟動開關(guān)，活動凹模15右行與固定凹模合模，擋料板退回，凸模前行向坯料施加壓力，坯料成形?；爻虝r，凸模先退出，活動凹模隨后左移復(fù)位，取出鍛件。圖3-25平鍛機的工作原理示意圖1－電動機；2－傳動帶；3－離合器；4－帶輪；5－傳動軸；6－凸輪；7－曲軸；8－齒輪；9－連桿；10－小凸輪；11－主滑塊；12－凸模；13－擋料板；14－固定凹模；15－活動凹模；16－杠桿17－副滑塊

(2)平鍛機的工藝特點及應(yīng)用范圍平鍛機除了具有曲柄壓力機的特點以外，還具有以下特點：①能夠鍛造出其它鍛造設(shè)備難以鍛造的鍛件。鍛造過程中坯料水平放置，可采用局部加熱及局部變形鍛造帶頭部的長桿類鍛件；鍛模有兩個相互垂直的分模面，鍛件容易取出，可鍛造有通孔或盲孔的鍛件。3）摩擦壓力機②鍛件無模鍛斜度，無飛邊或飛邊很小，可沖出通孔，鍛件尺寸精度高，表面粗糙度值低，節(jié)省材料，生產(chǎn)率高。③難以鍛造回轉(zhuǎn)體及中心不對稱的鍛件。平鍛機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，主要適合鍛造大批量生產(chǎn)的帶頭部的桿類鍛件和側(cè)凹帶孔鍛件，如汽車半軸、倒車齒輪等。

(1)摩擦壓力機的工作原理摩擦壓力機的傳動系統(tǒng)如圖3-26所示。電動機5通過V形皮帶6傳動帶輪7，驅(qū)動傳動軸及左、右摩擦輪4。當操縱手柄11處于水平位置時，飛輪3介于左右兩個摩擦輪之間，兩面均有2~5mm間隙。當往下按動操作手柄時，連桿系統(tǒng)帶動左摩擦輪右移與飛輪3接觸，飛輪帶動螺桿1旋轉(zhuǎn)，螺桿從螺母2中旋下，帶動滑塊8向下移動進行鍛壓。當操作手柄提起時，右摩擦輪左移與飛輪3接觸，螺桿上旋提起滑塊。如此往復(fù)運動從而實現(xiàn)對坯料的鍛壓成形。圖3-26摩擦壓力機工作原理示意圖1－螺桿；2－螺母；3－飛輪；4－左、右摩擦輪；

5－電動機；6－皮帶；7－帶輪；8－滑塊；9－導(dǎo)軌；10－工作臺；11－操縱手柄(2)摩擦壓力機的工藝特點及應(yīng)用范圍摩擦壓力機工藝特點有：

①摩擦壓力機帶有頂料裝置，可以用來鍛造帶長桿類鍛件，并可鍛造小斜度或無斜度的鍛件以及小余量、無余量的鍛件，節(jié)省材料。②摩擦壓力機具有模鍛錘和曲柄壓力機雙重工作特性，既具有模鍛錘的沖擊力，又有曲柄壓力機與鍛件接觸時間較長、變形力較大的特點。因此，既能完成鐓粗、擠壓等成形工序，又可進行精鍛、校正、切邊等后續(xù)工序的操作。③摩擦壓力機螺桿和滑塊間為非剛性連接，承受偏心載荷的能力較差，通常只能進行單模膛模鍛，當偏心載荷不大的情況下，也可布置兩個模膛，但制坯需在其它設(shè)備上進行。④摩擦壓力機依靠摩擦帶動滑塊進行往復(fù)運動實現(xiàn)鍛壓操作，傳動效率及生產(chǎn)率較低，能耗較大。根據(jù)以上特點，摩擦壓力機主要適用于中、小批量生產(chǎn)中、小模鍛件，特別適合模鍛塑性較差的金屬及合金如高溫合金和有色金屬合金等。

3.2.3胎模鍛

胎模鍛是在自由鍛設(shè)備上使用可移動模具生產(chǎn)鍛件的一種鍛造方法。胎模鍛介于自由鍛與模鍛之間，汲取了兩種鍛造方法的優(yōu)點。胎膜鍛通常先在自由鍛設(shè)備上制坯，然后將鍛件放在胎模中用自由鍛設(shè)備終鍛成形，形狀簡單的鍛件也可直接在胎模中成形。鍛造時胎模置于自由鍛設(shè)備的下砧上，用工具夾持住進行鍛打。1．胎模鍛鍛模的種類、結(jié)構(gòu)及用途胎模的種類很多，常用的胎模有扣模、摔模、套模、彎曲模等。常用胎模的種類及用途見表3-7。表3-7常用胎模的種類及用途名稱圖例結(jié)構(gòu)及用途名稱圖例結(jié)構(gòu)及用途扣?？勰Ｓ缮峡酆拖驴劢M成，主要用來對毛坯進行局部或全部扣形。鍛造時，毛坯不轉(zhuǎn)動。用于制造長桿等非回轉(zhuǎn)體鍛件合

模通常由上、下兩部分組成，上下模用導(dǎo)柱和導(dǎo)銷定位，用于制造形狀復(fù)雜的非回轉(zhuǎn)體鍛件續(xù)表名稱圖例結(jié)構(gòu)及用途名稱圖例結(jié)構(gòu)及用途摔模摔模由上摔和下摔以及摔把組成，用于制造回轉(zhuǎn)體鍛件，如軸等彎曲模彎模由上下模組成，用于吊鉤、吊環(huán)等彎桿類鍛件的成形和制坯套

模套模為圓筒狀，分為開式、閉式兩種，通常由上模、下模、模套組成，用于制造齒輪、法蘭盤等沖切模沖切模由沖頭和凹模組成，用于鍛件鍛后沖孔和切邊2．典型鍛件的胎模鍛鍛造過程圖3-27為齒輪坯胎模鍛的鍛造過程。坯料（圖3-27a）經(jīng)自由鍛鐓粗成為中間坯料（圖3-27b），圖3-27c為將中間坯料放入套模中的情況，圖3-27d為終鍛結(jié)束時坯料成形的情況。圖3-27齒輪坯的胎模鍛造3．胎模鍛的特點

(1)與自由鍛相比，胎模鍛不僅生產(chǎn)效率高，而且形狀準確，加工余量小，尺寸精度高。鍛件在胎模中成形，鍛件內(nèi)部組織細密，力學(xué)性能好。

(2)與模鍛相比，不需要昂貴的設(shè)備，胎模不僅制作簡單、成本低，而且使用方便，能局部成形，可以用小胎模制造出較大的鍛件。3.3板料沖壓板料沖壓是利用沖模在壓力機上對材料施加壓力，使材料產(chǎn)生分離或變形，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的加工方法。板料沖壓通常在室溫下進行，故又稱冷沖壓。當板料厚度超過8~10mm時，需采用熱沖壓。3.3.1板料沖壓的基本工序、特點及應(yīng)用范圍1．板料沖壓的基本工序板料沖壓的沖壓方法可分為分離工序及變形工序兩大類，見表3-8。分離工序是將沖壓件或毛坯沿一定的輪廓相互分離。變形工序是在材料不產(chǎn)生破壞的前提下使毛坯發(fā)生塑性變形，形成所需形狀及尺寸的工件。常見的冷沖壓可分為五個基本工序：沖裁、彎曲、拉深、成形和立體壓制（體積沖壓）。2.常見的分離工序及變形工序

1）沖裁沖裁是將板料沿封閉輪廓線分離的工序。沖裁包括落料、沖孔、切斷、切邊、剖切等工序。表3-8分離工序和變形工序類別基本工序工序名稱工序簡圖工序特點分離工序沖裁落料將板料沿封閉輪廓分離，切下部分是工件，帶孔的周邊為廢料沖孔將板料沿封閉輪廓分離，切下部分是廢料，帶孔的周邊為工件切斷將板料沿不封閉的輪廓分離切邊將已加工工件邊緣多余的廢料切除剖切將沖壓成形的半成品切開成兩個或兩個以上的工件板料的沖裁過程如圖3-28所示。凸模與凹模具有與工件輪廓一樣的刃口，凸、凹模之間存在一定的間隙。當壓力機滑塊將凸模推下時，放在凸、凹模之間的板料沖裁成所需的工件。沖裁時板料的變形過程可分為三個階段，如圖3-29所示。①當凸模開始接觸板料并下壓時，板料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲、拉伸等變形；②凸模繼續(xù)下壓，板料的應(yīng)力達到屈服點，板料發(fā)生塑性變形；③當板料應(yīng)力達到抗剪強度時，板料在與凸、凹模刃口接觸處產(chǎn)生裂紋，當上下剪裂紋相連時，板料便分成了兩部分。圖3-28板料的沖裁示意圖圖3-29沖裁時板料的變形過程(1)沖裁過程沖裁力的計算

沖裁時材料對模具的最大抗力稱為沖裁力。沖裁力是選擇壓力機的主要依據(jù)，也是設(shè)計模具所必須的依據(jù)。沖裁力大小與板料的材質(zhì)、厚度及沖裁件周邊的長度有關(guān)。普通平刃口沖裁模沖裁力的計算方法如下：

F=KLtτ式中

F──沖裁力，N；

L──沖裁件周長，mm；

t──板料厚度，mm；

τ──材料的抗剪強度，MPa；

K──安全系數(shù)，通常取1.3。對精度要求較高的零件常在沖裁后再進行修整，即在修整模上利用切削的方法，將沖裁件的外緣或內(nèi)孔切去很薄一層金屬，以獲得平直而光潔的斷面。2）彎曲

將金屬材料沿彎曲線彎成一定的角度和形狀的工藝方法稱為彎曲。

(1)彎曲變形過程板料彎曲中最基本的是V形件的彎曲，其彎曲過程如圖3-31所示。開始彎曲時，板料的彎曲內(nèi)側(cè)半徑大于凸模的圓角半徑，隨凸模的下壓，板料內(nèi)側(cè)半徑逐漸減小，同時彎曲力臂也逐漸減小。當凸模、板料、凹模三者完全壓合，板料的內(nèi)側(cè)半徑及彎曲力臂達到最小時，彎曲過程結(jié)束。(2)彎曲變形的特點圖3-31板料彎曲過程

彎曲變形通常只發(fā)生在彎曲件的彎曲角范圍內(nèi)，圓角以外基本上不變形。板料靠近凸模的內(nèi)側(cè)長度縮短（受壓），靠近凹模的外側(cè)長度伸長（受拉），板料中間中性層長度不變。當板料外側(cè)受到的拉應(yīng)力超過板料的抗拉強度時，外層金屬被拉裂。彎曲件在彎曲變形結(jié)束后，會伴隨一些彈性恢復(fù)從而造成工件彎曲角度、彎曲半徑與模具的形狀、尺寸不一致的現(xiàn)象，稱為彎曲件的回彈現(xiàn)象，如圖3-32所示。彎曲件的回彈會直接影響其精度。因此，在設(shè)計彎曲模時應(yīng)使模具的彎曲角αp比彎曲件彎曲角α小一個回彈角?α，回彈角通常小于10°。材料的屈服強度愈高，相對彎曲半徑愈大，則回彈值愈大；當彎曲半徑一定時，板料愈厚，則回彈愈小。圖3-32彎曲時的回彈(3)彎曲件的結(jié)構(gòu)工藝性①最小彎曲半徑。彎曲件的最小彎曲半徑不能小于材料許可的最小半徑，否則會造成彎曲處外層材料的破裂。②彎曲件的直邊高度。彎曲臂過短不易彎成，應(yīng)使臂長度h>2t，如圖3-33所示。如必須短臂時，應(yīng)先彎成長臂再切去多余部分。圖3-33彎曲件的結(jié)構(gòu)工藝性③彎曲件孔邊距。帶孔件彎曲時，為避免孔被拉成橢圓，孔不能離彎曲處太近，應(yīng)使L>2t。④彎曲件半徑較小的彎邊交接處，容易因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，應(yīng)事先在交接處鉆出工藝孔，以預(yù)防裂紋的產(chǎn)生，如圖3-33所示。3)拉深將平面板料沖壓成各種空心開口件的沖壓工序稱為拉深。拉深又稱為拉延、引伸、延深等。采用拉深方法可生產(chǎn)筒形、階梯型、錐形、球形、方盒形及其他不規(guī)則形狀的薄壁零件。因此，拉深工藝在汽車、拖拉機、電器、儀表工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。(1)拉深過程直徑為D，厚度為t的毛坯經(jīng)拉深模拉深，變成內(nèi)徑為d、高度為h的開口圓筒形工件。在拉深過程中，毛坯的中心部分成為圓筒形工件的底部，基本不變形。毛坯的凸緣部分是主要變形區(qū)域。拉深過程實質(zhì)就是將凸緣部分的材料逐漸轉(zhuǎn)移到筒壁部分。在轉(zhuǎn)移過程中部分材料由于拉深力的作用以及材料間的相互擠壓作用，在其徑向和切向分別產(chǎn)生拉應(yīng)力和切應(yīng)力，在兩種應(yīng)力的共同作用下，凸緣部分的材料發(fā)生塑性變形。在凸模的作用下不斷被壓入凹模形成圓筒形開口空心件。圖3-34為圓筒形工件的拉深過程示意圖。圖3-34圓筒形工件拉深過程示意圖(2)拉深時的主要質(zhì)量問題①起皺拉深時，凸緣部分是拉深過程中的主要變形區(qū)，而凸緣變形區(qū)的主要變形是切向壓縮。當切向壓應(yīng)力較大而板料又較薄時，凸緣部分材料便會失去穩(wěn)定而在凸緣的整個周圍產(chǎn)生波浪形的連續(xù)彎曲，這就是拉深時的起皺現(xiàn)象，如圖3-35所示。為防止起皺，實際生產(chǎn)中常采用壓邊圈來提高拉深時允許的變形程度。②拉裂經(jīng)過拉深后，筒形件壁部的厚度與硬度都會發(fā)生變化。筒壁愈靠上，切向壓縮愈大，壁部愈厚，變形量愈大，加工硬化現(xiàn)象嚴重，硬度愈高。筒壁的底部靠近圓角處，幾乎沒有切向壓縮，變形程度小，加工硬化現(xiàn)象小，材料的屈服點低，壁厚變薄。整個筒壁部由上而下壁厚逐漸變小，硬、薄板料拉深時最容易產(chǎn)生破裂。拉裂是筒形件拉深時的最主要的破壞形式。拉深時，極限變形程度就是以不拉裂為前提的。圖3-35拉深件的起皺和拉裂(3)拉深系數(shù)與拉深次數(shù)

在拉深工藝設(shè)計時，必須知道沖壓件需要幾道工序才能完成，它直接關(guān)系到?jīng)_壓件的質(zhì)量及成本。拉深次數(shù)取決于每次拉深時允許的極限變形程度。拉深系數(shù)m是指每次拉深后筒形件直徑與拉深前毛坯（或半成品）直徑的比值，是衡量拉深變形程度的重要工藝參數(shù)。3.板料沖壓的特點及應(yīng)用范圍

(1)可以獲得形狀復(fù)雜、用其他加工方法難以加工的工件，如薄壁件；

(2)生產(chǎn)率高；

(3)可獲得重量輕、強度高、剛度好的工件，工件尺寸穩(wěn)定，互換性好；

(4)操作簡單、勞動強度低、易于實現(xiàn)機械化和自動化；

(5)可加工低中碳鋼、低合金鋼以及銅、鋁、鎂及其合金等塑性較好的材料，成形工序不能加工塑性差的材料，如鑄鐵等；

(6)模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，適用大批量生產(chǎn)。3.3.2沖模種類

沖模的結(jié)構(gòu)類型很多，為了研究方便，可以按沖模的不同特征進行分類：按沖模完成的工序性質(zhì)可分為落料模、沖孔模、切斷模、彎曲模、拉深模等；按工序的組合方式可分為單工序的簡單模和多工序的連續(xù)模、復(fù)合模等三類。1．簡單模

單工序模（又稱簡單模）是指壓力機在一次行程中完成一道工序的沖模。簡單模有落料模、沖孔模、切邊模、彎曲模、拉深模、等。簡單模模具結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、壽命長、使用安裝方便，但加工多工序的工件生產(chǎn)效率低，故主要用于加工單工序工件。2．連續(xù)模連續(xù)模（又稱級進模、跳步模）是指壓力機在一次行程中，依次在幾個不同的位置上同時完成多道工序的沖模。采用連續(xù)模沖壓時，由于工件依次在不同的位置上逐步成形，為了保證工件的相對位置精度應(yīng)嚴格控制送料步距。由于連續(xù)模可以安排多道沖壓工序，生產(chǎn)率高，因此廣泛用于大批量生產(chǎn)中、小型沖壓件。圖3-38沖孔落料連續(xù)模3．復(fù)合模

復(fù)合模是指壓力機在一次行程中，在同一中心位置上，同時完成幾道工序的沖模。由于復(fù)合模在同一中心位置上完成幾道工序，因此它必須在同一中心位置上布置幾套凸、凹模。3.4鍛壓新技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代鍛壓技術(shù)取得了突破性的進展，出現(xiàn)了許多先進的加工方法。這些新工藝、新技術(shù)不但提高了鍛壓件的質(zhì)量和精度，從而實現(xiàn)少、無切削加工，降低工件成本，而且還突破了材料的限制，使過去難以鍛壓的材料以及復(fù)合材料的鍛壓成形成為現(xiàn)實。3.4.1精密模鍛精密模鍛是在普通模鍛設(shè)備上直接鍛造出形狀復(fù)雜、精度可達IT10~IT12，表面粗糙度Ra為3.2~0.8μm的鍛件或零件的工藝方法。精密模鍛鍛件無需進行切削加工即可直接使用，但在加工過程中必須采取一系列相應(yīng)的工藝措施。1．精密模鍛的工藝流程精密模鍛必須先將原始坯料經(jīng)普通模鍛成為中間坯料，再對中間坯料進行嚴格的清理，除去氧化皮和缺陷；最后采用無氧化或少氧化加熱后精鍛。2.精密模鍛的特點及應(yīng)用

精密模鍛工藝要求非常嚴格，具體要求為：①需精確計算原始坯料的尺寸，精確下料，并采用噴砂、酸洗等方法清除坯料表面的氧化皮；②需采用少、無氧化方式加熱，以減少坯料表面的氧化和脫碳現(xiàn)象；③需采用精度高、剛度好的摩擦壓力機、曲柄壓力機或高速模鍛錘等鍛造設(shè)備進行鍛造；④鍛模上、下模之間需采用導(dǎo)向裝置，以保證上、下模精確合模。精密模鍛近年來發(fā)展較快，汽車、拖拉機中的直齒錐齒輪、飛機操縱桿、渦輪機葉片、發(fā)動機連桿及醫(yī)療器械等復(fù)雜零件均采用了精密模鍛技術(shù)。精密模鍛在中、小型復(fù)雜零件的大批量生產(chǎn)中得到了較好的應(yīng)用。3.4.2精密沖裁

用普通沖裁所得到的工件，剪切斷面比較粗糙，而且還會產(chǎn)生塌角、毛刺等缺陷并帶有斜度，工件的尺寸精度較低。精密沖裁（簡稱精沖）是指在專用精沖壓力機或普通壓力機上使用帶V形齒圈壓板的精密沖裁法，它是在普通沖裁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種沖裁工藝。精沖的工作原理如圖3-42所示。精沖時，齒圈壓板2將板料3壓緊在凹模5表面，V形齒壓入材料，使坯料徑向受到壓縮，當凸模下壓時，板料處于凸模1的下壓力、齒圈壓板2的壓邊力及頂板4的反壓力的共同作用下，此外由于凸、凹模的間隙很小，坯料處于強烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，提高了材料的塑性，抑制了剪切過程中裂紋的產(chǎn)生，使沖裁過程以接近于純剪切的變形方式進行。精沖件斷面平直、光亮、外形平整，尺寸精度可達IT8~IT6級，表面粗糙度Ra可達0.8~0.4μm，因此不需進行任何加工即可直接使用。3.4.3回轉(zhuǎn)成形回轉(zhuǎn)成形是指在坯料加工過程中，采用加工工具回轉(zhuǎn)或坯料回轉(zhuǎn)或加工工具與坯料同時回轉(zhuǎn)的方式進行壓力加工的新工藝方法。回轉(zhuǎn)成形過程是通過對坯料進行連續(xù)的局部變形來實現(xiàn)工件的成形，故所需設(shè)備噸位較小，易于實現(xiàn)高速、節(jié)能和自動化生產(chǎn)。1．輥鍛

輥鍛是將坯料在裝有扇形模塊的一對相對旋轉(zhuǎn)的軋輥中間通過，使坯料受壓發(fā)生塑性變形，從而獲得鍛件或鍛坯的鍛壓方法，如圖3-44所示。輥鍛的實質(zhì)是縱向軋制，根據(jù)工件形狀的復(fù)雜程度，可以一次輥鍛成形，也可以分別在軋輥上的幾個模槽中輥鍛多次。與模鍛件相比，輥鍛件力學(xué)性能較好，尺寸穩(wěn)定，可節(jié)省材料，但尺寸和形狀精度不高并且只能使截面變小，不能使截面變大，故主要適用于生產(chǎn)長軸類、長桿類鍛件或鍛坯。目前，輥鍛工藝已用于制造汽車、拖拉機的前梁、連桿、傳動軸、轉(zhuǎn)向節(jié)以及渦輪機葉片等零件。圖3-44輥鍛示意圖2．軋制

1）橫軋橫軋是軋輥軸線與坯料軸線相互平行的一種軋制方法。圖3-45a為齒輪橫軋示意圖。橫軋時，左右兩軋輥1、3同向旋轉(zhuǎn)，帶動齒輪坯2反向旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)加熱器4將齒輪坯輪緣加熱到1000~1050oC，主軋輥1壓入齒坯，齒坯輪緣受擠壓產(chǎn)生變形，形成輪齒。橫軋生產(chǎn)效率高、節(jié)省金屬材料，常用于生產(chǎn)各種類型的齒輪、螺紋。圖3-45橫軋1－軋輥；2－坯料；3－軋輥；4－中頻感應(yīng)加熱器；5－托架2）斜軋斜軋是軋輥軸線與坯料軸線在空間相夾一定角度的軋制方法。常見的斜軋方式主要為螺旋斜軋和穿孔斜軋兩種，如圖3-46所示。以螺旋斜軋鋼球為例，軋輥1、3相交成4o~14o之間，軋輥上有多頭圓弧形螺旋槽，圓柱形坯料2在軋輥作用下繞自身軸線旋轉(zhuǎn)并沿軸線方向前進，在軋輥擠壓下產(chǎn)生連續(xù)變形，形成鋼球。斜軋工藝已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)鋼球、熱軋麻花鉆、汽車防滑釘、多聯(lián)齒輪以及管類零件或毛坯。圖3-46斜軋1－上軋輥；2－坯料；3－下軋輥；4－芯頭3）楔橫軋

楔橫軋是一種特殊的橫軋工藝，如圖3-45c所示。楔橫軋兩個軸線平行的軋輥1、3上均裝有楔塊。當兩軋輥同向轉(zhuǎn)動時，楔塊擠壓坯料2，使坯料直徑逐步變小，長度逐步增加，金屬沿軸向流動而形成各種軸類零件。楔橫軋工件尺寸精度高、表面粗糙度值低并且生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)自動化。但軋輥楔塊制造較為困難，故適用于大批量生產(chǎn)軸類毛坯。如汽車二軸和后橋主動軸。

3．擺動碾壓擺動碾壓又稱擺碾，是利用一個繞中心軸擺動的圓錐形模具對坯料局部加壓使其高度減小、直徑增大的成形方法。圖3-47為擺動碾壓的工作原理示意圖。錐形凸模的軸線與機器主軸線相交成θ角，稱為擺角(θ通常取1o~3o)。當主軸旋轉(zhuǎn)時，凸模繞主軸產(chǎn)生擺動，對坯料進行局部碾壓，使坯料整個截面逐步產(chǎn)生塑性變形。擺動碾壓可以用較小的設(shè)備碾壓出較大的鍛件；產(chǎn)品質(zhì)量高、節(jié)約材料，可實現(xiàn)凈成形、凈終成形加工；易于實現(xiàn)自動化。主用要于生產(chǎn)具有回轉(zhuǎn)體的薄盤類鍛件及帶法蘭的半軸類鍛件，如齒輪坯、銑刀坯、汽車后半軸等。圖3-47擺碾(a)工作原理圖；(b)拖拉機被動齒輪和汽車半軸1－錐形模；2－工件；3－滑塊；4－油缸3.4.4多向模鍛多向模鍛是將坯料放于模具內(nèi)，用幾個沖頭從不同方向同時或先后對坯料施加脈沖力，以獲得形狀復(fù)雜的精密鍛件。多向模鍛一般需要在具有多向施壓的專門鍛造設(shè)備上進行。這種鍛壓設(shè)備的特點就在于能夠在相互垂直或交錯方向加壓，如圖3-48所示。多向模鍛采用封閉式鍛模，沒有飛邊槽，鍛件可設(shè)計成空心或?qū)嵭牡模慵仔冻?，起模斜度小。鍛件精度高，材料的利用率較高，達40％～90％。多向模鍛盡量采用擠壓成形，金屬分布合理，金屬流線完好理想，力學(xué)性能好，強度一般能提高30％以上，伸長率也有提高。采用擠壓成形的多向模鍛亦稱三維擠壓。多向模鍛的缺點是，必須采用專用多向模鍛壓力機；毛坯加熱時抗氧化要求高，只允許有一層極薄的氧化皮；毛坯尺寸要求嚴格，下料必須準確。圖3-48多向模鍛示意圖3.4.5超塑性成形1．超塑性成形的基本概念金屬及合金在特定的組織條件、溫度條件及變形速度下進行變形時，可呈現(xiàn)出異乎尋常的塑性(伸長率δ可超過100%，甚至1000%以上)，而變形抗力則大大降低（常態(tài)的1/5左右，甚至更低），這種現(xiàn)象稱為超塑性。超塑性分為細晶超塑性(又稱恒溫超塑性)和相變超塑性(又稱動態(tài)超塑性)等。細晶超塑性形成的主要條件是：①

采用變形和熱處理方法獲得0.5~5μm的超細等軸晶粒；②

超塑性成形的溫度控制在[（0.5~0.7）T熔]K；③

超塑性成形的變形速度應(yīng)控制在10-2~10-5m/s的低應(yīng)變速率以下。相變超塑性形成的主要條件是：在金屬及合金的相變點附近經(jīng)過多次溫度循環(huán)或應(yīng)力循環(huán)即可。實際生產(chǎn)中主要應(yīng)用的是細晶超塑性。2．超塑性成形的特點

(1)超塑性金屬材料具有極其優(yōu)異的塑性，成形性好。有些無法進行常規(guī)鍛壓制造的金屬及合金材料也可采用超塑性成形，從而擴大了鍛壓材料的范圍。

(2)超塑性金屬材料變形抗力很小，可以在噸位較小設(shè)備上鍛壓出較大的制品，并且降低了模具的磨損，延長了模具的壽命。3.超塑性成形的應(yīng)用

(3)超塑性金屬材料內(nèi)部晶粒細小、組織均勻、力學(xué)性能較好，并且具有各向同性的特性。

(4)超塑性金屬材料加工精度高，可獲得尺寸精密、形狀復(fù)雜的制品，是材料實現(xiàn)凈成形、凈終成形加工的新途徑。1)模鍛和擠壓超塑性模鍛的工藝過程為：先對金屬或合金進行適當?shù)念A(yù)處理，以獲取具有微細晶粒的超塑性毛坯，然后將毛坯在超塑性變形溫度及變形速度的條件下進行等溫模鍛，最后對鍛件進行熱處理。圖3-49為超塑性模鍛示意圖。為了保證模具坯料在鍛造過程中恒溫，超塑性模鍛的鍛模中設(shè)置了感應(yīng)加熱圈2及隔熱墊1。超塑性模鍛目前主要應(yīng)用于航天、儀表、模具等行業(yè)中生產(chǎn)高溫合金以及鈦合金等難以加工成形的高精度零件。如高強度合金的飛機起落架、渦輪盤、注塑模等。圖3-49超塑性模鍛2)板料深沖

圖3-50為超塑性板料深沖方法示意圖。板料深沖時需先將超塑性板料的法蘭部分加熱到一定溫度，并在外圍加油壓，即可一次深沖出薄壁深沖件。板料深沖件的深沖比可為普通拉深件的15倍，且工件壁厚均勻、無凸耳、無各向異性。

圖3-50超塑性板料深沖3)板料成形板料成形方法主要有真空成形法和吹塑成形法，如圖3-51所示。將超塑性板料放在模具中，將板料與模具同時加熱到超塑性溫度后，抽出模具內(nèi)的空氣（真空成形法）或向模具內(nèi)吹入壓縮空氣（吹塑成形法），模具內(nèi)產(chǎn)生的壓力將板料緊貼在模具上，從而獲得所需形狀的工件。真空成形法最大氣壓為105Pa，成形時間僅為20~30s，僅適用于厚度為0.4~4mm的薄板零件的成形。吹塑成形法成形時壓力大小可變，可產(chǎn)生較大的變形，適用于厚度較大、強度較高的板料成形。圖3-51超塑性板料成形3.4.6高能率高成形高能率高成形（又稱高速成形）是利用炸藥或電裝置在極短的時間里釋放出的電能或化學(xué)能，通過介質(zhì)以高壓沖擊波作用于坯料，使其產(chǎn)生變形和貼模的加工方法。常見的方法有：爆炸成形、電液成形、電磁成形及高速錘成形等。采用高速成形可對坯料進行拉深、翻邊、脹形、起伏、彎曲、沖孔等沖壓工序，而且工件精度高并能加工一些難以加工的金屬材料。1．爆炸成形爆炸成形是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的化學(xué)能使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的加工方法，如圖3-52所示。爆炸成形裝置簡單，操作容易，無需沖壓設(shè)備，工件的尺寸不受設(shè)備能力限制，尤其適合于試制或小批量生產(chǎn)大型工件。圖3-52爆炸成形2．電液成形電液成形是利用液體中電荷經(jīng)電極放電，產(chǎn)生強大的沖擊波從而使坯料在模具中成形的加工工藝，如圖3-53所示。電液成形主要用于板料的拉深、脹形、翻邊等，但由于受到設(shè)備容量的限制，電液成形僅適合中小件的成形，尤其適合管類零件的脹形加工。3．電磁成形電磁成形是利用儲存在電容器中的電能進行高速成形的一種壓力加工方法，如圖3-54所示。當開關(guān)閉合5時，線圈6中產(chǎn)生脈沖電流并在其周圍形成強大的交變磁場，工件中因此產(chǎn)生感應(yīng)電流并與磁場相互作用，最終使坯料高速貼模成形。圖3-53電液成形圖3-54電磁成形3.4.7粉末冶金及粉末鍛造

1．粉末冶金將幾種金屬粉末或金屬與非金屬粉末混勻后壓制成形，再經(jīng)過燒結(jié)而制成材料或制品的技術(shù)稱為粉末冶金。

1)粉末冶金的工藝過程粉末冶金的工藝流程如圖3-55所示。它主要包括粉末制取、壓制成形、燒結(jié)和后續(xù)處理等四個方面。

(1)粉末制取金屬及合金粉末的制造方法主要有物理化學(xué)法和機械法，其中物理化學(xué)法應(yīng)用較廣。物理化學(xué)法采用氣體或固體還原劑還原金屬氧化物以及電解水溶液或熔鹽的方法獲得金屬粉末，可利用便宜的原材料，成本較低，并可制取難熔金屬及化合物粉末。圖3-55粉末冶金工藝流程(2)壓制成形壓制成形是將金屬粉末與添加劑混合均勻后裝入模具型腔，然后施加壓力，使金屬粉末聚集成一定密度、形狀和尺寸的制件。壓制成形的基本方式有單向壓制、雙向壓制、浮動模壓制以及引下模壓制等四種，如圖3-56所示。其中單向壓制的原理為：壓制過程中凹模與頂桿不動，凸模向下施加壓力，待制件成形后頂桿上行將制件頂出。

(3)燒結(jié)燒結(jié)是將壓制好的制件在低于金屬熔點的溫度下加熱，使金屬粉末顆粒間產(chǎn)生原子擴散、固溶、化合和熔接，使制件得以收縮并強化的工藝。燒結(jié)時，必須控制燒結(jié)溫度、加熱速度、燒結(jié)時間、冷卻速度以及燒結(jié)氣氛。采用特定的燒結(jié)氣氛可使制件不產(chǎn)生氧化、脫碳現(xiàn)象，并能還原粉末表面的氧化物。

(4)后續(xù)處理粉末冶金制品的后續(xù)處理極為重要。如多孔材料通過浸油處理可成為自動潤滑的含油軸承；制件通過精壓可提高其尺寸精度以及表面質(zhì)量；鐵基制品可通過熱處理提高其強度和硬度等。圖3-56壓制成形的基本方式1－上陽模；2－陰模；3－下陽模；4－陽模；5－頂桿；6－彈簧2）粉末冶金的特點及其應(yīng)用粉末冶金既是一種制取特殊性能金屬材料的方法，也是一種精密的凈成形、凈終成形方法。它可使壓制品達到或極其接近零件要求的形狀、尺寸精度，降低零件的表面粗糙度，大大提高了生產(chǎn)率及材料利用率。粉末冶金近年來應(yīng)用日益廣泛。在機器制造業(yè)中常用作減摩材料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料及硬質(zhì)合金等，如含油軸承、齒輪、離合器片、硬質(zhì)合金刀片等。此外，粉末冶金還常用作難熔金屬材料（如高溫合金、鎢絲）、特殊電磁性能材料（如電器觸頭、硬磁材料、軟磁材料）、過濾材料（如空氣及水的過濾）等。由于受到設(shè)備、模具的限制，粉末冶金法目前主要用于生產(chǎn)尺寸較小且形狀簡單的零件，且制件的韌性較差，力學(xué)性能低于鑄件與鍛件。2．粉末鍛造粉末鍛造是將粉末冶金法與精密鍛造相結(jié)合的一種金屬加工方法。首先應(yīng)用粉末冶金法將金屬原料及其它材料制成粉末，混勻后用鍛模壓制成形，燒結(jié)后用鍛模進行鍛制，經(jīng)后處理后獲得尺寸精度高、表面質(zhì)量好、內(nèi)部組織致密的鍛件。因此，粉末鍛造在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。粉末鍛造的主要特點為：

(1)材料利用率高，可達90%以上；

(2)可獲得形狀復(fù)雜的精密鍛件，鍛件精度高于一般模鍛件，且尺寸精確，可實現(xiàn)凈成形、凈終成形；

(3)工藝流程簡單，生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)自動化；

(4)鍛件的力學(xué)性能好，塑性、韌性略差于普通模鍛件。圖3-56_2粉末鍛造過程3.4.8液態(tài)模鍛

液態(tài)模鍛是將熔融的金屬直接澆注到鍛模模膛內(nèi)，然后在液態(tài)或半固態(tài)的金屬上施加壓力，使之在壓力下流動充型和結(jié)晶，并產(chǎn)生一定程度的塑性變形，從而獲得所需鍛件的方法。又稱為擠壓鑄造。1．液態(tài)模鍛的工藝流程液態(tài)模鍛通常是在液壓模鍛機上進行。其工藝流程為：原材料配制→熔煉→澆注→合模、加壓→開模、取出鍛件→灰坑冷卻→熱處理→檢驗、入庫。液態(tài)模鍛的模具在使用前應(yīng)充分預(yù)熱，并涂抹潤滑劑，以便于脫模及減少模具的磨損；在使用過程中，應(yīng)及時對鍛模進行冷卻，防止模具發(fā)生龜裂及變形。圖3-57為液態(tài)模鍛所采用的鍛模。鍛造時，先將熔融的金屬液體倒入凹模內(nèi)，凸模下行，對金屬施加壓力，經(jīng)過短時間保持壓力后，金屬成形，凸模返程，通過頂件裝置頂出鍛件。圖3-57液態(tài)模鍛鍛模3.4.9半固態(tài)金屬塑性成形液態(tài)模鍛是一種將鑄造工藝與鍛造工藝相結(jié)合的先進的凈終成形方法，既具有壓力鑄造工藝簡單、可生產(chǎn)形狀復(fù)雜零件、制造成本較低的特點，又具有模鍛件晶粒細小、內(nèi)部組織緊密、力學(xué)性能好、成形精度高的優(yōu)點。液態(tài)模鍛所需鍛造壓力較小，僅為模鍛壓力的20%。因此，液態(tài)模鍛主要應(yīng)用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜并且要求力學(xué)性能高、尺寸精度好的中、小型零件，如柴油機活塞、儀器儀表外殼等零件。2．液態(tài)模鍛的特點及應(yīng)用半固態(tài)金屬加工技術(shù)是21世紀前沿性金屬加工技術(shù)。半固態(tài)技術(shù)有一系列特點，最突出的是半固態(tài)材料的觸變性和優(yōu)良的組織結(jié)構(gòu)，同時，成形零件的尺寸和精度能達到凈成形或凈終成形。半固態(tài)金屬成形技術(shù)主要有兩條成形線路，其一為半固態(tài)鑄造成形，即半固態(tài)流變成形（rheocasting）和半固態(tài)觸變鑄造成形(thixoforming)；其二為半固態(tài)壓力加工成形，即采用半固態(tài)流變和半固態(tài)觸變塑性成形。半固態(tài)塑性成形方法是將半固態(tài)漿料制備成坯料，根據(jù)產(chǎn)品尺寸下料，重新加熱到半固態(tài)溫度后，再塑性加工成形。對于觸變成形，由于半固態(tài)坯料便于輸送，易于實現(xiàn)自動化，因而，在工業(yè)中較早得到了廣泛應(yīng)用。1.觸變模鍛工藝過程進入模膛的半固態(tài)合金坯料，只有初生相之間（5～30μm）薄層，由于是低熔點物質(zhì)，呈熔融態(tài)，在壓力下，以粘性流動方式，填充模膛，隨后產(chǎn)生高壓凝固和塑性變形，從而獲得精密制件，如圖3-58所示。圖3-58觸變模鍛工藝過程2.工藝特點

與液態(tài)金屬壓鑄相比，由于成形溫度低，所以有一系列優(yōu)點：

(1)半固態(tài)坯料含有一半左右初生相，粘度可調(diào)整。在重力下，可以機械搬運；在機械壓力下，粘度迅速下降，便于充填。3．適用范圍

(2)成形速度高。如美國阿盧馬克斯工程金屬工藝公司半固態(tài)鍛造鋁合金汽車制動總泵體，每小時成形150件，而利用金屬型鑄造同樣的制件，每小時僅24件。

(3)在成形中不易噴濺，改善了充填過程，減輕了金屬裹氣和氧化，提高了制件的致密性，而且可熱處理強化，制件的強度比壓鑄件高。

(4)坯料充填前，已有一半左右固相，減少了凝固收縮，因制件精度高，加工余量小，易實現(xiàn)近凈成形。

(5)充型溫度低，減輕了模具熱沖力，提高了模具壽命。

(6)半固態(tài)金屬塑性成形車間不需處理液態(tài)金屬，操作安全，減少環(huán)境污染。與固態(tài)塑性成形相比，由于變形力小，