機械制造基礎- 課件 第十章 鍛壓成形

什么是鍛壓?鍛壓是對坯料施加外力，使其產生塑性變形，改變形狀、尺寸及改善性能，用以制造機械零件、毛坯或原材料的成型加工方法。鍛壓的基本生產方式軋制

使金屬坯料在旋轉軋輥的壓力作用下，產生連續(xù)塑性變形，改變其性能，獲得所要求的截面形狀的加工方法。擠壓將金屬坯料置于擠壓筒中加壓，使其從擠壓模的?？字袛D出，橫截面積減小，獲得所需制品的加工方法。

3）自由鍛用簡單的通用性工具，或在鍛造設備的上、下砧間，使坯料受沖擊力作用而變形，獲得所需形狀的鍛件的加工方法。4）拉拔坯料在牽引力作用下通過拉拔模的?？桌?，產生塑性變形，得到截面細小、長度增加的制品的加工方法，拉拔一般是在冷態(tài)下進行。

5)模鍛利用模具使金屬坯料在模膛內受沖擊力或壓力作用，產生塑性變形而獲得鍛件的加工方法。

6)板料沖壓用沖模使板料經分離或變形得到制件的加工方法。

在上述的六種金屬塑性加工方法中，軋制、擠壓和拉拔主要用于生產型材、板材、線材、帶材等；自由鍛、模鍛和板料沖壓總稱鍛壓，主要用于生產毛坯或零件。

壓力加工基本方式示意圖鍛壓加工的特點

(1)改善金屬組織、提高力學性能

鍛壓的同時可消除鑄造缺陷，均勻成分，使組織致密，并細化晶粒。

可以形成并能控制金屬的纖維組織方向，使其沿零件輪廓連續(xù)分布，從而提高零件的力學性能。(2)節(jié)約金屬材料

比如在熱軋鉆頭、齒輪、齒圈及冷軋絲杠時，其形狀及尺寸精度和表面粗糙度已接近或達到成品零件的要求，節(jié)省了切削加工設備和材料的消耗。工時，能源等。鍛壓加工的特點

(3)較高的生產率比如在生產六角螺釘時采用模鍛成形就比切削加工效率約高50倍。(4)鍛壓主要生產承受重載荷零件的毛坯，如機器中的主軸、齒輪等，但不能獲得形狀復雜的毛坯或零件。鍛壓加工的特點

鍛造是對金屬坯料施加外力（沖擊力或靜壓力）的作用使之產生塑性變形，獲得所需形狀、尺寸及性能的毛坯的制造方法。一、影響鍛造性能的主要因素1．金屬內在因素的影響（1）化學成分不同材料具有不同的塑性和變形抗力。純金屬的鍛造性能比其合金好。碳素鋼隨碳含量增加，鍛造性能變差。合金鋼中合金元素種類和含量越多，鍛造性能越差，特別是加入能提高高溫強度的元素（如鎢、鉬、釩、鈦等）后，鍛造性能更差。（2）組織結構純金屬與固溶體具有良好的可鍛性，尤其是奧氏體，其塑性好，變形抗力小，鍛造性能好，所以鋼材大多加熱至奧氏體狀態(tài)進行鍛造加工；化合物（如滲碳體等）因其高硬度和低塑性，鍛造性能很差。另外，金屬中晶粒越細小，越均勻，其塑性越高，可鍛性越好。鑄態(tài)組織中晶粒細小而均勻的組織的鍛造性能比柱狀組織及粗晶粒組織好。一、影響鍛造性能的主要因素2．外部變形條件的影響（1）變形溫度在不產生過熱的條件下，金屬的變形溫度升高，可鍛性變好。（2）變形速度變形速度即單位時間內的變形量，隨著變形速度的提高，金屬的冷變形強化現象不能通過回復和再結晶及時克服，使塑性下降，變形抗力增加，鍛造性能變差。（3）應力狀態(tài)個方向中壓應力數目愈多，可鍛性愈好；拉應力數目愈多，可鍛性愈差。二、鍛造流線和鍛造比1.鍛造流線鍛造流線（也稱流紋）是指在鍛造時，金屬的脆性雜質被打碎，順著金屬主要伸長方向呈碎粒狀或鏈狀分布，而塑性雜質隨著金屬變形沿主要伸長方向呈帶狀分布，這樣熱鍛后的金屬組織就具有一定的方向性，沿著流線方向（縱向）抗拉強度較高，而垂直于流線方向(橫向)抗拉強度較低。二、鍛造流線和鍛造比當鍛造比Y=2時，原始鑄態(tài)組織中的疏松、氣孔被壓合，組織得到細化，工件在各個方向的力學性能均有顯著提高；當Y=2～5時，工件組織中的流線明顯，呈各向異性；當Y>5時，工件在沿流線方向的力學性能不再提高，而垂直于流線方向的力學性能急劇下降。一、鍛造加熱1.鍛造加熱的目的金屬材料通過加熱，隨著溫度的升高，材料的塑性提高，強度降低，并能使材料內部組織均勻化。因此，金屬材料在高溫下鍛造，可以提高材料的塑性變形量，降低變形抗力。2.鍛造溫度范圍

鍛造溫度范圍是指金屬開始鍛造的溫度（始鍛溫度）至終止鍛造的溫度（終鍛溫度）間的溫度間隔。3.鍛造加熱缺陷及防止措施（1）氧化對于一般的火焰爐，減少坯料氧化的措施是在保證加熱質量的前提下，應盡量采用快速加熱，縮短加熱時間，尤其是高溫階段的時間；盡量采用少裝料、勤裝料的操作方法；在燃料完全燃燒的情況下，嚴格控制送風量，以免爐內氧氣過剩，產生過多的氧化皮；或采用中性、還原性氣氛加熱等。一、鍛造加熱3.鍛造加熱缺陷及防止措施（2）脫碳減少坯料脫碳的措施是加熱前在坯料的表面涂保護涂料；控制爐內氣氛中氧和氫的含量；采用快速加熱，縮短高溫階段的加熱時間，加熱好的坯料盡快出爐鍛造等。（3）過熱

對過熱所造成的粗晶粒組織，可用再次鍛造或正火等熱處理方法消除，但會增加工序、降低生產效率并提高成本。故在鍛造時要嚴格控制加熱溫度和時間，防止出現過熱現象。一、鍛造加熱3.鍛造加熱缺陷及防止措施（4）過燒

避免坯料過燒的方法是嚴格控制鍛造加熱溫度。一般鋼材的加熱溫度必須低于其熔點100℃以上，合金鋼的加熱溫度還應更低一些。（5）裂紋為防止裂紋產生，對于大型鍛件或導熱性能較差的金屬材料，要防止坯料入爐溫度過高和加熱速度過快，一般應采取預熱措施。一、鍛造加熱

1.自由鍛成型將加熱的金屬坯料置于鍛錘或壓力機的下砧鐵上，對其進行錘擊或靜壓使之產生塑性變形獲得所需鍛件的制造方法。自由鍛特點及應用

自由鍛的適應性強，靈活性大，生產周期短，成本低。缺點是鍛件尺寸精度低，加工余量大，金屬材料消耗多，生產率低，勞動強度大、條件差，要求操作者的技術水平較高。

自由鍛適合于單件、小批和大型鍛件的生產。二、鍛造成型自由鍛工序自由鍛工序分為基本工序、輔助工序和精整工序?；竟ば虬ㄧ叴?、拔長、沖孔、彎曲、切割等。輔助工序包括壓鉗口、倒棱、壓肩等；精整工序是對已成形的鍛件表面進行平整，清除毛刺、校直彎曲、修整鼓形等。

基本工序

⑴鐓粗

鐓粗是減小坯料高度而增大其橫截面積的工序。有完全鐓粗和局部鐓粗之分。鐓粗常用來鍛造齒輪坯、凸輪、圓盤形鍛件?；竟ば?/p>

⑵拔長拔長是使坯料的橫截面積減小，長度增加的工序。拔長時，坯料沿軸向送進，且進行翻轉，連續(xù)鍛打成形。拔長的類型有整體拔長、局部拔長、帶芯軸的拔長。

拔長常用于軸類、拉桿、連桿等桿類鍛件的鍛造。是自由鍛造生產應用最多的一種工序?；竟ば?/p>

⑵拔長圓截面坯料拔長成直徑較小的鍛件時，須先將坯料打成方形截面再拔長，直到接近鍛件的直徑時，再鍛成八角形，最后滾打成圓形。如圖所示?；竟ば?/p>

⑶沖孔沖孔是利用沖子在坯料上沖出通孔或不通孔的鍛造工序。當沖孔直徑小于400～500㎜時，一般采用實心沖子沖孔；當鍛件高度H與外徑D之比小于0.125時（薄餅形鍛件），采用墊環(huán)上沖孔（又稱漏孔），所用墊環(huán)孔徑應比沖子直徑大10～15㎜；當沖孔直徑大于400～500㎜時，一般采用空心沖子沖孔，所用漏盤孔徑應比空心沖子外徑大30～50㎜。基本工序

⑶沖孔雙面沖孔時，先將沖子沖深至坯料厚度的2/3～3/4處，取出沖子，翻轉工件后，再將孔沖透；較薄工件的單面沖孔時，應將沖子大頭朝下，對正沖出透孔。

基本工序

⑷切割切割是分離坯料的工序。常用于料頭的切除，或用于鋼錠冒口的切除。切割分單面切割、雙面切割、四面切割等。基本工序

⑷切割

圓形截面坯料的切割是用了帶凹槽的剁墊（置于下砧鐵上），邊切割邊旋轉坯料，直至切斷。基本工序

⑸彎曲彎曲是將坯料的形狀彎成所規(guī)定的外形的工序。彎曲常用于角尺、彎板、吊鉤、鏈環(huán)等鍛件的鍛造?；竟ば?/p>

⑹扭轉扭轉是使坯料的一部分相對另一部分繞著軸心線旋轉一定角度的工序。扭轉用于鍛造曲軸或校正鍛件。對小型坯料的扭轉角度不大時，可用大錘打擊進行扭轉，見圖；對大型坯料扭轉時，采用吊車吊動帶有活動長柄的夾叉進行扭轉?；竟ば?/p>

⑺錯移錯移是將坯料的一部分相對于另一部分平移一定距離而錯移開的工序。主要用于曲軸類鍛件的鍛造。其操作過程見圖?；竟ば?/p>

⑻擴孔擴孔是將帶孔鍛件的孔徑擴大的工序。有沖子擴孔：預先在坯料上沖出較小孔，然后用直徑較大的沖子逐步將孔徑擴大到所需尺寸，見圖；馬杠擴孔（或叫芯棒擴孔），此法用于擴孔量大的薄壁環(huán)形鍛件的鍛造

。

基本工序

⑻自由鍛的輔助和修整工序

2.模鍛是在高強度金屬鍛模上預先制出于鍛件形狀一致的模膛，使坯料在模膛內受壓變形，由于模膛對金屬坯料流動的限制，因而鍛造終了時能得到和模膛形狀相符的鍛件。模鍛與自由鍛相比，具有以下特點：⑴生產率高、易于機械化，可成批大量生產；⑵鍛件尺寸精度高、表面粗糙度值小，可以減少機械加工余量和余塊的數量，節(jié)省金屬材料和加工工時。

分類：

按設備類型模鍛可分為錘上模鍛、胎模鍛、壓力機上模鍛等。（1）錘上模鍛

使用的主要設備是蒸汽—空氣模鍛錘。由于模鍛錘受力大，所以要求設備的剛性好，導向精度高，因此砧座與機架連成一個整體，形成封閉結構；錘頭與導軌之間的配合間隙小，錘頭運動精確，能保證工作時鍛模的上、下模合模準確。模鍛錘噸位是鍛錘落下部分的質量，為1～16t，鍛件質量0.5～150㎏。

形狀簡單的鍛件可在單模膛內鍛造成形，稱單模膛模鍛，見圖；復雜的鍛件，必須在幾個模膛內鍛造后才能成形，稱多模膛模鍛，見圖。（1）錘上模鍛單模膛鍛造單模膛鍛模

鍛模由上、下模組成。上模和下模分別安裝在錘頭下端和模座上的燕尾槽內，用楔鐵緊固。上、下模合在一起，形成完整的模膛。根據模膛功用不同，分為模鍛模膛和制坯模膛。（1）錘上模鍛模鍛模膛模鍛模膛又可分為預鍛模膛和終鍛模膛。

⑴預鍛模膛為了改善終鍛時金屬的流動條件，避免產生充填不滿和折迭，使鍛坯最終成形前獲得接近終鍛形狀的模膛，它可提高終鍛模膛的壽命。其結構比終鍛模膛高度大、寬度小、無飛邊槽，模鍛斜度和圓角大。⑵終鍛模膛模鍛時最后成形用的模膛，與熱鍛件圖上相應部分的形狀、尺寸一致。模膛周圍設飛邊槽，通孔鍛件需留沖孔連皮。（1）錘上模鍛⒉制坯模膛用以初步改變毛坯形狀、合理分配金屬，以適應鍛件橫截面積和形狀的要求，使金屬能更好地充滿模鍛模膛的工序稱為制坯工序。制坯模膛⑴拔長模膛作用是減少坯料某部分的橫截面面積，增加該部分的長度，當模鍛件沿軸向各橫截面積相差較大時，采用拔長模膛。⑵滾壓模膛其作用是減小坯料某部分橫截面積，增大另一部分的橫截面積。當模鍛件沿軸線的各橫截面面積相差不很大時或作修整拔長后的毛坯時，采用滾壓模膛。⑶彎曲模膛其作用是彎曲桿類模鍛件的坯料⑷切斷模膛其作用是切斷金屬。單件鍛造時，用它從坯料上切下鍛件或從鍛件上切下鉗口，多件鍛造時，用它來分離成單個件。

胎模鍛是介于自由鍛與模鍛之間的鍛造方法。

胎模鍛是在自由鍛設備上使用可移動模具生產模鍛件的一種鍛造方法。所用模具稱為胎膜。

胎模鍛一般先用自由鍛制坯，再在胎膜中最后成形。

與自由鍛相比，胎模鍛生產率和鍛件尺寸精度高、表面粗糙度值小、節(jié)省金屬材料、鍛件成本低。

與模鍛相比，胎模制造簡單，成本低，使用方便；但所需鍛錘規(guī)格和操作者勞動強度大，生產率和鍛件尺寸精度不如錘上模鍛高。胎模鍛

胎模的結構及應用

胎膜不固定在錘頭和砧座上，需要時放在下砧鐵上。按其結構可大致分為扣模、合模和套筒模三種主要類型。

⑴扣模

用來對坯料進行全部或局部扣形，主要生產桿狀非回轉體鍛件⑵套筒模

鍛模成套筒形，主要用于鍛造齒輪、法蘭盤等回轉體鍛件⑵套筒模胎模的結構及應用⑶合模

通常由上模和下模兩部分組成。為了使上下模吻合及不使鍛件產生錯移，經常用導柱等定位。合模多用于生產形狀較復雜的非回轉體鍛件，如連桿、叉形件等鍛件。

胎模鍛適合小型鍛件的中、小批量的鍛造生產。

工藝規(guī)程是指導生產的基本技術文件。編制自由鍛工藝規(guī)程應遵循設計自由鍛零件時，必須考慮鍛造工藝是否方便、經濟和可能；零件的形狀應盡量簡單和規(guī)則。（零件的結構不合理，將使鍛造操作困難，降低生產率和造成金屬的浪費）自由鍛的工藝規(guī)程主要有以下內容繪制鍛件圖坯料質量和尺寸的計算選擇鍛造工序

選擇鍛造設備選擇坯料加熱、鍛件冷卻和熱處理方法⒈繪制鍛件圖

鍛件圖是根據零件圖繪制的。自由鍛件的鍛件圖是在零件圖的基礎上考慮了工藝余塊、加工余量、鍛造公差等之后繪制的圖。模鍛件的鍛件圖還應考慮分模面的選擇、模鍛斜度和圓角半徑等。

鍛件圖的繪制方法如下：

1）鍛件的形狀用粗實線，同時用假想線（雙點劃線）描繪出零件的形狀。2）鍛件的尺寸和公差標注在尺寸線的上面，零件的尺寸和公差用括號標注在尺寸線的下面或側面。

3）繪制鍛件圖應考慮工藝余塊、加工余量、鍛件公差等因素。⑴工藝余塊為簡化自由鍛件外形，便于鍛造而增加的那部分金屬。多用于零件上的小孔臺階和凹檔等難以鍛出的部位。附錄2附表2-1臺階和凹檔鍛出條件⑵加工余量自由鍛件尺寸精度低，表面質量較差，在零件的加工表面上增加的供切削加工用的金屬層。⑶鍛件公差鍛件實際尺寸（鍛造尺寸）相對于鍛件公稱尺寸（零件基本尺寸＋加工余量）所允許的變動量。通常為加工余量的1/4～1/3。⒉計算坯料質量與尺寸

1）坯料的質量為鍛件的重量與鍛造時各種金屬損耗的重量之和，可按下式進行計算：m坯=m鍛+m燒+m芯+m切

式中m坯--坯料重量；m鍛--鍛件重量；m燒--加熱時坯料表面氧化燒損的重量，第一次取加熱金屬質量的2%～3%，以后各次加熱取1.5%～2%；

m芯--沖孔時的芯料重量；⒉計算坯料質量與尺寸

m切—修切鍛件端部料頭的質量。用鋼材作坯料時，可按被加熱金屬質量的2%～4%計算。2）坯料的尺寸與坯料的種類和鍛造工序有關，即應充分考慮鍛造比。

鍛造比是鍛造時金屬變形程度的一種表示方法。通常用變形前后的截面積比、長度比或高度比Y表示。

拔長時的鍛造比Y=A0/A=L/L0

鐓粗時的鍛造比Y=A/A0=H0/H

第一鍛造工序分別為鐓粗時坯料體積V坯的計算式以及拔長時坯料橫截面積A坯的計算式。⒊確定鍛造工序

通常，自由鍛件的成形過程是由一系列鍛造工序組合而成的，工序的選擇主要是根據鍛件的形狀和工序的特點來確定。

1）盤類、圓環(huán)類鍛件包括各種圓盤、葉輪、齒輪、模塊等，其特點是橫向尺寸大于高度尺寸，或者二者相近。鍛造基本工序是鐓粗，其中帶孔件需沖孔。

2）空心類鍛件包括各種圓環(huán)、齒圈、軸承環(huán)和各種圓筒、缸體、空心軸等，鍛造空心件的基本工序有鐓粗、沖孔、馬杠擴孔、芯棒拔長等。⒊確定鍛造工序

3）軸桿類鍛件包括各種圓形截面實心軸，如傳動軸、軋輥、立柱、拉桿等，還有矩形方形、工字形截面的桿件如搖桿、杠桿、推桿、連桿等，鍛造軸桿件的基本工序是拔長，但對于截面尺寸相差大的鑄件，為滿足鍛造比的要求，則需采取鐓粗一拔長工序。

4）曲軸類鍛件包括單拐和多拐的各種曲軸，目前鍛造曲軸的工藝有自由鍛、模鍛、全流線擠壓鍛等。其中自由鍛的力學性能差，加工余量大，只在單件或小批生產中應用。其基本工序有拔長、錯移和扭轉。⒊確定鍛造工序5）彎曲類鍛件包括各種具有彎曲軸線的鍛件，如吊鉤、彎桿、曲柄、軸瓦蓋等，基本工序是拔長、彎曲。

⒊確定鍛造工序⒋確定鍛造溫度范圍

鋼加熱的目的是為了提高其塑性，降低變形抗力，使坯料容易成形。⒌選擇鍛造設備

既要保證工件的變形度和較高的生產率，又不浪費動力且操作方便。⒍鍛件冷卻及熱處理規(guī)范

常用的鍛后冷卻方式有三種，即空冷、坑冷、爐冷?？绽洌ㄔ诟稍锏牡孛嫔希┒嘤糜谔嫉馁|量分數小于0.5%的碳鋼和碳的質量分數小于0.3%的低合金鋼中的中、小型鍛件；坑冷（填有石灰、砂等絕熱材料的坑中或箱中）多用于中碳鋼、碳素工具鋼和大多數低合金鋼的中、小型鍛件；爐（500～700℃加熱爐中隨爐緩冷）多用于高碳鋼和高合金鋼以及大型鍛件。

總之，鍛件中碳及合金元素的含量越高，鍛件體積越大，形狀越復雜，鍛后冷卻速度越要緩慢，以防止鍛件硬化，變形或產生裂紋。⒍鍛件冷卻及熱處理規(guī)范

鍛后通常進行完全退火，去應力退火、正火、球化退火等熱處理，以消除鍛造過程帶來的缺陷，改善組織，為后續(xù)機械加工作準備。⒎填寫工藝卡片

⒈零件結構應盡可能簡單、對稱、平直；

要求鍛件外形盡可能由平面和圓柱面組成。一些難以鍛出的形狀，小的孔和凹槽可用填加余塊的辦法簡化鍛件形狀。

⒉應避免零件上的錐形、楔形結構；⒊不允許有小凸臺

為便于切削加工和裝配而設計的小凸臺可用沉頭孔代替。自由鍛鍛件結構工藝性自由鍛鍛件結構工藝性⒋零件上不允許有加強筋；

為了增加強度，可適當增加薄壁筒的外徑，或待薄壁筒鍛好后再將加強肋焊上去。⒌應避免圓柱面與圓柱面、圓柱面與棱柱面相交；

復雜的相貫線無法鍛出，改為圓柱體端面與截柱體的平面相交便于鍛制?；驅⒏鲌A柱體鍛出后再焊成整體。自由鍛鍛件結構工藝性四、自由鍛鍛件結構工藝性板料沖壓是指利用沖模在壓力機上使板料分離或變形，從而獲得沖壓件的加工方法稱為板料沖壓。沖壓主要用于具有塑性的金屬材料，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼、銅或鋁及其合金等，也可以是非金屬材料，如膠木、云母、纖維板、皮革等。板料沖壓的特點：（1）沖壓生產操作簡單，生產率高，易于實現機械化和自動化。（2）沖壓件的尺寸精確，表面光潔，質量穩(wěn)定，互換性好，一般不再進行機械加工，即可作為零件使用。（3）金屬薄板經過沖壓塑性變形獲得一定幾何形狀，并產生冷變形強化，使沖壓件具有質量輕、強度高和剛性好的優(yōu)點。（4）沖模是沖壓生產的主要工藝裝備，其結構復雜，精度要求高，制造費用相對較高，故沖壓適合在大批量生產條件下采用。一、沖壓成形的基本工序沖壓基本工序可分為落料、沖孔、切斷等分離工序，和拉深、彎曲等變形工序兩大類。1.分離工序它是使板料的一部分與另一部分分離的加工工序。切斷：使板料按不封閉輪廓線分離的工序叫切斷；落料：是從板料上沖出一定外形的零件或坯料，沖下部分是成品。沖孔：是在板料上沖出孔，沖下部分是廢料。沖孔和落料又統(tǒng)稱為沖裁。（1）沖裁變形過程（2）排樣

沖裁件在條料上的布置方法稱為排樣。a）有廢料排樣法b）少廢料排樣