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1、1,机械制造工艺基础,2,第2章锻压工艺Forging and Stamping Process,3,2.1热加工基础 Hot-work Fundamentals,金属塑性变形的实质-晶体内部产生滑移滑移晶体的一部分相对另一部分，沿原子排列紧密的晶面（该面称滑移面）作相对滑动 。滑移带-很多晶面同时滑移积累起来而形成 。,4,加工硬化 随变形程度增大，强度和硬度上升而塑性下降的现象(dd27) ,又称冷变形强化 。2.加工硬化的实质金属内部组织发生了变化：(1)晶粒沿变形最大的方向伸长；(2)晶格与晶粒发生扭曲，产生内应力；(3)晶粒间产生碎晶 。,一、加工硬化、回复与再结晶,5,3.回复当加
2、热温度为T回 = （0.250.3）T熔 时，塑性变形后的金属性能大部分回复到变形前的性能。称为回复 ，此时的温度称为回复温度T回。,一、加工硬化、回复与再结晶,6,4.再结晶当温度继续升高到该金属熔点绝对温度的0.4倍时，消除了全部加工硬化现象。这时的温度称为再结晶温度T再 = 0.4 T熔。,一、加工硬化、回复与再结晶,7,1.冷变形在再结晶温度以下的变形。变形过程中无再结晶现象，变形后的金属具有加工硬化现象(dd13) 。,二、冷变形与热变形,8,二、冷变形与热变形,2.热变形在再结晶温度以上的变形。变形后，金属具有再结晶组织、而无加工硬化痕迹。也称热加工。,9,1.纤维组织金属在冷变形
3、时，晶粒沿变形方向拉长而产生。可通过再结晶退火消除。,三、纤维组织、流线与锻造比,10,2.流线金属在热变形时，非金属夹杂物等杂质沿变形方向排布而产生 。流线越明显，金属在纵向（平行流线方向）上塑性和韧性提高，而在横向（垂直流线方向）上塑性和韧性降低。,三、纤维组织、流线与锻造比,11,热加工生产采用的原始坯料是铸锭。其内部组织很不均匀，晶粒较粗大，并存在气孔、缩松、非金属夹杂物等缺陷。铸锭加热后经过热加工，由于塑性变形及再结晶，从而改变了粗大、不均匀的铸态结构(dd26) ，获得细化了的再结晶组织。同时还可以将铸锭中的气孔、缩松等压合在一起，使金属更加致密，力学性能得到很大提高。,2.1 钢
4、锭开坯,12,在压力加工中，金属截面积变化的程度。拔长时的锻造比为:Y拔F0/F=(D0/d)2镦粗时的锻造比为:Y镦H0/H =(d/D0)2 式中，H0、F0坯料变形前的高度和横截面积； H 、F 坯料变形后的高度和横截面积。在一般情况下增加锻造比，可使金属组织细密化，提高锻件的力学性能。,2.2 锻造比,13,流线的化学稳定性强，通过热处理是不能消除的，只能通过不同方向上的锻压才能改变流线的分布状况。使流线分布与零件的轮廓相符合而不被切断；使零件所受的最大拉应力与流线方向一致，最大切应力与流线方向垂直。,2.3 流线的利用,14,1、锡在20、钨在1100变形，各属哪种变形？为什么（锡的
5、熔点为232，钨的熔点为3380）？2、流线组织是怎样形成的?它的存在有何利弊？试举例说明。3、原始坯料长150mm，若拔长到450mm时，锻造比是多少(体积不变)？,复习思考题,15,2.2金属的可锻性 Forgeability of Metals,金属的可锻性用来衡量金属材料在经受压力加工时获得优质制品难易程度的工艺性能。可锻性的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。塑性指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其完整性的能力。变形抗力金属对变形的抵抗力，称为变形抗力。塑性高，则金属变形不易开裂；变形抗力小，则锻压省力。两者综合起来，金属材料就具有良好的可锻性。金属的可锻性取决于材料
6、的性质(内因)和加工条件(外因)。,16,1.化学成分的影响纯金属的可锻性比合金的可锻性好。 钢中合金元素含量越多，合金成分越复杂，其塑性越差，变形抗力越大。 例如纯铁、低碳钢和高合金钢，它们的可锻性是依次下降的（dd32） 。,一、材料性质的影响,17,纯金属及单相固溶体(如奥氏体)具有良好的塑性，其锻造性能较好。 若含有多个不同性能的组成相，则塑性降低，锻造性能较差 。 铸态柱状组织和粗晶粒结构不如晶粒细小而又均匀的组织的可锻性好 。,2.金属组织的影响,18,二、加工条件的影响,金属的加工条件，一般指金属的变形温度、变形速度和变形方式等。,1.变形温度的影响,随着温度升高，原子动能升高，
7、易于产生滑移变形，从而提高了金属的锻造性能，所以加热是压力加工成形中很重要的变形条件。,19,过热加热温度过高，晶粒急剧长大，性能降低的现象。过烧加热温度接近熔点，晶界氧化，坯料报废的现象 。始锻温度金属锻造加热时允许的最高温度。终锻温度当温度降低到一定程度，塑性变差，变形抗力增大，不能再锻，否则引起加工硬化甚至开裂，此时停止锻造的温度。锻造温度范围始锻温度与终锻温度之间的区间 。,20,变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服加工硬化现象，金属则表现出塑性下降、变形抗力增大 ，可锻性变坏。变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降(图中a点以后)，可锻性变好。但热效应现象
8、只有在高速锤上锻造时才能实现，在一般设备上都不可能超过a点的变形速度，故塑性较差的材料(如高速钢等)或大型锻件，还是应采用较小的变形速度为宜。,2.变形速度的影响,21,挤压变形时为三向受压状态 。而拉拔时则为两向受压一向受拉的状态。在三向应力状态图中，压应力的数量愈多，则其塑性愈好；拉应力的数量愈多，则其塑性愈差。,3应力状态的影响,22,1、如何提高金属的塑性?最常用的措施是什么?2、“趁热打铁”的含义何在?3、在如图2-8所示的两种砧铁上拔长时，效果有何不同？4、重要的轴类锻件为什么在锻造过程中安排有镦粗工序？,复习思考题,23,主要内容：加工硬化与再结晶；冷变形与热变形；纤维组织与流线
9、；可锻性重点内容：加工硬化与再结晶；纤维组织与流线；可锻性。,本讲小结,24,2.3锻造工艺 Forging Process,一、模锻工艺锻造工艺主要分为无模自由成形(也称为自由锻)和模膛塑性成形(也称为模锻)。1.自由锻坯料在锻造过程中，除与上下砥铁或其他辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，变形不受限制，故称之为自由锻 。,25,2.自由锻的应用自由锻使用的工具简单、通用，生产准备周期短，灵活性大，所以使用范围较为广泛，特别适用于单件、小批量生产。在重型机械中，自由锻是生产大型和特大型锻件的唯一成形方法。3.模锻使加热到锻造温度的金属坯料在锻模模腔内一次或多次承受冲击力或压力的作用，而被
10、迫流动成形以获得锻件的压力加工方法。,26,4.模锻的应用模锻生产率高，可以锻出形状复杂的锻件。其尺寸精确、表面光洁、加工余量少。由于模锻件流线分布合理，所以它的强度高、耐疲劳、寿命长。模锻适用于中、小型锻件的成批和大量生产，在机械制造业和国防工业中得到了广泛的应用。,27,胎模锻造-在自由锻设备上，使用可移动的胎模具生产锻件的锻造方法。胎模是不固定在自由锻锤上的，使用时放上去，不用时取下来。锻造时，胎模放在砧座上，将加热后的坯料放入胎模，锻制成形。也可先将坯料经过自由锻预锻成近似锻件的形状，然后用胎模终锻成形。胎模锻造与自由锻造相比，具有较高的生产率，锻件质量好，节省金属材料，降低锻件成本。
11、与模锻相比，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。但是，锻件质量不如模锻的锻件高，工人劳动强度大，胎模寿命短，生产率低。,1.胎模锻造工艺,28,锤上模锻是在模锻锤上进行的模锻(dd16) 。模锻设备蒸汽-空气锤、无砧座锤、高速锤等。蒸汽空气锤(dd66) ：锤头与导轨间隙较小，且机架与砧座相连，以保证上下模准确合拢。其吨位有(116)t，可锻制(0.5150)kg的锻件。锤上模锻分类开式模锻和闭式模锻两类。开式模锻模膛四周有飞边槽，飞边槽可调节金属量，有利于充型，工艺简便，应用最广 。闭式模锻无飞边槽，且没有飞边消耗，但它依靠下料尺寸来控制工件高度，因不易保证锻件精度，故应用较少。,2锤上
12、模锻,29,锤上模锻用的锻模是由带有燕尾的上模2和下模4两部分组成的。,30,1）模锻模膛 由于金属在此种模膛中发生整体变形，故作用在锻模上的抗力较大。模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两类(dd74) 。（1）终锻模膛 使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。但终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件收缩量取1.5%。,飞边槽沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。冲孔连皮终锻后在孔内留下一薄层金属。,31,（3）制坯模膛： 1）拔长模膛 ， 2）滚压模膛 ， 3）弯曲模膛， 4）切断模膛。,（2）预锻模膛
13、使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸。预锻模膛和终锻模膛的区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽 。,32,锤上模锻具有设备投资较少，锻件质量较好，适应性强，可以实现多种变形工步，锻制不同形状的锻件等优点，在锻压生产中得到广泛的应用。但由于锤上模锻震动大、噪声大，完成一个变形工步往往需要经过多次锤击，故难以实现机械化和自动化，生产率在模锻中相对较低，也不适于高精度锻件和某些杆类锻件的模锻。,（3）锤上模锻的特点与应用,33,（1）摩擦压力机的工作原理（dd17）,3摩擦压力机上模锻,坯料变形具有一定的冲击作用，且滑块行程可控，这与锻锤相似。坯料变形中的抗力由机架承受，形成封闭力系，这又是压力机的
14、特点。摩擦压力机具有锻锤和压力机的双重工作特性。,34,1）可实现轻打、重打，可在一个模膛内进行多次锻打。可以进行弯曲、压印、热压、精压、切飞边、冲连皮及校正等工序。2）金属变形过程中的再结晶现象可以充分进行。因而特别适合于锻造低塑性合金钢和有色金属(如铜合金)等。生产率较低。,（2）摩擦压力机上模锻的特点,3）模具设计和制造得以简化，节约材料和降低生产成本，同时可以锻制出形状更为复杂，敷料和模锻斜度都很小的锻件，并可将轴类锻件直立起来进行局部镦锻。4）摩擦压力机承受偏心载荷能力差，通常只适用于单膛锻模。对于形状复杂的锻件，需要在自由锻设备或其他设备上制坯。适合于中小型锻件的小批和中批生产。如
15、铆钉、螺钉、螺帽、配气阀、齿轮、三通阀体等。,35,（1）曲柄压力机的工作原理 （2）曲柄压力机上模锻的特点：1）静压力，无震动，噪声小。,4曲柄压力机上模锻,2）机械化和自动化，生产率高。3）滑块运动精度高，锻件的公差、余量和模锻斜度小。4）组合模制造简单、更换容易、节省贵重模具材料。5）氧化皮不易被清除，不宜进行拔长和滚压工步。周期轧制坯料或用辊锻机制坯。但设备复杂、造价高。,36,（1）平锻机的工作原理 可实现水平和垂直两个方向的分模。,5.平锻机上模锻,37,1）坯料都是棒料或管材，并且只进行局部（一端）加热和局部变形加工，因此，可以完成在立式锻压设备上不能锻造的某些长杆类锻件，也可用
16、长棒料连续锻造多个锻件。2）平锻模有两个分模面，扩大了模锻适用范围，可以锻出锤上和曲柄压力机上无法锻出的在不同方向上有凸台或凹槽的锻件(dd20) 。3）对非回转体及中心不对称的锻件用平锻机较难锻造，且平锻机造价较高，超过了曲柄压力机。因此，平锻机主要用于带凹挡、凹孔、通孔、凸缘类回转体锻件的大批量生产，最适合在平锻机上模锻的锻件是带头部的杆类和有孔(通孔或不通孔)的锻件。,（2）平锻机上模锻具有如下特点,38,表2-1 常用锻造方法的比较,39,工艺过程一般为：切断毛坯加热坯料模锻切除模锻件的飞边校正锻件锻件热处理表面清理检验成堆存放。制定锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步(选择模膛)、选择
17、设备及安排修整工序等。其中最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确定。1模锻件图的制定模锻件图是用作设计和制造锻模、计算坯料以及检查锻件的依据。制定模锻件图时应考虑如下几个问题：（1）选择模锻件的分模面,二、锤上模锻工艺规程的制订,40,1）分模面-模锻件最大尺寸的截面，模锻件能从模膛中取出。2）应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，容易发现错模现象，及时调整锻模位置。3）分模面选在模膛深度最浅的位置处。有利于锻模的制造。4）选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。5）最好使分模面为一个平面。d-d面是最合理的分模面。,分模面上下锻模在模锻件上的分界面,41,（2）确定模锻件的机械加工余量及公差 机械
18、加工余量。模锻件也要规定锻造公差，以控制锻件由于上下模没有闭合、金属没有充满模膛、上下模发生错移以及模膛磨损和变形等所产生的误差。余量一般为14 mm，公差一般取在0.33 mm之间。,42,模锻件上平行于锤击方向（垂直于分模面）的表面必须具有斜度，以便于金属充满模膛及从模膛中取出锻件。对于锤上模锻，锻模斜度一般为515。内壁斜度比外壁斜度大25。,（3）标注模锻斜度,43,圆角半径的确定：外圆角半径r = 加工余量 + 零件的圆角半径（或倒角）内圆角半径R = （23）r,锻件上所有面与面的相交处，都必须采取圆角过渡td145),（4）标注模锻圆角半径,44,模锻工步主要是根据锻件的形状和尺
19、寸来确定的。模锻件按形状可分为两大类：一类是长轴类锻件，如台阶轴、曲轴、连杆、弯曲摇臂等；另一类为盘类模锻件，如齿轮、法兰盘等。,2模锻工步的确定,45,盘类锻件,这类锻件的变形工步通常是镦粗制坯和终锻成形（dd34）。形状简单的，也可下料后直接终锻成形。形状复杂的则要增加成形镦粗、预锻等工步。,46,这类锻件需采用拔长、滚挤等工步制坯。形状复杂的要增加弯曲、成形、预锻等工步。,长轴类锻件,47,（1）模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、锻模容易制造(齿轮锻件结构工艺性) 。,三、模锻成形件的结构工艺性,48,（2）配合的表面才需进行机械加工，其他表面均应
20、设计为非加工表面。零件上与锤击方向平行的非加工表面，应设计出模锻斜度。非加工表面所形成的角都应按模锻圆角设计。,49,（3）为了使金属容易充满模膛和减少工序，零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、凸起等结构。,50,（4）在零件结构允许的条件下，设计时尽量避免有深孔或多孔结构。,51,（5）模锻件的整体结构应力求简单。当整体结构在成形中需增加较多敷料时，可采用组合工艺制作。,52,（6）平锻机上模锻可以锻制复杂结构的锻件,但在凹挡部分不能有侧凹。,53,1、为什么在模锻时所用的金属重量比充满模膛所要求的要多一些？2、锤上模锻时，多模膛锻模的模膛可分为几种？
21、它们的作用是什么？为什么在终锻模膛周围要开设飞边槽？3、如何确定模锻件分模面的位置？4、绘制模锻件图应考虑哪些问题？选择分模面与铸件的分型面有何异同？为什么要考虑模锻斜度和圆角半径？锤上模锻带孔的锻件时，为什么不能锻出通孔？5、下列零件的模锻工艺性如何？为什么？应如何修改使其便于模锻？,复习思考题,54,6 下列零件采用锤上模锻工艺成形，试选择合适的分模面。,55,7 下列零件若批量分别为单件、小批、大批量生产时，应选用哪种方法锻造？并定性地绘出各种方法所需的锻件图。,56,主要内容：锤上模锻，压力机上模锻，模锻工艺设计，模锻件结构工艺性。重点内容：锤上模锻，模锻锻件图的绘制、分模面的选择，模锻件结构工艺性。,本讲小结,
