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1、热锻、温锻成型工艺,主讲人：张振纯,1.热、冷、温锻工艺的优缺点对比锻造可根据是否采用模具而分为模锻与自由锻两大类。紧固件锻造成型全部为模锻。模锻又可根据金属材料塑性变形时的温度不同分为热锻、冷锻与温锻三类。将金属材料加热至尚未产生过烧或过热缺陷的很高的温度下进行塑性成型时,称为热锻;金属材料不经加热,在常温下进行塑性成型时,称为冷锻;将金属材料加热至尚未产生强烈氧化的较高的温度下进行塑性成型时,称为温锻。三类模锻工艺的优缺点对比见表36-5。2 适用于紧固件成型的热模锻工艺类型、特点及成型原理 热模锻可以根据塑性变形方式与所用成型设备的不同分为多种工艺类型。其中,适用于紧固件成型的工艺类型、
2、特点及其简要成型原理见表36-6。3.异形紧固件开式热模锻（简称开式模锻）3.1开式热模锻的工艺流程、设备与工模具 以吊环螺钉开式模锻的工艺流程为例,一般为：下料加热制坯（预锻）终锻切边与冲孔（热校正）锻后热处理清理（冷校正）检验;带括号者为非必选工序。,吊环螺钉（GB/T 8251988）的材料为20钢或25钢;规格范围为：M8M1006。其开式模锻各工序所用设备及工、模具见表36-7。3.2三种设备上开式热模锻的模具结构 a.热模锻曲柄压力机上开式热模锻的模具结构简图,见图36-36。由于热模锻曲柄压力机上工作较平稳,振动小,因此可以采用由许多零件装配而成的组合式通用模架。通用模架上设有4
3、个工位,中间两个工位上设有上、下顶件杆,是预锻与终锻工位;两侧的工位上不设置上、下顶杆，可设计成镦粗或卡压等制坯工位。改换锻件规格或品种时,只需更换相应的模块,安装、调整方便,模块定位准确。,b.模锻锤上开式热模锻的模具结构简图,见图36-37。由于模锻锤工作时有强烈振动,不能采用组合式模具,只能采用上、下对开的整体式模 块。模块上可设置16个不同工步的模槽。中部设预、终锻模槽;当不需要预锻工步时,终锻模槽的受力中心应与锤杆的中心线重合;左右两侧可根据需要设置镦粗、拔长、滚挤、弯曲、切断等模槽。上、下模块用燕尾、楔、键与锤头和下砧进行安装与定位,用薄垫片进行位置微调。,c.螺旋压力机上开式模锻
4、模具的结构简图见图 36-38。由于螺旋压力机工作时振动较小,因此一般多采用组合式通用模架。由于螺旋压力机承受偏心载荷的能力较差,因此一般情况下只能在螺杆的中心设置一个终锻工位;制坯工序需在空气锤或辊锻机上完成。特殊情况下,也允许在终锻工位两侧设置模锻力很小的制坯工位,如镦粗、卡压等工位。终锻模块一般用燕尾、楔、键等与模架的上、下模板安装、定位;也可采用压板、螺钉进行安装、固定。,3.3 吊环螺钉开式模锻工艺实例以GB/T 825 M10小规格吊环螺钉在模锻锤上进行开式模锻成型为例,其冷坯料尺寸图、热锻件简图及模具简图,见图36-39。模锻方案的选定：小规格吊环螺钉宜采用一模多件并且调头模锻方
5、案;一模多件可提高生产率,调头模锻可省去夹钳料头,节约原材料。由图36-39可见,坯料的下料长度为315mm;一根长棒料整体加热后（始锻温度1250）,可连续锻出4个吊环螺钉（始锻温度不低于800）。,模锻工步的选定：为尽量减少毛边损失,选用了滚挤制坯工步（见图36-39,模具图左侧模槽为滚挤模槽）;由于滚挤工步需多次翻转90锻打,因此可同时去除棒料表面的氧化皮。为了保证吊环孔的顺利成型,并为了提高终锻模槽的使用寿命,选用了预锻工步（见图36-39,模具图中部右侧的模槽为预锻模槽;预锻模槽没有毛边槽）。终锻完成后,一模两件仍连在一起;因此,一模多件方案时,必须设置切断工步（图36-39中,模具
6、的右前角处设有切断模槽）。对于一模多件调头模锻方案,模锻操作的顺序是：锻出两件后首先切掉一件,留一件作夹钳头用,暂不切下;调头锻出另两件后,将连在一起的3个锻件全部切离。设备选定：选用1t模锻锤。4 螺母闭式热模锻4.1螺母在三种常用设备上闭式热模锻的工艺流程与各工序对比 螺母闭式热模锻的一般工艺流程为：（下料）加热（制坯）终锻（冲孔）锻后热处理清理检验;其中,带括号的工序在平锻机闭式热模锻螺母的工艺流程中不需设置。三种常用设备上闭式热模锻螺母时,各工序的特点对比见表36-8。,4.2 平锻机上闭式热模锻圆螺母工艺与模具图36-40所示为GB/T 8101988 M 802小圆螺母的平锻模具简
7、图、平锻工步尺寸图及热棒料尺寸图。小圆螺母的材料为45钢。工艺过程为：长棒料端部加热（长棒料上被加热段的长度,可锻制35个螺母,始锻温度为1200）冲孔终成型同时完成扩径辅助工步（根据平锻工艺规范,对孔径相对较大的通孔件,选定的坯料直径应小于锻件的孔径;为保证在下一个穿孔工步后长棒料上不形成台阶,必须在终成型工步中将棒料与锻件连接面处的直径扩大至与孔径相等）穿孔工步锻后热处理清理检验。平锻设备为8000kN垂直分模平锻机。在平锻机上锻制通孔件时,长棒料的送进位置用设备上的前挡板定位。4.3 螺旋压力机上闭式热模锻大规格标准六角螺母工艺与模具图36-41所示为GB/T 412000 M36 六角
8、螺母 C级在摩擦螺旋压力机上进行闭式模锻的工艺过程简图。,工艺过程为：下料（棒料剪床或冲床上冷剪）加热（始锻温度为1 200）镦粗（在630kN冲床上镦粗去除氧化皮）闭式终锻（选用3000kN摩擦螺旋压力机）冲孔（在1 000kN冲床上冲除冲孔连皮）。图36-42为在摩擦螺旋压力机上进行闭式模锻大规格标准六角螺母的终锻模具简图。,4.4冲床上闭式热模锻六角法兰面螺母工艺与模具图36-43所示为在冲床上闭式热模锻GB/T 6177.12000 M20六角法兰面螺母(10级)的工艺过程简图。螺母材料为40Gr钢。工艺过程为：下料（冷拔料或热轧棒料剥皮,精密下料,严格控制坯料体积偏差）加热（中频加热
9、,始锻温度为1050）制坯（在630kN冲床上镦粗去除氧化皮）终锻（在1600kN冲床上闭式冲孔终锻成型）冲孔与精整（在800kN冲床上冲孔同时精整内孔与下端面上的倒角）锻后热处理(10级)与表面处理(氧化)清理检验。,图36-44为在冲床上进行闭式模锻六角法兰面螺母的闭式模锻模具简图。,5.螺栓或螺钉热顶镦5.1螺栓或螺钉热顶镦的工步类型与工步数量选定螺栓或螺钉热顶镦的工步类型：适用于螺栓或螺钉热顶镦的工步有自由顶镦与在凸模上锥台形模槽中顶镦（简称聚料）两种类型,如图36-45所示。自由顶镦时,棒料上的变形段（图36-45 a中l0段）在不受模具约束的情况下,不会因产生轴向失稳而弯曲,可单工
10、步顶镦成型。在凸模上的锥台形模槽中顶镦时,棒料上的变形段（图36-45 b中l0段）虽然会因轴向失稳而弯曲;但因受锥台侧壁的限制,仅产生允许程度内的弯曲,而不会生成折纹。,自由顶镦的应用限制条件：为了保证棒料上的变形段（图36-45 a中l0段）在顶镦过程中不会因产生轴向失稳而弯曲,必须限制变形段的长径比l0/d0;自由顶镦时,l0/d0的最大允许值见表36-9。表中,平冲头用于头部顶面基本为平面的各种螺栓（包括凹穴头螺栓）;冲孔冲头用于头部有凹槽（如内六角）的各种螺钉。采用冲孔冲头顶镦时,变形段轴向失稳的倾向比采用平冲头时大。,C.螺栓或螺钉热顶镦的工步数量的选定：对于绝大多数类型的螺栓或螺
11、钉,由于其头部的体积相对较小,一般情况下其l0/d0值均满足自由顶镦的限制条件,即只需自由顶镦一个工步即可终锻成型;但是,对于少数头部体积相对较大的螺栓或螺钉,如六角头盖形螺栓、扁圆头方颈螺栓、T形槽用螺栓等,由于其头部体积相对较大,l0/d0不能满足自由顶镦的限制条件,必须采用两工步成型工艺,即聚料自由顶镦终锻成型。D.锥台形模槽尺寸的限制条件：在图36-45 b)中,为保证l0段在顶镦的全过程中仅产生允许程度内的弯曲,而不会产生折纹,必须对锥台大端直径d1与敞开段长度l1的尺寸范围进行限制。限制条件为：当选定d1=1.5 d0时,l12d0;当选定d1=1.25 d0时,l13d0。E.锥
12、台形模槽设计要点：首先选定锥台的大端直径d1和小端直径d2。d1按上述限制条件选定;d2=（1.051.2）d0。其次根据变形前后体积相等,并考虑锥台体积比变形段体积大（56）%的原则,计算出锥台高度和l1;最后校核l1是否满足限制条件;若不满足时,应重新选定。,5.2两种常用设备上热顶镦螺栓、螺钉的工艺流程与优缺点对比 在螺旋压力机或冲床上热顶镦螺栓、螺钉的工艺流程基本相同,一般为：下料加热（聚料）自由顶镦锻后热处理清理（去毛刺）检验。其中,聚料工序（步）只用于5.1条所列举的极少数特殊种类的螺栓或螺钉。当聚料安排在另外一台设备上进行时,即聚料工序;当聚料安排在同一台设备上进行时（在同一台双
13、点单动压力机上设置两套顶镦模或在同一台设备上设置两个可更换工位的冲头）,即聚料工步。两种常用设备上热顶镦螺栓、螺钉各工序的优缺点对比,见表36-10。,5.3热顶镦螺栓的模具结构实例螺旋压力机上单工步热顶镦螺栓模具结构实例：图36-46所示为GB/T 57802000 六A.角头螺栓 C级M42280螺栓在3000kN国产摩擦螺旋压力机上热顶镦螺栓模具结构简图。由于C级(粗制)螺栓头部与杆部的同轴度要求不严格,因此没必要采用导柱式模架;上、下模之间采用“模口定位”,即利用上、下模之间的圆柱面间隙配合导向。模具下方设有顶杆,以顶出螺栓;由于棒料下端并未加热,顶镦后下端未变形,因此顶杆的顶出行程可
14、以很小,不必将杆部全长全部顶出。,由此实例可见,由于螺旋压力机的开口高度比冲床大,因此适用于镦锻大规格的长螺栓或螺钉。B.螺旋压力机上两工步热顶镦螺栓模具结构实例：图36-47所示为六角头盖形螺栓在摩擦螺旋压力机上两工位热顶镦的模具结构简图。在压力机的中轴线位置只设一个下模;上模座可以沿导轨手动推拉换位。这种“一模两冲”型式的顶镦模,适用于在螺栓批量较大时使用;当批量较小时,适于在两台设备上分两个工序进行镦锻。两个工序时,顶镦模结构 与图36-47所示结构基本 相同。,C.冲床上热顶镦螺栓模具结构实例：图36-48所示为M121.25118-10.9汽车用六角头法兰面高强螺栓热顶镦模具工作部分
15、的结构简图。坯料为40Gr钢冷拔料,坯料外径为12.7,下料长度偏差0.5mm。在2500kN冲床上进行闭式顶镦。采用中频感应炉进行端部局部加热,始锻温度取为1000。由图可见,在螺栓头部法兰面边缘处是敞开的,坯料的体积偏差将导致法兰的最大直径偏差;设计时,在法兰外径处已留有加工余量;法兰外径处的余量在车削法兰外径时被切除。上模设有碟形弹簧推动的顶件杆,可在螺栓顶镦后立即将螺栓顶出;减少了上模接触锻件的时间,有利于延长上模的使用寿命。,下模设有由导柱式模架的上底板拉动的下顶件杆;下顶件杆由高速钢制成,可兼作冷挤中心孔的冲头。6.紧固件的热挤压6.1热挤压的工艺类型与简要成型原理和冷挤压一样,热
16、挤压可根据变形方式的不同分为正挤压、反挤压与复合挤压三种主要类型,其成型过程简图与简要成型原理,见表36-11。6.2 热挤压的工艺润滑 热挤压与热闭式模锻、热顶镦相比较,单位成型力（凸模的单位横断面积上承受的工作载荷）很大,因此采取有效的工艺润滑措施对保证挤压件质量和提高模具寿命均有重要作用。热挤压最常用的工艺润滑剂是水剂石墨乳。润滑方法是,用专用喷枪将石墨乳喷涂在挤压凹模与凸模表面。水剂石墨乳已商品化。6.3冲床上热挤压轮毂螺套工艺与模具实例 图36-49为高强轮毂螺套的热挤压过程简图。螺套的材料为40Gr钢,选用坯料直径为27。,加热采用中频感应加热。为了尽量减少坯料的氧化与脱碳,选用较
17、低的加热温度,始锻温度为1050。锻造过程为：加热镦粗去除氧化皮制坯挤压。镦粗在630kN冲床上进行;制坯工序在800kN冲床上进行,采用顶镦模具镦出凸缘（37）并同时冲出盲孔;坯料的下部,在凹模中缩出60锥面。挤压工序在1600kN冲床上进行,采用复合挤压模具,坯料下端正挤出正方截面;上端反挤出内螺纹孔。反挤时凸缘部分基本不再变形。,轮毂螺套顶镦制坯模具的结构简图如图36-50 a)所示。由图可见,其变形方式属开式顶镦;镦出凸缘并挤出盲孔,由于坯料体积偏差很小,不产生很大的横向毛边;但凸缘的直径偏差较大,当直径尺寸公差较严格时,需安排后续切削加工工序。轮毂螺套复合挤压模具的结构简图如图36-
18、50 b)所示。与冷、温挤压相比较,由于热挤时单位挤压力较小,因此正挤压凹模和反挤压凸模可没有“工作带”,即凹模孔或反挤凸模的工作部分为等截面结构。,7.紧固件温锻7.1紧固件温锻的工艺类型与选用原则 在热模锻的各种工艺类型中,除开式模锻外,其余三种工艺类型,即闭式模锻、顶镦与挤压,均可进行温锻;热模锻各工艺类型中所用的模锻设备,除平锻机为专用于热模锻的设备外,其余各种设备均可用于温锻。温锻的工艺流程与热锻基本相同,仅下料工序与加热工序的要求稍有差别。下料一般采用带锯下料,可保证坯料的长度尺寸偏差小于（0.51）mm,并可保证坯料的端面斜度小于3加热,一般采用中频感应加热炉进行快速加热,由于加
19、热的始锻温度比热锻时低很多（见7.2条）,因此可保证坯料表面仅产生轻微的氧化与脱碳。温锻的工艺类型与选用原则,见表36-12。,7.2温锻温度范围的选用 到目前为止,对温锻的温度范围尚无统一的规范。一般认为,在采用中频感应炉快速加热的条件下,温锻的始锻温度应选定在稍低于金属材料尚未发生强烈氧化的温度。因为在发生强烈氧化的温度之前,氧化皮可起到阻碍内层金属脱碳的作用,脱碳过程比氧化过程缓慢,氧化层内部的脱碳很轻微;对一般锻件,不会导致锻件表面的脱碳层厚度超差。对紧固件行业常用的低碳与中碳优质碳素结构钢（15、20、30、35、40、45等）或合金结构钢（20Gr、40Gr等）,当加热温度达到600700时,只发生轻微氧化;加热温度达到900950以上时,开始发生强烈氧化。对于各种不锈钢,当加热温度达到650700之前几乎没有氧化;加热温度达到950之前,只发生轻微氧化。因此,对于各种材料,温锻的始锻温度均可选定为950。温锻的终锻温度与始锻温度的温差一般应大于200,以保证足够的锻造时间。,7.3温锻模具的结构 各种温锻模具的总体结构与相同类型的热锻模具基本相同;温挤压模具与热挤压模具的差别主要是正挤压凹模和反挤压凸模一般均设计有“工作带”。7.4温挤的工艺润滑 润滑剂与润滑方式与热锻基本相同;一般多采用水剂石墨乳,用专用喷枪向模具表面喷涂。,
