第二篇 金属压力加工
Mechanical Working
压力加工：锻压、塑性成形 定义 The metal is shaped through plastic deformation in solid state by mechanical force p90 金属材料在外力作用下产生塑性变形，获得具有一定形状、 尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法

(2) 自由锻工序
基本工序、辅助工序、精整工序 基本工序：镦粗, 拔长, 冲孔(扩孔), 弯曲, 扭转, 错移, 切割 辅助工序：压钳口，倒棱，压肩
(3) 锻件分类及基本工序方案

盘类锻件: 镦粗和冲孔
筒类零件：镦粗、
冲孔、在心轴上拔长

轴类零件: 拔长、切肩和锻台阶
环类零件：镦粗、 冲孔、在心轴上扩孔

§2. 2 模 锻 Die Forging
定义：金属坯料在冲击力或压力作用下，在模锻模膛
内变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件P98 变形特点：模膛内变形，流动受模壁限制
1. 模锻锻造设备
模(型)锻造
蒸汽—空气模锻锤 锤上模锻 Drop Forging 曲柄压力机上模锻 曲柄压力机 摩擦压力机上模锻 摩擦压力机

T< T0 Cold Working冷加工 T> T0 Hot Working 热加工：动态回复与动态再结晶
4. 热加工p93
热加工金属的组织：再结晶组织 与铸锭相比：晶粒细化，缺陷压合，致密度提高，性能提高 热加工后性能提高，但纤维组织可能具有各向异 平行于纤维组织的方向，抗拉强度提高，剪切强度很低 垂直于纤维组织的方向，抗拉强度很低，剪切强度高 问：为什么重要受力零件都采用热加工制造？ 设计时应该注意什么问题？
自由锻特点： 模锻特点：
设备、工具简单， 生产率低 锻件精度低、光洁度差 通用性强，单件也能生产 只能锻形状很简单的零件

设备、工具复杂， 生产率高 锻件精度高、光洁度好 只适合大批量生产 能够锻形状复杂的零件

自由锻可锻零件重量1kg～300T，模锻可锻重量0.5～150kg的工件 国外工业发达国家，中小型自由锻件在其锻件总产量的为20-40%
对于自由锻件，确定敷 料、余量及公差后，就 可以绘制锻件图
图3-25 典型锻件图 1-敷料 ； 2-余量
(2) 坯料重量和尺寸的计算
坯料重量：G坯料=G锻件+G烧损+G料头 G锻件→由锻件体积算出；G烧损→与加热次数有关 坯料的尺寸根据坯料重量和几何尺寸确定 与选用的锻造工序有关、考虑锻造比setting ratio 碳钢，拔长锻造比≧3，镦粗锻造比≧ 2.5 合金钢为3~4，对轧材取1.3～1.5 应用镦粗工序：H/D<2.5 ,太大易弯
拔 长 模 膛
一般布置在模具的边上，用来
减小坯料某部分的截面积，增 加该部分的长度 拔长操作时，坯料送进加翻转 滚 压 模 膛
坯料长度不变，改变不同部位截面积变 滚压操作时，坯料只翻转，不送进 锻件截面相差较大时，用闭式结构
弯 曲 和 切 断 模 膛
弯曲模膛：用于弯曲的杆类模锻件 切断模膛：用于坯料上切下锻件，锻 件上切下钳口，多件锻造时分离锻件
塑性越好，材料的变形抗力越小，其可锻性越好 1. 影响可锻性的因素Variables influencing malleability 金属的本质、加工条件
金属的本质
类型
Metal types： f.c.c ＞b.c.c，铝铜镍＞铬钼钛 化学成分： 纯金属>合金, 碳钢>合金钢, 低碳钢>高碳钢 金属的组织 相的组成及分布：固溶体＞机械混合物＞化合物 晶粒大小：等轴晶＞柱状晶；细晶粒＞粗晶粒
碳钢的锻造温度范围
第二章 锻 造 Forging
Metal is shaped between smith anvil or forgoing die by mechanical force (P97); 问：锻造为什么要加热？
锻造方法 F Forging：在抵铁之间成形 模锻 Die Forging：在模锻设备上用模具成形 胎膜锻 Swaging：在自由锻设备上用胎膜成形

用来容纳多余的金属
飞边槽的作用

阻挡金属外流，强迫金属充模
缓冲作用
预锻模膛：使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸 预锻模膛的作用
使金属更容易充满终锻模膛 减少终锻模膛的磨损，提高寿命
特点 ：圆角斜度较大，没有飞边槽
(2) 制坯模膛
对于形状复杂的模锻件，用制坯模膛制坯 制坯模膛：初步改变毛坯形状、合理分配金属，以适应锻 件横截面积和形状的要求，使金属能更好地充满模锻模膛

组织，性能，流线、拉应力、切应力、流线沿轮廓分布，不断 p94
金属塑性成形工艺基础
金属经过压力加工时，获 得优质制品的难易程度
第三节 金属的可锻性
Malleability of the Metal
压力加工过程中, 变形 金属作用于施压工具表 面单位面积上的压力
可锻性 金属的塑性 plastic behavior of the metal 变形抗力 the resistance to deformation
胎模锻：自由锻锤
模锻设备
蒸汽—空气模锻锤 1、踏板 2、机架 3、砧座 4、操纵杆
与自由锻设备原理 相同，运动副间隙 小，动作精度高
曲柄压力机上模锻 200t～12000t
1 电动机 7 离合器 15 制动器 8 9 10 曲柄 连杆滑块 16 凸轮 14 顶料连杆 造价高， 生产效率 高， 锻件精度高


曲轴类零件：拔长、错移、锻台阶、扭转
弯曲类零件： 拔长、弯曲 锻件生产过程： 零件图→锻件图→锻造方法→锻造工艺
2. 自由锻工艺规程的制定
(1)绘制锻件图
敷料—为简化锻件形状和结构增加的一部分金属
例如一些沟槽、相差不大的台阶等 余量—为切削加工，在加工面上增加的尺寸 0.4～5mm，与锻件尺寸、加工精度有关 公差—锻件尺寸允许的变动量， ±0.3～3mm 与锻件大小，模具精度，设备状态有关
(1) 模锻模膛：金属在其中发生整体
变形，锻模抗力大 终锻模膛：使坯料最终变形到锻件 所要求的形状和尺寸 形状和尺寸 特点 结构
形状与锻件相同 尺寸放大，钢1.5% 四周设飞边槽
1-锻锤 2-上模 3-飞边槽 4-下模 5- 模垫 6,7,10-楔铁 8-分模面 9-模膛
冲孔连皮
(1) 模锻模膛 冲孔连皮：模锻不能直接冲出通 孔，上下模之间形成一薄层金属 飞边槽的形成飞边 去掉飞边和冲孔连皮，得到具有 通孔的模锻件
不应有加强筋、凸台、工 字型或空间曲面形表面
避免形成空间曲线
复杂零件 采用组合法
自由锻件的结构工艺性小结
避免具有锥体或斜面的结构 锻件有数个几何体构成时，避免形成空间曲线 改成平面与圆柱体、平面与平面相接 自由锻件上不应有加强筋、凸台、工字型 或空间曲面形表面 截面急剧变化或形状复杂的零件 应设计成几个简单模锻件的组合体
3. 金属的塑性变形规律
体积不变条件：由于塑性变形时金属密
度的变化很小，所以可认为变形前后的体 积相等 最小阻力定律：如果物体在变形过程中 其质点有向各种方向移动的可能性时，则 物体各质点将向着阻力最小的方向移动 最小阻力定律是描述塑性变形流动规 律的一种理论 金属内某一质点流动阻力最小的方向 是通过该质点向金属变形部分的周边 所作的法线方向

(3) 确定锻造工序（工步）
怎么锻（锻造工序）主要看零件是什么样的 对于自由锻件，P98, table 3-1
(4) 其它内容
根据合金确定始锻及终锻温度 确定加热规范（加热温度、保温时间） 选择锻造设备 辅助工序(校正，切飞边、冲孔连皮)

3. 自由锻件的结构工艺性
避免具有锥体或斜面的结构
三个方向中，压应力的数目越多，
金属的塑性越好 同号应力状态下引起的变形抗力 大于异号应力状态下的变形抗力
挤压时的应力状态
2. 锻造温度范围
始锻温度：低于AE线
200℃左右 why? 终锻温度：约800 ～750℃
始锻温度过高：过热、过烧（晶界氧
化、熔化）, 氧化、脱碳严重 终锻温度过低：塑性差，抗力大
§2.1自由锻 Smith Forging
定义：自由锻是利用冲击力或压力使金属在上、下两
个抵铁之间变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件 变形特点：沿变形方向可以自由流动
1. 自由锻设备与工序
(1) 自由锻设备
锻锤：依靠冲击力使金属变形，只能锻造中小锻件 小型锻件—手工锻造，空气锤 中型锻件— （<1500kg）蒸汽—空气锤 液压机：依靠静压力使金属变形，可加工大型锻件 水压机、油压机（<300T） 锻锤吨位 =落下部分总重量 = 活塞+锤头+锤杆 压力机吨位 =滑块运动到下始点时所产生的最大压力
摩擦压力机上模锻
5 电动机 6 皮带 3 飞轮 4 摩擦盘 1螺杆 2 螺母 7 滑块 8,9 导轨 10 机座
造价低，用途广泛， 适合中小锻件的小 中批量生产
2. 锻模结构——锤上模锻 Drop Forging
模膛：形成锻件基本 形状和尺寸的空腔 模膛
模锻模膛
终锻模膛 预锻模膛
延伸模膛 滚压模膛 制坯模膛 弯曲模膛 切断模膛
2. 塑性变形对金属组织和力学性能的影响Structure and
Properties of the Deformed Metals
晶体缺陷增加、晶格 畸变 ；亚结构细化：性能提高 1) 产生加工硬化(冷变形强化) work hardening：随着变形程度的 提高，金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象 原因：位错密度提高，亚结构细化 2) 产生内应力：变形开裂，抗腐蚀性降低 → 去应力退火