锻 压

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3. 1 锻压概述
• 锻压通常是指自由锻造、模型锻造和板料冲压。锻压是对坯料施加外 力，使其产生塑性变形、改变其尺寸、形状及改善性能，用以制造机 械零件、工件或毛坯的成型方法。它是锻造与冲压的统称。具有同样 特征的生产方法还有轧制、挤压和拉拔等，它们的产品多是原材料。 这些加工方法统称为压力加工。
• 锻压生产中用塑性和变形抗力表示金属材料的锻造性能，塑性变形时， 金属材料的塑性变形和变形抗力综合反映了进行锻压生产的难易程度， 塑性越高、变形抗力越低，生产中就可以用较小的变形功来获得较大 的塑性变形。
• 随着加热温度的升高，金属材料的塑性升高、变形抗力降低，其锻 造性能变好。但是，加热温度过高也可能使被加热坯料质量下降，甚 至造成废品。
面不可避免地要和炉气中的氧化性气体(如O2 C，O2 H,2O S, O2 等)发 生化学反应，铁元素的氧化反应使坯料生成氧化皮，这种现象称为氧 化。氧化皮在后续的锻压生产中从坯料上脱落下来，造成坯料体积损 失，并使得表面质量下降，一旦脱落的氧化皮压人锻件，还会造成锻 件裂纹。每次加热的氧化烧损量约为坯料体积的2%~3% 。
• 由于以上特点，锻压生产被广泛应用于机械制造的各个工业领域中。
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 3. 2. 1加热目的和锻造温度范围
• 锻压生产需要金属材料具有较好的塑性，故在锻压生产之前，尤其是 锻造之前对金属材料进行加热以提高其塑性和降低变形抗力，保证锻 压生产的顺利进行，加热是锻压生产重要的工序。
缓慢地冷却至较低温度后再出炉冷却。 • 通常，碳素结构钢和低合金结构钢的中、小型锻件用空冷，高合金钢
一般采用冷却速度较慢的坑冷或炉冷，以防止表面硬化及可能出现的 表面裂纹。
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3. 3 自由锻
• 用简单、通用的工具在自由锻设备的上、下抵铁间直接使坯料变形从 而获得锻件的生产方法称为自由锻。
• 锻压生产的主要特点如下。 • (1)产品的力学性能好。由于在外力作用下金属材料铸态组织中的孔
洞、裂纹能被压合，而塑性变形会使其内部组织随之发生变化并使力 学性能有较大提高，因而，锻造生产的产品常用于承受重载荷及冲击 载荷重要零件，常用的冲压生产可提高产品的强度和硬度，得到质 量轻刚度好的冲压件。
• 自由锻分为手工自由锻和机器自由锻，手工自由锻是最原始的锻造生 产方法，机器自由锻是自由锻生产的主要生产方法。
• 自由锻使用的工具简单、操作灵活，但是，锻件的精度低、生产率低、 工人劳动强度大，所以，只适用于单件、小批和大型、重型锻件的生 产。
• 3. 3. 1自由锻设备简介
• 常用的自由锻设备有空气锤、蒸汽一空气自由锻锤和水压机等。 • 空气锤是生产小型锻件最常用的设备，其外形及主要结构和工作原理
• 1.空气锤的结构 • 空气锤由锤身、压缩缸、工作缸、传动机构、操纵机构、落下部分及
砧座等几个部分组成。锤身和压缩缸及工作缸体铸成一体;传动机构 包括减速机构和曲柄、连杆等;操纵机构包括脚踏杆(或乎柄)、旋阀和 连接杠杆。 • 2.空气锤的工作原理 • 空气锤是将电能转化成压缩空气的压力能来产生打击力的。
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3. 1 锻压概述
• (2)节约金属材料。锻压生产中的塑性变形能使得金属材料的体积按 产品的实际形状合理分布，既减少了后续的切削加工工时，也减少了 金属材料的消耗。
• (3)锻压件形状不能太复杂。金属的塑性变形是依靠金属原子的移动 来实现的，而固态下金属原子的移动比较困难，所以，其产品的复杂 程度低于铸件。
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 所以，各种金属材料在锻压生产时都有其允许加热的最高温度，在此 温度下应开始进行锻造，此温度称为该材料的始锻温度;生产过程中， 随着热量的散失，温度不断下降，坯料的锻造性能也随之下降，降至 一定温度后，若再继续变形，不仅所需的变形功增大，而且，会造成 变形裂纹，必须及时停止加工，此温度称为终锻温度。
• 3. 3. 2自由锻主要工序
• 各种锻件的自由锻成型过程都由一个或几个工序组成。根据变形性质 和程度的不同，自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三 类。变形量较大的改变坯料形状和尺寸，实现锻件基本成型的工序称 为基本工序，如徽粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转等。为便于实施基本 工序而预先使坯料产生少量变形的工序称为辅助工序，如切肩、压印 等。
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 3. 2. 3加热缺陷及防止方法
• 加热过程中，若控制不当，会产生一些加热缺陷，这些缺陷轻者增大 材料消耗，造成产品质量低下，重者造成废品，若不注意还会导致人 身事故。所以，应对加热过程中可能出现的缺陷予以足够的重视。
• 加热时可能出现的加热缺陷如下。 • (1)氧化和脱碳。钢是铁和碳的合金，采用一般方法加热时，钢的表
第3章 锻压
• 3. 1 锻压概述 • 3. 2 金属的加热和锻件的冷却 • 3. 3 自由锻 • 3 .4 模锻与胎膜锻简介 • 3. 5 板料冲压概述
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第3章 锻压
• 了解锻压的实质、特点和应用。熟悉锻压工艺中手工自由锻、板料冲 压形成过程;掌握自由锻的锹粗、拔长、冲孔等几个主要基本工序;熟 悉压力机的工作原理、结构以及成型工艺过程、安全操作;了解材料 成型在工程中的应用，体验具体零件成型的操作。
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3. 3 自由锻
• 为提高锻件的形状精度和尺寸精度，在基本工序之后进行的小量修整 工序称精整工序，如滚圆、平整等。
• 下面简要介绍几种常用的自由锻基本工序。 • 1.徽粗 • 徽粗是使坯料高度减小横截面积增大的锻造工序，是自由锻最基本的
工序。实际上，几乎在所有的自由锻基本工序中都用到徽粗。徽粗分 为完全徽粗和局部徽粗，如图3-3所示。它常用于锻造饼、块类锻件， 如齿轮坯、法、介等。而在环、套类空心锻件锻造中，徽粗往往用于 冲孔前使坯料截面积增大、高度减小并使之平整。 • 徽粗坯料的原始高度与直径的比值应小于2. 5~3，否则，徽粗时易使 坯料徽弯而造成双鼓形或在锻件中部形成夹层，如图3-4所示。
• 火焰反射炉热效率较高，燃料消耗较少，加热速度一也较快。因燃烧 室和加热室将燃料和坯料分隔开来，坯料不直接与燃料接触，加热较 为均匀，但一也使得其结构较为复杂。
• 除火焰反射炉外，还有使用重油、煤气和电加热的室式炉等。室式炉 只有一个加热室，所以结构比较简单，热效率一也高，但若用重油、 煤气作燃料，须先将重油、煤气雾化，附加设施较多;用电加热，生 产成本较高，目前不如火焰反射炉使用普遍。相信不久我国一也会普 遍使用燃气和电加热。其他锻造炉见表3 -3。
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3. 3 自由锻
• 2.拔长 • 拔长是使坯料横截面积减小而长度增加的工序。拔长主要用于轴、杆
类及长筒类锻件的成型，也可用于和徽粗工序一起增大变形量，以改 善锻件的内部质量。 • 拔长工序是自由锻的一个非常重要的基本工序，也是使用最多的基本 工序。根据统计，自由锻生产中，拔长操作占整个自由锻工时的70%。 • 为了保证坯料在整个长度上都被拔长，拔长时，必须一边不断地翻转 锻打，一边沿轴线送进。而每次锻打时坯料变形部位的变形情况就类 似于徽粗时坯料的变形。拔长时的坯料最好为方形截面，以防止拔长 锻打造成锻件的芯部裂纹。如坯料为圆形截面，则应先将其锻成方形 截面并在拔长中尽量保持方形截面。在拔长到接近锻件直径时，锻打 成八角形，然后滚打成圆形。拔长基本操作方法如图3 -5所示。
• (3)芯部裂纹。大型锻件和导热性较差的高合金钢坯料加热时，如果 装炉温度过高或加热速度过快，则坯料表层和芯部会出现比较大的温 差并进而引起温度应力，导致坯料芯部受到拉应力的作用而被拉裂。
• 防止芯部裂纹的主要措施有:低温装炉，分段加热。即装炉温度控制 在600℃以下，以较慢的速度加热到600℃左右，经一段时间保温， 使内外温度均匀后再快速加热到始锻温度。
3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 始锻温度和终锻温度给定了材料的锻造温度范围。各种材料都应在各 自的锻造温度范围内进行锻压生产。几种常用材料的锻造温度范围见 表3-1所示。
• 钢材随着温度的不同对外表现出不同的颜色，故在加热和锻压时可依 据钢材的“火色”(即坯料的颜色)大致估计其温度，实际生产中称为 “看火色”。钢材火色和温度之间的关系见表3 -2。
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 3. 2. 4锻件的冷却
• 锻制好的锻件还必须进行正确的冷却，才能保证产品质量。锻件的冷 却方式有以下三种。
• (1)空冷。锻件在无风的空气中，放在干燥的地面上冷却。 • (2)坑冷。锻件放入充填有炉灰、砂子、石灰等保温材料的坑中较慢
冷却。 • (3)炉冷。锻件锻制完成后，立即放入500℃~700℃的加热炉中，随炉
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 碳元素和氧化性气体及某些还原性气体(如 H2 )发生化学反应，造成 坯料表面含碳量减少，称为脱碳。脱碳使产品表面软化，强度和耐磨 性下降。
• 由于一般加热都是有氧加热，故氧化和脱碳通常是必然出现的，所以， 应尽量减小氧化和脱碳层的厚度，以减少不良影响。
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3. 3 自由锻
• 电动机通过传动机构带动压缩缸内的压缩活塞做上下往复运动，使缸 内的空气压缩，被压缩过的空气经过上、下旋阀进入工作缸的上部或 下部，推动工作活塞向下或向上运动。
• 为了适应自由锻造的需要，通过脚踏杆或手柄改变上、下旋阀的位置， 可以实现空气锤的空转、锤头上悬、锤头下压、单次打击及连续打击 等运动。
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 当坯料被加热到接近熔化温度并长时间保温，会造成晶粒边界氧化和 晶粒间低熔点杂质熔化，削弱了晶粒之间的联系，称为过烧。过烧的 坯料一经锻打就会碎裂。
• 在加热过程中，只要严格控制加热温度，特别是严格控制坯料在高温 下的停留时间，过热和过烧都是可以避免的。
• 减少氧化和脱碳的主要方法是:控制炉内的加热气氛，使之为弱还原 性气氛;快速加热，减少坯料加热后在炉内的停留时间;对重要件采用 少加热、无氧化加热。
• (2)过热和过烧。坯料在加热到始锻温度或始锻温度以上并长时间保 温，会造成材利的晶粒粗大，称为过热。过热的材料强度和塑性都会 下降，而冲击韧度下降得更为明显。
如图3 -2所示。
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3. 3 自由锻
• 空气锤的规格是以其落下部分(包括工作活塞、锤杆与锤头)的重量来 表示的。但空气锤所能产生的打击力约是落下部分重量的1 000倍。 如150 kg空气锤即指其落下部分的重量为150 kg，所能产生的打击 力约是1 500 kN (150 000 kgf) 。
• 始锻温度越高，降温时间越长，加工时间越充裕，复杂件所需的加热 次数越少，断裂可能越小，所以，在保证不出现加热缺陷的前提下， 始锻温度应尽量取高一些。终锻温度低些，也可延长加工时间，减少 加热次数，并能得到组织细密、力学性能较好的产品，因而，在保证 塑性足够的前提下，终锻温度应尽可能定低一些。
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• 空气锤结构紧凑，不需其他附属装置，单人即可工作。但其受到压缩 空气压力的限制，打击力不是很大，故常常用于中小件的生产中。实 习中多用这种设备。
• 对于大中型件可用蒸汽一空气自由锻锤或水压机进行锻造。
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3. 3 自由锻
• 蒸汽一空气自由锻锤、水压机和空气锤相比可以提供较大的锻造力， 特别是水压机采用静压力锻造，可使作用力深入到坯料内部，使坯料 内部也能得到充分变形。而且，工作时振动小，劳动条件好，是生产 大型锻件不可缺少的设备。
• 3. 2. 2加热炉
• 实际生产中使用的加热炉，根据其所用能源和结构形式的不同，可以 有多种分类。目前我国使用较广的是火焰反射炉，其结构如图3-1所 示。
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3. 2 金属的加热和锻件的冷却
• 火焰反射炉用烟煤作燃料，燃料在燃烧室内燃烧，高温炉气(或火焰) 越过火墙经炉顶反射到加热室中对坯料进行加热。其加热室的最高温 度可达1 350℃。