锻造加工技术

第四章锻造加工

一、缎造概要

(一)锻造的意义与发展

锻造(Forging)系利用加压机具及工模具产生及传递冲击或挤压的力，使金属材料产生局部或全部的塑性变形，以获得所需几何尺寸、形状及机械性质之制品的加工方法，如图4-1所示。

锻造乃是人类最古老的加工技术之一，因可得坚硬而锐利的制品，故成为古代制作刀剑等兵器或农用器具的主要方法。依据古文献记载与历史学家推论，我国的锻造技术早在战国时代就有相当的技术基础，如传说中的绝世名剑：干将、莫邪、龙渊、太阿等皆是缎造的产物。明宋应星的「天工开物」里第十篇「锤锻

第十」即描述各种我国古代的锻造技术。国外锻造发展方面，在公元前七百年已有发明在压砧的上模锻货币的记载，另外亦有记录利用水车及一些曲柄连杆机构做为锻造工具，但一直到十五世纪才有利用冲压机具来制造货币的记录，而有关使用落锤锻造机的记载则于十七世纪方有记述。(参阅图4-2及图4-3)

经由锻造加工而得之锻件，由于在锻压过程中强迫材料塑性变形，因而可改善晶粒组织，使材质细密化、均质化，并获得优良的抗疲劳性、韧性及耐冲击性等机械性质，故极适合制造各种高强度之金属制品或零组件。因此锻造已是现今产业发展相当重要的加工技术，尤其若需求物理性能高、韧性好、强度高的零件就非锻制品不可。其与汽车工业、重工业、手工具业有密切的关系，从一般典型的民间用品，如船舶用柴油引擎之曲轴、汽车曲柄、轮圈、齿轮、活塞头、连结器、螺栓、手工具，至技术层次较高的产品，如轧钢机转轴、铁道车辆组件、涡轮机圆盘、飞机引擎、电动机转轴、战机及飞弹构件等，皆是锻造加工的产物。

因此锻造加工的应用范围乃涉及机械工业、化学工业、汽车工业、矿业、土木工业等，如表4-1所示。

(二)锻造的特点与目的

锻造在古代即扮演重要加工角色，至今亦能成为现代产业发展相当重要的加工技术，主要是具有下列特点

1. 对于相同零件而言，施以锻造则较其它机械加工法，可获得细密的晶粒组织，

并且可减少零件内部气孔、罅裂等缺陷。

2. 可获致连续的晶粒流动而形成机械性的纤维化状态，材料因而能得到最大方

向性的强度、耐冲击及抗疲劳等优良机械性质。

3. 对于形状复杂的零件而言，锻造加工较机械加工更具经济性，且适合大量

生产，可降低生产成本。

4. 借着金属流动的方式，锻造加工比其它切削加工可节省较多材料，减少材，

料损耗，降低生产成本。

但下列各点亦是相关研究人员不断试图改善与解决的方向

1. 在热间锻造时，胚料表面容易氧化而迅速产生一层锈皮，当锻打时，锈皮会

不断脱落，也因而影响锻件的精度。

2. 锻造模具造价较高，换模作业也耗时，故不适于进行少量生产。

3. 锻造制程变量很多，技术经验需长期累积，因此掌握不易，也因而影响制程

及结果的控制与成效。

具体言之，锻造有二种目的

1. 锻炼：破坏粗大铸造组织，使之细粒化，并使胚料内的空隙压着，并随着流

动变形而形成机械性纤维化的组织团锻流线(Forging flow line)(如4-4)，以提高韧性、强度等机械性质。

2. 成形：将胚料锻成具有连绩锻流线的各种制品形状，如图4-5所示。

(三)锻造的分类

锻造的分类如图4-6所示，兹简述如后：

1. 依工作温度之不同而分(参阅表4-2)

(1)热间锻造(Hot forging)：将金属材料加热至再结晶温度而锻造者，简称热锻。热间锻造因在高温作业，金属流动性良好，可塑性佳，变形所需的压力、能量较小，且复杂形状与大型锻件易于成形。但是锻件易生氧化皮，表面欠光平，尺寸难达精确，加热费用高，且因锻模表面温度上升，硬度降低使锻模寿命灭短，同时作业环境差，管理不易。

(2) 冷间锻造(Cold forging)：若材料不加热而在室温进行者谓之冷间锻造，

简称冷锻。冷锻因系在常温下进行塑性变形，故引起加工硬化，且相同制

品所须锻造能量较热锻为大，同时为避免锻模变形保持其刚性，故要使用高价值的模具材料，一般仅适合小型工件的生产。但冷锻亦有其优点，如经锻造的表面平滑无氧化皮，尺寸精度高，由于加工硬化可以提高锻件的

机械性质，并利用其特性，使用低廉材料锻造后可以直接使用，锻造后不须再切削加工或仅小量切削加工，能节约材料及后续加工之浪费。

(3) 温间锻造(Warm forging)：加热温度在再结晶温度以下室温以上而锻造者

谓之，简称温锻。此法系取冷、热锻的中间温度进行锻造作业，所以材料仍在加热状态，变形所需负荷不高，尺寸亦可控制较热锻准确，且表面情况亦较佳，可说是得冷、热锻两者之利而去其弊的锻造法，发展潜力相当

高。

2.依受力形态之不同而分

(1)冲击锻造 (Impact forging)：简称冲锻，其锻造的负荷是成瞬间冲击的形态施给，材料塑性变形亦是在极短时间内完成。由于材料在模穴内受力进行的流动时间较短，因此较适合锻件体积小且形状较不复杂的加工。

(2)压挤锻造(Press forging)：简称压锻，此法之锻造压力是以渐进的方式增加，

以促使金属材料产生降伏而变形，因此其施力运作时间也较长。因为材料在模穴内受力流动时间较长，胚料有较充裕的时间进行流动充模，因此可用于体积较大或形状较复杂锻件的加工。

3.依模具型式之不同而分(参阅图4-7)

(1)开模锻造(Open-die forging)：又称自由锻造(Free forging)，乃是将金属胚料放置在平面或简易形状面的上下锻模之间，施行加压锻打的加工。此种锻造

法可利用普通的工具，对金属材料施予局部压力逐渐变彤，复制性差，在金属流

动及尺寸等方面之控制较难，完全依操作人员之技术，但它具有低廉的模具和安装费用，适合于少量生产及闭模锻造用之预锻成形。

(2)闭模锻造(Closed-die forging)：乃是将金属胚料放置在具有三度空间模穴内，使上下模密合而成形的锻造法。因闭模锻造之胚料被限制在模穴中流动，故能有精确的尺寸控制，亦可以顾虑晶粒流动，而获最大强度方向，且具有高度的复制牲。但设备较昂贵，模具成本高，非大量生产无法达到其经济牲。