第11章_锻压

4.自由锻
•将金属坯料放在上、下砧间受力而变形。
应用：单件小批生产力学性能高、形状简单的零件 毛坯，是大型锻件唯一制造方法。
5.模锻
•将金属坯料放在模锻模膛内受力而变形。
应用：成批、大量生产形状较复杂的中小型锻件。
6.板料冲压
•利用冲模，使板料产生分离或变形。通常在室温下进 行，所以又叫冷冲压。



回复阶段：显微组织仍为纤维状，无可 见变化； 再结晶阶段：变形晶粒通过形核长大， 逐渐转变为新的无畸变的等轴晶粒。 晶粒长大阶段：晶界移动、晶粒粗化， 达到相对稳定的形状和尺寸。
三、冷加工和热加工的界限

从金属学的观点划分冷、热加工的界限 是再结晶温度。
金属塑性变形分为冷变形和热变形两种。 组织变化
2.变形条件
1）变形温度 • 一般而言，随着温度的升高，塑性提高、变形抗力减小， 改善了可锻性。
δ σ
•但温度过高会使会使晶粒急剧长大， 导致金属塑性减小，锻造性能下降， 这种现象称为“过热”。
•如果加热温度接近熔点，会使晶界 氧化甚至熔化，导致金属的塑性变 形能力完全消失，这种现象称为
“过烧”。
第11章 锻压
•压力加工是利用金属的塑性变形，改变坯料的尺寸 和形状，并改善其内部组织和力学性能，获得所需 毛坯或零件的成形加工方法。
压力加工方法：
压力加工分类 静压力 冲击力
扎制
挤压
拉拔
自由锻
模锻
冲压
以生产原材料为主
以生产零件毛坯为主
1.轧制
•使金属坯料通过一对回转轧辊的空隙而产生连续变形。
应用：生产钢板、无缝钢管及各种型钢。轧制产品 截面形状如图。
• 综上所述，金属的锻造性不仅取决于金属的本质
，还取决于变形的工艺条件。 • 因此，进行压力加工时，要力求创造最有利的变 形条件,充分发挥金属的塑性，降低变形抗力，使 能量消耗最少,用最经济的方法达到加工的目的。
金属锻造工艺


一、坯料的加热 二、锻造成形
坯料的加热


加热的目的：提高金属的塑性和降低变 形抗力，以改善其可锻性和获得良好的 锻后组织。 加热后锻造可以用较小的锻打力量使柸 料产生较大的变形而不破裂。
比如在生产六角螺钉时采用模锻成形就比切削加工效率约 高50倍。
（4）锻压主要生产承受重载荷零件的毛坯，如机器中的 主轴、齿轮等，但不能获得形状复杂的毛坯或零件。
压力加工方法：
上砥铁
坯料 下砥铁
1．轧制 5．模型锻造
2．挤压
3．拉拔
4．自由锻造
6．板料冲压
锻压加工的基本知识

一、金属的塑性变形
单晶体受力后，只有在切应力的作用下金 属晶体才能产生塑性变形。
自由锻常用工具
1.自由锻的工艺特点与应用


设备简单、通用性好、成本低、工艺灵活。 锻件范围：百克级------百吨级，尤其对大型锻 件，自由锻是唯一的锻造方法。 精度低、生产率低，只适合锻造简单形状的锻件
2.自由锻的工序
自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序。
•自由锻的基本工序是指锻造过程中直接改变坯料形 状和尺寸的工艺过程。 •主要包括镦粗、拔长、弯曲、冲孔、扭转、错移等， 其中最常用的是镦粗、拔长和冲孔。
1) 镦粗 使坯料高度减小、截面积增大的工序，分为完全镦粗、 局部镦粗和垫环镦粗等。 镦粗是自由锻最基本的工序，它常用于锻造齿轮坯、凸 缘、圆盘等高度小而截面积大的锻件。
2）拔长 使坯料的横截面面积减少而长度增加的工序。 拔长主要用于轴杆类和长筒类锻件的成型。
芯轴拔长
3)冲孔 冲孔是在锻件上锻出 通孔或不通孔的锻造 工序。
设备
锻锤
空气锤 蒸汽--空气锤 油压机
液压机
水压机
•空气锤由电动机直接驱动，锤击能量小，只能锻造100Kg 以下的小型锻件。 •蒸汽--空气锤以空气或压缩空气驱动，实现锤头的连续 打击动作，可以锻造较大、中型锻件。 •水压机工作缸通入高压水推动柱塞运动，变形速度慢， 一般用于单件小批生产的碳钢、合金钢等大型锻件。
•Y=2~5时，流线组织明显，沿流线方向性能提高，但垂直方 向性能下降，应合理选择。


设计制造零件时，应充分发挥其纵向性能高的优势， 限制横向性能差的劣势。 设计原则：使零件工作时承受最大正应力方向与纤维 方向一致，最大切应力方向与其垂直，并尽可能使纤 维方向沿零件轮廓分布。
a） 纤维被切断
b） 纤维完整分布
吊钩纤维的正确分布
曲轴纤维分布
•不同加工方法制成齿轮坯的纤维组织
d）纤维组织分布合理，齿轮寿命高。c)较好
b)齿根处正应力与纤维方向重合，但垂直方向差。
a)受力时齿根处产生的正应力垂直于纤维方向，性能最差。
五、影响金属可锻性的因素
金属的锻造性能又称可锻性，是衡量材料压力加 工难易程度的工艺性能。 金属的可锻性包括塑性和变形抗力。塑性高，变 形抗力小，可锻性好。 影响金属可锻性的因素主要有： 1.材料性质（化学成分、组织结构）； 2.变形条件（变形温度，变形速度，应力状态）。
锻造温度范围
锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的 一段温度间隔。 确定锻造温度的基本原则是，就能保证金 属在锻造温度范围内具有较高的塑性和较小的 变形抗力，并得到所要求的组织和性能。锻造 温度范围应尽可能宽一些，以减少锻造火次， 提高生产率。

1．始锻温度 始锻温度应理解为钢或合金在加热炉内允许的 最高加热温度。从加热炉内取出毛坯送到锻压 设备上开妈锻造之前，根据毛坯的大小、运送 毛坯的方法以及加热炉与锻压设备之间距离的 远近，毛坯有几度到几十度的温降。因此，真 正开始锻、造的温度稍低，在始锻之前，应尽 量减小毛坯的温降。
自由锻常用设备
蒸汽—空气锤
利用一定蒸汽或压缩空气 推动锻锤进行工作。常用 吨位为1—5吨，用于锻造 中型锻件，是模锻的主要 设备。
液压机
利用高压水为动力进 行工作。靠静压力工 作。常用吨位为 5~150吨，用于锻造 大型锻件，是大型锻 件的唯一设备。
空气锤
利用压缩空气推动锻锤进 行工作。以落下部分质量 来表示锻造能力；常用吨 位为65—750千克，用于 锻造小型锻件。
应用：成批、大量生产形状较复杂的中小型锻件。薄板件， 仪器、仪表件，中空零件或汽车覆盖件。
金属锻压的特点
(1)改善金属组织、提高力学性能
锻压的同时可消除铸造缺陷，均匀成分，形成纤维组织，从 而提高锻件的力学性能。
(2)节约金属材料Fra Baidu bibliotek
比如在热轧钻头、齿轮、齿圈及冷轧丝杠时节省了切 削加工设备和材料的消耗。 (3)较高的生产率
冷变形强化是强化金属的重要途径 之一，尤其是对一些不能用热处理强化 的金属材料显得特别重要，如低碳钢、 纯铜、防锈铝、镍铬不锈钢等，可通过 冷轧、冷挤、冷拔、冷冲压等方法来提 高金属强度、硬度。
二、回复与再结晶
（一）回复
冷变形金属在低温加热时，其显微组织无 可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到 冷变形以前的过程。 在生产中利用回复处理来保持金属有较高 强度和硬度的同时，还适当提高其韧性，降低 内应力。如冷拔钢丝卷制成弹簧后，进行 一次250～300 ℃的低温退火。

纤维组织的明显程度和锻造比有关。
2.锻造比
•锻造比是锻造时变形程度的一种表示方法。 • 拔长：y锻=A0/A •（A0、A分别表示拔长前后金属坯料的横截面积）； • 镦粗：y锻=H0/H •（H0、H分别表示镦粗前后金属坯料的高度）。 •锻造比对锻件质量和力学性能有很大影响。
•一般情况下，增加锻造比有利于改善组织与性能，但过大 无益。

1.材料性质的影响
1)化学成分的影响 一般来说，纯金属的可锻性 都优于合金。 合金中合金元素的质量分数 越高，化学成分越复杂，可 锻性越差。 非合金钢中碳的质量分数越 高，可锻性越差。 2）组织结构的影响 •固溶体↑→Y↑； •碳化物↑、渗碳体↑→Y↓； •晶粒粗大↑、铸态→Y↓。
可锻性 合金成分%
自由锻锻件结构工艺性 1、零件结构应尽可能简单、对称、平直； 要求锻件外形尽可能由平面和圆柱面组成。一些难以 锻出的形状，小的孔和凹槽可用填加余块的办法简化 锻件形状。 2、应避免零件上的锥形、楔形结构； 3、不允许有小凸台 为便于切削加工和装配而设计的小凸台可用沉头孔代 替。
（二）再结晶
冷变形金属被加热到适当温度时，在变形 组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形 晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。 金属经过再结晶后：晶粒得到了细化；消除了 金属由于塑性变形而产生的冷变形强化现象； 使金属的强度、硬度下降；塑性、韧性升高； 金属的性能基本恢复到塑性变形前的状态。

芯轴扩孔



(4) 弯曲。 使坯料轴线产生一定曲率的工序。 (5) 扭转。 使坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一 定角度的工序。 (6) 错移。 使坯料的一部分相对于另一部分平移错开的工序。 (7) 切割。 分割坯料或去除锻件余量的工序。


2) 辅助工序 进行基本工序之前的预变形工序。 如压钳口、倒棱、压肩等。 3) 精整工序 修整锻件的最后形状与尺寸，消除表面的不平整，使 锻件达到要求的工序。 主要有修整、校直、平整端面等。
(1)冷变形对金属组织和性能的影响 冷变形是再结晶温度以下的变形。
冷变形强化
产生残留应力 改善金属的组织和性能
(2)热变形对金属组织和性能的影响 热变形是再结晶温度以上的变形。 使金属性能各向异性
四、 锻造流线及锻造比
1.锻造流线（纤维组织）

锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向 呈碎粒状或链状分布，塑性杂质随金属变形沿主要伸长方 向呈带状分布，热锻后的金属组织就具有一定的方向性， 通常称为锻造流线或纤维组织。
2．终锻温度
终锻温度主要应保证在结束锻造之前钢仍具有足 够的塑性，以及锻件在锻后获得再结晶组织。 合金结构钢的含碳量一般在0.12%～0.5%之间， 其退火状态的金相组织分类属亚共析钢。合金工具钢 的含碳量为0.7%～1.5%，是在碳素工具钢的基础上发 展起来的，其退火组织一般属过共析钢。坯料在锻造 过程中，随着热量的散失，温度不断下降，因而，塑 性越来越差，变形抗力越来越大。温度下降到一定程 度后难以继续变形，且易产生锻裂，必须及时停止锻 造重新加热。

性变形的形式：滑移和孪晶 金属常以滑移方式发生塑性变形
塑性变形的实质是：在应 力的作用下，材料内部 原子相邻关系已经发生 改变，故外力去除后， 原子到了另一平衡位置， 物体将留下永久变形。

(二) 金属的加工硬化（冷变形强化） 金属在低温下进行塑性变形时，随 着变形程度的增加，金属的硬度和强度 升高，而塑性、韧性下降，这种现象称 为金属的冷变形强化或加工硬化。
2.挤压
•使金属坯料从挤压模的模孔中挤出而变形。 凸模 坯料 凸模 坯料
应用：生产低碳钢、非铁金属及其合金的型材、管 件和零件。挤压产品截面形状如图。
3.拉拔
•将金属坯料从拉拔模的模孔中拉出而变形。


锻造：一般是将轧制圆钢、方钢（中、小锻件）或 钢锭（大锻件）加热到高温状态后进行加工。 板料冲压：是在冲床上用冲模使金属或非金属板料 产生分离或变形而获得制件的加工方法。板料冲压 通常在室温下进行，所以又叫冷冲压。（用于冲压 的材料必须具有良好的塑性，常用的有低碳钢、高 塑性合金钢、铝和铝合金、铜和铜合金等金属材料 以及皮革、塑料、胶木等非金属材料。）
•应严格控制锻造温度范围。
300
T℃
2)变形速度的影响 •变形速度指单位时间内的变形程度。
变形抗力
•高速锻造利用此原 理改变金属的可锻性。 •但普通锻压设备速 度不可能大于C。对 塑性差的材料或大型 锻件易采用较小的变 形速度，以防锻裂。
塑性 F、 δ
C
变形速度
•低于临界速度C，随变形速度增加，变形抗力增加，塑性减小。 （再结晶过程来不及消除加工硬化） •高于临界速度C，随变形速度增加，变形抗力减小，塑性提高。 （塑性变形的热效应加快了再结晶过程）
锻造成形
一、自由锻 二、模锻 三、胎模锻
自由锻



自由锻是利用锻压设备上、下砧铁和一些简单、 通用工具，使坯料在压力作用下产生塑性变形， 从而获得锻件的方法。 自由锻分为手工自由锻和机器自由锻两类。 手工锻用的是手工工具，常用的工具有铁砧、大 锤、手锤、冲子、平锤、摔锤及手钳等。 机器锻则用空气锤、蒸气—空气锤或水压机等设 备对坯料进行锻造。