模具设计与制造——第6章 热锻工艺概述

第六章 锻造工艺概述
第二节 锻造用材料及下料方法－气割法
当其他下料方法受到设备功率或下料截面尺寸的限制时，采 用气割法。 利用气割器或普通焊枪，把坯料局部加热至熔化温度，逐步 使之熔断。 设备简单，便于野外作业，可切割各种截面材料，尤其适用 于厚板材料。 缺点是切割面不平整、精度差、端口金属损耗大，效率低。
（二）根据力的来源 1．手工锻造 仅用于零活和修理或初学者对基本操作技能 的训练。 2.机器锻造 空气锤、蒸汽—空气锤、无砧座锤、高速锤、电 液锤、水压机、热模锻压力机、平锻机、螺旋压力机、扩孔 机、冷镦机、热镦机、辊锻机等。
第六章 锻造工艺概述
二、锻造生产的分类（续）
（三）根据使用工具与工艺 自由锻 叉杆锻件的自由锻 模锻 金属坯料在模具内塑性变形，可生产形状复杂锻件， 且模锻件尺寸精度高、材料利用率高、生产效率高，适合 于中小型锻件的大批量生产。 1)坯料在模具内变形特点：为开式模锻和闭式模锻 2)使用锻造设备：锤上模锻、热模锻压力机上模锻、螺 旋压力机上模锻、平锻机上模锻、水压机上模锻和高速 锤上模锻等。 3)按模锻工具及工件的相对运动方式，锻造又可分为普 通模锻、辊锻、横轧、斜轧、摆辗和径向锻造等。
第二节 锻造用材料及下料方法－剪切法
坯料局部被压扁、断面不平整、剪切面有毛刺和裂纹。 带支撑的剪切下料
Байду номын сангаас第六章 锻造工艺概述
第二节 锻造用材料及下料方法－冷折法
先在待折断处开一小缺口，在压力F作用下，缺口处产生应 力集中使坯料折断。气割或锯割、电火花切割。
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第二节 锻造用材料及下料方法－砂轮片 切割法
第六章 锻造工艺概述
内容简介：
在了解锻造工艺特点的基础上，本章介绍锻造原材料的 下料方法、锻前加热的目的与方法以及温度范围的确定，认 识一些基本的热锻设备。
学习目的与要求：
1．了解锻造用原材料及下料方法； 2．了解锻前加热的目的与方法。
第六章 锻造工艺概述
第一节 锻造工艺特点
一、锻造生产的重要性
锻造是塑性加工的重要分支，它是利用材料的塑性，对材 料施加外力使之发生塑性变形，从而得到所需形状、尺寸、 组织和性能的锻件。 锻造生产是机械制造工业中提供毛坯的主要途径之一。锻 造生产的优越性在于：它不但能获得金属零件的形状，而且能 改善金属的内部组织，提高金属的力学性能和物理性能。 —般对于受力大的重要机械零件，大多用锻造方法制造。
第六章 锻造工艺概述
三、锻造的发展趋势（续）
3．模锻过程计算机模拟和工艺、模具的CAD/CAM。为工 艺优化、模具结构优化设计和质量控制提供科学的理论依 据。 4.发展省力成形工艺。锻造优点是锻件内部组织比较致密，性 能高于铸件及焊接件，缺点是需要较大的变形力。 省力方法： 1）降低流动应力：超塑性成形和液态模锻 2）减少接触面积：旋压、辊锻、楔形横轧、摆动辗压 3）减小应力状态系数：与塑性加工类型、接触摩擦及变形体 几何参数等有关。
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第二节 锻造用材料及下料方法
锻前材科准备：一是选择材料；二是按锻件大小切成一定长 度的毛坯。 目前锻造用原材料主要包括碳素钢、合金钢、有色金属及其 合金等。 按加工状态分为钢锭、轧材、挤压棒材和锻坯等。 大型锻件和某些合金钢的锻造一般直接用钢锭锻制，中小型 锻件一般用轧材、挤压棒材和锻坯生产。 模锻件的质量除与原材料有关外，还与锻造工艺有关。
力学性能：总趋势是塑性提高，变形抗力降低，残余应力逐步消 失，但也可能产生新的内应力。过大的内应力会引起金属开裂。
物理性能：导热、导温、膨胀系数、密度等均随温度的升高而变 化；550度以上金属会发出不同颜色的光线，即有火色变化。 化学性能：金属表层与炉气或其它周期介质发生氧化、脱碳、吸 氢等化学反应，结果生成氧化皮与脱碳层等。
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第六节 少无氧化加热－介质保护加热
气体介质保护加热：惰性气体、不完全燃烧的煤气、天然气、石 油液化气或分解氨等。且使炉内呈正压，防止外界空气进入。
液体介质保护加热：熔融玻璃、熔融盐。 固体介质保护加热：将特制的涂料涂在坯料表面，加热时涂料熔 化，形成一层致密不透气的涂料薄膜，且牢固的粘结在坯料表面， 把坯料和氧化性炉气隔离，从而防止氧化。且坯料出炉后，涂层 可防止二次氧化并有绝热作用，可防止坯料表面降温，在锻造时 可起润滑剂作用。有玻璃涂层、玻璃陶瓷涂层、玻璃金属涂层、 金属涂层和复合涂层等。
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一、锻造生产的重要性（续）
锻件：效率最高，塑性变形后消除了内部缺陷。 铸件：尽管能获得较准确的尺寸和更复杂的形状，但是难以消 除内部缺陷；抗压强度高但韧性不足。 机加工件：精度最高、表面光洁，但内部流线被切断，容易造 成应力腐蚀。
铸件
机加工件
锻件
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二、锻造生产的分类
少无氧化火焰加热
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第六节 少无氧化加热－炉气
第六章 锻造工艺概述
第六节 少无氧化加热－快速加热
包括：火焰炉中的辐射快速加热和对流快速加热，感应电加热和 接触电加热等。 理论依据：采用技术上可能的加热速度加热金属时，坯料内部产 生的温度应力、留存的残余应力和组织应力叠加的结果，不足以 引起坯料产生裂纹。 可通入保护气体（惰性气体）和还原气体。
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二、锻造生产的分类（续）
（一）根据变形时的温度（续） 3．温锻温锻的金属变形温度是在再结晶温度以下和室温 以上的温度范围内，温锻是一种少无切屑塑性成形工艺。
4．等温锻指模具和坯料要保持在相同的恒定温度下，为了 实现这个要求，模具必须带加热和保温装置。
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二、锻造生产的分类（续）
按电能转换为热能的方式可分为电阻加热和感应加热。
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第三节 锻前加热的目的及方法－电加热
电阻炉加热
电阻加热 接触电加热 盐浴炉加热 感应加热 交变磁场作用
辐射传热
低电压大电流
对流和热传导
趋肤效应
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第三节 锻前加热的目的及方法
金属加热时产生的变化
组织结构：大多数金属不但发生组织转变，其晶粒还会长大，严 重时会造成过热和过烧。
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第五节 金属的加热规范
加热温度：包括装炉温度、各个阶段的保温温度及出炉温度。 尺寸小、塑性好、导热性高、热膨胀系数小材料－高温装炉。 保温时间按材料性能和坯料尺寸确定。 出炉温度一般比始锻温度要高一些。 加热速度：单位时间内表面温度上升的度数。也可用单位时间内 金属热透的厚度来表示。 加热时间：毛坯从开始加热至始锻温度时所需的时间。不包括毛 坯在始锻温度下的保温时间。
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第二节 锻造用材料及下料方法－其他下 料方法
1．摩擦锯切割 2．电机械锯割 3．电火花切割
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第三节 锻前加热的目的及方法
金属毛坯锻前加热的目的是提高金属塑性、降低变形抗 力、使金属易于流动成形，即提高可锻性，并获得良好的锻 后组织。
锻前加热方法对提高锻造生产率，保证锻件质量以及减 少能源消耗等都有直接影响。
（一）锻造方式：一般模锻、多向模锻、专用模锻、精密模锻。
（二）结构形式： 1、锤类：蒸气——空气模锻锤、对击锤、液压锤 2、压力机类：热模锻压力机、平锻机、摩擦压力机、液压螺旋 压力机、电动螺旋压力机、模锻液压机、多向模锻液压机
（三）切边设备：曲轴压力机和液压机
•锻造液压机
优点：通用性强，费用低、适用范围广。 缺点：劳动条件差，效率低、质量难以控制。
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第三节 锻前加热的目的及方法－电加热
电加热是将电能转换为热能而对金属坯料进行加热。电 加热具有加热速度快、炉温控制准确、加热质量好、工件氧 化少、劳动条件好、易于实现自动化操作等优点；但设备投 资大，电费贵、加热成本高，目前在我国大量应用还受到一 定限制。
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第五节 金属的加热规范
加热规范是指规定加热过程中各个阶段的炉温和时间的关系。 加热规范主要内容有：装炉温度、低温和高温区的升温速度、保 温阶段的保温时间、加热至始锻温度的最高炉温和所需总的加热 时间。 加热规范制定原则：为保证坯料加热质量前提下，缩短加热时间 和节省燃料，力求加热过程越快越好。
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第七节 锻造设备
根据其工艺性质锻造设备分为：自由锻设备和模锻设备。 自由锻设备：锻锤和水压机。40kg，65kg，…，1t，2t，3t等。
模锻设备：模锻锤，热模锻压力机，摩擦压力机和平锻机。 其发展趋势是：压力机上模锻逐步取代锤上模锻。
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第七节 锻造设备
一、模锻设备分类
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第六节 少无氧化加热－少无氧化火焰加热
定义：在燃料（火焰）炉内，可以通过控制高温炉气的成分和性 质，即利用燃料不完全燃烧所产生的中性炉气或还原性炉气，来 实现金属的少无氧化加热。
敞焰少无氧化加热：燃料分层串级燃烧。毛坯表面氧化少，成本 低，但不能防止脱碳，可见度差等。 平焰少无氧化加热：平焰烧嘴燃烧。具有加热升温快，炉温分布 均匀等特点。
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三、锻造的发展趋势
1．压力机模锻代替锤上模锻。在大批量生产条件下，压 力机（曲柄压力机和螺旋压力机）比模锻锤更易实现机械 化、自动化以及提高模锻件的精度和锻模寿命。 2.发展精密模锻工艺。精密模锻件的形状、尺寸精度和表面质 量比普通模锻件高。精密模锻可在高温或中温下进行，也可在 冷态下进行。例如：精锻齿轮的齿形精度与切削加工的相当， 精锻叶片的叶身部分只需要后续磨削和抛光。
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第六节 少无氧化加热
通常称金属烧损量在0.5%以下的锻造加热为少氧化加热。
称金属烧损量在0.1%以下的锻造加热为无氧化加热。 少无氧化加热除了可减少金属氧化、脱碳外，还可显著提高 锻件表面质量和尺寸精度，减少模具磨损等；是实现精密锻造必 不可少的配套技术。 快速加热
利用介质保护加热
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第二节 锻造用材料及下料方法－锯切法
锯床下料极为普遍，虽效率低，锯口损耗大，但下料长 度准确，锯割断面平整，是一种主要的下料方法。有圆盘锯、 带锯、弓形锯等。 圆盘锯是由电动机带动带齿的锯盘旋转并移动，将棒料 切断。
弓形锯是由电动机带动带齿的锯条作往复移动，将棒料 切断。
第六章 锻造工艺概述
利用电动机带动薄片砂轮高速旋转，并同坯料待切部分发 生剧烈摩擦，产生高热使金属变软甚至局部熔化，在磨削作 用下把金属切断。 适用于切割小截面棒料、管材以及异形曲面材料。其优点 是设备简单，操作方便，下料长度准确，切割端面平整，切 割效率不受材料硬度限制，可以切割高温合金、铝合金等。 缺点：砂轮片消耗量大，容易崩碎，切割噪音大。
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第四节 金属锻造温度范围的确定
锻造温度范围：是指开始锻造温度（始锻温度）与结束锻造温度 （终锻温度）之间的一段温度区间。 基本原则：保证金属有较高的塑性、较低的变形抗力，得到高质 量的锻件；锻造温度范围尽可能宽，以便减少加热火次，提高锻 造生产率。 基本方法：运用合金相图、塑性图、抗力图及再结晶图等，从塑 性、变形抗力和锻件的组织性能三个方面进行综合分析，确定出 合理的锻造温度范围，并在生产实践中进行验证与修改。
按所采用的热源不同，金属毛坯的加热方法可分为火焰 加热与电加热两大类。
第六章 锻造工艺概述
第三节 锻前加热的目的及方法－火焰加热
定义：利用燃料在加热炉内燃烧产生热能对坯料进行加热。
燃烧产生高温炉气（火焰），通过对流、辐射和热传导 使坯料被加热。
在低温(650 ℃以下)炉中，金属加热主要依靠对流传热， 在中温(650—l000℃)和高温(1000 ℃以上)炉中，金属加热则 以辐射方式为主。
（一）根据变形时的温度 1．热锻指终锻温度高于再结晶温度的锻造过程。变形过 程中冷变形强化和再结晶同时存在，属于动态再结晶。
2．冷锻指室温下进行的体积塑性成形。可以避免加热出现的 缺陷，精度和表面质量高，强度和硬度高。但变形抗力大， 需用较大吨位设备，多次变形时需增加再结晶退火和其它辅 助工序。主要局限于低碳钢、有色金属及其合金的薄件及小 件加工。 其成形方式有实心件正挤压、空心件正挤压、反挤压、 复合挤压和镦粗。 冷轧丝杆、长丝杆的轧制、冷镦六角螺栓