锻造工艺与模具设计-绪论

西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线
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3) 低消耗
4) 灵活
少、无切削，省工省料。
锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯 等），也可锻制形状复杂、不需或只需少量切削加工的精 密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）； 大的可达几百吨 大批量生产。
锻件的重量小的不到1公斤 单件小批量生产
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3)特种锻造 即在专用锻压设备上或在特殊模 具型槽内使坯料成形的一种特殊锻造工艺。 一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻 造工艺。 如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动 辗压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超 塑性模锻等。
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锻造工艺流程是指生产一个锻件所经过的锻造生 产过程;
锻造工艺与模具设计
谢利
xlustb@163.com
材料工程学院
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课程简介
一、本课程的性质 研究如何利用各种锻造方法有效地控制锻件的成型 和内部组织性能生产出高质量锻件的一门技术学科。 二、本课程的任务
(1)基本掌握自由锻工艺设计、模锻工艺设计和锻模设 计的方法； (2)具有初步的进行锻造工艺分析的能力；
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(2)锻件生产的应用范围
几乎所有运动的重大受力构件都由锻造成形; 交通工具制造业的发展大大的推动了锻造 (尤其 是模锻)技术的发展,如:汽车和飞机制造业的发展 锻压零件在飞机中占85%; 汽车中占60%-70%; 在农机、拖拉机中占70%; 全世界仅钢模锻件的年产量就达数千万吨.

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1.3锻造工艺的历史及发展
（一）锻造技术的发展简史
人类在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来
制造装饰品和小用品。中国约在公元前 2000多年已应用
冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址 出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。

最初，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳 索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。 14世 纪以后出现了畜力和水力落锤锻。
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为锻铜浮雕。 是手工锻造作 品。手工锻造 是一种古老的 金属加工工艺， 是以手工锻打 的方式，在金 属板上锻锤出 各种高低凹凸 不平的浮雕效 果。
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1842 年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤， 使锻造进入应用动力时代。以后陆续出现锻造水压
机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。
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缺点：
1)模具成本高，加工周期长 2)受锻造设备吨位的限制 一个解放车发动机的六拐曲轴的模锻需要12500 吨压力机；飞机上的模锻件则需要3万吨甚至8万吨 压力机才能实现.
2012年12月11日，由我 国自主设计研制的世界 最大模锻液压机，在四 川德阳中国第二重型机 械集团进入调试阶段， 于2013年4月10日投入 试生产。这台8万吨级 模锻液压机，地上高27 米、地下15米，总高42 米，设备总重2.2万吨。
铸造毛坯的组织性能差，只适用于性能要求低的零
、部件
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锻造：
纤维组织－－变形后的杂质 仍具有方向性，呈现纤维状 条纹 锻造流线－－变形后杂质的
纤维分布，使组织、 性能呈 方向性
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钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意
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2) 高产
机械化生产，生产率高
二、三百件/小时，现在更高了，一百多件/
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第一章
绪
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什么是锻造？
——金属塑性加工方法之一
锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对
加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条 件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能 符合要求的零件。
为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是
在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。
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锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型
的锻件，同时使锻件机械性能和内部组织符合 一定的技术的要求。
3. 实质：锻造工艺的实质是如何利用金属的塑
性使金属毛坯改变形状和性能而成为合格锻件 的加工过程。
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1.1锻造生产的特点与作用
（1）锻造生产的优点和缺点
优点：优质、高产、低消耗、灵活。 1）优质 指可以改善金属组织性能。金属零件的传 统生产过程是：冶炼─制坯─切削加工─热处理； 制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻造毛坯
的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一， 可以追溯到公元前4000年——甚至8000年。
锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航空、
航天、兵器以及其它许多工业部门。
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航空航天
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武器装备
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交通运输
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锻造的任务、目的和实质
1．任务：解决锻件的成形及其内部组织性能的 控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。 2．目的：锻造的根本目的是利用外加载荷（冲 击载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使金属 毛坯产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸
以模锻为例，其锻造工艺流程是：备料－－加热
－－模锻－－切边－－热处理－－酸洗、清理－ －校正; 一般来说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产， 与形状、尺寸、技术要求和生产批量大小等很多 因素有关; 通常，单件、小批量生产 自由锻方法 大批量 模锻方法生产 但有些航空重要产品上的锻件，虽然批量不大， 但由于流线和性能等方面的要求，要求工艺的一 致性等，通常也采用模锻方法生产。
准备周期短，所以使用范围广。
锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大
，不易保证，生产效率低。
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自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称胎
模锻;
胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预锻
成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎 模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放 入胎模内成形.
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2)模锻:把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的 模具内进行锻造的方法称为模锻。 由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形 状一致的锻件。 根据变形特点(有无飞边)，分为开式模锻和闭式
模锻。
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根据设备结构特性和工艺特性的不同，分为 锤上模锻（自由锻锤上模锻、高速锤上模锻 ）、摩擦压力机上模锻、热模锻压力机上模 锻、液压机上模锻、平锻机上模锻、专用锻 压机上模锻等。
模锻适用于形状复杂，尺寸精度较高，加工
余量小，批量生产的中、小型锻件。 形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。 精密锻件的成形也要通过模锻来实现。
分，1.2万件/小时。据统计，每模锻100万吨钢
，由于提高了生产率，可比切削加工减少2-3万
工人，少用15000台机床。在现今技术水平条件 下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成 半成品零件，只是难易程度不同而已。
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今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达
到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标 准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。
2) 为适应大批量生产的需要，应发展
专业化的连续生产线，建立地区性的专 门化锻造中心，如齿轮精锻中心、连杆 锻造中心、标准件锻造中心等，以利于 进行技术改造及采用最新设备和先进工
艺.
我国自行研制的8万吨级液压机
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3) 为适应新产品开发，缩短研制周期，应
发展柔性加工技术和CAD/CAM 技术;
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课堂讨论
题目:(1)锻造模具在国民经济和国防建设中的作 用；(2)锻造模具国内外的发展现状；……
形式：两个班分成6个小组，自选讨论题目，查阅 相关资料，做成PPT，推举一人上台汇报演讲，控 制时间为10min； 时间：初定第七周；
成绩评定：根据小组汇报表现进行打分（占总成 绩的10%）
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夹板锤最早应用于美国内战 (1861-1865)期间，用以 模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤， 模锻工艺逐渐推广。到 19 世纪末已形成近代锻压机 械的基本门类。

20 世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻
迅速发展，成为锻造的主要工艺。
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锻压经过100多年的发展，今天已成为一门综合性 学科。
(3)具有初步分析和解决锻件质量问题的能力.
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二、考核方式及成绩评定要求
(1)闭卷考试,考试成绩占总成绩60%，实验成绩 20%，课堂讨论10%，平时成绩10%; (2)点名三次不到取消考试资格; (3)共5次作业,一次不交无平时成绩. 三、教学参考书
[1] 姚泽坤.锻造工艺学与模具设计[M].北京：西北 工业大学出版社，2007. [2] 胡亚民，华林.锻造工艺过程及模具设计[M]. 北 京：北京大学出版社，2006. [3]夏巨谌.典型零件精密成形[M]. 北京：机械工业 出版社，2008. [4]李云江..特种塑性成形[M]. 北京：机械工业出版 社，2008.
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3)精锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发展国家
相比较低，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由 锻件还常常需从国外进口。
4)在CAD/CAM方面，一些发达国家已进入实用阶段，在
这些方面，我国还刚刚起步。
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（2）锻造生产的发展趋势
1) 总趋势是使锻件形状、尺寸和表面
质量最大限度地与产品零件相接近，以 达到少、无切削加工的目的，为此应逐 步发展和完善精密成形新技术，发展高 效精密的锻压设备;
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（2）锻造业的地位
锻造在工业生产中占有举足轻重的地位； 锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的
工业、农业、国防和科学技术的影响，难以 估量； 锻造生产的能力在一定程度上标志着一个国 家的工业水平.
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1.2锻件生产的分类及应用范围
(1)根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻 造、模锻和特种锻造。
它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为理论基础
，同时涉及传热学、物理化学、机械运动等相关 学科，以锻造、冲压等为技术，与其它学科一起 支撑机器制造业。 我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有 一定差距；
表现在：1) 工业发达国家的模锻件已占全部锻件
的70％以上，而我国尚不足30％；

2) 国外有成千条锻造自动生产线，大型 自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机等 ,而我国 在这些方法还很薄弱.
锻模的CAD/CAM的主要优点有： ①设计的速度快、准确性高，且可将设计人员 从繁重的重复性劳动中解脱出来;
②可以把多方面的经验和研究成果集中起来， 方便地应用于设计加工，提高设计质量;
③可以实现多方案比较设计，达到优化的目的; ④提高锻件的内在质量; ⑤提高机械化、自动化水平;
⑥发展以煤气、油、电等为热源的先进加热技 术，改善劳动条件.
1)自由锻造 把加热好的坯料放在自由锻造 设备的平砧之间或简单的工具中进行锻造的方法称 为自由锻。
一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。 自由锻
手工锻造 机械(锤上自由锻和水压机上自由锻)
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自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单、粗糙度
要求较低、加工余量较大的锻件生产。
使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产