模锻

模型锻造
3.3.2 模型锻造
模型锻造包括模锻和镦锻，它是将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的锻造成形过程。

一、模型锻造成形过程特征
模型锻造时坯料是整体塑性成形，坯料三向受压。

坯料放于固定锻模模膛中，当动模作合模运动时（一次或多次），坯料发生塑性变形并充满模膛，随后，模锻件由顶出机构顶出模膛。

热成形要求被成形材料在高温下具有较好的塑性，而冷成形则要求材料具有足够的室温塑性。

热成形过程主要是模锻，可生产各种形状的锻件，锻件形状仅受成形过程、模具条件和锻造力的限制。

热成形模锻件的精度和表面品质除锻模的精度和表面品质外，还取决于氧化皮的厚度和润滑剂等，一般都符合要求，但要得到零件配合面最终精度和表面品质还须再进行精加工（如车
削、铣削、刨削等）；冷成形件则可获得较好的精度（0.2mm）与表面品质，几乎可以不再进行或少进行机械加工。

模锻可使用多种锻压设备（蒸汽锤、机械压力机、液压机、卧式机械镦锻机等），所需设备要根据生产量和实际采用的成形过程来选择。

模锻广泛用于飞机、机车、汽车、拖拉机、军工、轴承等制造业中，最常见的零件是齿轮、轴、连杆、杠杆、手柄等。

但模锻常限于150kg以下的零件。

由于锻模造价高，制造周期长，故模型锻造仅适宜于大批量生产。

二、模锻过程
模锻生产过程的流程如下：
1、绘制模锻件图
模锻件图（又叫模锻过程图）是生产过程中各个环节的指导性技术文件。

在制订模锻件图时应考虑的因素有：
（1）分模面
分模面指上、下锻模在锻件上的分界面。

锻件分模面选择的好坏直接影响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制造费用、材料利用率、切边等一系列问题。

在制订模锻件图时，须遵照下列原则确定分模面位置。

①要保证模锻件易于从模膛中取出。

故通常分模面选在模锻件最大截面上。

②所选定的分模面应能使模膛的深度最浅。

这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。

③选定的分模面应能使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。

④分模面最好是平面，且上下锻模的模膛深度尽可能一致。

便于锻模制造。

⑤所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少。

这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。

如图3.3.2-1中c-c面满足上述原则。

（2）加工余量、锻件公差和敷料
模锻件的尺寸精度较好，其余量和公差比自由锻件的小得多。

小型模锻件的加工余量一般在2～4mm，锻件公差一般为0.5～1mm。

模锻件加工余量及模锻件公差可查锻造手册或其他工程手册。

对于孔径d＞25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮；冲孔连皮厚度与孔径有关，当孔径为Φ30～80mm时，连皮厚度为4～8mm。

（3）模锻斜度
模锻件上凡平行于锻压方向的表面（或垂直于分模面的表面）都须具有斜度，这样便于从模膛中取出锻件。

常用的模锻斜度系列为：3o，5o，7o，10o，12o，15o。

模锻斜度与模膛深度有关，当模膛深度与宽度的比值（h/b）越大时，取较大的斜度值；内壁斜度（锻件冷却收缩时与模壁呈夹紧趋势的表面）应比外壁斜度大2o～5o；在具有顶出装置的锻压机械上，其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。

（4）模锻件圆角半径
模锻件上凡是面与面相交处均应做成圆角。

这样，可增大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。

钢质模锻件外圆角半径（r）取1.5～12mm，内圆角半径比外圆角大2～3倍。

模膛深度愈深，圆角半径取值越大。

【例】图3.3.2-2为一齿轮，材料为45钢，产量为3000件/月，故选用模锻。

该件Φ25的孔不锻出（因放机加工余量后孔径＜Φ25），外径的加工余量放4mm（半径上放2mm），高度上加工余量放2.5mm。

分模面如图3.3.2-2所示。

凡垂直于分模面的立壁均放模
锻斜度5o，如图3.3.2-3所示。

2、坯料质量和尺寸计算
模锻件坯料质量=模锻件质量+氧化烧损质量+飞边（连皮）质量
飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一般可按锻件质量的20%～25%计算。

氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的3%～4%计算。

其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算。

3、模锻工序的确定
（1）轮盘类模锻件
指圆形或宽度接近于长度的锻件，如齿轮、十字接盘、法兰盘等。

这类模锻件终锻时金属沿高度和径向或长度、宽度方向均产生流动。

一般的轮盘类模锻件，采用镦粗和终锻工序；对于一些高轮毂、薄轮辐的模锻件，采用镦粗—预锻—终锻工序，
（2）长轴类模锻件
这类锻件的长度与宽度之比较大，如主轴、传动铀、转轴、销轴、曲轴、连杆、杠杆、摆杆等等。

终锻时金属沿高度与宽度方向流动沿长度方向流动不大。

长轴类模锻件工序选择有：①预锻—终锻；②滚压—预锻—终锻；③拔长—滚压一预锻一终锻；④拔长—滚压—弯曲—预锻—终锻等。

工序越多，锻模的模膛数就越多，这样，锻模的设计和制造加工就越难，成本也就越高。

4、修整工序
由锻模模腔锻出的模锻件，尚需经过一些修整工序才能得到符合要求的锻件。

修整工序有：（1）切边与冲孔
刚锻制成的模锻件，通常其周边都带有横向飞边，有通孔的锻件还有连皮。

须用切边模和冲孔模在压力机上将飞边和连皮从锻件上切除。

（2）校正
在切边及其他工序中有可能引起锻件变形。

因此对许多锻件特别是形状复杂的锻件在切边（冲连皮）之后还需进行校正。

校正可在锻模的终锻模膛或专门的校正模内进行。

（3）热处理
模锻件进行热处理的目的是为了消除模锻件的过热组织或加工硬化组织、内应力等，使模锻件具有所需的组织和性能。

热处理一般用正火或退火。

（4）清理
清理是去除在生产过程中形成的氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻件的表面品质。

清理有下列几种方法：滚筒打光、喷丸清理、酸洗等。

滚筒打光将锻件装入旋转的滚筒内，靠锻件互相撞击打落氧化皮、光洁表面等，此法缺点是噪音大，刚性差的锻件可能产生变形。

故一般适宜于清理小件。

喷丸清理喷丸清理是在有机械化装置的钢丸喷射机上进行，清理时锻件一边移动一边翻转，同时受到Φ0.8～1.5mm的钢丸高速冲击。

这种设备生产率高，清理质量好且锻件表面留有残余压应力，但其投资较大。

酸洗酸洗是在温度大约为55℃、浓度为18%～22%的稀硫酸溶液中进行，酸洗后的锻件须立即在70℃的水中洗涤。

酸洗中因酸液挥发、飞溅等，会污染空气和环境，且劳动条件较差，故应用不多。

5、锻模模膛
模膛按其功用分为模锻模膛和制坯模膛两大类：
（1）模锻模膛
模锻模膛分为终锻模膛和预锻模膛两种。

①终锻摸膛
其作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸。

它的形状与锻件的形状相同；因锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，一般钢件收缩量取1.2%～1.5%。

另外，沿模膛四周有飞边槽，对于具有通孔的锻件，终锻后在孔内留下一薄层金属即冲孔连皮。

把飞边和连皮切除以后，才能得到模锻件。

②预锻模膛
其作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，这样再进行终锻时，金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长其使用寿命。

预锻模膛和终锻模膛的主要区别是，前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。

对于形状简单或批量不太大的模锻件可不设置预锻模膛。

（2）制坯模膛
对于形状复杂的模锻件（尤其是长轴类模锻件），为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好地充满模膛，须预先在制坯模膛内制坯，然后再进行预锻和终锻。

制坯模膛有：
①拔长模膛。

它是用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度，当模锻件沿轴向横截面相差较大时，用这种模膛进行拔长。

②滚压模膛。

用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。

它主要是使金属按模锻件形状分布。

③弯曲模膛。

对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛来弯曲坯料。

坯料可直接或先经其他制坯工序后再放入弯曲模腔内进行弯曲变形。

④切断模膛。

它是在上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属。

此外，尚有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。

根据模锻件的复杂程度，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。

6、金属在模膛内的变形过程
将金属坯料置于终锻模腔内，从锻造开始到金属充满模膛锻成锻件为止，其变形过程可分为三个阶段。

（1）第一阶段为充型阶段。

金属在外力作用下发生塑性变形，坯料高度减小，水平尺寸增大，并有部分金属压入模膛深处。

这一阶段直到金属与模膛侧壁接触达到飞边槽桥口为止。

如图3.3.2-4（a）。

在这一阶段模锻所需的变形力不大，变形力与行程的关系如图3.3.2-4（d）所示。

（2）第二阶段为形成飞边和充满阶段。

在继续锻造时，由于金属充满模膛圆角和深处的阻力较大，金属向阻力较小的飞边槽内流动，形成飞边。

此时，模锻所需的变形力开始增大。

随后，金属流入飞边槽的阻力因飞边变冷而急剧增大，这个阻力一旦大于金属充满模膛四角和深处的阻力，金属便向模膛圆角和深处流动，直到模膛各个角落都被充满为止。

如图3.3.2-4（b）所示。

这一阶段的特点是飞边完成强迫充填的作用。

由于飞边的出现，变形力迅速增大，见图3.3.2-4（d）中P1P2线。

（3）第三阶段为锻足阶段。

由于坯料体积总是不够准确且往往都偏多或者飞边槽阻力偏大，因而，虽然模膛已经充满，但上下模还未合拢，需进一步锻足。

这一阶段的特点是变形仅发生在分模面附近区域，以便向飞边槽挤出多余的金属，此阶段变形力急剧增大，直至达到最大值P3为止，见图3.3.2-4（d）中P2P3线。

由上可知，飞边有三个作用：强迫充填；容纳多余的金属；减轻上模对下模的打击，起缓冲作用。

影响金属充满模膛的因素有：
①金属的塑性和变形抗力。

显然，塑性高、变形抗力低的金属较易充满模膛。

②金属模锻时的温度。

金属的温度高，则其塑性好、抗力低，易于充满模膛。

③飞边槽的形状和位置。

飞边槽部宽度与高度之比（b/h）及槽部高度h是主要因素。

（b/h）越大，h越小，则金属在飞边流动阻力越大。

强迫充填作用越大，但变形抗力也增大。

④锻件的形状和尺寸。

具有空心、薄壁或凸起部分的锻件难于锻造。

锻件尺寸越大，形状越复杂，则越难锻造。

⑤设备的工作速度。

一般而言，工作速度较大的设备其充填性较好。

⑥充填模膛方式。

镦粗比挤压易充型。

⑦其他如锻模有无润滑、有无预热等。

7、模锻件结构技术特征
为了确保锻件品质，利于模锻生产和降低成本、提高生产率，设计模锻件时，应在保证零件使用要求时前提下，结合模锻过程特点，使零件结构符合下列原则：
（1）模锻零件必须具有一个合理的分模面，以保证模锻件易于从锻模中取出、敷料最少、
锻模制造容易。

（2）零件外形力求简单、平直和对称，尽量避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高筋、高凸起等结构，以便于金属充满模膛和减少工序。

（3）尽量避免有深孔或多孔结构。

（4）在可能的情况下，对复杂零件采用锻-焊组合，以减少敷料，简化模锻过程。