第九章 锻压加工

第九章锻压加工

第一节坯料加热与锻件冷却

一、锻压概述

锻压是利用外力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材或锻压件的加工方法。又称压力加工，包括锻造和冲压。

锻造按成型方式分为自由锻造、胎膜锻造和模型锻造。自由锻造按其所有设备和操作方式又可分为手工自由锻造和机器自由锻造。在现代工业生产中，机器自由缎以基本取代手工自由锻。

用于锻压的材料，应具有良好的塑性，以便在锻压加工时能产生较大的塑性变形而不破坏。常用的金属材料中铸铁性脆而不能进行锻压；钢和有色金属铜、铝等塑性良好，可以锻压。

金属材料经锻造后，内部组织更加致密均匀，强度和冲击韧性都有提高。所以，承受重载和冲击载荷的重要零件，多以锻件为毛坯。冲压件则具有强度高、刚度大、结构轻等优点。锻压加工是机械制造中的重要加工方法。锻造大型件，常以钢锭做坯料。缎中小件常以轧制的圆钢或方刚为原料，用剪切、锯割或氧气切割等方法截取所需坯料。冲压则多以薄板为原料，用剪床剪切下料。

锻造生产的基本过程是：下料——坯料加热——锻造——锻件冷却。

二、钢的加热规范

坯料加热的目的是为了提高金属的塑性，降低其变形抗力。但变形温度太高时，会产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至造成锻件报废，因此坯料加热必须严格遵守加热规范，以保证加热质量和节约能量。

1、坯料的分阶段加热

加热一般都分阶段进行，各个阶段分别取一定的加热速度，以保证在选定的时间内把坯料加热到所要求的温度。最常用的分段加热法是三段加热，其规范如下；

预热阶段目的是减少坯料截面的温度差，以避免因热应力而产生内裂纹。加热温度视钢种不同而异，一般为550～800℃。

升温阶段把坯料从预热温度加热到始锻温度后，在该温度下保持一段较长的时间，以使坯料温度沿截面的分布达到一致，并使其组织和成分分布一致，以避免发生不均匀变形。

2、加热温度

1）加热温度及影响因素

加热温度包括装炉温度、各区段温度和加热的最高温度。

钢料的装炉温度取决于钢种和坯料的几何尺寸。尺寸较小的碳钢和低合金钢的装炉温度一般不受限制；中合金钢坯的装炉温度一般为800℃左右；高速钢、高锰钢和高合金钢的装炉温度一般应低于600～700℃。

加热过程各区段的温度取决于钢种（特别是导热性）是几何尺寸。尺寸较大的中合金钢和所有的高合金钢都需要中间保温，以避免产生过大的热应力，并为下阶段较快的升温作好准备。

加热的最高温度即坯料的始锻温度、因钢种不同而异。可查阅更详尽的资料或文献。

2）加热温度的测定

锻造时金属的温度可用热电高温计、光学高温计、辐射高温计等仪表测定，但在现场锻工多用目测法来大致判断。

钢加热至530℃以上的高温后，在不同的温度下会发出不同颜色的光波（俗称“火色”，温度越高，则颜色越浅，亮度越强，火色随温度而变化的情况见下表。

钢在不同温度下的火色

有经验的加热工和锻工依据火色目测温度的误差约 20～50℃。

3、加热温度

加热速度即单位时间内炉温或料温升高的度数（℃/h）或单位时间内金属热透的厚度（mm/min）。允许的加热速度则是指坯料在加热过程中，为了不产生裂纹所允许的最大加热速度，其大小主要取决于加热过程中产生的热应力是否会造成内部裂纹的产生。一般来说，金属的导热系数和强度极限越大，坯料的截面尺寸、弹性模数和现膨胀系数越小，则允许的加热速度越大。碳钢的导热系数大于高合金钢而强度低于高合金钢，但综合影响的结果，碳钢产生的热应力远小于高合金钢，所以碳钢允许的加热速度快于高合金钢。

4、加热时间

加热时间即在保证加热质量和降低能耗的前提下，把坯料加热到所要求的加

热质量时，坯料在炉内停留的时间，即等于各区段的升温时间和保温时间的总和。影响加热速度的各个因素也影响加热时间的考虑。

总之，为了保证加热质量，将低能耗，应认真地考虑如下因素，以确定一个合理的加热规范：①坯料金属的化学成分及其导热性、强度、线膨胀系数等物理性能和机械性能；②坯料的几何形状和尺寸大小；③坯料合金的组织状态及其在加热过程中的可能变化；④合金坯料的原始状态，如是冷的还是热的，是铸锭还是已经变形过的坯料。

三、加热设备及其操作

锻造加热设备按其热源不同分为火焰炉和电炉两大类，下面分别予以介绍。

1、火焰炉

火焰炉系用煤、重油或煤气作燃料，直接利用燃烧热加热金属的加热设备，下面介绍两种火焰炉。

1）反射炉

反射炉是一种以煤为燃料的火焰炉，是中小批量生产的锻造车间的一种常用炉种。如车间实物所示，燃料室中煤燃烧产生的高温炉气越过火墙进入加热室加热坯料，加热室的温度最高可达1350℃左右。鼓风机提供的空气现经过换热器预热后在进入燃烧室，废气则经烟道排出，坯料的出入均经由炉门。

反射炉的操作应注意如下事项：①点火时应按木柴、煤焦和新煤的次序依次添加好燃料，然后先送小风量，待煤焦燃透后在加大风量；②坯料装炉时要按一定的顺序排序，并按先后顺序依次取出锻造；③装取坯料时应先开风门，后关炉门，并穿戴好劳动保护用品；④炉口至锻锤间的通道不得堆放各处物品以保持畅通；⑤传送工件时应贴近地面，不得抛掷传送，以防止伤人；⑥炉渣与炉内的氧化皮应及时清除。

2、重油炉与煤气炉

炉膛两侧均设有喷嘴，压缩空气和重油分别经管道送入喷嘴，压缩空气经喷嘴喷出时造成的负压将重油带出并喷成雾状以提高燃料效率。

煤气炉的结构基本上与重油炉相同，其主要差别在于喷嘴的结构不同。

2、电阻炉

箱式电阻炉利用电阻丝（带）通电时产生的热能来加热坯料。按其最高使用温度的差别可分为中温电炉（最高使用温度为1100℃、加热器为电阻丝）和高温电炉（最高使用温度为1600℃，加热器为硅碳棒）两种。电阻炉具有操作简便，温控准确，并可通入保护性气体控制炉内气体的组成以减少或防止坯料的氧化等优点，其主要缺点是耗电量大，成本较高，故主要用于高合金钢、有色金属的加热和精密锻造。