锻造工艺及模具技术期末考试综合复习.docx

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锻造工艺及模具技术期末考试综合复习

《锻造工艺及模具技术》考试复习

绪　论

一、锻造加工金属零件的优势

1.锻造的定义

锻造——借助工具或模具在冲击或压力作用下加工金属零件的方法

2.特点：

生产率高，锻件形状尺寸稳定、加工余量少，能消除内部缺陷和提高综合力学性能。

3.优势：

锻件韧性高、金属纤维组织合理、性能与内在质量稳定。

二、锻造方法分类、作用、应用范围

分类：

自由锻、模锻、特种锻。

作用：

提高生产率，降低成本，提高质量。

应用范围：

汽车、飞机、重机等有质量与特殊性能要求的零件。

第一章锻造用材料

锻造用材料：

主要有碳素钢、合金钢、有色金属及其合金

按加工状态分：

钢锭（大型锻件），轧材、挤压棒材和锻坯（中小型锻件）

1.1锻造用钢锭与型材

钢锭主要缺陷：

偏析——成分与杂质分布不均匀现象

夹杂——不溶于金属机体的非金属化合物（非金属夹杂物）

气体——残留在钢锭内部或表皮下形成的气泡

缩孔和疏松——钢液冷凝收缩形成的收缩空洞、晶间空隙和气体析出的孔隙

溅疤——浇注时钢液冲击模底飞溅并附着在模壁上的溅珠，与钢锭不能凝固成一体形成的疤痕锻造工艺在很大程度上可以消除上述缺陷，提高其综合力学性能。

型材主要缺陷：

表面缺陷——划痕、折叠、发状裂纹、结疤、粗晶环等

内部缺陷——碳化物偏析、非金属夹杂、白点等

上述表面缺陷应在锻前去除，内部缺陷则应避免。

第二章锻前加热

2.1锻前加热的目的及方法

目的：

提高金属塑性，降低变形抗力，增加可锻性，使金属易于流动成型，使锻件获得良好的锻后组织与力学性能。

方法：

1.燃料（火焰）加热

利用固体（煤、焦炭）、液体（重油、柴油）或气体（煤气、天然气）等燃料燃烧产生的热能加热。

燃料在燃烧炉内通过高温炉汽对流（650゜C）、炉围辐射（650～1000゜C）、炉底传导（1000゜C以上）等方式使金属锻坯获得热量而被加热。

2.电加热

将电能转换成热能对锻坯加热。

加热方式：

1）电阻加热

（1）电阻炉：

利用电流通过电热体产生热量加热（P14图2-1）

（2）接触电加热：

坯料接入电路利用自身电阻产生热量加热（P15图2-2）

（3）盐浴炉加热：

通过盐液导电产生热量加热（P15图2-3）

2）感应加热

感应器通入交变电流产生交变磁场，置于感应器中的锻坯内产生交变电势并形成交变涡流，进而通过锻坯的电阻产生的涡流发热和磁滞损失发热加热锻坯。

感应加热存在肌肤效应，电流密度大的表层厚度即电流透入深度：

（cm）

　　与电流频率f（Hz）、相对导磁率μ（居里点760℃以上μ=1）、电阻率ρ（Ω﹒cm）有关；

调整f的作用：

（P16）对不同直径坯料加热的影响。

感应加热分：

工频（f=50Hz），中频（f=50～1000Hz），高频（f>1000Hz）

2.2金属加热时产生的变化

1.氧化和脱碳

氧化——金属原子失去电子与氧结合生成氧化物的化学反应

结果导致：

形成氧化皮剥落

脱碳——钢料加热时，表层的碳和炉气中的某些气体发生化学反应，使含碳量降低的现象

结果导致：

表层变软，强度、耐磨性和耐疲劳性降低

2.过热与过烧

过热——金属加热温度过高，时间过长而引起晶粒过分长大的现象

导致结果：

组织发生变化，降低力学性能

过烧——金属加热接近其熔化温度并停留时间过长的情况

导致结果：

组织发生变化，强度、塑性下降，一锻即裂

3.导热性的变化

导热性——加热时，热量在金属内部的传播能力

（㎡/s）

与金属的导热系数λ、密度ρ和比热容C有关。

λ与α（热传播能力）随温度变化，在低温段碳钢λ与α高，高合金钢λ与α低，当温度达到约800～900゜C时趋近一致。

4.内应力和裂纹

温度应力——温度不均匀引起钢料不均匀膨胀而产生的内部应力

组织应力——金属相变造成组织比容变化（减小）不均衡产生的内部应力

当内应力（温度应力与组织应力叠加值）超过材料的强度极限会使之局部断裂而产生裂纹。

特别在钢料加热初期的600゜C之前，此阶段金属塑性低，内应力显著，一般应缓慢加热（特别是加热断面尺寸大和高合金钢锻件）。

2.3金属锻造温度范围的确定

锻造温度——始锻温度与终锻温度之间的一段温度区间

确定原则：

在锻造温度范围内，使金属具有较高的塑性和较小的变形抗力，锻件获得所希望的组织与性能。

确定方法：

运用合金项图、塑性图、抗力图、再结晶图等，从塑性、变形抗力和锻件的组织性能三方面综合分析确定，并在生产实践中验证、修改。

始锻温度：

较高则塑性↑、抗力↓，因而耗能↓、可变形量↑；但过高则锻件会产生氧化、脱碳、过热、过烧等。

终锻温度：

过高则晶粒继续长大↑，锻件力学性能↓；低于再结晶温度则锻件出现加工硬化，塑性↓、变形抗力↑、残余应力↑、开裂↑。

2.4加热规范

加热规范（加热制度）——锻坯从装炉开始到加热完毕对炉温和锻坯温度随时间变化的规定

加热规范采用时间-温度曲线来表示，如P25图2-15，主要有几个阶段

预热阶段：

规定装料时的炉温

加热阶段：

正确选择加热速度

均热阶段：

确定保温时间，保证锻坯温度均匀

2.加热速度

加热速度：

通常指锻坯表面温度升高的速度゜C/h。

最大可能的加热速度：

取决于炉子的结构、燃料种类、燃烧情况，即炉子的加热能力。

允许的加热速度：

受锻坯温度应力限制，取决于被加热材料的导热性、力学性和尺寸等。

低温阶段：

导热性好、断面尺寸小的材料（如碳钢、有色金属、直径小于200mm）可按最大可能的加热速度加热；导热性差、断面尺寸大的锻坯，则按允许的加热速度加热。

高温阶段：

均可按最大可能的加热速度加热。

温度头——炉温高出始锻温度之差值

作用：

提高温度头，是大幅度提高加热速度，缩短加热时间的有效方法，表2-7反映了效率提高的情况（高温下辐射传热效率与炉温的4次方相关）。

3.均热保温时间

保温目的：

减小锻坯内外温差

保温作用：

低温装炉温度下（特别在200～400゜C）：

防止蓝脆；

　　　800～850゜C下：

减小温度应力、组织应力；

　　　锻造（始锻）温度下：

使组织均匀化，提高塑性，减少锻造变形

原则：

热透就锻。

应尽量缩短高温（始锻温度）下的停留时间，防止锻坯氧化、脱碳、合金元素烧损等，

最小保温时间——锻坯断面温差达到规定均匀程度所需的最短保温时间

断面温差：

碳钢和低合金钢＜50～100゜C；高合金钢＜40゜C。

最大保温时间——防止锻坯高温下过热允许的最长保温时间

4.加热时间

加热时间——锻坯装炉后，从开始加热到出炉全过程所需的时间（包括各阶段的升温时间、保温时间之和）

第三章自由锻造工艺

3.3自由锻基本工序分析

1.镦粗——使坯料高度减小而横截面增大的成型工步

2.拔长——使坯料横截面减小而长度增加的成型工步

3.冲孔——采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工步

4.扩孔——减小空心坯料壁厚而使其外径和内径均增大的锻造工步

5.弯曲——将坯料弯折成规定外形的锻造工步

6.错移——将坯料的一部分相对另一部分平行错移开的锻造工步

第四章锤上模锻

4.1锤上模锻特点与应用范围

锤上模锻——借助上模向下的冲击作用，使金属在锻模模腔（模膛）中塑性流动充满模腔而形成锻件的工艺方法

4.2锤上模锻方式与变形特征

1.开式模锻

开式模锻——变形金属流动不完全受模具模腔限制的模锻方式

开式模锻金属变形分四个阶段：

a.自由变形或称镦粗变形。

金属处于较弱的三向压应力状态；

b.形成飞边。

压应力增强，金属分区域流动；

c.充满模腔。

飞边减薄，形成阻力圈，金属处于更强的压应力状态；

d.锻足或称打靠。

变形仅发生在分模面附近区域，压应力最大，应力应变近似薄件镦粗。

起重要作用的因素：

飞边槽的尺寸与形状，其作用有

1）形成足够大的水平方向阻力，使金属充满模腔，结构见P88图4-6。

2）缓冲捶击，提高锻模寿命；

3）容纳多余金属。

2.闭式模锻

闭式模锻——无飞边模锻

闭式模锻在变形过程中始终将金属封闭在模腔内，其变形过程分三个阶段，见P88图4-9：

a.基本成型。

金属开始变形到基本充满模腔，金属处于较弱三向压应力状态；

b.充满。

金属完全充满模腔，金属处于较强三向压应力状态，见P89图4-10；

c.形成纵向毛刺。

压应力进一步增大，利于锻合空洞、锻实疏松，但压应力过大易产生过大毛刺，损坏模腔。

实例见P89图4-11。

4.4模锻件设计

模锻件——适应模锻工艺的锻件

1.确定分模面

分模面——上下模或凸凹模的分界面（平面或曲面）

分模线——分模轮廓线（分模面）在视图平面上的投影

确定原则：

保证锻件形状与尺寸，容易脱模，尽可能镦粗成型。

结论：

必须选择在具有最大水平投影尺寸的位置上，如P93图4-13

2.确定机加工余量和公差

3）模锻件加工余量的确定

加工余量z与精加工的最小余量M，锻件最大错移量等形位公差m，表面缺陷（凹坑、脱碳）层深度h，锻件尺寸的下偏差值x有关。

3.模锻斜度

1）定义和作用

模锻斜度——为了使锻件易于从模膛（模腔）中取出，锻件与模膛侧壁接触部分需带的工艺斜度

作用：

利于从模腔中取出锻件。

原则：

锻件能顺利取出前提下，尽可能取小；

内斜度β比外斜度α大1级，见P99图4-26；

零件（锻件）设计在保证形状、功能前提下，合理设计较大自然斜度。

4.圆角半径

原则：

模锻件上所有转角处都要通过圆弧连接

作用：

金属易于流动充满模腔，避免锻件和模具转角处应力集中，提高锻件质量与模具寿命（P104图4-33、4-34）。

圆角半径r=零件原圆角半径+加工余量。

5.肋与腹板

肋（凸台）——自腹板向锻压行程方向凸起的部分

作用：

一般为加强结构或连接、支承结构。

形式：

周边肋、中心肋、正交肋、复合肋等，见P105图4-35。

腹板——连接肋或凸起部分的薄板状部分

形式：

无限制腹板，金属不受肋或凸起部分的阻碍，直接流向分型面；

　　　有限制腹板，金属受到肋或凸起部分的阻碍，不能自由流向分型面。

6.冲孔连皮

冲孔连皮——模锻件孔内保留的一层金属。

后续用切边压力机冲掉

7.模锻件图及锻件技术条件

锻件图——零件图+机加工余量、工艺余块或其他余量后绘制的图样。

P110图4-46是一个实例

特点：

锻件结构用粗实线表示；

零件外形（投影）用双点划线表示；

锻件基础尺寸与公差标在尺寸线上方；

零件基础尺寸注在尺寸线下方括号内。

技术条件：

作为文字说明，列出必要的技术要求等，见P109

（1）～（7）

4.5模锻变形工步的确定

模锻工艺的一般流程见P111图4-47，包括了下料、加热、模锻、切边、热处理、精压、检验等。

模锻工序是工艺过程中最关键的组成部分，包括三类工步：

1）模锻工步必有终锻工步，预锻工步则视情况（易折叠和难充满）而定；

2）制坯工步是制定模锻工艺的主要任务。

制坯工步及用途（P112表4-9）。

其作用：

改变毛坯形状，合理分配毛坯体积，以适应锻件截面形状与尺寸要求；

3）切断工步主要针对一料多件的切断。

1.圆饼类锻件制坯工步选择

一般采用镦粗制坯，应选择恰当的坯料直径d（

）和高度h（长度

），否则影响锻造成型效果。

例如：

套环类锻件的坯料直径应满足

＜

＜

，见P114图4-48，若选择不恰当，将出现如图所示的不良结果。

坯料高度h（长度

）则按体积确定。

2.长轴类锻件制坯工步选择

1）制坯工步

（1）直长轴：

采用拔长、滚压、弯曲、卡压、成型等；

（2）弯曲轴：

采用拔长、滚压、弯曲等，见P115图4-51；

（3）枝丫轴：

采用拔长、成型、预锻等，见P115图4-52；

（4）叉形轴：

采用拔长、弯曲或拔长、滚压、预锻等，见P116图4-53；

2）计算毛坯

基本步骤：

例如P116图4-54

（1）选具代表性的主视图；

（2）选具代表性（截面发生变化）的各截面计算截面积，

；

（3）以坐标高度代表截面积，

，平滑连接作截面计算图；

（4）截面计算图积分求总面积

，毛坯体积

；

（5）确定毛坯各截面直径

，绘制毛坯直径图；

（6）修正毛坯图，酌情调整

。

4.6坯料尺寸确定

2.圆饼类锻件

坯料体积：

，宽裕系数k=0.12~0.25（圆锻件）

坯料直径：

，应选标准规格圆钢

坯料长度：

4.8锤锻模模腔设计

一、模锻工步模腔设计

1.终锻模腔设计

终锻模腔（模膛）——模锻时最后成形用的模腔，和热锻件图上相应部分的形状、尺寸一致

1）热锻件图设计

热锻件图以冷锻件为依据。

不同点：

高度方向尺寸要以分模面为基准标注；所有尺寸要计算收缩率：

L=l（1+δ）。

2）飞边槽设计

飞边槽——在分模面沿模膛周边设置的、用于保证模腔（模膛）充满和容纳在成形过程中产生多余材料的凹

槽，由飞边桥和飞边仓组成

飞边桥——飞边槽中和模腔（模膛）紧相连的间隙面，多余金属越过该间隙面挤出而形成飞边，可产生阻力

使金属充满模膛

飞边仓——围绕着飞边桥外周的凹槽，用于容纳多余的金属材料

3）钳口

钳口——为了便于夹持锻坯，取出锻件，在模膛的出口处设置的凹腔

2.预锻模腔设计

预锻模腔——预锻工序使用的模腔（模膛）

预锻的目的：

在终锻前进一步分配金属。

预锻模腔一般与终锻模腔布置在同一模块上，所以可能造成偏心打击，锤杆寿命降低，上下模错移，模块尺寸增大，生产效率降低等。

但锻件质量有要求仍需采用。

二、制坯工步模腔设计

制坯模腔——按锻件变形要求，对坯料体积进行合理分配的模膛，可分为镦粗台、压扁台、拔长模膛、

滚压模膛、卡压模膛、弯曲模膛等

1.拔长模腔设计

拔长模腔——使坯料某部分长度增加横截面减小的模膛

作用：

使坯料局部截面积减小，长度增加，兼清除氧化皮

组成：

坎部、仓部、钳口，一般设在模块边缘

2.滚压（滚挤）模腔设计

滚压模腔——用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的面积，使坯料体积分配符合锻件轴向分布要求的模腔（模膛），坯料在该模腔内成型时要反复翻转90︒

作用：

减小毛坯局部横截面积，增大另一部分横截面积，使之沿轴向分配符合计算毛坯要求，有少量拔长，兼滚光和去除氧化皮

3.卡压模腔设计（压肩模腔）

卡压模腔——使坯料局部高度略为减小，而宽度增加，头部得到少量聚料的模膛，坯料在该模膛内只锤击一次

作用：

类似滚压（减小毛坯局部横截面积，增大另一部分横截面积），不同是毛坯在模腔中只捶击一次，稍减少毛坯局部高度，增大宽度，使头部金属得到少量聚积，改善终锻时金属流动，获得更佳终锻效果。

4.弯曲模腔设计

弯曲模腔——使坯料弯曲成与锻件水平投影形状相近似的模腔（膛）。

其坯料应翻转90︒放到下一模膛中去。

作用：

改变原材或经拔长、滚压后坯料的轴线，使其符合锻件投影相似形状。

弯曲时金属流动少，无聚料作用，但个别截面处有卡压作用

5.成型模腔设计

　　成型模腔——类似滚压或卡压模腔，使坯料获得近似锻件平面图形状的模腔。

其坯料应翻转90︒放到下一模膛中去。

　　作用：

多用于成型形状不对称锻件制坯。

6.镦粗台和压扁台设计

镦粗台——为镦粗坯料而在锻模局部设置的平台，兼有去除坯料氧化皮的作用。

见P145图4-94

压扁台——为压扁坯料而在锻模局部设置长方形平台，兼有去除坯料氧化皮的作用。

见P145图4-95

作用：

减小毛坯高度尺寸，增大水平尺寸，以利下一工步充满模腔，防止折叠；同时还可压出凹坑，以适应后续锻造的要求。

锁扣——为了防止锻锤打击时产生错移而在上、下模加工出的凸凹相配的凸台和凹挡。

见P146图4-96

7.切断模腔设计

切断模腔——将锻件或工艺料头从棒料上剪断的模腔（模膛）。

见P146图4-97

作用：

当一段棒料模锻多个锻件时，以切断已锻成的锻件或工艺料头。

4.9锤锻模结构设计

锤锻模——在模锻锤上使坯料成形为模锻件或其半成品所用的模具

设计内容：

模腔分布排列、模腔壁厚、模块尺寸、锁扣等。

锻模多为整体结构。

1.模腔布置排列

原则：

操作方便；模腔中心与锻模中心（打击中心）重合；尽量减小模块尺寸

模腔（模膛）中心——终锻或预锻时金属变形抗力（合力）的作用点

锻模中心——锤锻模的燕尾中心线与键槽轴线的交点，它与锤杆中心线必须重合。

参见P147图4-98

锻模模块——模锻时承受某一变形工步全部锻击力并带有工作部分的模具主体，一般分为上模和下模

1）只有终锻模腔的布置

布置原则：

作为单模腔锻模，模腔在模块上的布置，应当尽量使模腔中心与锻模中心、模块中心重合。

见P147图4-98。

2.模腔壁厚

模壁厚度——模腔（模膛）至模具侧面的壁厚及模腔之间的壁厚。

一般是根据模腔深度、模壁斜度、模腔底

部的圆角半径以及模腔在分模面上的形状来确定的

设计原则：

保证模壁厚度有足够的强度、刚度，同时尽可能减小模块尺寸

3.错移力的平衡和锁扣的设计

错移力产生原因：

分模面为非对称斜面或曲面锻模中心（打击中心）与模腔中心偏移量较大

通过锻模结构平衡错移力：

1）锻件斜放如P152图4-114，条件是H＜15，γ≤7°

2）设置锁扣如P153图4-115，使上下模块相互锁住

3）锻件斜放并设置锁扣如P153图4-116，条件是H＞50，h可相应小些

4）模腔对称排列如P153图4-117，适用于较小锻件

导向锁扣——为保证锻件精度或方便锻模装调设置的锁扣

4.模块尺寸及要求

一、整体模模块尺寸

1）承击面

承击面——上、下锻模接触的表面

承击面面积为模块分模面面积减去非直接接触的面积，如型腔、飞边槽、锁扣、钳口等。

2）锻模中心（打击中心）与模块中心的偏移值

设有预锻或制坯模腔时，允许的偏移值a≤0.1A，b≤0.1B，见P155图4-120。

4）模块高度

锻模总高取决于模腔最大深度和锻锤最小闭合高度，见P156图4-22。

即锻模总高

应不小于锻锤最小闭合高度

，通常

=（1.35～1.45）

。

　　6）模块质量

为保证锤头运动性能，上模块最大质量要限制在锤头吨位的35%之内。

7）锻模检验角

检验角——在锻模上加工出相互垂直的两个侧面，是模膛加工的划线基准，也是上、下模对模的基准

8）模块技术条件（技术要求）

（1）锻造比

锻造比　——　锻造前的原材料（或预制坯料）的截面积与锻造后的成品截面积的比值。

在国家标准《模锻锤和大型机械锻压机用模块技术条件》GB/T11880中规定：

用钢锭制造模块必须镦粗，镦粗比≥2，锻造比≥3；电渣锭要求锻造比≥2。

（2）流线方向——与锻模寿命有关，锤锻模快的纤维方向不能与打击方向平行。

见P157图4-124、图4-125。

（3）冒口——对于整体铸钢模块，要求冒口所在面为燕尾面。

如P157图4-126。

（4）堆焊层——铸钢堆焊模腔，要求堆焊层厚度＞15mm。

如P157图4-126。

5.锤锻模加工精度和表面质量

在上述GB/T11880中有如下规定：

模块尺寸的极限偏差

高度方向：

为h的+4%；

长度和宽度方向：

b、l＜600mm为b、l的+3%~﹣1%；

b、l≥600mm为b、l的+2%~﹣1%。

模块的角度公差：

＜5º；

圆角半径：

＜10mm。

6.锤锻模的紧固方式

紧固方式：

楔铁、定位键块配合燕尾槽，见P160图4-132。

4.12锤锻模的失效形式延寿途径

1.失效形式：

1）破裂

冲击破裂：

冲击载荷超过模具材料的强度极限，往往发生在应力集中处；

疲劳破裂：

在交变冲击载荷下，交变应力使应力集中处的微裂纹逐渐扩展。

2）热裂纹——模腔表层的交变温度应力引起疲劳裂纹。

3）磨损——金属在模腔内流动导致尺寸增大和表面沟痕。

4）塑性变形——模腔局部温度升高，强度下降，引起变性或坍塌。

2.延寿途径

1）材质控制——保证合理的材质选择，符合GB/T11880中对缺陷和夹杂物的控制规定。

2）锻模设计——注意避免应力集中、模腔壁厚充分、飞边槽尺寸合理和模块纤维方向不与打击方向平行等。

3）热处理与表面强化——通过合理的热处理与表面强化工艺，提高模块的基体强韧性、热稳定性和表面硬度、耐磨、耐蚀、抗粘结等性能。

第九章模锻后续工序

9.1切边与冲连皮

1.切边和冲连皮方式与模具类型

切边和冲连皮通常由切边压力机和切边模、冲孔模配合完成，见P243图9-1。

热切、热冲：

大中型锻件、高碳钢、高合金钢（之后须热校正、热弯曲）

冷切、冷冲：

小型锻件、低碳钢（含碳量小于0.45%）、低合金钢。

切边模——切除锻件飞边的模具。

冲孔模——切除孔内连皮等使锻件具有透孔的模具。

切边、冲孔模分简单模、连续模和复合模。

简单模为单工步模，如P243图9-1；

连续模可在一付模具上分别进行切边和冲孔两个工步操作，见P244图9-2。

复合模可在压力机一次行程中同时完成切边和冲孔操作。