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1、2018/9/16,1,主讲：郭丽丽 材料科学与工程学院,2018/9/16,2,提问：谈谈大家对锻造生产的认识？,锻造工艺与模具设计科学是直接为生产服务的一门学问。,FORDGING PROCESS TECHNOLOGY,DIE DESIGN,ENGINEER,2018/9/16,3,塑性加工的重要性,曲轴,横梁,没有锻件，就没有这个多彩的世界。,2018/9/16,4,锻造工业,在国民经济生产和国防建设中，锻压行业是不可缺少的重要部分，它为各种机械产品和军工装备生产各种重要基础零件。,其中凡是负载大的受力件和传递动力的运动件，在高温、高压下工作的重要零件，都是采用金属材料经压力加工成形的锻
2、件。,锻件的质量直接决定主机的性能、整机质量、使用寿命、安全性和可靠性。,2018/9/16,5,第一章 概 述,1.1 锻造生产1.2 锻造生产的发展过程1.3 锻造技术发展的未来,2018/9/16,6,1.1 锻造生产,锻造的目的是使坯料成形及控制其内部组织性能达到所需几何形状、尺寸以及品质的锻件。一般铸件的内部组织和力学性能不如锻件。锻件的复杂程度不如铸件。 比较重要的零件都选用锻造工艺过程生产。,2018/9/16,7,冷镦、冷挤压、冷精压件（锻件）可以不需机械加工或少量机械加工而直接装机使用。锻压件分自由锻件、模锻件、挤压件、冲压件、旋压件、粉锻件、封头成形件等。按所用的工具不同，
3、锻造可分为自由锻和模锻两大类。,2018/9/16,8,自由锻（open die forging）只使用简单工具利用上下砧直接使坯料成形。 自由锻造所用工具和设备简单，通用性好，成本低。 锻件形状简单，操作灵活。 因此，它在重型机器及重要零件的制造上有特别重要的意义。自由锻造是靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸的，所以锻件精度低，加工余量大，劳动强度大，生产率也不高，因此它主要应用于单件、小批量生产。 模锻（close die forging）是利用模具使坯料成形。 模锻件尺寸精度高，机械加工余量小，锻件的纤维组织分布更为合理，可进一步提高零件的使用寿命。模锻生产率高，操作简单，容易实现机械化和
4、自动化。但设备投资大，锻模成本高，生产准备周期长，且模锻件的质量受到模锻设备吨位的限制，因而适用于中、小型锻件(一般150 kg)的成批和大量生产。,2018/9/16,9,原则上任何一种金属材料都可用锻造方法制成锻件或零件。随着锻造工业的发展，锻件的精度和表面粗糙度逐步达到了车床、铣床加工的水平。特别是粗糙度，有的精锻件甚至超过磨削加工水平。,锻件的精度,用精密模锻制造出物美价廉的产品是各汽车公司的杀手锏,2018/9/16,10,精锻件图例,锻件的精度,2018/9/16,11,随着大型水压机的出现，自由锻件单件质量达300350吨以上，如大型吊钩等。模锻件的外径达1000mm以上。重庆某
5、厂有特大型锻压设备350MN (35000吨)水压机。这种特大型水压机可以用来压制飞机零件如翅膀、起落架等。,锻件的尺寸规模,2018/9/16,12,为了发挥锻造业的优势，增大每一品种的生产量，为集中生产和专门化生产创造条件，要按照相似的设计要求和制造条件对各种各样的锻件进行科学分类并使之规格化和标准化。将分散的锻造厂（车间）相对集中，组合成地区性专门化锻造中心(如有关轴承、齿轮、曲轴、连杆、叶片、轮盘、标准件的锻造中心)， 建立机械化、自动化程度高的锻造生产线或生产车间，采用专门的锻压设备和模具装置， 按科学合理的工艺流程安排自动化生产相类似的锻件组合，甚至可以综合生产布局包括热处理和机械
6、加工等其它后续工序组成的生产线。,专门化大量生产有利于采用净形和近似净形加工（net shape or near net shape) 新技术，设备和工艺，促进技术改造，有效提高生产率和材料利用率。,2018/9/16,13,不仅锻压设备应当通用，而且工具、模具也应当做到通用。 压力机更适应精锻工艺。 压力机模锻替代锤上模锻，更易于实现机械化、自动化连续生产。,锻造加工的通用设备 油压机 模锻锤 曲柄压力机 摩擦压力机 热模锻曲柄压力机 无砧座锤等,2018/9/16,14,2018/9/16,15,早在3000多年前，我国劳动人民就已熟练地应用锻造方法制造生产工具和各类兵器。河北藁城出土商代
7、遗址中有兵器、金丝、金箔。锻造技术早在几千年前就被人们所掌握。到了近代,随着工业革命的进行,锻造技术才真正有了长足的发展。1842 年内史密斯发明了双作用锤,1860 年,哈斯韦尔发明了第一台自由锻水压机。这些设备的出现标志着锻压技术成为一门具有影响力的学科的开始。 1864 年和 1913 屈雷斯加和密席斯先后发现了金属进行塑性变形的条件,即屈服准则。此后许多学者对金属塑性变形进行了详细的理论研究,其中较为著名的是苏联学者古布金较为全面、系统的论述了压力加工原理,从而奠定了压力加工学科的理论基础,锻造生产的发展过程,传统工艺 process+ 理论 theory,科学技术 *technolo
8、gy,2018/9/16,16,1.2 锻造生产的材料利用率,国内外大多数锻件仍处于毛坯生产阶段，材料利用率只有40%50%。 自由锻件大部分金属变为切屑。用钢锭生产的自由锻件，有25%33%金属作为冒口和底部切除。 模锻件也由于带有机械加工余量，毛边工艺用料和热损耗等，材料利用率50%左右。,2018/9/16,17,模锻件由于带有机械加工余量、毛边工艺辅料，以及加热火耗等，材料利用率一般在50%左右。模锻流程是指生产一个锻件所经过的模锻生产过程，一般指备料、加热、模锻切边、冲孔、热处理、酸洗、清理、校正。,2018/9/16,18,模锻件占的比重说明了一个国家生产水平、生产率、材料利用率、
9、生产成本及产品品质在国际竞争中的地位。20世纪50年代，前苏联模锻件58.5%,60年代，65.2% 20世纪末，美国模锻件占锻件总质量的78.6%日本86.2%，德国81.9%。我国60%。上一世纪50年代末至60年代初，中国制造成功了万吨水压机（上海江南造船厂）和各种类型的锻压机械。,1 东北的第一重机厂(15000t投）。 2 西南的第二重机厂(12000吨1台)（16000T已经调试好）3150T 3 华东的上海重机厂(12500吨1台) 4 重庆大型水压机（35000 T）,2018/9/16,19,热锻，温锻，冷锻性能比较表,温锻是室温以上再结晶温度以下700-850 。热锻是再结
10、晶温度以上850-1250 。,2018/9/16,20,汽车、摩托车工业的发展，大大促进了我国精锻技术的发展。一般的冷、温精锻采用国产设备是可行的。当挤压件的产量在10万件以上，品种有2到3个时，投资购买冷挤压设备就会有较大的经济效益。,2018/9/16,21,我国开发热精锻、冷锻和温锻技术的一些典型应用实例：,美国伊顿公司的精齿轮锻件100万种， 尺寸公差达到0.03-0.05,精锻技术是先进制造技术的一部分,汽车差速器齿轮,精度IT8,2018/9/16,22,温冷挤压汽车万向节外套,尺寸误差达到0.05-0.08mm,可直接装机使用。,2018/9/16,23,汽车精密冷锻件和冷挤压
11、轴类锻件,日本和德国的一辆汽车上开发应用冷锻件达到40-50kg, 我国汽车约有30kg左右的冷锻件。,汽车重量为 1.2-1.5t,2018/9/16,24,汽车的轻量化促使轻合金材料的应用迅速增长。 在欧洲每辆轿车使用的铝合金材料达到100kg，约占 8%。同时也促进了精密成形技术的新进展。镁合金小汽车。,控制成型技术复杂形状零件的无切削和少切削加工， 提高材料利用率和生产效率。,2018/9/16,25,北京机电研究所于1998年开发成功“控制成形” (Flow Control Forming-简称FCF)技术并应用于汽车空调涡旋压缩机涡旋盘和汽车安全气囊气体发生器等复杂精密铝合金零件(
12、如下图)的批量生产。,复动 (闭塞)锻造工艺过程是先进的精锻技术之一，与传统的锻造方式不同。它不是通过模具直接锻打坯料成形，而是在封闭的模具型腔内，通过冲头单向或双向复动挤压成形。,其他新技术的出现,2018/9/16,26,汽车空调涡漩压缩机蜗旋盘和安全气囊气体发生器,控制成形技术,2018/9/16,27,前轴的精密辊锻-整体模锻生产过程：,生产线布置鸟瞰湖北谷城车桥有限公司,2018/9/16,28,25MN( 2500吨)螺旋压力机弯曲终锻成形,1000mm自动辊锻机精密成型辊锻,2018/9/16,29,精密辊锻-整体模锻各道工艺过程的产品,2018/9/16,30,20世纪70年代
13、，南京航空学院的锌铝合金有色金属超塑性成形，洛阳工学院的碳钢等黑色金属甚至模具钢的超塑性成形，北京机电研究所和兵器工业第五九研究所等单位的超塑性成形，都取得了一定的成绩。,加热，成形和精整三种设备构成模锻生产机组，最简单的为加热炉，模锻锤，切边压力机的组合。,2018/9/16,31,从上一世纪70年代开始，国内有不少单位开展摆动辗压研究，如哈尔滨工业大学、武汉理工大学、清华大学、中国兵器工业第五九研究所等。2005年“汽车摩托车齿轮类零件冷摆辗精密成形关键技术及应用”项目获国家科学技术进步奖二等奖。,2018/9/16,32,温锻较热锻可获得较高精度的锻件，如外星轮三销套温锻-冷精整成形自动
14、化生产线，30CrMnSiNi2A超高强度钢壳体零件温挤压-冷变薄拉深生产线。,2018/9/16,33,粉末锻造工艺过程能提高粉末冶金件的密度，大大提高了粉末件的抗拉强度。用板料毛坯代替体积毛坯的锻造工艺过程也在发展之中。,2018/9/16,34,锻造工艺过程飞速发展的同时也大大促进了锻压设备的发展。锻压成形所使用的设备应具有良好的刚性、良好的可靠性和稳定性，对生产工序要能自动监控和具备检测功能，要有精密的导向机构，等等。,2018/9/16,35,摩擦压力机是我国20世纪的主要锻压设备。20世纪50年代国内出现了热模锻压机，70年代中国第二汽车制造厂用它完全取代了模锻锤。,2018/9/
15、16,36,1.3 锻造技术发展的未来,1.3.1 数字化塑性成形技术锻造技术发展的未来是锻造技术数字化。发达国家重视锻造业的发展，不仅着眼于锻造业在本国工业产值中所占比例、对国民经济的贡献、就业安排，而且更重视锻造行业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质技术，把锻造行业看成是经济高级化不可缺少的战略性产业。,2018/9/16,37,数字化主要体现在对锻造过程和产品品质、成本、效益的预测和可控程度。化学成分，力学性能和微观组织数据。 实用中已对汽车发动机连杆精密锻造、汽轮机和压缩机叶片辊锻模锻的工艺过程和模具设计制造应用了CADCAM一体化技术，如下图所示。,2018/9/16,38,
16、汽车发动机连杆精密锻造开发了CAD/CAM 一体化技术,2018/9/16,39,计算机辅助设计系统（CAD）和辅助制造系统（CAM）结合，便构成了自动控制集成系统，即由计算机控制的自动化信息流对锻件的工艺过程设计、锻模的机械加工、装配、检验和管理进行连续处理，并且发展到以它为中心的锻件、锻模设计制造和锻造过程模拟(CAE)一体化的自动控制系统。锻造过程模拟技术(CAE)亦称锻造工艺过程虚拟制造技术或锻造过程的计算机辅助工程分析。以物理模型为基础。形象显示各种工艺的材料形状，轮廓尺寸和内部组织的发展变化情况。,2018/9/16,40,锻造过程模拟技术(CAE)丰富了塑性成形机理的研究手段，使塑性成形向智能化方向发展，为锻模的设计制造提供了科学基础，改善了锻造工程师的工作环境，节省了试制费用和设计时间，缩短了产品研发周期，改进和提升了传统锻造工艺过程及模具设计水平。,2018/9/16,41,在实际应用中采用三维模拟技术，对涡旋盘流动控制成形过程进行的模拟，如下图：,图1.11 涡旋盘控制成形（FCF）工艺过程的三维模拟,
