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1、机械制造基础,第三章,第一节 金属的加热与锻件的冷却 第二节 自由锻造 第三节 锤上模锻和胎模锻 第四节 轧制、挤压、拉拔和旋压工艺 第五节 锻造新工艺、新技术简介,第三章 锻造,锻造是利用外力使坯料(金属)产生塑性变形,获得所需尺寸、形状及性能的毛坯或零件的加工方法,是机械制造中毛坯生产的主要方法之一。 锻造的生产方式如图1-3-1所示。锻造按成形方式分为自由锻造和模样锻造。 图1-3-1 锻造生产方式 a)自由锻造 b)模样锻造,锻造,锻造,锻造与铸造生产方式相比,其区别在于: 1)锻造所用的金属材料应具有良好的塑性,以便在外力的作用下,能产生塑性变形而不破裂。常用的金属材料中,铸铁的塑性
2、很差,属脆性材料,不能用于锻造。钢和有色金属中的铜、铝及其合金等塑性好,可用于锻造。 2)通过锻造加工能消除锭料的气孔、缩松等铸造组织缺陷,压合微裂纹,并能获得较致密的结晶组织,可改善金属的力学性能。 3)锻造加工是固态成形,对制造形状复杂的零件,特别是具有复杂内腔的零件较困难。 金属材料经锻造后,内部组织更加致密、均匀,可用于加工承受载荷大、转速高的重要零件。,第一节 金属的加热与锻件的冷却,一、金属的加热 金属坯料锻造前,为提高其塑性,降低变形抗力,使金属在较小的外力作用下产生较大的变形,必须对金属坯料加热。锻造前对金属坯料进行加热是锻造工艺过程中的一个重要环节。,第一节 金属的加热与锻件
3、的冷却,1.锻造温度范围 金属锻造时,要有一定的温度范围。 允许加热到的最高温度称为始锻温度。始锻温度过高会使坯料产生过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷,造成废品。 锻造过程中,坯料温度不断下降,塑性也随之下降,变形抗力增大,当降到一定温度时,不仅变形困难,而且容易开裂,此时必须停止锻造,或重新加热后再锻。停止锻造的温度称为终锻温度。 金属的始锻温度和终锻温度之间的一段温度间隔,称为金属的锻造温度范围。金属的锻造温度范围大,可以减少加热次数,提高生产率,降低成本。锻造温度范围取决于坯料金属的种类和化学成分,第一节 金属的加热与锻件的冷却,2.加热设备 锻造加 热炉种类很多,按所用热源不同,锻造加热炉
4、可分为火焰加热炉和电加热炉。一般中、小型工厂常用反射炉和电阻炉加热金属坯料。 1)反射炉 反射炉是采用固体燃料燃烧产生火焰来加热坯料的,称为火焰加热炉。图1-3-2所示为反射炉结构示意图。燃料在燃烧室内燃烧,生成的炉气经火墙进入炉膛加热坯料。这种加热炉炉膛面积大,温度均匀,一般可达1350左右,故加热质量好,生产率高,适用于中、小批量生产。 (2)电阻炉 电阻炉的核心元件是电阻发热体,电阻加热是利用电流通过电热元件时产生的电阻热间接加热坯料的。炉子通常制成箱形,如图1-3-3所示,一般分为:中温电炉,其电热元件为电阻丝,最高使用温度为950,用于加热有色金属及其合金的小型锻件;高温电炉,其电热
5、元件为硅碳棒,最高使用温度为1350,用于加热高温合金及高合金钢的小型锻件。电阻炉结构简单,炉温及炉内气氛容易控制,氧化性较小,但电能消耗大,成本较高。,第一节 金属的加热与锻件的冷却,(2)电阻炉 电阻炉的核心元件是电阻发热体,电阻加热是利用电流通过电热元件时产生的电阻热间接加热坯料的。炉子通常制成箱形,如图1-3-3所示,一般分为:中温电炉,其电热元件为电阻丝,最高使用温度为950,用于加热有色金属及其合金的小型锻件;高温电炉,其电热元件为硅碳棒,最高使用温度为1350,用于加热高温合金及高合金钢的小型锻件。电阻炉结构简单,炉温及炉内气氛容易控制,氧化性较小,但电能消耗大,成本较高。,第一
6、节 金属的加热与锻件的冷却,图1-3-2 反射炉结构示意图 1一次送风管 2水平炉箅 3燃烧室 4二次送 风管 5火墙 6加热室(炉膛) 7装出料炉门 8鼓风机 9烟囱 10烟道 11换热器,图1-3-3 箱式电阻炉结构示意图 1装出料炉口 2电热体 3加 热室 4脚踏传动装置,第一节 金属的加热与锻件的冷却,冷却对锻件质量有重要的影响。为使锻件各部分的冷却收缩较为均匀,防止表面硬化、变形和裂纹,锻件不宜冷却太快。其冷却方式有三种: 1.空冷 锻件锻后置于无风的空气中,放在干燥的地面上冷却。此方法适用于中、小型的低、中碳钢及合金结构钢的锻件。 2.坑冷 锻件锻后置于充填有石棉灰、砂子或炉灰等绝
7、热材料的坑中冷却。此方法适用于合金工具钢锻件。碳素工具钢锻件应先空冷至650700后再坑冷。 3.炉冷 锻件锻后放入500700的加热炉中,随炉缓慢冷却。此方法适用于高合金钢及厚截面的大型锻件。,第二节 自 由 锻 造,自由锻造是利用冲击力或压力,使加热的金属坯料在上、下砧块之间产生塑性变形,以获得所需锻件的加工方法。由于金属坯料在砧块平面之间能够自由移动,故称为自由锻造。 自由锻造分为手工自由锻造和机器自由锻造两种。手工自由锻造只能生产小型锻件,效率低。机器自由锻造能生产各种尺寸的锻件,效率较高,是目前工厂普遍采用的自由锻造方法。,第二节 自 由 锻 造,一、自由锻造设备空气锤 空气锤是生产
8、中、小型锻件的通用锻造设备,在生产中应用最为广泛。 空气锤的外形结构及工作原理如图1-3-4所示。电动机7经齿轮减速机构6带动曲柄转动;连杆16推动压缩活塞15在压缩缸2内作上下往复运动,将空气压缩;控制上、下旋阀17、18,可使压缩空气交替进入工作气缸1的上部或下部空间,推动工作气缸内的工作活塞14连同锤杆8和上砧块9一起上下运动,以实现对金属坯料的锻打。,第二节 自 由 锻 造,通过操纵手柄4或脚踏杆13控制旋阀3的位置,可使锤头实现上悬、连续打击、单击、下压及空转等动作。锤头的行程和锤击力的大小可通过改变旋阀转角的大小来控制。 空气锤的下砧块10通过砧垫11固定在砧座12上。 空气锤的规
9、格以落下部分即工作活塞、锤杆、上砧块的质量表示,也可称为锻锤的吨位。国产空气锤的规格为40750kg,空气锤产生的打击力约为落下部分质量的1000倍,可以锻造的质量范围为2.584kg的小型锻件。,第二节 自 由 锻 造,图1-3-4 空气锤的外形结构及工作原理 1工作气缸 2压缩缸 3旋阀 4手柄 5锤身 6齿轮减速机构 7电动机 8锤杆 9上砧块 10下砧块 11砧垫 12砧座 13脚踏杆 14工作活塞 15压缩活塞 16连杆 17上旋阀 18下旋阀,第二节 自 由 锻 造,二、自由锻造的基本工序 自由锻造时,锻件的形状是通过一些基本变形工序将坯料逐渐锻造而形成的。自由锻造的基本工序有镦粗
10、、拔长、冲孔、弯曲、扭转、错移、切断等,其中以前三种工序应用最多。 1.镦粗 镦粗是使坯料高度减小、横截面增大的锻造工序,用于锻制齿轮坯、法兰等圆盘工件,也可作为冲孔前的预备工序,以减小冲孔深度。,第二节 自 由 锻 造,镦粗分为完全镦粗和局部镦粗两种,局部镦粗又分为端部局部镦粗和中间局部镦粗两种,如图1-3-5所示。 图1-3-5 镦粗种类 a)完全镦粗 b)端部局部镦粗 c)中间局部镦粗,第二节 自 由 锻 造,为了保证镦粗的顺利进行,应注意以下几点: 1)坯料必须是圆形截面,否则易使锻件表面形成夹层,如图1-3-6所示。 2)坯料不能太长,坯料高度与直径之比应小于2.5,否则容易镦弯,如
11、图1-3-7所示。 3)锤击力要足够,为此除选择足够吨位的锻锤外,还应使坯料的高度不大于锤头最大行程的0.70.8倍,否则锻件容易产生细腰形、夹层,如图1-3-8所示。 4)坯料表面不得有凹孔、裂纹等缺陷。 5)坯料加热温度要高且均匀,其端部要平整并与轴线垂直,镦粗时要不断地绕中心线转动,以便获得均匀的变形,而不致镦偏或镦歪。,第二节 自 由 锻 造,图1-3-6 方形截面镦粗 图1-3-7 镦弯 图1-3-8 细腰形和夹层 a)细腰形 b)夹层,第二节 自 由 锻 造,2.拔长 拔长是使坯料横截面减小、长度增加的锻造工序。它用于锻制轴类或长筒形等工件。拔长和镦粗两工序相结合,可作为改善坯料内
12、部组织、改善锻件力学性能的预备工序。 拔长时应注意以下几点: 1)应不断翻转坯料,使坯料截面经常保持近于方形,如图1-3-9所示。 2)应控制适当的送进量和压下量。送进量不得小于单面压下量的1/2,如图1-3-10所示。 3)每次拔长后,锻件的宽度与高度之比应小于2.5,以保证下次拔长。 4)局部拔长时,必须先压肩,然后再拔长,以获得平整的过渡部分。,第二节 自 由 锻 造,图1-3-9 拔长过程 a)锻件的翻转方法 b)圆料拔长方法,图1-3-10 拔长中的送进量和压下量,第二节 自 由 锻 造,3.冲孔 冲孔是用冲头在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。冲孔的基本方法有: 1)实心冲头冲孔,
13、用于长度小于450mm的通孔。实心冲头冲孔可分为单面冲孔和双面冲孔,如图1-3-11所示。 2)空心冲头冲孔,用于长度大于450mm的通孔。冲孔时,冲孔头部要不断蘸水冷却,以免受热变软。 冲孔常用于生产齿轮、套筒和圆环等锻件。,第二节 自 由 锻 造,图1-3-11 冲孔 a)单面冲孔 b)双面冲孔,三、自由锻造锻件结构工艺性及锻件图,1.自由锻造锻件结构工艺性 设计自由锻造锻件时,除应满足使用性能要求之外,还须考虑锻件成形的特点。由于受设备工具的限制,锻件结构不宜复杂。许多在铸造时是合理的零件结构,在自由锻造时则不一定合理,因此在设计自由锻造锻件时,应考虑结构工艺性的要求,使锻件结构合理,达
14、到方便锻造、节约金属、保证锻件质量和提高生产率的目的。,三、自由锻造锻件结构工艺性及锻件图,2.锻件图的绘制 零件图不能直接用于锻造生产,必须按照自由锻造工艺特点绘制锻件图。锻件图是根据零件图并考虑敷料、机械加工余量和锻造公差等因素绘制而成的,如图1-3-12所示。 (1)敷料 为了便于锻造,需要简化锻件形状。零件上某些难以锻出或虽能锻出但经济上不合理的部位(如凹台、台阶、凸肩、法兰和内孔等),可增加一部分金属而不予锻出,这部分金属称为敷料或余块。 (2)确定加工余量和锻件公差 由于自由锻造的精度和表面质量较差,一般均需进一步切削加工,故表面应留有加工余量。锻件的公差是指锻件公称尺寸的允许误差
15、。锻件的加工余量和公差的大小及零件的形状、尺寸等因素有关,其具体数值可根据经验或查表确定。,三、自由锻造锻件结构工艺性及锻件图,锻件图的画法如图1-3-12所示。锻件的外表用粗实线表示,零件和外形用双点画线表示。锻件的公称尺寸与公差标注在尺寸线的上面,零件的公称尺寸标注在尺寸线下面的括号内。 图1-3-12 锻件图,三、自由锻造锻件结构工艺性及锻件图,3.自由锻造锻件工艺实例,三、自由锻造锻件结构工艺性及锻件图,表1-3-1 自由锻造锻件的常见缺陷及其产生原因,第三节 锤上模锻和胎模锻,一、锤上模锻 模锻是将加热后的坯料放入具有一定形状和尺寸的锻模模膛内,施加冲击力或压力,使其在有限制的空间内
16、产生塑性变形,从而获得与锻模形状相同的锻件的加工方法。 模锻按使用设备的不同,可分为锤上模锻和压力机模锻两种。在模锻锤上进行模锻生产锻件的方法称为锤上模锻。锤上模锻因其工艺适应性较强,且模锻锤的价格低于其他模锻设备,是目前应用最为广泛的模锻工艺。,第三节 锤上模锻和胎模锻,锤上模锻使用的主要设备是蒸汽-空气模锻锤,如图1-3-13所示。,图1-3-13 蒸汽-空气模锻锤 1导轨 2锤头 3气缸 4配气机构 5操纵杆 6锤身 7砧座 8踏板,第三节 锤上模锻和胎模锻,模锻锤的工作原理与蒸汽-空气自由锻锤基本相同,主要区别是模锻锤的锤身直接与砧座连接,锤头与导轨间的间隙较小,保证了锤头上下运动准确,使上、下模对准。 锻模由带燕尾的上、下模组成,通过紧固楔铁分别固定在锤头和模垫上。上、下模之间为模膛,如图1-3-14所示。,第三节 锤上模锻和胎模锻,图1-
