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1、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
2、，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
3、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550800。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600700。加热过程各区
4、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加热温度（）颜 色加热温度（）颜 色5305805806506507307307707708008
5、00830 暗褐色 赤褐色暗红色暗樱红色樱红色亮樱红色8309009001050105011501150125012501300 淡红色桔黄色深黄色淡黄色黄白色有经验的加热工和锻工依据火色目测温度的误差约2050。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
6、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：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；坯料的几何形状和尺寸大小；坯料合金的组织状态及其在加热过程中的可能变化；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
7、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：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；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
8、造；装取坯料时应先开风门，后关炉门，并穿戴好劳动保护用品；炉口至锻锤间的通道不得堆放各处物品以保持畅通；传送工件时应贴近地面，不得抛掷传送，以防止伤人；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
9、，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。二、 金属加热的常见缺陷1、氧化与脱碳 采用普通方法加热时，坯料表面与高温炉气中的氧气、二氧化碳、水蒸汽直接接触，氧化剧烈，因而产生氧化皮与脱碳层。每加热一次，氧化烧损量约为坯料重量的2 3。计算坯料重量时必须加上这个烧损量。脱碳层的硬度和强度下降，其厚度较小时可以在机械加工过程切削掉，不影响锻件的质量。但是如果氧化过于严重，产生很厚的氧化皮和脱碳层，则可能造成锻件报废。采用普通方法加热时，减少氧化和脱碳的措施是严格措施风量和快速加热，否则
10、应采取无氧化或少氧化加热方法。2、过热与过烧 坯料加热时，如果在接近始锻温度下保温过长，会使其内部的晶料变得粗大的现象称为加热。过热坯料的可锻性和机械性能下降，锻造时容易产生裂纹，但这种粗晶粒可用锻打法击碎或在锻后通过热处理使之细化。坯料加热至接近熔点的温度时，晶界严重氧化，晶粒间的联系被破坏，从而使金属完全夹失其可锻性的现象称为过烧，过烧的后果无法补救，必须绝对避免。3、开裂 加热尺寸较大，形状较复杂的钢料时，如果加热速度过快，装炉温度过高，会造成坯料各部分存在较大的温差，变形不均匀而导致开裂。低碳钢和中碳钢的塑性好，一般难以产生裂纹。高碳钢和某些高合金钢出现裂纹的倾向较大，加热时必须严格遵
11、守加热规范。五、锻件的冷却锻后冷却对于保证锻件的质量时不可忽视的重要环节，常见的冷却方式如下所述：1、空冷 将锻件置于无风、干燥的地面上冷却，适用于低、中碳钢的小型锻件。2、坑冷 将铸件置于充填有石棉灰、砂子或炉灰的坑中冷却，适用于合金工具钢锻件。3、炉冷 将锻件置于炉温为500700的加热炉中随炉缓慢冷却，适用于高合金钢铸件。一般地说，锻件材料的含碳量或合金元素含量越高，体积越大，形状越复杂，越应采用较缓慢的冷却速度，以保证锻件质量。反之则可能造成锻件硬化、变形、开裂甚至报废。第二节 自由锻工艺及其设备自由锻是利用冲击力或压力使金属在锻造设备的上、下两个砥铁之间产生变形，从而获得符合所需要形
12、状、尺寸和性能要求的锻件的锻造方法。金属坯料受力变形时仅仅有上、下两面的全部或部分表面受到工具的限制，其余均为自由表面，因而可在砥铁之间朝各个方面自由流动。自由锻可分为手工自由锻和机器自由锻两类。手工自由锻只能锻造小件，生产率也低。机器自由锻是自由锻的主要方法。自由锻造时，金属的变形过程由工人控制，产品形状、尺寸和性能主要决定于工人的操作技术和经验，所以劳动强度大，对工人的技术要求高，生产率较低，锻件的精度不高。但自由锻使用的工具有很强的通用性，对产品更换的适应性强，因而广泛地应用于单件或小批生产。它也是唯一的生产大型铸件的方法。一、自由锻设备1、空气锤 是生产小型锻件的通用设备，其特点是结构
13、简单，维修方便，操作容易，但吨位（指落下部位的质量）较小，一般为651000kg（65010000N）。空气锤的打击力约为落下部件质量的1000倍左右。空气锤的结构与传动原理见教材（图略）。锤身16与工作缸9及压缩缸6铸为一体。电动体1通过传动机构2和3带动曲柄连杆机构4运动，使压缩缸6内的压缩活塞5作上、下往复运动，产生压缩空气。当压缩活塞5向下运动时，压缩空气经下旋阀8进入工作缸9的下部，使锤头（即落下部分，由工作活塞10、锤杆11和上砥铁12组成）上升；压缩活塞5向上运动时，压缩空气往上旋阀7进入工作缸9的上部，则锤头向下运动，打击锻件13.锻件13置于上砥铁12和由砥铁座15支承的下砥
14、铁14之间。通过踏杆和手柄操纵上、下旋阀，可以使锤头完成如下动作：上悬 通过上旋阀使工作缸上部与压缩缸上部与大气连通，压缩空气只能经过下旋阀进入工作缸下部，而且下旋阀内装由一个防止压缩空气向压缩缸倒流的逆止阀，因而使锤头保持上悬的位置。此时，可在锤上进行锻件尺寸检查、锻件及工具的更换或安放和清除氧化皮等辅助操作。下压 压缩缸上部与工作缸下部和大气连通，压缩空气自压缩缸下部经逆止阀和中间通道进入工作缸上部，使锤头向下压紧锻件。这时可完成锻件弯曲或扭转等操作。连续打击 压缩缸和工作缸均不与大气连通，通过压缩活塞的往复运动不断由压缩缸将压缩空气压入工作缸的上部或下部，使锤头作上、下往复运动（此时逆止
15、阀不起作用），连续锻打锻件。单次打击 踩下踏杆后立即松开，或将手柄由上悬位置推至连续打击位置，并迅速退回到上悬位置，均可实现单次打击。初学者往往难以掌握单打，操作稍有迟缓就会变成连续打击，这时必须等锤头停止打击后方可转动或移动锻件。空转 压缩缸和工作缸的上、下部分均与大气连通，锤头依靠其自重停在下砥铁上。这时电动机与传动机构空转，空气锤不工作。2、蒸汽空气锤 适合锻造中、大型锻件。蒸汽空气锤利用蒸汽或压缩空气来推动锤头工作。所用蒸汽或压缩空气的压力通常达到45个大气压，故锻击力远大于空气锤，其规格亦用锤头（即落下部分）的质量来表示，一般为0.55t。蒸汽空气锤必须附有一套辅助设备如蒸汽锅炉或空气压缩机，因此比空气锤结构更复杂一些（近机类、非机类不讲）。3、水压机 其吨位用压力表示。自由锤水压机的吨位为50015000t（5150MN），可以锻造质量为1300t的大型或特大型锻件。二、自由锻的基本工序自由锻的工序按照制造过程的三个典型阶段可分为基本工序、辅助工序和精整工序。基本工序是成形的主要基本过程，其作用是使金属坯料产生塑性变形，改变其形状和尺寸，以获得符合要求的锻件，如三、锤上自由锻的一般
