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1、第三篇 固态金属塑性成形工艺周志斌2012.03.20第六章 模锻工艺及锻模设计一、金属塑性成形概述一、金属塑性成形概述概念概念 : :在外力作用下，利用塑性变形获得所需的在外力作用下，利用塑性变形获得所需的形状和力学性能的零件和毛坯的加工方法，也称形状和力学性能的零件和毛坯的加工方法，也称为压力加工。为压力加工。1.1.工艺方法及分类工艺方法及分类1.1.轧制成形轧制成形轧轧制制也也叫叫压压延延，是是金金属属坯坯料料通通过过一一对对旋旋转转轧轧辊辊之之间间的的间间隙隙而而使坯料使坯料受挤压受挤压产生产生横截面减少横截面减少、长度增加长度增加的塑性变形过程的塑性变形过程。 它它是是生生产产型型
2、材材、板板材材和和管管材材的的主主要要方方法法。生生产产效效率率高高、产品质量好、成本低、节约金属。产品质量好、成本低、节约金属。图6-1 轧制挤挤压压成成形形是是使使坯坯料料在在外外力力作作用用下下，使使模模具具内内的的金金属属坯坯料料产产生生定定向向塑塑性性变变形形，并并通通过过模模具具上上的的孔孔型型，而而获获得得具具有有一一定定形状和尺寸形状和尺寸的零件的加工方法。的零件的加工方法。2. 挤压挤压成形成形图图6-3 挤压挤压3. 3. 拉拔拉拔成形成形 拉拉拔拔是是使使金金属属坯坯料料通通过过一一定定形形状状的的模模孔孔，使使其其横横截截面面减减小小、长长度度增增加加的的加加工工方方法
3、法，如如图图6 6-5-5所所示示。产产品品形形状状尺尺寸寸精精确确、表表面面质质量量好好、机机械械强强度度高高，常常用用于于拔拔制制金金属属丝丝、细细管管材和异型材等。材和异型材等。图图6-5 拉拔拉拔4. 4. 自由锻自由锻 自自由由锻锻指指将将金金属属坯坯料料放放在在锻锻造造设设备备的的上上下下砥砥铁铁之之间间，施施加加冲击力或压力，使之产生冲击力或压力，使之产生自由变形自由变形而获得所需形状的而获得所需形状的成形方法成形方法。 坯料在锻造过程中，除与上坯料在锻造过程中，除与上下砥铁或其它辅助工具接触的部分表下砥铁或其它辅助工具接触的部分表面外，都是自由表面，面外，都是自由表面，变形不受
4、限制变形不受限制，锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保锻件的形状和尺寸靠锻工的技术来保证证，所用设备与工具通用性强。，所用设备与工具通用性强。 自由锻主要用于：自由锻主要用于：单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。单件、小批生产，也是生产大型锻件的唯一方法。5. 模锻模锻 模模锻锻是是将将加加热热好好的的坯坯料料放放在在锻锻模模模模膛膛内内，在在锻锻压压力的作用下迫使力的作用下迫使坯料变形坯料变形而获而获得锻件的一种加工方法。得锻件的一种加工方法。 坯料变形时，金属的流动坯料变形时，金属的流动受到受到模膛的限制和引导模膛的限制和引导，从而，从而获得与模膛形状一致的锻件。获得与模膛形状一致的锻
5、件。 曲轴锻模曲轴锻模模锻按使用的模锻按使用的设备设备不同分为：不同分为：l胎模锻胎模锻l锤上模锻锤上模锻l压力机上模锻压力机上模锻1）由于有模膛引导金属的流动，）由于有模膛引导金属的流动，锻件的形状锻件的形状可以比较复杂可以比较复杂； 2）锻件内部的）锻件内部的锻造流线比较完整锻造流线比较完整，从而提高，从而提高了零件的了零件的力学性能和使用寿命力学性能和使用寿命。 3）锻件表面光洁，尺寸精度高，）锻件表面光洁，尺寸精度高，节约材料和节约材料和切削切削加工工时；加工工时；4）生产率较高；）生产率较高；5）操作简单，）操作简单，易于实现机械化易于实现机械化；6）生产批量越大成本越低。）生产批量
6、越大成本越低。 与自由锻相比，与自由锻相比，模锻的优点是：模锻的优点是：1 1）模模锻锻是是整整体体成成形形，摩摩擦擦阻阻力力大大，故故模模锻锻所所需需设设备吨位大，备吨位大，设备费用高设备费用高；2 2）锻锻模模加加工工工工艺艺复复杂杂，制制造造周周期期长长，费费用用高高。故故只适用于中小型锻件的只适用于中小型锻件的成批或大批生产成批或大批生产。模锻广泛应用于：模锻广泛应用于：国国防防工工业业和和机机械械制制造造业业，按按质质量量计计算算模模锻锻件件在在飞飞机机上上占占85%，坦坦克克占占70%，汽汽车车占占80%，机机车车占占60%。模锻的缺点：模锻的缺点：6. 板料冲压板料冲压 板料冲压
7、板料冲压是利用装在冲床上的是利用装在冲床上的冲模冲模对金属板料对金属板料加压加压，使之产生，使之产生变形或分离变形或分离，从而获得零件或毛坯，从而获得零件或毛坯的加工方法。的加工方法。 板料冲压又称薄板冲压或冷冲压板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。冲冲压压工工艺艺广广泛泛应应用用于于：汽汽车车、飞飞机机、农农业业机机械械、仪仪表表电电器器、轻轻工工和和日日用用品等工业部门。品等工业部门。板料冲压的特点：板料冲压的特点：1 1）在在常常温温下下加加工工，金金属属板板料料必必须须具具有有足足够够的的塑塑性性和和较较低低的的变变形抗力形抗力。 2 2）金金属属板板料料经经冷冷变变形形强强化化，获获得得一
8、一定定的的几几何何形形状状后后，结结构构轻轻巧，巧，强度和刚度较高强度和刚度较高。3 3）冲压件）冲压件尺寸精度高尺寸精度高，质量稳定，互换性好，质量稳定，互换性好，一般不需机械一般不需机械加工即可作零件使用加工即可作零件使用。 4 4）冲压生产操作简单，生产率高，）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化便于实现机械化和自动化。5 5）可以冲压形状复杂的零件，）可以冲压形状复杂的零件，废料少废料少。6 6）冲压模具结构复杂，精度要求高，）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高制造费用高，只适用于只适用于大批量生产大批量生产。 带钢带钢各种型钢各种型钢曲轴与连杆曲轴与连杆传动轴万向
9、节毛坯传动轴万向节毛坯拖钩拖钩吊环吊环第一节 毛胚加热与锻件冷却一、毛胚的加热的方法（教材106页）1.燃料加热2.电加热3.少无氧化加热二、锻件的冷却方法1.空冷2.砂冷3.炉冷第二节 锻件分类及锻件图设计模模 膛膛模锻模膛模锻模膛制坯模膛制坯模膛拔长模膛拔长模膛终锻模膛终锻模膛预锻模膛预锻模膛滚压模膛滚压模膛弯曲模膛弯曲模膛切断模膛切断模膛1 .1 .预锻模膛预锻模膛预锻模膛的作用是：预锻模膛的作用是：使坯料变形到接近于锻件的形状使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛。和尺寸，终锻时，金属容易充满终锻模膛。 同时减少了终锻模膛的磨损，以延长锻模的使同时减少了终锻模
10、膛的磨损，以延长锻模的使用寿命。用寿命。一、模锻模膛一、模锻模膛预锻模膛和终锻模膛的预锻模膛和终锻模膛的区别区别： 预锻模膛预锻模膛的圆角、斜度的圆角、斜度较大较大，没有没有飞边槽。飞边槽。 终锻模膛终锻模膛的圆角、斜度的圆角、斜度较小较小，有有飞边槽。飞边槽。2. 2. 终锻模膛终锻模膛终锻模膛的作用是：终锻模膛的作用是：是使坯料最后变形到锻件所要求是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。的形状和尺寸，因此它的形状应和锻件的形状相同。 p 沿模膛四周有飞边槽，用沿模膛四周有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，阻力
11、，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。同时容纳多余的金属。p 终锻后无法加工通孔而留下的一薄层金属，称为终锻后无法加工通孔而留下的一薄层金属，称为冲孔连皮冲孔连皮。p终锻模膛的尺寸应比锻件尺终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。钢件收缩寸放大一个收缩量。钢件收缩量取量取1.5% 对形状复杂的模锻件对形状复杂的模锻件, ,为使坯料形状基本接近模锻为使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须件形状，使金属能合理分布和很好地充满模锻模膛，就必须预先在制坯模镗内制坯，因而设制坯模膛。预先在制坯模镗内制坯，因而设制坯模膛。二、制坯模膛当模锻件沿轴向横截面积相差较大时
12、，当模锻件沿轴向横截面积相差较大时，常采用这种模膛进行拔长。拔长模膛常采用这种模膛进行拔长。拔长模膛分为分为开式开式和和闭式闭式两种两种. .一般情况下，把一般情况下，把它设置在锻模的边缘处。生产中进行它设置在锻模的边缘处。生产中进行拔长操作时。坯料除向前送进外并需拔长操作时。坯料除向前送进外并需不断翻转。不断翻转。 1、拔长模膛、拔长模膛用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。长度。滚压模膛分为滚压模膛分为开式开式和和闭式闭式两种：两种：当模锻件沿轴线的横截面积相差当模锻件沿轴线的横截面积相差不很大或对拔长后的毛坯作修整不很大或对拔长后的
13、毛坯作修整时，时，采用开式滚压模膛采用开式滚压模膛。当模锻件的截面相差较大时，则当模锻件的截面相差较大时，则应应采用闭式滚压模膛采用闭式滚压模膛。在坯料长度基本不变的前提下在坯料长度基本不变的前提下用它来用它来减小减小坯料某部分的坯料某部分的横截面积横截面积，以以增大增大另一部分的另一部分的横截面积横截面积。2 2、滚压模膛、滚压模膛滚压操作时需不断翻转坯料，但不作送进运动。滚压操作时需不断翻转坯料，但不作送进运动。 对于弯曲的杆类模锻件，需采用弯曲模膛来弯曲坯料。对于弯曲的杆类模锻件，需采用弯曲模膛来弯曲坯料。p坯料可直接或先经其它制坯工步后放入弯曲模膛进行弯曲变形。坯料可直接或先经其它制坯
14、工步后放入弯曲模膛进行弯曲变形。p弯曲后的坯料需翻转弯曲后的坯料需翻转9090再放入模锻模膛中成形。再放入模锻模膛中成形。p单件锻造时，用它从单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口；件上切下钳口；p多件锻造时，用它来多件锻造时，用它来分离成单个锻件。分离成单个锻件。3、 弯曲模膛弯曲模膛4、切断模膛、切断模膛它是在上模与下模的角部组成的一对刃口，用来它是在上模与下模的角部组成的一对刃口，用来切断金属。切断金属。l根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成模设计成单膛锻模单膛锻模或或多膛
15、锻模多膛锻模。p单膛锻模单膛锻模是在一副锻模上只有是在一副锻模上只有终锻模膛终锻模膛一个模膛。一个模膛。 如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料，直接放人单膛锻如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料，直接放人单膛锻模中一次终锻成形。模中一次终锻成形。p多膛锻模多膛锻模是在一副锻模上具是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。有两个以上模膛的锻模。 如弯曲连杆模锻件的锻模即为如弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛锻模多膛锻模 。弯曲连杆多模膛模锻过程锻件图的设计1)选择模锻件的分模面 分模面是指上下锻模在模锻件上的分界面。它在锻件上分模面是指上下锻模在模锻件上的分界面。它在锻件上的位置是否合适，关系到的位置是否
16、合适，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率锻件成形、锻件出模、材料利用率及及锻模加工锻模加工等一系列问题。选定分模面的原则是：等一系列问题。选定分模面的原则是：(1)(1) 应保证模锻件能从模膛中取出来。应保证模锻件能从模膛中取出来。如图如图7-8所示轮形件，所示轮形件，把分模面选定在把分模面选定在aa面时，已成形的模锻件就无法取出。一面时，已成形的模锻件就无法取出。一般情况，般情况，分模面应选在模锻件的最大截面处分模面应选在模锻件的最大截面处。 (2) 按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，模膛轮廓一致，以便在安装锻模和
17、生产中容易发现错模现象，以便在安装锻模和生产中容易发现错模现象，及时而方便地调整锻模位置。图及时而方便地调整锻模位置。图7-8中的中的cc面被选定为分模面被选定为分模面，就不符合此原则。面，就不符合此原则。(3) 分模面应选在能使模膛深度最浅的位置上。分模面应选在能使模膛深度最浅的位置上。 这样有利于金属充满模膛，便于取件，并有利于锻模的制这样有利于金属充满模膛，便于取件，并有利于锻模的制造。图造。图78中的中的b-b面，就不适合作分模面。面，就不适合作分模面。(4) (4) 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。图图7 78 8中的中的b-bb-b面被选作
18、分模面时，零件中间的孔不能锻出来，面被选作分模面时，零件中间的孔不能锻出来，孔部金属都是敷料，既浪费金属，又增加了切削加工的工作孔部金属都是敷料，既浪费金属，又增加了切削加工的工作量。所以该面不宜作分模面。量。所以该面不宜作分模面。 (5) 分模面最好是一个平面，分模面最好是一个平面，以便于锻模的制造，并防止锻以便于锻模的制造，并防止锻造过程中上下锻模错动。造过程中上下锻模错动。按上述原则综合分析，按上述原则综合分析，图图7-8中的中的d-d面是最面是最合理的分模面。合理的分模面。l敷料敷料 为了简化零件形状、便于锻造而增加的一部分金属称为了简化零件形状、便于锻造而增加的一部分金属称为敷料为敷
19、料( (也称为余块也称为余块) )。如消除零件上的键槽、窄环形沟槽、如消除零件上的键槽、窄环形沟槽、齿谷或尺寸相差不大的台阶结构而增加的金属均属敷料。齿谷或尺寸相差不大的台阶结构而增加的金属均属敷料。l机机械械加加工工余余量量 零零件件的的加加工工表表面面上上为为机机械械加加工工而而增增加加的的一一层层金属。金属。l锻件公差锻件公差 锻件的实际尺寸与名义尺寸之间所允许的偏差，锻件的实际尺寸与名义尺寸之间所允许的偏差，称为锻件公差。称为锻件公差。2)确定敷料、机械加工余量和尺寸公差机械加工余量一般为：机械加工余量一般为： 14mm锻造公差一般取：锻造公差一般取： 0.33 mm尺寸余量和公差的影
20、响因素尺寸余量和公差的影响因素 ： 1）锻件重量和轮廓尺寸）锻件重量和轮廓尺寸 ； 2）锻件形状复杂系数锻件形状复杂系数 S，即：即：式中式中锻件材质密度锻件材质密度 ，g/ cm圆形锻件的外廓包容体体积：圆形锻件的外廓包容体体积：圆形锻件的外廓包容体重量：圆形锻件的外廓包容体重量：级别级别代号代号形状复杂系数值形状复杂系数值形状复杂程度形状复杂程度S10.631简单简单S20.32 0.63一般一般S30.160.32比较复杂比较复杂S40.16复杂复杂锻件形状复杂程度等级锻件形状复杂程度等级非圆形锻件的外廓包容体重量和体积非圆形锻件的外廓包容体重量和体积 3） 锻件材质系数（可锻性） 材料
21、锻造难易程度，分为 两级： 分为普通分为普通分为普通分为普通 , , 精密两级。精密级公差适用于精密锻件。精密两级。精密级公差适用于精密锻件。精密两级。精密级公差适用于精密锻件。精密两级。精密级公差适用于精密锻件。 M1级级 指碳的质量分数小于指碳的质量分数小于0.65的碳或合金的碳或合金 元素总量小于元素总量小于3.0 的合金钢。的合金钢。M2级级 指碳的质量分数等于或大于指碳的质量分数等于或大于0.65的碳钢的碳钢 或合金元素总量等于或大于或合金元素总量等于或大于3.0 的合金钢。的合金钢。4）锻件精度等级）锻件精度等级 5）加热条件）加热条件 主要影响收缩量和主要影响收缩量和表层氧化。表
22、层氧化。 为什么要全面综合为什么要全面综合考虑上述因素来确定考虑上述因素来确定加加工余量和锻件公差呢？工余量和锻件公差呢？ 这是因为：这是因为： 一是国内外市场对产一是国内外市场对产品精度要求越来越高；品精度要求越来越高； 二是企业为了降低原二是企业为了降低原材料消耗和加工成本。材料消耗和加工成本。锻件的各种尺寸和余量公差锻件的各种尺寸和余量公差 见（见（GB/T-12362-1990） 三、模锻斜度模锻斜度（GB/T-12361-1990）锻件出模受力分析锻件出模受力分析锻件出模受力分析锻件出模受力分析 F F取取取取= =（F FT T coscos FsinFsin） = = F F（
23、coscos sinsin ）模锻斜度值依模锻斜度值依模膛模膛深宽比（深宽比（H/B）选用）选用3、5、7、10、12、15 等标准值，便于选用标准铣刀加工。等标准值，便于选用标准铣刀加工。 上、下模模膛的模锻斜度应相互衔接和匹配，即加上匹配上、下模模膛的模锻斜度应相互衔接和匹配，即加上匹配斜度，如图所示。斜度，如图所示。 四、锻模圆角半径（ GB/T-12361-1990 ） 锻模锻模圆角半径与圆角半径与 B/H 有关。有关。H大，大，锻模锻模圆角半径也圆角半径也 应增大。应增大。 锻件凸角处的最小半径锻件凸角处的最小半径 r = 余量余量+零件的倒角值；零件的倒角值； 按铣刀标准值选取：按
24、铣刀标准值选取：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、 4.0 、5.0 等等模锻件的模锻件的圆角半径圆角半径圆角半径过小，导致圆角半径过小，导致转角处出现开裂转角处出现开裂圆角半径与质量关系圆角半径与质量关系 圆角半径对金属纤维的影响圆角半径对金属纤维的影响 折迭与圆角半径的关系折迭与圆角半径的关系a)模锻前情况模锻前情况 b) b) 模锻中间情况模锻中间情况 c) 模锻最后情况模锻最后情况五、冲孔连皮 对于对于d 25mm的加工孔，不予锻制。的加工孔，不予锻制。 对于对于d 25mm的加工孔，先锻制盲孔，的加工孔，先锻制盲孔，用用冲孔连皮隔离上下凸头。冲孔连皮隔离上下凸头。 冲孔连皮按冲
25、孔连皮按锻孔直径大小分为平底连锻孔直径大小分为平底连皮皮 、斜底连皮、斜底连皮# 带仓连皮和拱底连皮四类。带仓连皮和拱底连皮四类。平底连皮平底连皮斜底连皮斜底连皮带仓连皮带仓连皮连皮！连皮！飞边飞边拱底连皮拱底连皮1、平底连皮 适于适于d2.5 h 或或 25mm d 60 mm 的孔。的孔。 连皮厚度连皮厚度 s 按图确定按图确定或计算，或计算，即即2、斜底连皮 斜底连皮斜底连皮 适用于适用于 ： d2.5 h 或或 d60 mm 3、带仓连皮 终锻模膛中采用。终锻模膛中采用。 厚度厚度 s 和宽度和宽度 b，按，按飞边槽桥口值飞边槽桥口值 h , b 确定。确定。4、拱底连皮、拱底连皮 用
26、于锻造大孔，孔高小。用于锻造大孔，孔高小。连皮增加金属消耗。连皮增加金属消耗。 可考虑用连皮形成小件，可考虑用连皮形成小件，即采用合锻，一次得即采用合锻，一次得到大小两件。到大小两件。 锻件图锻件图(冷锻件图冷锻件图)是是在零件图上画出加工余量在零件图上画出加工余量、余块、余块、模锻斜度、锻模模锻斜度、锻模圆角、圆角、冲孔连皮冲孔连皮或其它工或其它工艺参数。艺参数。 锻件外形用粗实线。锻件外形用粗实线。 零件外形用双点划线零件外形用双点划线。 公称尺寸与公差标注公称尺寸与公差标注在尺寸线上面，零件尺寸在尺寸线上面，零件尺寸标注在括号内。标注在括号内。七、模锻件技术条件（书写在图面上） 1）未注明的模锻斜度和圆角半径；）未注明的模锻斜度和圆角半径； 2）允许错移量和残余飞边的宽度；）允许错移量和残余飞边的宽度； 3）允许的表面缺陷深度；）允许的表面缺陷深度； 4）锻后热处理方法及硬度要求；）锻后热处理方法及硬度要求； 5）表面清理方法；）表面清理方法； 6）金相组织和力学性能试验在锻件上的取）金相组织和力学性能试验在锻件上的取样位置；样位置； 7）其它特殊要求，如直线度、平面度、重）其它特殊要求，如直线度、平面度、重量精度等。量精度等。
