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1、材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室第四章 锻造成型技术主讲：卢海静材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室4.1锻造成型概述材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室什么是锻造？什么是锻造？金属塑性加工方法之一金属塑性加工方法之一锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热锻造是利用手锤、锻锤或压力设备上的模具对加热的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生的金属坯料施力，使金属材料在不分离条件下产生塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零塑性变形，以获得形状、尺寸和性能符合要求的零件。为了使金属材料在高塑性下成型，通常锻造是件。为了使
2、金属材料在高塑性下成型，通常锻造是在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。在热态下进行，因此锻造也祢为热锻。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件锻造是一种通过模具和工具利用压力使工件成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方成型的工艺方法，它是最古老的金属加工方法之一，可以追溯到公元前法之一，可以追溯到公元前4000年年甚至甚至8000年。年。锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航空、航天、兵器以及其它许多工业部门。空、航天、兵器以及其它许多工业部门。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室航
3、空航天材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室武器装备材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室交通运输中国动车组列车中国动车组列车材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室全全铝汽汽车材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室齿轮齿轮曲轴曲轴连杆连杆材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室1任任务务：解解决决锻锻件件的的成成形形及及其其内内部部组组织织性性能能的的控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。2目目的的：锻锻造造的的根根本本目目的的是是利利用用外外加加载载荷荷（冲冲击击
4、载载荷荷或或静静载载荷荷）通通过过锻锻压压设设备备或或模模具具使使金金属属毛毛坯坯产产生生塑塑性性变变形形，从从而而获获得得所所需需形形状状和和尺尺寸寸的的锻锻件件，同同时时使使锻锻件件机机械械性性能能和和内内部部组组织织符符合合一定的技术的要求。一定的技术的要求。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室实质实质：锻造工艺的实质是如何：锻造工艺的实质是如何利用金属的塑性使金属毛坯改利用金属的塑性使金属毛坯改变形状和性能而成为合格锻件变形状和性能而成为合格锻件的加工过程。的加工过程。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室一、锻造生产的特点及其在国民经济中的作用（
5、一）锻造生产的优点和缺点（一）锻造生产的优点和缺点1优点：优质、高产、低消耗、灵活。优点：优质、高产、低消耗、灵活。1)优质优质指可以改善金属组织性能。指可以改善金属组织性能。金属零件的传统生产过程是：金属零件的传统生产过程是：冶炼冶炼制坯制坯切削加工切削加工热处理热处理制制坯坯有有三三条条途途径径：铸铸造造毛毛坯坯、轧轧制制型型材材、锻锻造毛坯。造毛坯。铸铸造造毛毛坯坯的的组组织织性性能能差差，只只适适用用于于性性能能要要求求低的零、部件低的零、部件材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室锻造：锻造：纤纤维维组组织织变变形形后后的的杂杂质质仍仍具具有有方方向向性性，呈呈现现纤
6、纤维维状条纹状条纹锻锻造造流流线线变变形形后后杂杂质质的的纤纤维维分分布布，使使组组织织、性性能能呈方向性呈方向性材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室2)高产高产指机械化生产，生产率高指机械化生产，生产率高二、三百件二、三百件/小时，现在更高了，一百多件小时，现在更高了，一百多件/分，分，1.2万件万件/小时。据统计，每模锻小时。据统计，每模锻100万吨钢，由于提高了万吨钢，由于提高了生产率，可比切削加工减少生产率，可比切削加工减少23万工人，少用万工人，
7、少用15000台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金台机床。在现今技术水平条件下，几乎任何一种金属材料都可用锻造方法制成半成品零件，只是难易属材料都可用锻造方法制成半成品零件，只是难易程度不同而已。程度不同而已。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达今天，锻造生产率提高，其锻件精度也愈来愈高，可以达到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标到甚至超过机械加工的一般精度水平，如各种冷温挤压标准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。准件、精锻齿轮、精锻叶片、精锻轴类件等。西航建成国内最大航空发动机叶片精锻生产线西航建
8、成国内最大航空发动机叶片精锻生产线材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室3)低消耗低消耗指少、无切削，省工省料。指少、无切削，省工省料。 4)灵活灵活指锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯指锻造可以锻制形状简单的锻件（如模块、齿轮坯等），也可锻制形状复杂、不需或只需少量切削加工的精等），也可锻制形状复杂、不需或只需少量切削加工的精密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）锻件的重量小的不到锻件的重量小的不到1公斤公斤大的可达几百吨大的可达几百吨单件小批量生产单件小批量生产大批量生产。大批量生产。万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环万吨级水压机模锻的飞机大
9、梁、火箭捆挷环万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室2缺点：缺点：1)模具成本高，加工周期长。模具成本高，加工周期长。2)受锻造设备吨位的限制。受锻造设备吨位的限制。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室（二）锻造业的地位锻造在工业生产中占有锻造在工业生产中占有举足轻重举足轻重的地位。的地位。 锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的锻造生产能力及其工艺水平，对一个国家的工业、农业、国防和科学技术的影响，难以工业、农业、国防和科学技术的影响，难以估量。估量。锻造生产的能力在一定程度上锻
10、造生产的能力在一定程度上标志标志着一个国着一个国家的家的工业水平工业水平。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室二、锻件生产的分类及其工艺流程根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造、根据所用工具和生产工艺的不同可分为自由锻造、模锻和特种锻造。模锻和特种锻造。1自由锻造自由锻造把把加加热热好好的的坯坯料料放放在在自自由由锻锻造造设设备备的的平平砧砧之之间间或或简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。简单的工具中进行锻造的方法称为自由锻。一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。一般由锻工控制金属的变形方向和形状尺寸。手工锻造手工锻造自由锻自由锻机械（锤上自由锻和水压机上自由锻）
11、机械（锤上自由锻和水压机上自由锻）材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室u自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单、粗糙度自由锻造主要用于锻制钢锭和形状简单、粗糙度要求较低、加工余量较大的锻件生产。要求较低、加工余量较大的锻件生产。u使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产使用的是形状简单的通用工具，灵活性大，生产准备周期短，所以使用范围广。准备周期短，所以使用范围广。u锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大，锻件力学性能和表面质量受操作工人的影响较大，不易保证，生产效率低。不易保证，生产效率低。材料工程教研室材料工程教
12、研室材料工程教研室材料工程教研室自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称胎胎模锻模锻。胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预胎模锻造是把加热好的坯料用自由锻方法预锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料胎模终锻成形（形状简单的锻件可直接把坯料放入胎模内成形），这种锻造方法称为胎模锻放入胎模内成形），这种锻造方法称为胎模锻造。造。 材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室2模锻模锻把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的把加热好的坯料放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造
13、的方法称为模锻。模具内进行锻造的方法称为模锻。由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形由于模具型槽限制金属的变形，而获得与型槽形状一致的锻件。状一致的锻件。根据根据变形特点变形特点，分为开式模锻和闭式模锻。，分为开式模锻和闭式模锻。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室根根据据设设备备结结构构特特性性和和工工艺艺特特性性的的不不同同，分分为为锤锤上上模模锻锻（自自由由锻锻锤锤上上模模锻锻、高高速速锤锤上上模模锻锻）、摩摩擦擦压压力力机机上上模模锻锻、热热模模锻锻压压力力机机上上模模锻锻、液液压压机机上上模模锻锻、平平锻锻机机上上模模锻锻、专专用用锻锻压压机机上模锻等。上模锻
14、等。模模锻锻适适用用于于形形状状复复杂杂，尺尺寸寸精精度度较较高高，加加工工余量小，批量生产的中、小型锻件。余量小，批量生产的中、小型锻件。形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。形状和尺寸靠模具保证，人为影响因素小。精密锻件的成形也要通过模锻来实现。精密锻件的成形也要通过模锻来实现。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室3特种锻造特种锻造即即在在专专用用锻锻压压设设备备上上或或在在特特殊殊模模具具型型槽槽内内使使坯料成形的一种特殊锻造工艺。坯料成形的一种特殊锻造工艺。一一般般锻锻造造方方法法很很难难达达到到要要求求时时，可可用用特特种种锻锻造工艺。造工艺。如如精精密密模模锻锻
15、，温温热热挤挤压压，辊辊锻锻，电电镦镦，摆摆动动辗辗压压，粉粉末末锻锻造造，液液态态模模锻锻，等等温温模模锻锻和和超塑性模锻等。超塑性模锻等。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室 锻造工艺流程锻造工艺流程是指生产一个锻件所经过是指生产一个锻件所经过的锻造生产过程。的锻造生产过程。以模锻为例，其锻造工艺流程是：以模锻为例，其锻造工艺流程是：备料备料加热加热模锻模锻切边、冲孔切边、冲孔热处理热处理酸洗、清理酸洗、清理校正。校正。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室 一一般般来来说说，一一种种锻锻件件选选用用哪哪一一种种锻锻造造方方法法生生产产，与与形形状状、
16、尺尺寸寸、技技术术要要求求和和生生产产批批量量大大小小等等很很多多因素有关。因素有关。通常，单件、小批量生产通常，单件、小批量生产自由锻方法自由锻方法大批量大批量模锻方法模锻方法生产生产但但有有些些航航空空重重要要产产品品上上的的锻锻件件，虽虽然然批批量量不不大大，但但由由于于流流线线和和性性能能等等方方面面的的要要求求，要要求求工工艺艺的的一一致性等，通常也采用模锻方法生产。致性等，通常也采用模锻方法生产。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室三、锻造工艺的发展简史及其发展趋势（一）锻造技术的发展简史（一）锻造技术的发展简史人人类类在在新新石石器器时时代代末末期期，已已开开
17、始始以以锤锤击击天天然然红红铜铜来来制制造造装装饰饰品品和和小小用用品品。中中国国约约在在公公元元前前2000多多年年已已应应用用冷冷锻锻工工艺艺制制造造工工具具，如如甘甘肃肃武武威威皇皇娘娘娘娘台台齐齐家家文文化化遗遗址址出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。最最初初，人人们们靠靠抡抡锤锤进进行行锻锻造造，后后来来出出现现通通过过人人拉拉绳绳索索和和滑滑车车来来提提起起重重锤锤再再自自由由落落下下的的方方法法锻锻打打坯坯料料。14世世纪以后出现了畜力和水力落锤锻。纪以后出现了畜力和水力落锤锻。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教
18、研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室为锻铜浮雕。是手浮雕。是手工工锻造作品。手工造作品。手工锻造是一种古老的造是一种古老的金属加工工金属加工工艺，是，是以手工以手工锻打的方式打的方式，在金属板上，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不出各种高低凹凸不平的浮雕效果。平的浮雕效果。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室18421842年年，英英国国的的内内史史密密斯斯制制成成第第一一台台蒸蒸汽汽锤锤，使使锻锻造造进进入入应应用用动动力力的的时时代代。以以后后陆陆续续出出现现锻锻造造水水压压机机、电电机机驱驱动动的的夹夹板板锤锤、空空气气锻锻锤锤和和机机械械压压力力机机。夹夹板板
19、锤锤最最早早应应用用于于美美国国内内战战(1861(18611865)1865)期期间间，用用以以模模锻锻武武器器的的零零件件，随随后后在在欧欧洲洲出出现现了了蒸蒸汽汽模模锻锻锤锤，模模锻锻工工艺艺逐逐渐渐推推广广。到到1919世世纪纪末末已已形形成成近近代代锻锻压压机机械械的基本门类。的基本门类。20世世纪纪初初期期，随随着着汽汽车车开开始始大大量量生生产产，热热模模锻锻迅迅速速发展，成为锻造的主要工艺。发展，成为锻造的主要工艺。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室锻压经过锻压经过100多年的发展，今天已成为一多年的发展，今天已成为一门综合性学科。门综合性学科。它以塑性成
20、形原理、金属学、摩擦学为它以塑性成形原理、金属学、摩擦学为理论基础，同时涉及传热学、物理化学、理论基础，同时涉及传热学、物理化学、机械运动等相关学科，以锻造、冲压等机械运动等相关学科，以锻造、冲压等为技术，与其它学科一起支撑为技术，与其它学科一起支撑机器制造机器制造业业。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有一定还有一定差距差距。表现在：表现在：1)工业发达国家的模锻件已占全部锻件的工业发达国家的模锻件已占全部锻件的70以上，而我国尚不足以上，而我国尚不足30。2)国国外外有有成成千千条条锻锻造造
21、自自动动生生产产线线，大大型型自自由由锻锻造造水水压压机机普普遍遍配配备备了了锻锻造造操操作作机机等等。而而我国在这些方法还很薄弱。我国在这些方法还很薄弱。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室3)精锻技术和大型锻件的生产水平与一些精锻技术和大型锻件的生产水平与一些工业发展国家相比较低，一些航空产品工业发展国家相比较低，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由锻件还常上的精锻件和重要的大型自由锻件还常常需从国外进口。常需从国外进口。4)在在CAD/CAM方面，一些发达国家已进方面，一些发达国家已进入实用阶段，在这些方面，我国还刚刚入实用阶段，在这些方面，我国还刚刚起步。起步。材
22、料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室（二）锻造生产的发展趋势1)总总趋趋势势是是使使锻锻件件形形状状、尺尺寸寸和和表表面面质质量量最最大大限限度度地地与与产产品品零零件件相相接接近近，以以达达到到少少、无无切切削削加加工工的的目目的的，为为此此应应逐逐步步发发展展和和完完善善精精密密成成形形新新技技术术，发发展展高高效效精精密的锻压设备。密的锻压设备。2)为为适适应应大大批批量量生生产产的的需需要要，应应发发展展专专业业化化的的连连续续生生产产线线，建建立立地地区区性性的的专专门门化化锻锻造造中中心心，如如齿齿轮轮精精锻锻中中心心、连连杆杆锻锻造造中中心心、标标准准件件锻锻造
23、造中中心心等等，以以利利于于进进行行技术改造及采用最新设备和先进工艺。技术改造及采用最新设备和先进工艺。我国自行研制的万吨级水压机我国自行研制的万吨级水压机我国自行研制的万吨级水压机我国自行研制的万吨级水压机材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室3)为为适适应应新新产产品品开开发发，缩缩短短研研制制周周期期，应应发发展展柔柔性性加工技术和加工技术和CAD/CAM技术技术。pCAD/CAM技技术术是是制制造造工工程程技技术术与与计计算算机机技技术术紧紧密密结结合合、相相互互渗渗透透而而发发展展起起来来的的一一项项综综合合性性应应用用技技术术，具具有有知知识识密密集集、学学科科交
24、交叉叉、综综合合性性强强、应应用用范范围围广广等等特特点点。CAD/CAM技技术术是是先先进进制制造造技技术术的的重重要要组组成成部部分分，它它的的发发展展和和应应用用使使传传统统的的产产品品设设计计、制制造造内内容容和和工工作作方方式式等等都都发发生生了了根根本本性性的的变变化化。CAD/CAM技技术术已已成成为为衡衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。p锻模的锻模的CAD/CAM的主要优点有：的主要优点有：设设计计的的速速度度快快、准准确确性性高高，且且可可将将设设计计人人员员从从繁繁重重的的重重复复性性劳动中解脱出来。劳
25、动中解脱出来。可可以以把把多多方方面面的的经经验验和和研研究究成成果果集集中中起起来来，方方便便地地应应用用于于设设计加工，提高设计质量。计加工，提高设计质量。可以实现多方案比较设计，达到优化的目的。可以实现多方案比较设计，达到优化的目的。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室4)提高锻件的内在提高锻件的内在质量质量。5)提高机械化、提高机械化、自动化自动化水平。水平。6)发发展展以以煤煤气气、油油、电电等等为为热热源源的的先先进进加加热热技技术术，改改善善劳动条件。劳动条件。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室（三三）目目前前，我我国国锻锻造造业业面面临
26、临的的问问题题可可以以归归纳纳为如下为如下：l装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低l管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散l厂家封闭式经营厂家封闭式经营l研究和生产不平衡研究和生产不平衡材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室4.2金属的可锻性材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室概念：可锻性是金属材料在压力加工时成形的难易程度。1 . 1 . 可锻性的衡量指标可锻性的衡量指标1 1）塑性：）塑性：2 2）变形抗力：）变形抗力：材料的塑性越好，其可锻性越好。是指压力加工过
27、程中变形金属作用于施压工具表面单位面积上的压力，材料的变形抗力越小，其可锻性越好。2 . 2 . 影响可锻性的因素影响可锻性的因素1 1）金属的本质）金属的本质化学成分：Me越低，材料的可锻性越好。组织结构：纯金属和固溶体具有良好的可锻性。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室2 2）变形条件）变形条件 变形温度的影响 随温度的升高，塑性提高，变形抗力降低，可锻性明显改善，更加适宜进行压力加工。 但温度过高，会产生过热、过烧、脱碳和严重氧化等缺陷，甚至使锻件报废。 始锻温度高（比AE线低200左右），终锻温度低（800左右）。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程
28、教研室2 2）变形条件）变形条件塑性、变形抗力塑性变形抗力变形速度变形速度即单位时间的变形程度。 低速设备：随着变形速度的增大，回复和再结晶不能及时克服冷变形强化现象，金属塑性下降、变形抗力增大，可锻性变差。 高速设备：变形速度越大，热效应现象越明显，使金属的塑性提高、变形抗力下降，可锻性变得更好。（金属在变形过程中，消耗于塑性变形的能量有一部分转化为热能，称作热效应）。材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室材料工程教研室2 2）变形条件）变形条件应力状态：塑性：三个方向的应力中，压应力的数目越多，则金属的塑性越好；拉应力的数目越多，则金属的塑性越差。变形抗力：同号应力状态下引起的变形抗力大三向压应力塑性最好、变形抗力最大。三向拉应力塑性最差、变形抗力最小。
