1、第3章 鍛 造 鍛造是一種借助工具或模具在沖擊或壓力作用下，對金屬坯料施加外力，使其產生塑性變形，改變尺寸、形狀及性能，用以制造機械零件或零件毛坯的成形加工方法，鍛造又稱作鍛壓。鍛造具有細化晶粒、致密組織，并可具有連貫的鍛造流線，從而可以改善金屬的力學性能。此外，鍛造還具有生產率高，節省材料的優點。因此鍛造在金屬熱加工中占有重要的地位。本章主要介紹自由鍛、模鍛及沖壓等熱加工的基礎知識和成形方法。 3.1概述3.1.1鍛壓生產的特點鍛壓加工與其它加工方法比較，具有較高的生產效率；可消除零件或毛坯的內部缺陷；鍛件的形狀、尺寸穩定性好，并具有較高的綜合力學性能；鍛件的最大優勢是韌性好、纖維組織合理、

2、鍛件間性能變化小；鍛件的內部質量與其加工歷史有關，且不會被任何一種金屬加工工藝超過。圖3.1.1示意地表示出了鑄造、鍛造、機械加工三種金屬加工方法所得到的零件低倍宏觀流線。圖3.1.1三種金屬加工方法所得零件低倍宏觀流線但是鍛壓生產也存在以下缺點：不能直接鍛制成形狀較復雜的零件；鍛件的尺寸精度不夠高；鍛壓生產所需的重型的機器設備和復雜的工模具，對于廠房基礎要求較高，初次投資費用高。3.1.2鍛壓生產的適用范圍鍛壓生產根據使用工具和生產工藝的不同而分為自由鍛、模鍛和特種鍛造。鍛造工藝在鍛件生產中起著重大作用。工藝流程不同，得到的鍛件質量有很大的差別，使用的設備類型、噸位也相去甚遠。鍛件的應用范圍

3、很廣，幾乎所有運動的重大受力構件都是由鍛壓成形的。鍛壓在機器制造業中有著不可替代的作用，一個國家的鍛造水平，可反映出這個國家機器制造業的水平。隨著科學技術的發展，工業化程度的日益提高，需求鍛件的數量逐年增長。據預測，飛機上采用的鍛壓（包括板料成形）零件將占85%，汽車將占6070%，農機、拖拉機將占70%。3.1.3鍛壓生產的發展趨勢鍛壓生產雖然生產效率高，鍛件綜合性能高，節約原材料；但其生產周期較長，成本較高，處于不利的競爭地位。鍛壓生產要跟上當代科學技術的發展，需要不斷改進技術、采用新工藝和新技術，進一步提高鍛件的性能指標；同時縮短生產周期、降低成本。當代科學技術的發展對鍛壓生產本身的完善

4、和發展有著重大影響，這主要表現在以下幾個方面：首先，材料科學的發展對鍛壓技術有著最直接的影響。新材料的出現必然對鍛壓技術提出了新的要求，如高溫合金、金屬間化合物、陶瓷材料等難變形材料的成形問題。鍛壓技術也只有在不斷解決材料帶來的問題的情況下才能得以發展。其次，新興科學技術的出現，當前主要是計算機技術在鍛壓技術各個領域的應用。如鍛模計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術，鍛造過程的計算機有元數值模擬技術等。這些新技術的應用，縮短了鍛件的生產周期，提高鍛模設計和生產水平。第三，機械零件性能的更高要求。推動鍛壓技術發展的最大動力是來自交通工具制造業-汽車制造業和飛機制造業。鍛件的尺寸、質量越來越

5、大，形狀越來越復雜、精密，一些重要受力件的工作環境更苛刻，受力狀態更復雜。除了更換強度更高的材料外，研究和開發新的鍛壓技術是必然的出路。3.2鍛壓工藝基礎3.2.1金屬的塑性變形塑性是金屬的重要特性。利用金屬的塑性可把加工各種制品。不僅軋制、鍛造、擠壓、沖壓、拉撥等成形加工工藝都是金屬發生大量塑性變形的過程，而且在車、銑、刨、鉆等各種切削加工工藝中，也都發生金屬的塑性變形。塑性變形不僅可以使金屬獲得一定的形狀和尺寸，而且還會引起金屬內部組織與結構變化，使鑄態金屬的組織與性能得到一定的改善。因此，研究金屬的塑性變形過程及其機理，了解變形后金屬的組織結構與性能的變化規律，以及加熱的影響，對改進金屬

6、材料加工工藝，提高產品質量和合理使用金屬材料等方面都有具有重要意義。 1. 塑性變形的實質各種金屬壓力加工方法都是通過金屬的塑性變形實現的。金屬受外力后，首先產生彈性變形，當外力超過一定限度后，才產生塑性變形。彈性變形的實質是在外力的作用下，金屬內部的原子偏離了原來的平衡位置，使金屬產生變形，這會造成原子位能的提高，而處于高位能的原子具有返回原來位能最低的平衡位置的傾向。因而，當外力取消后，原子返回原來的位置，變形也就消失了。塑性變形的實質是在外力的作用下金屬內部的原子沿一定的晶面和晶向產生了滑移的結果。在一般情況下，實際金屬都是多晶體。多晶體的變形是與其中各個晶粒的變形行為有關的。為了便于研

7、究，有必要先通過單晶體的塑性變形來掌握金屬塑性變形的基本規律。(1)單晶體的塑性變形 實驗表明，晶體只有在切應力作用下才會發生塑性變形。單晶體的塑性變形過程如圖3.2.1所示。圖3.2.1a為晶體未受外力的原始狀態；當晶體受到外力作用時，晶格將產生彈性畸變，如圖3.2.1b所示，此為彈性變形階段；若外力繼續增加，超過一定限度后，晶格的畸變程度超過了彈性變形階段，則晶體的一部分將會相對另一部分發生滑移，如圖3.2.1c所示；晶體發生滑移后，去除外力，晶體的變形將不能全部恢復因而產生了塑性變形，如圖3.2.1d所示。 圖3.2.1單晶體的變形過程a)未變形 b)彈性變形C)彈塑性變形 d)塑性變形

8、 (2)多晶體的塑性變形 實際使用的金屬材料都不相同的許多晶粒所組成，故每個晶粒在塑性變形時，將受到周圍位向不同的晶粒及晶界的影響與約束，即每個晶粒不是處于獨立的自由變形狀態。晶粒變形時既要克服晶界的阻礙，又需要其周圍晶粒同時發生相適應的變形來協調配合，以保持晶粒間的結合和晶體的連續性，否則將導致晶體破裂。大量實驗結果表明，多晶體的塑性變形正是由于存在著晶界和各晶粒的位向差別，其變形抗力要比同種金屬的單晶體高得多。3.2.2變形后金屬的組織和性能1. 加工硬化、回復和再結晶金屬材料經塑性變形后，其組織和性能發生了一系列重大變化。組織上的變化表現為：晶粒沿金屬流動方向伸長，晶格畸變，位錯密度增加

9、，產生內應力，產生碎晶。性能上的變化表現為：隨著變形程度的增加，強度及硬度顯著提高，而塑性和韌性則很快下降。變形度愈大，性能的變化也愈大。這種由于塑性變形的變形度增加，使金屬的強度、硬度提高，而塑性下降的現象稱為加工硬化或冷作硬化。 加工硬化現象在工程技術中具有重要的實用意義。首先可利用加工硬化來強化金屬，提高金屬強度、硬度和耐磨性。特別是對那些不能用熱處理強化的材料，如純金屬、某些銅合金、鉻鎳不銹鋼和高錳鋼等，加工硬化更是唯一有效的強化方法。冶金廠出廠的“硬”或“半硬”等供應狀態的某些金屬材料，就是經過冷軋或冷拉等方法，生產加工的硬化產品。加工硬化還可以在一定程度上提高構件在使用過程中的安全

10、性。因為構件在使用過程中，往往不可避免地會在某些部位（如孔、鍵槽、螺紋以及截面積過渡處）出現應力集中和過載荷現象。在這種情況下，由于金屬能加工硬化，局部過載部位在產生少量塑性變形后，提高了屈服強度并與所承受的應力達到了平衡，變形就不會繼續發展，從而在一定程度上提高了構件的安全性。加工硬化也有其不利的一面。由于它使金屬塑性降低，給進一步冷塑性變形帶來困難，并使壓力加工時能量消耗增大。為了使金屬材料能繼續變形，必須進行中間熱處理來消除加工硬化現象。這就增加了生產成本，降低了生產率。為了消除加工硬化效應，恢復材料的塑性，以便繼續進行變形加工，或為了消除變形過程中產生的內應力，就要對工件進行退火處理。

11、經塑性變形后的工件，在退火加熱溫度不太高時，冷變形金屬的顯微組織無明顯的變化，只能使內應力明顯降低和消除，金屬的力學性能沒有顯著變化，即強度、硬度下降很少，塑性提高不多，這一過程稱為回復。當加熱溫度較高，塑性變形后金屬被拉長的晶粒重新形核、結晶，變為等軸晶粒，稱為再結晶。再結晶后的金屬，強度、硬度顯著下降，塑性和韌性顯著提高，內應力完全消除。開始產生再結晶現象的最低溫度稱為再結晶溫度。純金屬的再結晶溫度與熔點 的大致關系是再0.4熔（）。 再結晶完成后，若加熱溫度繼續升高或加熱時間延長，金屬的晶粒便開始不斷長大。再結晶后的金屬的力學性能與再結晶晶粒度關系很大，晶粒越細小，金屬的綜合力學性能越好

12、。 3.2.2金屬加工硬化及回復和再結晶與性能的關系金屬的加工硬化及回復、再結晶過程中的力學性能變化如圖3.2.2所示。2. 塑性變形的分類和對金屬組織和性能的影響根據變形時的溫度，金屬的塑性變形分為冷變形和熱變形。金屬在其再結晶溫度以下進行塑性變形稱為冷變形。冷變形加工后金屬內部形成纖維組織，變形后金屬具有明顯的加工硬化現象，所以冷變形的變形量不宜過大，避免工件撕裂或降低模具壽命。冷變形加工具有精度高、表面質量好、力學性能好的特點，廣泛應用于板料沖壓、冷擠壓、冷鐓及冷軋等常溫變形加工。金屬在其再結晶溫度以上進行變形加工稱為熱變形。加工過程中產生的加工硬化隨時被再結晶軟化和消除，使金屬塑性顯著

13、提高，變形抗力明顯減小。因此，可以利用較小的能量獲得較大的變形量。適合于尺寸較大、形狀復雜的工件的變形加工。熱變形加工產品表面易形成氧化皮，尺寸和表面質量較低。自由鍛、熱模鍛、熱軋等都屬于熱變形的范疇。金屬熱變形時組織和性能的變化主要表現在以下幾個方面：1）變形加工時，金屬中的脆性雜質被破碎，并沿金屬流動方向呈粒狀或鏈狀分布；塑性雜質則沿變形方向呈帶狀分布，這種雜質的定向分布稱為流線。通過熱變形可以改變和控制流線的方向和分布，加工時因盡可能使流線與零件的輪廓相符合而不被切斷。圖3.2.3是鍛造曲軸和軋材切削加工曲軸的流線分布，明顯看出經切削 加工的曲軸流線易沿軸肩部位發生斷裂，流線分布不合理。

14、 2）熱變形加工可以使鑄坯中的組織缺陷得到明顯改善，如鑄坯中粗大的柱狀晶經熱變形加工后能變成較細的等軸晶粒；氣孔、縮松被壓實，使金屬組織的致密度增加；某些合金鋼中的大塊碳化物被打碎并均勻分布；可以消除金屬材料的偏析，使成分均勻化。圖3.2.3曲軸的流線分布示意圖 a）切削 b）鍛造 3.2.3金屬的鍛造性能金屬的鍛造性能是衡量金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度，是金屬的工藝性能指標之一。金屬的鍛造性能的優劣，常用金屬的塑性和變形抗力兩個指標來衡量。金屬塑性好，變形抗力低，則鍛造性能好，反之則差。影響金屬材料塑性和變形抗力的主要因素有兩個方面。 1.金屬的本質(1)金屬的化學成分 不同化學成

15、分的金屬，其塑性不同，鍛造性能也不同。一般純金屬的鍛造性能較好。金屬組成合金后，強度提高，塑性下降，鍛造性能變差。例如碳鋼隨著碳含量的增加，塑性下降，鍛造性能變差。合金鋼中合金元素的含量增多，鍛造性能也變壞。(2)金屬的組織狀態 金屬的組織結構不同，其鍛造性能有很大差別。由單一固溶體組成的合金，具有良好的塑性，其鍛造性能也較好。若含有多種合金而組成不同性能的組織結構，則塑性降低，鍛造性能較差。另外，一般來說，面心立方和體心立方結構的金屬比密排六方結構的金屬塑性好。金屬組織內部有缺陷，如鑄錠內部有疏松、氣孔等缺陷，將引起金屬的塑性下降，鍛造時易出現鍛裂等現象。鑄態組織和晶粒粗大的結構不如軋制狀態

16、和晶粒細小的組織結構鍛造性能好，但晶粒越細小，金屬變形抗力越大。 2.金屬的變形條件(1)變形溫度 隨著溫度的升高，金屬原子動能升高，易于產生滑移變形，從而提高了金屬的鍛造性能。所以加熱是鍛壓生產中很重要的變形條件。但溫度過高金屬出現過熱、過燒時，塑性反而顯著下降。對于加熱溫度需根據金屬的材質不同要控制在一定范圍，即合適的變形溫度范圍。(2)變形速度 變形速度是指金屬在鍛壓加工過程中單位時間內的相對變形量。變形速度大，會使金屬的塑性下降，變形抗力增大，但變形速度很大時，由于熱效應會使變形金屬的溫度升高而提高塑性、降低變形抗力。(3)變形時的應力狀態 壓應力使塑性提高，拉應力使塑性降低；工具和金

17、屬間的摩擦力將使金屬的變形不均勻，導致金屬塑性降低，變形抗力增大。綜合上述，金屬的塑性和變形抗力是受金屬的本質與變形條件等因素所制約。在選用鍛壓加工方法進行金屬成形時，要依據金屬的本質和成形要求，充分發揮金屬的塑性，盡可能降低其變形抗力，用最少的能耗，獲得合格的鍛壓件。3.3自由鍛3.3.1概述自由鍛是將加熱好的金屬坯料，放在鍛造設備的上、下砧鐵之間，施加沖擊力或壓力，使之產生塑性變形，從而獲得所需鍛件的一種加工方法。坯料在鍛造過程中，除與上、下砧鐵或其它輔助工具接觸的部分表面外，都是自由表面，變形不受限制，故稱自由鍛。自由鍛通常可分為手工自由鍛和機器自由鍛。手工自由鍛主要是依靠人力利用簡單工

18、具對坯料進行鍛打，從而改變坯料的形狀和尺寸獲得所需鍛件。手工鍛造生產率低，勞動強度大，錘擊力小，在現代工業生產中已為機器鍛造所代替。機器自由鍛主要依靠專用的自由鍛設備和專用工具對坯料進行鍛打，改變坯料的形狀和尺寸，從而獲得所需鍛件。自由鍛的優點是：所用工具簡單、通用性強、靈活性大，適合單件和小批鍛件，特別是特大型鍛件的生產。自由鍛的缺點是：鍛件精度低、加工余量大、生產效率低、勞動強度大等。3.3.2自由鍛設備根據鍛造設備的不同，又分為錘鍛自由鍛和水壓機自由鍛兩種。前者用于鍛造中、小自由鍛件，后者主要用以鍛造大型自由鍛件。錘鍛自由鍛的通用設備是空氣錘和蒸汽-空氣自由鍛錘。空氣錘由自身攜帶的電動機

19、直接驅動，落下部分重量在401000kg之間，錘擊能量較小，只能鍛造100kg以下的小型鍛件。空氣錘的結構如圖3.3.1所示，它主要由以下幾個主要部分組成：圖3.3.1 空氣錘的結構和工作原理1-踏桿 2-砧座 3-砧墊 4-下砧 5-上砧 6-錘桿 7-工作缸 8-下旋閥 9-上旋閥10-壓縮氣缸 11-手柄 12-錘身 13-減速器 14-電動機 15-工作活塞 16-壓縮活塞 17-連桿 18-曲柄1）機架 機架又稱錘體，由工作缸、壓縮缸、錘身和底座組成。2）傳動部分 由電動機、減速器、曲柄連桿及壓縮活塞等組成。3）操縱部分 由上、下旋閥、旋閥套和操縱手柄（踏桿）等組成。4）工作部分 包

20、括落下部分（工作活塞、錘桿和上砧塊）和錘砧（下砧、砧墊、砧座）為滿足鍛造的穩定性，砧座的質量要求不小于落下部分質量的1215倍。砧座安裝在堅固的鋼筋水泥基礎上，而且在砧座與基礎之間墊有墊木，以消除打擊時產生的震動。蒸汽-空氣錘利用壓力為0.60.9Mpa的蒸汽或壓縮空氣作為動力，蒸汽或壓縮空氣由單獨的鍋爐或空氣壓縮機供應，投資比較大。常用的雙柱式蒸汽-空氣錘的構造如圖3.3.2所示，其主要組成部分有：圖3.3.2 雙柱式蒸汽 - 空氣自由鍛錘1-砧座 2-砧墊 3-下砧 4-上砧 5-錘頭 6-導軌 7-錘桿 8-活塞 9-氣缸 10-緩沖缸 11-滑閥 12-節氣閥 13-滑閥操縱桿 14-

21、節氣閥操縱桿 15-立柱 16-底座 17-拉桿1）機架 機架又稱錘身，由鑄鐵或鑄鋼鑄成的左右立柱15組成，并由螺栓緊固在底座16上，再用前后拉桿將兩立柱連接起來，以增強剛性。2）氣缸及緩沖機構 氣缸9是將蒸汽或壓縮空氣所具有的能量轉變為打擊功能的結構，在上部安裝有緩沖氣缸10，以防活塞8沖擊氣缸蓋。3）落下部分 落下部分包括活塞8、錘桿7、錘頭5和上砧4等。4）配氣 - 操縱機構 配氣機構位于氣缸側面，由滑閥11和滑閥12組成。操縱機構由節氣閥操縱桿14、滑閥操縱桿13等組成。操縱機構的作用是通過操作節氣閥和滑閥，使錘頭實現懸空、壓緊工件、單次打擊和連續打擊等動作。5）砧座 砧座由下砧3、砧

22、墊2和砧座1組成。砧座的質量是落下部分質量的1015倍，足夠的質量可保證打擊時不會產生彈跳和減弱打擊，也不易產生下沉。圖3.3.3水壓機本體的典型結構1-下橫梁 2-下砧 3-立柱 4-上砧 5-活動橫梁6-上橫梁 7-密封圈 8-柱塞 9-工作缸 10-回程缸11-回程柱塞 12、13-管道 14-回程橫梁 15-回程拉桿自由鍛水壓機是鍛造大型鍛件的主要設備。大型鍛造水壓機的制造和擁有量是一個國家工業水平的重要標志。我國已經能自行設計制造125000KN以下的各種規格的自由鍛水壓機。水壓機是根據液體的靜壓力傳遞原理（即帕斯卡原理）設計制造的。水壓機主要由本體和附屬設備組成。水壓機本體的典型結

23、構如圖3.3.3所示，它由固定系統和活動系統兩部分組成：1）固定系統 主要由下橫梁1、立柱3、上橫梁6、工作缸9和回程缸10等組成， 下橫梁固定在基礎上。 2）活動系統 主要由活動橫梁5、工作柱塞8、回程柱塞11、回程橫梁14和回程拉桿15等部分組成。水壓機的附屬設備主要有水泵、蓄壓器、充水罐和水箱等。水壓機上鍛造時，以壓力代替錘鍛時的沖擊力，大型水壓機能夠產生數萬KN甚至更大的鍛造壓力，坯料變形的壓下量大，鍛透深度大，從而可改善鍛件內部的質量，這對于以鋼錠為坯料的大型鍛件是很必要的。此外，水壓機在鍛造時振動和噪音小，工作條件好。3.3.3自由鍛工序根據作用與變形要求不同，自由鍛的工序分為基本

24、工序、輔助工序和精整工序三類。(1) 基本工序 指改變坯料的形狀和尺寸以達到鍛件基本成形的工序，稱為基本工序。包括鐓粗、拔長、沖孔、彎曲、切割、扭轉、錯移等工步。(2) 輔助工序 是為了方便基本工序的操作，而使坯料預先產生某些局部變形的工序。如倒棱、壓肩等工步。(3) 修整工序 修整鍛件的最后尺寸和形狀，提高鍛件表面質量，使鍛件達到圖紙要求的工序叫修整工序。如修整鼓形、平整端面、校直彎曲等工步。任何一個自由鍛件的成形過程，上述三類工序中的各工步可以按需要單獨使用或進行組合。自由鍛各工序和所包含的工步簡圖見表3.3.1所示。表3.3.1 自由鍛工步簡圖3.3.4自由鍛件的分類和鍛造過程按自由鍛件

25、的外形及其成形方法，可將自由鍛件分為六類：餅塊類、空心類、軸桿類、曲軸類、彎曲類和復雜形狀類鍛件。自由鍛件分類見簡圖見表3.3.2所示。表3.3.2 自由鍛件分類表(1)餅塊類鍛件 這類鍛件主要有圓盤、葉輪、齒輪、模塊等零件的毛坯。其所采用的基本工序是鐓粗工步。隨后的輔助工序和修整工序有：倒棱、滾圓、平整等工步。餅塊類鍛件鍛造過程如圖3.3.4所示。(2)空心類鍛件 這類鍛件主要有各種圓環、齒圈、軸承環、缸體、空心軸等零件的毛坯。所采用的基本工序有鐓粗、沖孔、擴孔或芯軸拔長等工步。輔助工序和修整工圖3.3.4 餅塊類鍛件齒輪鍛造過程（1）下料 （2）鐓粗 （3）鐓擠凸臺 （4）沖孔 （5）滾圓

26、 （6）平整圖3.3.5 空心類鍛件鍛造過程（a）圓環的鍛造過程 （b）圓筒的鍛造過程（1）下料 （2）鐓粗 （3）沖孔 （1）下料 （2）鐓粗 （3）沖孔（4）芯軸擴孔 （5）平整端面 （4）芯軸拔長 （5）鍛件序有：倒棱、滾圓、校正等工步。空心類鍛件鍛造過程如圖3.3.5所示。(3)軸桿類鍛件 這類鍛件可以是直軸或階梯軸，如傳動軸、軋輥、立柱、拉桿等；也可以是矩形、方形、工字形或其他截面的桿件，如連桿、搖桿、杠桿等。鍛造軸桿類鍛件的基本工序有拔長或鐓粗+拔長工步。輔助工序和修整工序有倒棱和滾圓工步。軸桿類零件鍛造過程如圖3.3.6所示。(4)曲軸類鍛件 鍛造曲軸類鍛件的基本工序有拔長、錯移

27、和扭轉等工步。輔助和修整工序有：分段壓痕、局部倒棱、滾圓和校正等工步。曲軸類零件鍛造過程如圖3.3.7所示。圖3.3.6 軸桿類鍛件鍛造過程（1）下料 （2）拔長 （3）鐓出法蘭 （4）拔出鍛件圖3.3.7 三拐曲軸鍛造過程（1）下料 （2）壓槽（卡出II段）（3）錯移、壓出II拐扁方（4）壓槽（I、III分段）（5）壓出I、III拐扁方（6）壓槽（I、III與軸端分段）（7）摔出中間、兩端軸頸 （8）扭轉 I、III拐各30º(5)彎曲類鍛件 鍛造這類鍛件的基本工序有拔長、彎曲工步。輔助工序和修整工序有：分段壓痕、滾圓和平整等工步。彎曲類鍛件的鍛造過程如圖3.3.8所示。(6)復雜

28、形狀類鍛件 這類鍛件主要有閥體、叉桿、吊環體、十字軸等。其形狀較復雜，鍛造難度比較大，所用輔助工具也較多。因此在鍛造時應選擇合理的鍛造工序，保證鍛件順利成形。圖3.3.8 彎曲類鍛件鍛造過程（1）下料 （2）壓槽卡出兩端 （3）拔長中間部分（4）彎曲左端圓弧 （5）彎曲右端圓弧 （6）彎曲中間圓弧3.4模鍛模鍛是將加熱后的坯料放在鍛模模鏜內，在鍛壓力的作用下使坯料變形而獲得鍛件的一種加工方法。坯料變形時，金屬的流動受到模膛的限制和引導，從而獲得與模膛形狀一致的鍛件。與自由鍛相比，模鍛的優點是：1）由于有模膛引導金屬的流動，鍛件的形狀可以比較復雜；2）鍛件內部的鍛造流線按鍛件輪廓分布，從而提高了

29、零件的機械性能和使用壽命；3）鍛件表面光潔、尺寸精度高、節約材料和切削加工工時；4）生產率較高；5）操作簡單，易于實現機械化。但是，由于模鍛是整體成形，并且金屬流動時，與模膛之間產生很大的摩擦阻力，因此所需設備噸位大，設備費用高；鍛模加工工藝復雜、制造周期長、費用高，所以模鍛只適用于中、小型鍛件的成批或大量生產。不過隨著計算機輔助設計-制造（CAD/CAM）技術的飛速進步，鍛模的制造周期將大大縮短。按使用的設備類型不同，模鍛又分為錘上模鍛、曲柄壓力機上模鍛、摩擦壓力機上鍛模、平鍛機上模鍛、液壓機上模鍛等。3.4.1錘上模鍛錘上模鍛是在自由鍛基礎上最早發展起來的一種模鍛生產方法，即在模鍛錘上的模

30、鍛。它是將上、下模塊分別固緊在錘頭與砧座上，將加熱透的金屬坯料放入下模型腔中，借助于上模向下的沖擊作用，迫使金屬在鍛模型槽中塑性流動和填充，從而獲得與型腔形狀一致的鍛件。模鍛錘包括蒸汽-空氣模鍛錘、無砧座錘、高速錘和螺旋錘。其中蒸汽-空氣模鍛錘是普遍應用的模鍛錘，國外最大的模鍛錘是31.75噸，我國最大的模鍛錘為16噸。其結構如圖3.4.1所示。錘上模鍛能完成鐓粗、拔長、滾擠、彎曲、成形、預鍛和終鍛等各變形工步的操作，錘擊力量的大小和錘擊頻率可以在操作中自由控制和變換，可完成各種長軸類鍛件和短軸類鍛件的模鍛，在各種模鍛方法中具有較好的適應性；設備費用也比其他模鍛設備相對較低，是我國當前模鍛生產

31、中應用最多的一種鍛造方法，該設備結構簡單、造價低、操作簡單、使用靈活，目前廣泛應用于汽車、船用及航空鍛件的生產。其缺點是工作時振動和噪音大，勞動條件仍然較差；難以實現較高程度的操作機械化；完成一個變形工步要經過多次錘擊，生產率仍不太高。因而，在大批生產中有逐漸被壓力機上模鍛取代的趨勢。 3.4.2曲柄壓力機上模鍛曲柄壓力機上模鍛是一種比較先進的模鍛方法。曲柄壓力機的結構和工作原理如圖3.4.2所示。電動機通過飛輪釋放能量，曲柄連桿機構帶動滑塊沿導軌作上下往復運動，圖3.4.2 曲柄壓力機的結構及傳動原理簡圖1-電動機 2-小皮帶輪 3-飛輪 4-傳動軸 5-小齒輪 6-大齒輪 7-圓盤摩擦離合

32、器 8-曲柄 9-連桿 10-滑塊 11-上頂出機構 12-上頂桿 13-楔形工作臺 14-下頂桿 15-斜楔 16-下頂出機構 17-帶式制動器 18-凸輪進行鍛壓工作。鍛模分別安裝在滑塊的下端和工作臺上。與錘上模鍛相比，曲柄壓力機模鍛具有一系列優點：1）作用于坯料上的鍛造力是壓力，不是沖擊力，工作時振動和噪音小，勞動條件得到改善。2）坯料的變形速度較低。這對于低塑性材料的鍛造有利，某些不適于在錘上鍛造的材料，如耐熱合金、鎂合金等，可在壓力機上鍛造。3）鍛造時滑塊的行程不變，每個變形工步在滑塊的一次行程中即可完成，并且便于實現機械化和自動化，具有很高的生產率。4）滑塊運動精度高，并有鍛件頂出

33、裝置，使鍛件的模鍛斜度、加工余量和鍛造公差大大減小，因而鍛件精度比錘上模鍛件高。這種模鍛方法的主要缺點是設備費用高，模具結構也比一般錘上鍛模復雜，僅適用于大批量生產的條件；對坯料的加熱質量要求高，不允許有過多的氧化皮；由于滑塊的行程和壓力不能在鍛造過程中調節，因而，不能進行拔長，滾擠等工步的操作。3.4.3平鍛機上模鍛平鍛機是曲柄壓力機的一種，又稱臥式鍛造機。它沿水平方向對坯料施加鍛造壓力。按照分模面的位置可分為垂直分模平鍛機和水平分模平鍛機。圖3.4.3為平鍛機工作原理示意圖。平鍛機啟動前，棒料放在固定凹模6的型槽中，并由前擋料板4定位，以確定棒料的變形部分長度L0。然后，踏下腳踏板，使離合

34、器工作。平鍛機的曲柄凸輪機構保證按下列順序工作：在主滑塊前進過程中，活動凹模7迅速進入夾緊狀態，在Lp部分將棒料夾緊；前擋板4 退去；凸模（沖頭）3與熱毛坯接觸，并使其產生塑性變形直至充滿型槽為止。當機器回程時，各部分的運動順序是：沖頭從凹模中退出。活動凹模回復原位，沖頭回復原位，從凹模中取出鍛件。平鍛機上模鍛在工藝上有如下特點：1) 鍛造過程中坯料水平放置，坯料都是棒料或管材，并且只進行局部（一端）加熱和局部變形加工。因此，可以完成在立式鍛壓設備上不能鍛造的某些長桿類鍛件，也可用長棒料連續鍛造多個鍛件。2) 鍛模有兩個分模面，鍛件出模方便，可以鍛出在其它設備上難以完成的在不同方向上有凸臺或凹

35、槽的鍛件。3)需配備對棒料局部加熱的專用加熱爐。與曲柄壓力機上模鍛類似，平鍛機上模鍛也是一種高效率、高質量、容易實現機械化的鍛造方法，勞動條件也較好，但平鍛機是模鍛設備中結構較復雜的一種，價格貴、投資大，僅適用于鍛件的大批量生產。目前平鍛機已廣泛用于大批量生產汽門、汽車半軸、環類鍛件等。 3.4.4摩擦壓力機上模鍛摩擦壓力機是靠飛輪旋轉所積蓄的能量轉化成金屬的變形能進行鍛造，如圖3.4.4所示。摩擦壓力機屬于鍛錘鍛壓設備，其行程速度介于模鍛錘和曲柄壓力機之間，有一定的沖擊作用，滑塊行程和沖擊能量都可自由調節，坯料在一個模膛內可以多次鍛擊，因而工藝性能廣泛，既可完成鐓粗、成形、彎曲、預鍛、終鍛等

36、成形工序，也可進行校正、精整、切邊、沖孔等后續工序的操作，必要時，還可作為板料沖壓的設備使用。摩擦壓力機的飛輪慣性大，單位時間內的行程次數比其它設備低得多，這對于再結晶速度較低的塑性材料的鍛造是有利的，但也因此生產率較低。由于采用摩擦傳動，摩擦壓力機的傳動效率低，因而，設備噸位的發展受到限制，通常不超過10000KN。圖3.4.4 摩擦壓力機傳動圖a)外形圖 b)傳動圖1-螺桿 2-螺母 3-飛輪 4-圓輪 5-傳動帶 6-電動機 7-滑塊 8-導軌 9-機架 10-機座摩擦壓力機上模鍛適用于小型鍛件的批量生產。摩擦壓力機結構簡單、性能廣泛、使用維護方便，是中、小型工廠普遍采用的鍛造設備。近年

37、來，許多工廠還把摩擦壓力機與自由鍛錘、輥鍛機、電鐓機等配成機組或組成流水線，承擔模鍛錘、平鍛機的部分模鍛工作，有效地擴大了它的使用范圍。3.4.5其它模鍛設備1. 螺旋壓力機螺旋壓力機一般適用于中、小批量生產的各種形狀的模鍛件，尤其是適用于鍛造軸對稱性的鍛件。螺旋壓力機按其結構分類。可分為摩擦螺旋壓力機、液壓螺旋壓力機和電動螺旋壓力機，如圖3.4.5所示。近年來還出現了氣液螺旋壓力機和離合器式高能螺旋壓力機。它們共同的特點是飛輪在外力驅動下儲備足夠的能量，再通過螺桿傳遞給滑塊來打擊毛坯做功。螺旋壓力機同時具有錘和曲柄壓力機的特點，可進行模鍛、沖壓、鐓鍛、擠壓、精壓、切邊、彎曲和校正等工作。而且

38、該設備結構簡單、 振動小、基礎簡單，可大大減少設備和廠房的投資。2. 液壓機液壓機是一種利用液體壓力來傳遞能量的鍛壓設備，它包含以油做工作介質的油壓機和以水為工作介質的水壓機。鍛造液壓機有自由鍛液壓機、模鍛液壓機和切邊液壓機之分。鍛造生產常用的模鍛液壓機又有通用模鍛液壓機和專用模鍛液壓機兩類。模鍛水壓機外形如圖3.4.6所示。此類設備的特點是：行程和鍛造能力較大，工作臺面大，工作液體的壓力高，在整個工作過程中壓力和速度變化不大，在靜壓條件下金屬變形均勻，鍛件組織均勻，應用范圍廣，對于鋁鎂合金、鈦合金或高溫合金鍛件更為適用。現在世界最大的模鍛水壓機是原蘇聯在19551960年間制造的750000

39、kN大型模鍛水壓機。圖3.4.6 450MN模鍛水壓機1-工作缸 2-工作缸支承梁 3-同步缸 4-回程缸 5-縱梁 6-固定梁 7-立柱3. 精壓機精壓機是一種工作行程小、剛度大、變形力較大的鍛造設備。它的特點是滑塊行程小，曲柄-連桿機構通過短而粗的肘桿機構帶動滑塊上、下運動。其結構如圖3.4.7所示。精壓機的結構與其它壓力機的最大差別是滑塊、肘桿機構及裝模高度調節機構不同，大部分工作變形力由兩肘桿承受，連桿受力較小。精壓機模鍛件的公差約為普通模鍛件的1/3左右。在飛機結構和發動機中，精壓機模鍛件的應用較多。但精壓機模鍛要求有高質量的毛坯、精確的模具、少無氧化的加熱條件、良好的潤滑和較復雜的

40、工序間清理等，所以生產成本較高，在一定批量下才能降低成品零件的總成本。4. 楔橫軋機圖3.4.7 精壓機楔橫軋機主要用來生產大批量的軸類鍛件或預制毛坯。其結構形式可分為單輥弧形式楔橫軋機、輥式楔橫軋機和板式楔橫軋機三種，如圖3.4.8所示。 其中輥式楔橫軋機由于生產率較高，軋制產品尺寸精度容易保證，能方便準確地實現徑向、軸向的調整而得到廣泛應用。3.5板料沖壓3.5.1概述板料沖壓是利用裝在沖床上的沖模對金屬板料加壓，使之產生變形或分離，從而獲得零件或毛坯的加工方法。板料沖壓的坯料通常都是較薄的金屬板料，而且，沖壓時不需加熱，故又稱為薄板沖壓或冷沖壓，簡稱冷沖或沖壓。1. 板料沖壓的特點和應用

41、與鍛造和其它加工方法相比，板料沖壓具有下列特點：1）它是在常溫下通過塑性變形對金屬板料進行加工的，因而，原材料必須具有足夠的塑性，并應有較低的變形抗力。2）金屬板料經過塑性變形的冷變形強化作用，并獲得一定的幾何形狀后，具有結構輕巧、強度和剛度較高的優點。3）沖壓件尺寸精度高、質量穩定、互換性好，一般不再進行切削加工，即可作為零件使用。4）沖壓生產操作簡單，生產率高，便于實現機械化和自動化。5）沖壓模具結構復雜、精度要求高、制造費用高，只有在大批量生產的條件下，采用沖壓加工方法在經濟上才是合理的。板料沖壓是機械制造中的重要加工方法之一，它在現代工業的許多部門都是得到廣泛的應用，特別是在汽車制造、

42、拖拉機、電機、電器、儀器儀表、兵器及日用品生產等工業部門中占有重要的地位。2. 沖壓設備 板料沖壓設備主要是剪床和沖床。 (1)剪床 剪床用于把板料切成需要寬度的條料，以供沖壓工序使用。剪床的外形及傳動機構如圖3.5.1所示。，電動機1通過帶輪使軸2轉動，再通過齒輪傳動及離合器圖3.5.1 剪 床a)外形圖 b)傳動圖1-電動機 2-軸 3-離合器 4-曲軸 5-滑塊 6-工作臺 7-滑塊制動器3使曲軸4轉動，于是帶有刀片的滑塊5便上下運動，進行剪切工作。6為工作臺，7是滑塊制動器。(2)沖床 沖床的種類很多，主要有單柱沖床、雙柱沖床、雙動沖床等。圖3.5.2是單柱沖床外形及傳動示意圖。電動機

43、5帶動飛輪4通過離合器3與單拐曲軸2相接，飛圖3.5.2 單柱沖床1-制動閘 2-曲軸 3-離合器 4-飛輪 5-電動機 6-踏板 7-滑塊 8-連桿輪可在曲軸上自由轉動。曲軸的另一端則通過連桿8與滑塊7 連接。工作時，踩下踏板6離合器將使飛輪帶動曲軸轉動，滑塊做上下運動。放松踏板，離合器脫開，制動閘1立即停止曲軸轉動，滑塊停留在待工作位置。3.5.2板料沖壓的基本工序板料沖壓的基本工序有沖裁、彎曲、拉深、成形等。1. 沖裁沖裁是使板料沿封閉的輪廓線分離的工序，包括沖孔和落料。這兩個工序的坯料變形過程和模具結構都是一樣的，二者的區別在于沖孔是在板料上沖出孔洞，被分離的部分為廢料，而周邊是帶孔的

44、成品；落料是被分離的是的部分是成品，周邊是廢料。沖裁時板料的變形和分離過程，如圖3.5.3所示。凸模和凹模的邊緣都帶有鋒利的刃口。當凸模向下運動壓住板料時，板料受到擠壓，產生彈性變形并進而產生塑性變形，當上、下刃口附近材料內的應力超過一定限度后，即開始出現裂紋。隨著沖頭（凸模）繼續下壓，上、下裂紋逐漸向板料內部擴展直至匯合，板料即被切離。圖3.5.3 沖裁過程a)變形 b)產生裂紋 c)斷裂 d)斷口沖裁后的斷面可明顯地區分為光亮帶、剪裂帶、圓角和毛刺四部分。其中光亮帶具有最好的尺寸精度和光潔的表面，其它三個區域，尤其是毛刺則降低沖裁件的質量。這四個部分的尺寸比例與材料的性質、板料厚度、模具結

45、構和尺寸、刃口鋒利程度等沖裁條件有關。為了提高沖裁質量，簡化模具制造，延長模具壽命及節省材料，設計沖裁件及沖裁模具時應考慮：1）沖裁件的尺寸和形狀 在滿足使用要求的前提下，應盡量簡化，多采用圓形、矩形等規則形狀，以便于使用通用機床加工模具，并減少鉗工修配的工作量。線段相交處必須圓弧過渡。沖圓孔時，孔徑不得小于板料厚度；沖方孔時，孔的邊長不得小于0.9；孔與孔之間或孔與板料邊緣的距離不得小于。2）模具尺寸 沖裁件的尺寸精度依靠模具精度來保證。凸凹模間隙對沖裁件斷面質量具有重要影響，合理的間隙值可按表3.5.1選擇。在設計沖孔模具時，應使凸模刃口等于所要求孔的尺寸，凹模刃口尺寸則是孔尺寸加上兩倍的

46、間隙值。設計落料模具時，則應使凹模刃口尺寸為成品尺寸，凸模則減去兩倍的間隙值。3) 沖壓件的修整 修整工序是利用修整模沿沖裁件的外緣或內孔，切去一薄層金屬，以除去塌角、剪裂帶和毛刺等，從而提高沖裁件的尺寸精度和降低表面粗糙度。只表3.5.1 沖裁模的合理間隙值材料種類材 料 厚 度 /mm0.10.40.41.21.22.52.54.04.06.0黃銅、低碳鋼0.010.02(710)% (912)% (1214)% (1518)% 中、高碳鋼0.010.05(1017)% (1825)% (2527)% (2729)% 磷青銅0.010.04(812)% (1114)% (1417)% (1

47、820)% 鋁及鋁合金（軟）0.010.03(812)% (1112)% (1112)% (1112)% 鋁及鋁合金（硬）0.010.03(1014)% (1314)% (1314)% (1314)% 有當對沖裁件的質量要求較高時，才需要增加修整工序。修整在專用的修整模上進行，模具間隙約為0.0060.01mm。修整時單邊切除量約為0.050.2mm，修整后的切面粗糙度Ra值可達1.250.63um，尺寸精度可達IT6IT7。2. 彎曲彎曲是將平直板料彎成一定角度和圓弧的工序，如圖3.5.4所示。彎曲時，坯料外側的金屬受拉應力作用，發生伸長變形。坯料內側金屬受壓應力作用，產生壓縮變形。在這兩個

48、應力-應變區之間存在一個不產生應力和應變的中性層，其位置在板料的中心部圖3.5.4 彎曲過程位。當外側的拉應力超過材料的抗拉強度時，將產生彎裂現象。坯料越厚、內彎曲半徑r越小，坯料的壓縮和拉伸應力越大，越容易彎裂。為防止彎裂，彎曲模的彎曲半徑要大于限定的最小彎曲半徑rmin，通常取rmin = （0.251）。此外，彎曲時，應盡量使彎曲線和坯料纖維方向垂直，不僅能防止彎裂，也有利于提高零件的使用性能。塑性彎曲和任何的塑性變形一樣，在外加載荷的作用下，板料產生的變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當外載荷去除后，塑性變形保留下來，而彈性變形部分則要恢復，從而使板料產生與彎曲方向相反的變形，這種現

49、象稱為彈復，又稱回彈，如圖3.5.5所示。彈復后，彎曲角減小（由變為'），彎曲半徑增大（由r變為r '）。彈復的程度通常以彈復角表示： = - '顯然，彈復現象會影響彎曲件的尺寸精度。彈復角的大小與材料的機械性能、彎曲半徑、彎曲角等因素有關。材料的屈服強度越高、彎曲半徑越大（即彎曲程度越輕），則在整個彎曲過程中，彈性變形所占的比例越大，彈復角則越大。這就是曲率半徑大的零件不易彎曲 圖3.5.5 彎曲時的彈復現象成形的道理。此外，在彎曲半徑不變的 1-彈復前 2-彈復后條件下，彎曲角越大，變形區的長度就越大，因而，彈復角也越大。為了克服彈復現象對彎曲零件尺寸的影響，通常采

50、取的措施是利用彈復規律，增大凸模壓下量，或適當改變模具尺寸，使彈復后達到零件要求的尺寸。此外，也可通過改變彎曲時的應力狀態，把彈復現象限制在最小的范圍內。3. 拉深拉深是利用拉深模使平面板料變為開口空心件的沖壓工序，又稱拉延。拉深可以制成筒形、階梯形、球形及其它復雜形狀的薄壁零件。拉深過程如圖3.5.6所示。原始直徑為D的板料，經拉深后變成內徑為d的杯形零件。凸模壓入過程中，伴隨著坯料變形和厚度的變化。拉深件的底部一般不變形，厚度基本不變。其余環形部分坯料經變形成為空心件的側壁，厚度有所減小。側壁與底之間的過渡圓角部位被拉薄最嚴重。拉深件的法蘭部分厚度有所增加。拉深件的成形是金屬材料產生塑性流動的結果，坯料直徑越大，空心件直徑越小，變形程度越大。圖3.5.6 拉深過程 圖9.5.7拉深廢品1-沖頭 2-壓板 3-凹模 a)拉穿 b)皺折拉深件最容易產生的缺陷是拉裂和起皺。拉裂產生的最危險的部位是側壁與底的過渡圓角處。為使 拉深過程正常進行，必須把底部和圖側壁的拉應力限制在不使材料發生塑性變形的限度內，而環形區內的徑向拉應力，則應達到和超過材料的屈服極限，并且，任何部位的應力總和都必須小于材料的強度極限，否則，就會造成如圖3.5.7a所示的拉穿缺陷。起皺是拉深時