金屬鍛造工藝金屬鍛造工藝鄭州大學第11章鍛造工藝【教學要求】知識要點掌握程度相關知識鍛造的加熱規范了解鍛前加熱的方法、特點、缺陷及防治措施，熟悉鍛造溫度范圍確定的原則及方法，了解坯料加熱規范制定的原則。鍛前加熱，少無氧化加熱技術，鍛件加熱時的缺陷，鍛造溫度范圍的確定自由鍛工藝了解自由鍛工藝的特點和工序分類，熟悉自由鍛各工序的作用、變形特點、成形缺陷及應對措施。自由鍛特點，自由鍛工序，鐓粗工序，拔長工序，內部橫向裂紋，內部縱向裂紋模鍛工藝了解模鍛成形的工藝特點及鍛模的結構及分類，熟悉開始模鍛和閉式模鍛成形過程及金屬流動特點。模鍛特點，鍛模結構，開式模鍛，閉式模鍛精密模鍛及其他特種鍛造技術了解精密模鍛及其他特種鍛造技術的特點及應用，了解精密模鍛等技術在零件近終及近凈成形制造的應用現狀。精密鍛造，冷鍛技術，冷鐓技術，壓印加工，旋轉鍛造鍛造是金屬塑性加工的重要方法之一，鍛造的主要目的是成形和改性（機械性能和內部組織的的改善），其中后者是其他工藝方法難以實現的。通過鍛造能使鑄造組織中的疏松、氣孔壓實，把粗大的鑄造組織（樹枝狀晶粒）擊碎成細小的晶粒，并形成纖維組織。當纖維組織沿著零件輪廓合理地分布時，能提高零件的機械性能，因而鍛造制成的零件強度高，可承受更大的沖擊載荷。在承受同樣大小沖擊載荷的情況下，鍛制零件尺寸可以減小，節省金屬。另外鍛造生產還具有利用率高、生產效率高、靈活性大等優點。鍛造工藝的分類大體上有兩種方法，一種是按成形溫度劃分，一種是按所用設備和工具劃分。按金屬變形時的溫度來分，鍛造分為熱鍛、溫鍛和冷鍛三種。如果根據金屬變形所采用的設備和工具，鍛造可以分為自由鍛造、模型鍛造和特種鍛造等。本教材主要介紹鍛前加熱、自由鍛及模鍛工藝的基本內容，并簡單介紹了精密模鍛及其他特種鍛造技術的原理及其應用情況。11.1鍛造的加熱規范11.1.1鍛前加熱1.鍛前加熱的目的及分類在熱鍛和溫鍛工藝中，首先要對毛坯進行鍛前加熱，目的是提高金屬塑性、降低變形抗力，并獲得良好的鍛后組織。金屬鍛前加熱的方法按采用的熱源不同，分為火焰加熱和電加熱兩大類。1)火焰加熱火焰加熱主要通過加熱爐內的煤、焦炭、煤氣、重油和柴油等燃料在燃燒過程中產生具有的高溫火焰和氣體，以對流、輻射的方式將熱能傳給毛坯表面，再由表面向中心熱傳導而使金屬毛坯加熱。當爐內溫度低于600~700℃時，毛坯加熱主要靠對流加熱。當溫度超過700~800℃時，毛坯加熱則以輻射傳熱為主。加熱爐在高溫加熱時，輻射傳熱占90%以上，對流傳熱占8%~10%。火焰加熱作為一種傳統的毛坯加熱方法有很多優點，例如燃料來源方便、爐子制造簡單、加熱費用較低、對毛坯的適應范圍廣，適用于大、中、小型坯料的加熱。缺點是：①加熱速度慢，效率低，不適合大批量生產；②加熱質量難以控制，許多加熱工藝和規范是由生產經驗來確定的；③勞動條件差，對環境有污染。2)電加熱電加熱是將電能轉為熱能來加熱金屬毛坯，具體的方法有感應電加熱、接觸電加熱、電阻爐加熱和鹽浴爐加熱。感應電加熱就是將金屬毛坯放入感應圈內，通過感應圈內的交變電流產生的交變磁場，在金屬內部產生交變渦流，依靠毛坯的阻抗使電能轉變為熱能，從而加熱毛坯。感應加熱的優點有：①加熱速度快；②加熱質量好；③溫度可以得到很準確地控制；④金屬燒損少；⑤便于實現機械化和自動化，與后續的鍛壓設備組成生產線；⑥勞動條件好，對環境沒污染。接觸電加熱的原理是以低壓大電流直接接通金屬毛坯，利用金屬的電阻產生熱量，從而使之加熱。其特點是設備簡單，加熱成本低，一般只適用于長毛坯料的整體和局部加熱。電阻爐的加熱原理與火焰加熱相似，也是通過對流和輻射的方式進行，只是熱源不是燃料，而是電熱體通電后產生的熱量。常用的電熱體有鐵鉻鋁合金、鎳鉻合金、碳化硅元件或二硅化鉬元件等。鹽浴爐加熱是電流通過爐內電極產生的熱量把導電介質鹽熔融，通過高溫介質的對流與傳導將埋入介質中的金屬加熱。2.少無氧化加熱少氧化或無氧化加熱可以減少金屬的氧化燒損和脫碳，限制表面氧化皮厚度在0.05~0.06mm以下，將表面脫碳層控制在磨削余量范圍以內。少無氧化加熱提高了加熱質量，不但能提高鍛件的尺寸精度和表面質量，降低表面粗糙度，而且能提高模具使用壽命約16%。少無氧化快速加熱坯料的最大直徑一般是：火焰快速加熱為150~160mm，感應加熱為30~50mm。實現少無氧化加熱方法主要有快速加熱、少無氧化火焰加熱和介質保護加熱等。無論采用哪種方法，都應該采用技術上可能的最大加熱速度加熱金屬，加熱速度快，坯料表面氧化少。還可采用火焰爐與感應爐聯合加熱，即先在火焰爐中將坯料加熱到700~900℃，然后在感應器中快速加熱到始鍛溫度。11.1.2加熱時的缺陷坯料在鍛前加熱過程中，由于加熱工藝不合理和加熱操作不當所引起的缺陷大體有以下三類：1.氧化、脫碳、增碳1)氧化氧化的實質是擴散過程，即爐氣組分O2、CO2、H2O等中的氧以原子狀態吸附到鋼料表面后向內擴散，而鋼料表層中的鐵則以離子狀態由內部向表面擴散，結果使鋼的表層變成氧化鐵（氧化皮），這種缺陷稱為氧化。氧化的危害有：①毛坯會出現燒損；②氧化皮在成形時會被壓入鍛件表面，影響其表面質量；③氧化皮又脆又硬，加劇模具的磨損；④氧化皮還會腐蝕加熱爐爐底。2)脫碳鋼在高溫加熱時，表層中的碳和爐氣中的氧化性氣體（O2，CO2，H2O等）與某些還原性氣體（H2）發生化學反應，生成甲烷或一氧化碳，造成鋼料表層的含碳量減少，這種現象稱為脫碳。脫碳的結果是使鍛件表面變軟，強度和耐磨性降低。當脫碳層較深時，會影響到鍛件的質量。3)增碳經油爐加熱的鍛件常常在表面或部分表面發生增碳現象。有時增碳層厚度達到1.5~1.6mm，增碳層的含碳量達1%左右，局部含碳量甚至超過2%，出現萊氏體組織。增碳使鍛件的力學性能變壞，在機械加工時易損壞刀具。2.過熱和過燒1)過熱當鋼加熱超過某一溫度，或在高溫下停留時間過長，會引起奧氏體晶粒迅速長大，這種現象稱為過熱。晶粒開始急劇長大的溫度叫做過熱溫度，不同鋼種的過熱溫度不同。一般鋼中C、Mn、S、P等元素會增加鋼的過熱傾向，Ti、W、V、Nb等元素可減小鋼的過熱傾向。過熱對金屬鍛造過程影響不大，只要沒有過燒，在足夠大的變形程度下，晶粒粗大組織一般都可以消除。但如果變形程度較小，終鍛溫度比較高，則鍛后冷卻時會出現非正常組織，導致鋼的強度和沖擊韌性降低。2)過燒當毛坯加熱溫度接近其熔點之前，其內部的低熔成分和夾雜物會產生氧化和溶解，破壞晶界的結合，使坯料失去塑性，不能鍛壓加工，這種現象叫過燒。產生過燒的溫度叫過燒溫度，不同的鋼種，過燒溫度不同。一般鋼中含有Ni、Mo等元素會容易產生過燒，而Cr、W、Co等元素則能抑制過燒。過燒的毛坯在鍛造時，會在表面引起網格狀的裂紋，一般稱為“龜裂”。過燒嚴重時，毛坯會破裂成碎塊。為減少和防止坯料過熱、過燒，應嚴格遵守加熱規范，特別是要控制加熱溫度以及在高溫的停留時間。3.裂紋毛坯在加熱中，會出現以下內應力：①由于其表層與心部溫度的差異造成的溫度應力；②由于相變發生時間的差異引起的組織應力。當以上內應力超出材料在此溫度下的強度極限時便產生裂紋。11.1.3鍛造溫度范圍的確定1.確定鍛造溫度范圍的原則及方法鍛造溫度范圍是指金屬鍛造開始溫度（始鍛溫度）和鍛造結束溫度（終鍛溫度）之間的一段溫度區間。確定鍛造溫度范圍的基本原則是：保證金屬有較高的塑性，較低的變形抗力，得到高質量鍛件，同時鍛造溫度范圍盡可能寬些，以便減少加熱火次，提高鍛造生產率，減小熱損耗。確定鍛造溫度范圍的基本方法是：以金屬的平衡相圖為基礎，再參考金屬的塑性圖、變形抗力圖和再結晶圖，由塑性、質量和變形抗力三方面加以綜合分析，從而定出始鍛溫度和終鍛溫度。下面以鋼材為例，簡要介紹碳鋼鍛造溫度范圍確定的基本方法。確定始鍛溫度，首先必須保證鋼不產生過熱和過燒的現象。對碳鋼來講，始鍛溫度應低于鐵-碳平衡相圖的始熔線以下150~250℃（圖11.1）。此外，始鍛溫度還應考慮到坯料組織、鍛造方式和變形工藝過程等因素。終鍛溫度的確定，既要保證鋼在終鍛前保持足夠的塑性，又要使鍛件能夠獲得良好的組織性能。所以終鍛溫度不能過高，溫度過高會使鍛件的晶粒粗大，鍛后冷卻時出現非正常組織。相反溫度過低，不僅導致鍛造后期加工硬化，內部出現硬化組織和殘余應力，在鍛壓、冷卻后續工藝過程都容易開裂。因此，通常鋼的終鍛溫度應稍高于其再結晶溫度（一般高于50~100℃），如圖11.1所示，對于碳鋼終鍛溫度要在的Ar1線以上25~75℃。但是，終鍛溫度如果比再結晶溫度高得過多，停鍛后內部晶粒會繼續長大，出現粗晶組織，或析出第二相，影響鍛壓件的機械性能。圖11.1鐵-碳平衡相圖從圖11.1看出，對于亞共析鋼終鍛溫度應在A3線以上15~50℃，因位于單相奧氏體區，組織均一而塑性良好。但是對碳含量小于0.3%的低碳鋼，終鍛溫度可以降到A3線以下，雖然處于（γ+α）雙相區，仍具有足夠的塑性，變形抗力于也不太高，并且還擴大了鍛造溫度范圍。對于過共析鋼，終鍛溫度應在Acm線以下、Ar1線以上50~100℃。這是因為，若終鍛溫度選在Acm線以上，則會在鍛后的冷卻過程中，沿著晶界析出二次網狀滲碳體，將使鍛件的力學性能大為降低。如在Acm線與Ar1線之間鍛造，由于塑性變形的機械破碎作用，可使析出的二次滲碳體呈彌散狀。從以上可以看出，金屬的始鍛溫度和終鍛溫度隨成分不同有很大差別。一般來說，鋼的合金元素含量越高，熔點越低，始鍛溫度也越低。而再結晶溫度則相反，合金元素含量愈高，結晶溫度越高，終鍛溫度也越高。所以合金成分越高，始鍛和終鍛溫度的間隔越小。表11-2是常見鋼種的鍛造溫度范圍。當然，鋼的終鍛溫度與鋼的組織、鍛造工序和后續工序等也有關，在具體制定鍛造工藝時，還要考慮這些因素。合金的再結晶溫度合金的再結晶溫度和成分相關。純金屬的再結晶溫度T再和熔點T熔有下列近似關系：

T再≈0.4T熔式中的溫度為熱力學溫度。金屬內加入合金元素后，增加了原子穩定性，再結晶溫度比純金屬的要高。例如純鐵的再結晶溫度為450℃，碳鋼的再結晶溫度為600~650℃。再結晶溫度和熔點的近似關系為：

高合金鋼：T再≈（0.6~0.65）T熔；

高碳鋼：T再≈（0.7~0.85）T熔。表11-2常見各鋼種的鍛造溫度范圍鋼種始鍛溫度/℃

終鍛溫度/℃鍛造溫度范圍/℃普通碳素鋼優質碳素鋼碳素工具鋼合金結構鋼合金工具鋼高速工具鋼耐熱鋼彈簧鋼軸承鋼1280120011001150~12001050~11501100~11501100~11501100~11501080700800770800~850800~850900850800~850800580400330350250~300200~250259~30030028011.1.4金屬坯料的加熱規范1.制訂加熱規范的原則加熱規范是指規定加熱過程中各個階段的爐溫和時間的關系。加熱規范主要內容有：裝爐溫度、低溫和高溫區的升溫速度、保溫階段的保溫時間、加熱至始鍛溫度的最高爐溫和所需總的加熱時間。制訂加熱規范的原則是：在保證毛坯加熱質量前提下，即不產生裂紋、不過熱過燒、溫度均勻、氧化脫碳少等，盡量縮短加熱時間和節省燃料，力求加熱過程越快越好。(1)加熱溫度。包括裝爐溫度，各個階段的保溫溫度及出爐溫度。對于尺寸小、塑性好、導熱性高、熱膨脹系數小的材料可以用高溫裝爐。否則，為避免加熱時產生較大的溫度應力而出現裂紋，一般應低溫裝爐。加熱過程中各階段的保溫時間，也按材料性能與毛坯的尺寸確定。出爐溫度一般比始鍛溫度要高一些。(2)加熱速度。加熱速度是指在單位時間內表面溫度上升的度數稱為加熱速度（℃·h-1），也可用單位時間內金屬熱透的厚度（mm·min-1）來表示。(3)加熱時間。毛坯從開始加熱至始鍛溫度時所需的時間稱為加熱時間。加熱時間不包括毛坯在始鍛溫度下的保溫時間。加熱時間至今尚無成熟的理論計算公式，因此通常用經驗公式或圖表資料來計算確定。2.鋼錠和鋼坯的加熱規范

1)熱錠料加熱

鋼錠加熱分為熱態和冷態兩種。熱態加熱就是將澆注好的鋼錠，立即從鑄鋼車間保溫送至鍛造車間，直接裝爐加熱，并要求裝爐時表面溫度不低于550~650℃，具體溫度高低視鋼號而定。對于表面溫度低于550~650℃的錠料，應按冷鋼錠考慮。

熱錠料加熱時，裝爐溫度要稍許降低，其值視斷面尺寸和鋼號而定，一般裝爐溫度約為1000~1100℃。2)冷錠料加熱冷鋼錠加熱規范與鋼錠的材質和尺寸有關。對于質量小于200~2500kg、直徑小于500~550mm的結構鋼鋼錠，一般可不經過預熱和不分段，而直接加熱到始鍛溫度。對于含碳量0.35%~0.45%的碳素鋼鋼錠，甚至重達7t也可直接加熱到始鍛溫度。對于大鋼錠來說，由于斷面上溫差大，溫度應力較大，內部缺陷較多，殘余應力較大，所以一般采用分段加熱。3)鋼坯的加熱規范對于一般碳素結構鋼和合金結構鋼的鋼坯，都可不經預熱和保溫，而采用高溫直接裝爐，快速加熱到鍛造溫度后即可出爐鍛造。對于導熱性很低的高合金鋼，例如高速鋼，若直徑較大時，需要采用分段加熱規范。11.2自由鍛工藝11.2.1自由鍛工藝特點及工序分類自由鍛造簡稱自由鍛，一般是在鍛錘或水壓機上，利用簡單的工具將金屬塊料鍛成所需形狀和尺寸。（1）在自由鍛造中不使用專用模具，鍛件的尺寸精度低，生產效率不高，主要用于單件、小批量、大鍛件生產等。（2）自由鍛造的成形特點是坯料在平砧上面或工具之間經逐步的局部變形而完成成形。由于是工具和坯料部分接觸，故所需設備功率比生產同尺寸鍛件的模鍛設備小得多。所以自由鍛適于鍛造大型鍛件，如萬噸模鍛水壓機只能模鍛幾百公斤的鍛件，而萬噸自由鍛水壓機卻可鍛造百噸以上的大型鍛件。（3）自由鍛造所用的毛坯為熱軋坯、冷軋坯或鑄錠坯等。對碳鋼和低合金鋼的中小型鍛件，原材料大多采用經過鍛軋的坯料，這類坯料的內部質量較好，在鍛造時主要解決成形問題。對于這類坯料的自由鍛造，其工藝研究的重點是利用金屬流動的規律，選擇合適的工具，制定合理的成形工序，以獲得合格的形狀和尺寸。對于大型鍛件和高合金鋼鍛件，多數是利用初鍛坯或鑄錠坯，其內部組織有疏松、縮孔、偏析、氣泡以及夾雜等缺陷，所以必須通過自由鍛造來消除。這類坯料的自由鍛造工藝研究的重點是制定合理的工藝參數，選擇合適的工具，消除缺陷，改善材料的性能。自由鍛造的工序可以分為三類，即基本工序、輔助工序和修正工序。基本工序：改變坯料形狀和尺寸以獲得鍛件的工序稱為基本工序。自由鍛的基本工序有鐓粗、拔長、沖孔、芯軸擴孔、芯軸拔長、彎曲、切割、錯移、扭轉和鍛接等（表11-3）。

鋪助工序：為了完成基本工序而使坯料預先產生某一變形的工序叫做鋪助工序，如鋼錠倒棱、預壓鉗把和分段壓痕等。修整工序：在基本工序完成后，為了精整鍛件尺寸和形狀，消除鍛件平面不平、歪扭等，使鍛件完全達到鍛件圖要求的工序叫做修整工序，如鼓形滾圓、端面平整、彎曲校直等。以下主要介紹鐓粗、拔長等基本工序。11.2.2鐓粗工序使坯料高度減小而橫截面積增大的成形工序稱為鐓粗。鐓粗是自由鍛造中最基本最常見的工序之一。鐓粗主要應用在下列情況中：①由橫截面積小的毛坯得到橫截面積較大而高度較小的餅類鍛件；②沖孔前增大橫截面積和平整坯料端面；③提高后續拔長工序的鍛比；④提高鍛件的橫向機械性能和減少機械性能的異向性；⑤反復鐓粗和拔長可以破碎合金工具鋼中的碳化物，并使其均勻分布。鐓粗方法一般分為三類：即平砧鐓粗、墊環鐓粗和局部鐓粗。1.平砧鐓粗坯料在上下平砧間或鐓粗平板間進行的鐓粗稱為平砧鐓粗，如圖11.2所示。鐓粗的變形程度除了用壓下量△H、相對變形程度eH、對數應變εH表示之外，常以坯料鐓粗前后的高度之比，即鐓粗比kH來表示，即下面以圓柱坯料的平砧鐓粗為例介紹平砧鐓粗中金屬材料的流動特點。從平砧鐓粗圓柱坯料試驗（圖11.2）看出，隨著鐓粗坯料高度的的減小，金屬不斷向四周流動。鐓粗后的側表面將變成鼓形，中部直徑大，兩端直徑小。圖11.2平砧鐓粗圖11.3是利用網格法得到的金屬流動的規律，沿坯料的對稱面可分為三個變形區：(1)變形區Ⅰ。該變形區受端面摩擦的影響大，變形程度最小，稱為難變形區。(2)變形區Ⅱ。該區處于坯料中段，受摩擦影響小，溫度降低最慢，而且應力狀態也有利于變形，因此變形程度最大，稱為大變形區。(3)變形區Ⅲ。該區變形程度居中，稱為小變形區。平砧鐓粗的特點決定了這種工藝生產的鍛件容易出現一些缺陷：①“鼓肚”現象；②側面容易產生縱向或呈45°方向的裂紋；③錠料鐓粗后，上、下端常保留粗大鑄造組織；④高毛坯鐓粗時還會出現“雙鼓肚”現象，并易失穩而彎曲等。表面產生裂紋和內部組織不均勻都是由變形溫度的不均勻引起的。為了消除這些缺陷，保證鍛件質量，盡量減小“鼓肚”的程度，提高變形的均勻性，在鍛造生產中常采用以下工藝措施來解決這些缺陷。(1)預熱工具和使用潤滑劑。這種措施主要是防止金屬毛坯很快冷卻，一般情況下，需對工具進行200~300℃的預熱。另外使用玻璃粉、石墨粉以及二硫化鉬等作為潤滑劑，可以減小工具與毛坯之間的摩擦。(2)控制坯料高徑比D0/H0。對圓柱坯料，一般0.5＜D0/H0≤1.0時，鐓粗只產生單鼓形；1.0＜D0/H0≤1.5時，鐓粗時由雙鼓形向單鼓形過渡；1.5＜D0/H0≤2.5時，鐓粗時兩端為單鼓形，中間均勻變形為圓柱形；當D0/H0≥2.5~3時，鐓粗時坯料易產生失穩，導致縱向彎曲。(3)凹形坯鐓粗。如圖11.4所示，鐓前對坯料端部變形，鍛成側表面向內凹的形狀。這樣在鐓粗時，側凹面上產生徑向壓力分量，可以減小鼓形，使坯料變形均勻，并防止側表面縱向裂紋。隨著鐓粗進行，側面內凹消失，變成圓柱形，最終可獲得程度不大的鼓形。圖11.4凹形坯鐓粗(4)軟金屬墊鐓粗。如圖11.5所示，該法是將坯料放在兩個溫度不低于坯料溫度的軟金屬墊之間進行鐓粗。由于容易變形的軟金屬的流動，對坯料產生了向外的主動摩擦力，促使坯料端部的金屬向四周流動，結果使坯料的側面內凹，當繼續鐓粗時，軟墊直徑增大，厚度變薄，溫度降低，變形抗力增大，而此時坯料明顯地鐓粗，側面內凹消失，呈現圓柱形，再繼續鐓粗，最后就可以得到了“鼓肚”程度不大的鍛件。a)與凹形坯料鐓粗相似，由于鐓粗過程中坯料側面內凹，沿側表面有壓應力，因此產生裂紋的傾向顯著降低。b)又由于坯料上、下端兩部分也有了較大的變形，所以對于使用鑄錠坯料來說，也就不再保留鑄態組織了。圖11.5軟金屬墊鐓粗(5)坯料疊起鐓粗。疊鐓主要用于薄餅類鍛件，將兩件疊加起來，形成彭形后，再將兩個坯料都翻轉180°，鐓到側面為圓柱面為止（圖11.6）。這種方法不但可以獲得沒有“鼓肚”的鍛件，而且由于上、下端部先后均位于兩個不同的成形區，因此消除了難變形區而使變形均勻，從而降低了變形抗力。圖11.6坯料疊起鐓粗(6)在套環內鐓粗。這種鐓粗方法主要用于低塑性的高合金鋼。在坯料外圈加一個碳鋼外套，靠套環產生的壓應力來減小由于變形不均勻而引起的附加拉應力，鐓粗后將外套去掉。2.墊環鐓粗坯料放在單個墊環和平砧之間或兩個墊環之間進行的鐓粗，稱為墊環鐓粗（圖11.7），也稱為鐓擠。這種鍛造方法，用于成形帶有單邊或雙邊凸肩的齒輪、帶法蘭的餅塊類鍛件。由于鍛件凸肩直徑和高度比較小，墊環直徑較大，所用的坯料直徑大于環孔直徑。墊環鐓粗的關鍵是能否鍛出所要求的凸肩高度。鐓粗過程中既有擠壓又有鐓粗，必然存在一個金屬流動的分界面，稱為分流面，如圖11.7(c)所示。在鐓粗過程中分流面的位置是變化的，具體與下列因素有關：毛坯高徑比、環孔與毛坯直徑之比、變形程度、環孔斜度及摩擦條件等。圖11.7墊環鐓粗3.局部鐓粗利用自由鍛設備及簡單工具，只對坯料局部（如端部或中間）進行鐓粗稱為局部鐓粗。這種鐓粗方法可以鍛造凸肩直徑和高度較大的餅類鍛件，也可鍛造端部帶有較大法蘭的軸桿類鍛件，如圖11.8。局部鐓粗時的金屬流動特征與平砧鐓粗相似，但會受到不變形部分的影響。鍛件以局部鐓粗成形時，毛壞尺寸最好是按桿部直徑選取。為了避免鐓粗時產生縱向彎曲，毛坯變形部分高徑比應小于2.5~3。因此，對于頭部較大而桿部較細的鍛件，只能采用大于桿部直徑的毛坯。鍛造時可先拔長桿部，然后再局部鐓粗頭部；或者先局部鐓粗成形頭部，然后再拔長得到桿部。

圖11.8墊環局部鐓粗

11.2.3拔長工序1.拔長的作用及拔長效率1)拔長的特點及作用使坯料橫截面積減小而長度增加的鍛造工序稱為拔長。拔長是一種局部成形工藝，即局部加載、局部受力和局部變形。變形區的金屬流動與鐓粗相似，即坯料側面產生鼓形，內部的變形分布不均勻。但與鐓粗不同的是，金屬的變形除了受到工具和溫度的影響外，還與不變形部分的金屬（即外端或剛端）有關，因此變形區橫向寬展相對較小，軸向伸長相對增加。但由于拔長是局部成形，所以比較費時。在保證鍛件質量的前提下，盡量提高拔長效率也是該工序研究的內容。拔長主要應用于下列情況中：①由橫截面積大的毛坯得到橫截面積較小而軸向較長的軸類鍛件；②改善鍛件內部質量，例如通過反復鐓粗和拔長可以擊碎合金工具鋼中的碳化物，并使其均勻分布。從拔長過程的網格變化也表明，坯料各部分都能充分變形，因而拔長后鍛件內部組織比較均勻。2)拔長的變形程度表示如果拔長前變形區的長為l0，寬為b0，高為h0，l0又稱送進量，l0/h0稱為相對送進量。拔長后變形區的長為l，寬為b，高為h，則△h=h0-h稱為壓下量，△b=b-b0稱為展寬量，△l=l-l0稱為拔長量。拔長時的變形程度是以坯料拔長前后的截面積之比，即鍛比KL來表示：

KL=F0/F(11-3)KL——鍛比；F0——拔長前坯料截面面積；

F——拔長后坯料截面面積。圖11.9矩形斷面坯料拔長

l0b03)拔長效率分析圖11.9是矩形斷面拔長示意圖，拔長時的金屬流動規律，根據最小阻力定律可知:當進料比l0/b0較小時，金屬向軸向流動的變形程度εl較大，橫向變形程度εb較小;隨著l0/b0的不斷增大，εl逐漸減小，而εb逐漸增大。可見，為提高拔長生產率，應當采用較小的進料比。但送進量也不宜過小，因為會增加壓下次數，這在一定程度上將降低拔長效率。因此，通常取l0=（0.4~0.8）B，B為砧寬，相對送進量l0/h0=0.5~0.8。如采用型砧拔長，由于金屬橫向流動受到限制，迫使金屬主要沿著軸向流動，所以與平砧相比拔長效率提高。圓截面拔長效率低：如圖11.10所示，使用上下平砧拔長圓形截面坯料時，因為圓形截面與砧子的接觸面很窄，金屬橫向流動大，軸向流動小，因此拔長效率低。同時，由于變形區集中在上下表層，芯部金屬受表層金屬橫向流動的影響，產生拉應力，容易引起中心縱向裂紋。解決辦法？2.拔長的分類拔長可以分為平砧拔長、型砧拔長和芯軸拔長三類。1)平砧拔長這種方法應用得最廣泛，在平砧拔長中有以下幾種坯料截面變化過程。(1)方截面-方截面拔長。由較大的方形截面尺寸坯料，經拔長得到尺寸較小的方形截面鍛件的過程，稱為方截面坯料拔長，如圖11.10所示。使用上下平砧拔長方形（或矩形）截面坯料時，只要相對送進量合適，就能夠使坯料的中心鍛透。如果采用大壓下量，把坯料壓成扁方，鍛透效果更好。圖11.11

方截面坯料拔長（方截面—方截面）(2)圓截面-方截面拔長。如圖11.11所示，圓截面坯料經拔長得到方截面鍛件的拔長，除最初變形外，以后的拔長過程變形特點與方截面坯料拔長相同。圖11.12

圓截面坯料拔長（圓截面—方截面）(3)圓截面-圓截面拔長。較大尺寸的圓截面坯料，經拔長得到較小尺寸圓截面鍛件，稱為圓截面坯料拔長。因此為提高拔長效率，可采用如圖11.13所示的拔長過程，即由圓截面鍛成四方截面、八方截面、最后倒角滾圓，獲得所需直徑的圓截面長軸鍛件。圖11.13圓截面坯料拔長（圓截面—圓截面）2)型砧拔長在一個或兩個帶有形狀的砧子之間進行坯料拔長的工藝稱為型砧拔長，型砧一般為V型砧或圓弧型砧（圖11.14）。用型砧拔長主要是為了解決圓形截面坯料在平砧間拔長軸向伸長小、橫向寬展大的問題。V型砧拔長一般有兩種情況：一種是上砧為平砧，下砧為V型砧；另一種是上、下兩個砧子都為V型砧。前者主要應用于塑性較低材料的拔長，型砧的側面阻止金屬橫向流動，迫使金屬沿軸向伸長。圖11.14型砧拔長3)芯軸拔長芯軸拔長是一種減小空心坯料外徑（壁厚）而增加其長度的成形工序，如圖11.15所示。這種方法是為了鍛制長筒類鍛件。芯軸拔長的主要質量問題是壁厚不均勻，內壁容易產生裂紋，尤其是在兩端。為防止鍛件兩端出現裂紋，應先鍛兩端，再拔長中間部分，圖中的1~5是拔長順序示意。為了改善芯軸拔長時的應力狀態，應采用V型砧拔長。圖11.15芯軸拔長1—坯料；2—鍛件；3—芯軸；4—砧子

芯軸拔長時的受力和變形情況如下圖所示，被上下砧壓縮的那一部分金屬是變形區，左右兩側金屬為外端。變形區分為A區和B區，A區是直接受力區，B區是間接受力區。B區的受力和變形主要由A區的變形引起，A區沿軸向流動時，借著外端的作用拉著B區金屬一起伸長。A區金屬切向流動的限制越強烈，越有利于變形金屬的軸向伸長。芯軸拔長時的受力和變形因此，提高芯軸拔長效率的關鍵是增強金屬的軸向流動，減小金屬的徑向流動。具體措施有：①為減小坯料溫降，提高金屬塑性，可提高坯料的加熱溫度，并將芯軸預熱到150~250℃；②芯軸做成1/100~1/150斜度，表面光滑，拔長時涂以潤滑劑（如石墨+油），減小軸向摩擦阻力；③一般用型砧拔長，限制金屬橫向流動；④盡可能采取較高的坯料，通常取H0=（0.6~1）D0，H0、D0分別為坯料的高度與直徑。2.拔長工藝容易出現的缺陷拔長工藝容易出現的缺陷是：表面和角部裂紋、內部裂紋以及表面折疊。

1)內部橫向裂紋和對角裂紋內部橫向裂紋和對角裂紋主要是送進量控制不當造成。因為（相對）送進量過小(l0/h0＜0.5)或一次壓下量過小，這時變形區集中在下表面層，拔長變形區會出現雙鼓形，中心不能鍛透，而且會出現軸向拉應力，如圖11.16(a)所示，這樣會產生內部橫向裂紋。為了避免這種缺陷，可適當增加相對送進量，控制一次壓下量，改變變形區的變形特征，避免出現雙鼓形，使坯料變形區內應力分布合理。圖11.16

拔長送進量對變形和應力分布的影響1—軸向應力；2—軸向變形當送進量過大時(l0/h0＞1)，拔長變形區出現單鼓形，這時心部變形很大，得到鍛透。但在鼓形側面和角部受拉應力，容易引起表面橫向裂紋和角裂。如果坯料在同一位置反復重擊時，由于金屬沿對角線的劇烈相對流動，常易出現十字對角裂紋，如圖11.16(b)所示。2)內部縱向裂紋在平砧上拔長圓形截面的坯料或方形截面的坯料倒角時，拔長進給量很大，壓下量相對較小，金屬沿軸流動少，而橫向流動大，內部坯料受拉應力，容易造成縱向裂紋（中心開裂），如圖11.17（a）所示。這種裂紋除了隱藏在鍛件內部外，還可能發展到鍛件的端部。避免這種缺陷的措施有：①選擇合理的送進量，使金屬軸向流動大于橫向流動；②也可以采用V型砧拔長，以減小橫向流動的金屬在鍛件中心造成的拉應力；③對于方形截面的坯料，在倒角時應采用輕擊，減小一次變形量；④對塑性較差的材料，可采用圓型砧進行倒角。楔型理論（課下閱讀）平砧下壓圓形截面坯料時內部拉應力產生的機理如下圖所示，與砧面接觸的難變形區ABC好像剛性的楔子，通過AB和BC兩個面將力傳給坯料的其他部分，形成橫向拉應力σR（圖a）。由于作用力P在坯料中沿高度方向分散的分布，上、下端的壓應力絕對值大，于是變形主要集中在上、下部分，軸心部分金屬變形很小，因而變形金屬便主要沿橫向流動，并對軸心部分金屬作用以附加拉應力σ′R（圖b）。由于附加拉應力σ′R和橫向拉應力σR的方向一致，越靠近軸心部分受到的拉應力越大，使坯料軸心部分原有的孔隙、微裂紋繼續發展和擴大，容易形成縱向裂紋。平砧拔長圓形截面坯料時拉應力形成機理(a)橫向拉應力σR

的形成；(b)橫向附加拉應力σ′R的形成3)表面裂紋和角裂如圖11.18所示，這類缺陷常在鍛造低塑性材料時出現，其開裂部位主要是受拉應力作用，而造成這種拉應力的原因是由于送進量過大(出現單鼓形)，同時壓縮量過大所引起。而角部裂紋除了變形原因外，因角部溫降快，產生溫度應力，增加了拉應力的附加值。由此可見，在拔長操作中，為了避免這些缺陷要控制好兩個參數，即送進量和一次壓下量，對于角部還要及時倒角，以減小溫降，改變角部的應力狀態，避免裂紋產生。圖11.18坯料拔長時出現的表面裂紋與角裂4)表面折疊表面橫向折疊是由于送進量相對壓下量過小引起的，當送進量l0＜△h/2時容易產生這種折疊（圖11.19）。因此增大送進量可以避免這種缺陷，每次的送進量與單邊壓縮量之比l0/（△h/2）應大于1~1.5。表面縱向折疊是在采用單面壓縮法拔長過程中，毛坯壓縮得太扁，翻轉90°后繼續壓縮時形成的。解決這一問題的方法就是，每次單面壓縮后，不要使毛坯壓縮得太扁，應使坯料寬度和高度之比b/h不小于2~2.5，或者采用其他方法進行拔長。圖11.19坯料拔長時出現的表面折疊

11.2.4自由鍛其他工序1.沖孔1）沖孔的應用與變形機理采用沖子將坯料沖出透孔(通孔)或不透孔（盲孔）的鍛造工序稱為沖孔。沖孔工序常用于：①鍛件帶有大于Φ30mm以下的盲孔或通孔；②需要擴孔的鍛件應預先沖出通孔；③需要拔長的空心件應預先沖出通孔。一般沖孔可分為開式沖孔和閉式沖孔兩大類。閉式沖孔實質上就是反擠壓。在生產實際中，使用最多的是開式沖孔，如圖11.20所示。圖11.20開式沖孔時的應力應變圖沖孔也是屬于局部加載，根據局部加載應力的變化規律，沿加載方向的正應力隨受力面積不斷擴大，其絕對值逐漸減小。因此，可以將坯料受力區分為直接受力區（A區）和間接受力區（B區）。課外查閱：局部加載的應力規律A區金屬的變形可以看作是環形金屬包圍下的鐓粗，A區金屬被壓縮后高度減小，橫截面積增大，向四周徑向外流，但受到環壁的限制，故處于三向受壓的應力狀態。通常A區的金屬不是同時進入塑性狀態，其中與沖頭接觸的部分金屬由于摩擦等因素的影響為難變形區，難變形區下的一段金屬才為塑性變形區。隨著沖頭下降，變形區也逐漸下移。B區的受力和變形主要是由于A區的變形引起的。B區受力后首先呈彈性狀態，然后進入塑性狀態。B區內的塑性變形也是由上向下逐漸發展的，總的變形趨勢是徑向壓縮變形，切向伸長變形，軸向的應變可能是伸長，也可能是縮短，主要取決于徑向壓應力的大小，具體與環壁的厚度有關。一般有三種情況：①環壁較薄時（D0/d較小），沖孔后坯料高度減小；②環壁較厚時（D0/d≈5），沖孔后坯料高度變化不大；③環壁很厚時（D0/d很大），沖孔后坯料高度增加。因此，生產中確定沖孔前坯料高度時可按下列公式計算：（1）當D0/d≥5時：

H0=H（11-4）（2）當D0/d＜5時：H0=（1.1~1.2）H（11-5）以上式中，D0——坯料初始直徑；

d——沖孔直徑；

H0——沖孔前坯料初始高度；

H——沖孔后沖件的高度。2）開式沖孔的分類開式沖孔常用的方法有實心沖子沖孔、空心沖子沖孔和在墊環上沖孔三種。(1)實心沖子沖孔。將實心沖子從坯料的一端面沖入，當孔深達到坯料高度70%~80%時，取出沖頭，將坯料翻轉180°，再用沖子從坯料的另一面把孔沖穿。沖孔過程如圖11.21所示，這種方法稱為雙面沖孔。圖11.21實心沖子沖孔

1—坯料；2—沖墊；3—沖子；4—芯料(2)空心沖子沖孔。空心沖子的沖孔過程如圖11.22所示，沖孔時坯料形狀變化較小，但芯料損失較大。優點是：可以減小外層金屬的切向拉應力，避免產生表面裂紋。當鍛造大鍛件時，還能將鋼錠中心質量差的部分沖掉。這種方法主要用于孔徑大于450mm以上的大鍛件。圖11.22

空心沖子沖孔1—坯料；2—沖墊；3—沖子；4—芯料(3)在墊環上沖孔。墊環上沖孔過程如圖11.23所示，沖孔時坯料形狀變化很小，但芯料損失較大，芯料高度h為（0.7~0.75）H。這種沖孔方法只適用于高徑比H/D

＜0.125的薄餅類鍛件。

圖11.23

在墊環上沖孔

1—沖子；2—坯料；3—墊環；4—芯料3）開式沖孔的主要質量問題開式沖孔的主要質量問題有“走樣”、裂紋和孔沖偏等。(1)“走樣”。是指沖孔時坯料高度減小，外徑上小下大，下端面凸出，上端面凹進等導致的沖件變形的現象。“走樣”程度大小與D0/d有關，為減小“走樣”一般取D0/d≈3。(2)裂紋。低塑性材料開式沖孔時常易在外側表面和內孔圓角處產生縱向裂紋。外側表面裂紋的產生是由于A區金屬向外流動時B區的外徑被迫地擴大，使外層金屬受到切向拉應力，當超過金屬強度極限時，便產生裂紋，一般為沿高度方向的縱向裂紋。內孔圓角處的裂紋是由于此處溫度降低較多，塑性較低，當沖子往下運動時，此處容易被脹裂。(3)孔沖偏。引起孔沖偏的原因很多，如沖子放偏，金屬性質不均，沖頭各部位圓角、斜度不一致等。坯料越高，越容易沖偏，因此坯料高度一般要小于其直徑。2.擴孔減小空心坯料壁厚而使其外徑和內徑均增大的鍛造工序稱為擴孔。擴孔工序用于鍛造各種帶孔鍛件和圓環鍛件。在自由鍛中，常用的擴孔方法有：沖子擴孔和芯軸擴孔兩種。另外，還有在專門擴孔機上碾壓擴孔、液壓擴孔和爆炸擴孔等，這里只簡要介紹沖子擴孔和芯軸擴孔。1)沖子擴孔沖子擴孔是采用直徑比空心坯料內孔要大并帶有錐度的沖子，穿過坯料內孔而使其內、外徑擴大，如圖11.24所示。從坯料變形特點看，沖子擴孔時，坯料近似于脹形（壁減薄、表面積增大），因此在坯料切向有拉應力，容易脹裂。為防止鍛件脹裂，要求每次擴孔變形量不宜過大，一般25~30mm。另外避免擴孔時溫度過低，必要時再加熱坯料，多次擴孔。沖子擴孔適用于D/d＞1.7和H＞0.125D的壁不太薄的鍛件。圖11.24

沖子擴孔2)芯軸擴孔芯軸擴孔是將芯軸穿過空心坯料、放在“馬架”上，坯料每轉過一個角度壓下一次，逐漸將坯料的壁厚壓薄、內外徑擴大。因此這種擴孔也稱為馬架上擴孔，如圖11.25所示。圖11.25芯軸擴孔1—擴孔砧子；2—坯料；3—芯軸；4—支架芯軸擴孔的變形實質是坯料沿圓周方向拔長，從圖示的變形區看出，金屬在變形區的寬度方向（即坯料周向）流動較多，而在變形區的長度方向（即坯料高向）流動較少。因此用芯軸擴孔時，隨著壁厚減薄，內、外徑同時擴大，高度稍有增加。由于芯軸擴孔時的應力狀態較好，不容易產生裂紋，因此適用于鍛造擴孔量大的薄壁環形鍛件。3.彎曲將坯料彎折成規定外形的鍛造工序稱為彎曲。這種方法可用于鍛造各種彎曲類鍛件，如起重吊鉤、彎曲軸桿等。坯料在彎曲時，彎曲變形區內側的金屬受壓縮，可能產生折疊，外側金屬受拉伸，容易引起裂紋，而且彎曲處坯料斷面形狀要發生畸變，如圖11.26所示，斷面面積減小，長度略有增加。彎曲半徑越小，彎曲角度越大，上述現象越嚴重。因此，坯料彎曲時，坯料擬彎曲處斷面應比鍛件相應斷面稍大（一般增大10%~15%）。為了保證鍛件質量，坯料加熱部分不宜過長，最好僅加熱彎曲段，并且要求加熱均勻。當鍛件需多處彎曲時，一般彎曲的先后順序是：首先彎鍛件的端部，其次再彎與直線相接的部分，然后再彎曲其余部分。圖11.26彎曲處坯料截面變化情況4.錯移將坯料的一部分相對另一部分平行錯移開的鍛造工序稱為錯移，這種方法常用于鍛造曲軸類鍛件等。錯移的方法有兩種：①在一個平面內錯移；②在兩個平面內錯移。5.扭轉扭轉是將坯料的一部分相對另一部分繞其軸線扭轉一定角度的鍛造工藝，如圖所示。主要用來鍛造曲軸、麻花鉆、地腳螺栓等鍛件。坯料扭轉時，扭轉區的長度略微縮短，直徑略微增大。但其內外層長度縮短不均，內層長度縮短少，外層長度縮短多。因此在內層產生軸向壓應力，在外層產生軸向拉應力。當扭轉角度過大，或扭轉低塑性金屬時，就可能在坯料表面產生裂紋。為提高鍛件質量，避免扭轉產生裂紋，注意以下幾點：①受扭轉的部位必須仔細鍛造，橫截面積要均勻一致，表面光滑而無缺陷；②受扭轉的部分應加熱至材料塑性最好的溫度范圍，沿長度上均勻熱透；③扭轉后的鍛件應該緩慢冷卻，最好予以退火處理。11.2.5大型鍛件自由鍛及胎模鍛造1.大型鍛件的自由鍛造工藝大鍛件通常地指用10000kN（10MN、1000t）以上的水壓機或50kN以上的鍛錘，將10t以上的鋼錠鍛壓成各種重型機器的鍛件。如電站設備的葉輪、轉子、護環以及高壓容器、大型曲軸、軋鋼機軋輥等。這種鍛件都是重型機器的關鍵零件，要求機械性能高、質量可靠。但生產批量一般不大，外形也不太復雜。為此，在大鍛件生產過程中，保證鍛件的質量常成為制定工藝的首要問題。目前世界各國鍛造大型鍛造大型鍛件的工藝大致有十幾種，其中最具代表性的是FM法、JIS法和WHF法。(1)FM鍛造法。又稱為曼內斯曼效應消除法，即中心無拉應力鍛造法。一般的平砧鐓粗或拔長，上下砧板是相同的寬度。而FM鍛造法采用的是上窄下寬的砧子進行鍛造。坯料在不對稱的平砧間變形，各部位應力狀態發生改變，在坯料變形區內，形成拉應力的部位移至坯料下部，而中心部位受到壓應力作用，這種方法對鍛合鋼錠內部空洞類缺陷很有效果。(2)JIS鍛造法。又稱為硬殼鍛造法、表面降溫法或中心壓實法。該技術的特點是：將鋼錠倒棱后，鍛成方截面坯，然后加熱到始鍛溫度1220~1250℃保溫后，從爐中取出，表面進行空冷、吹風或噴霧，冷卻到終鍛溫度720~750℃，于是鋼錠表面形成了一層“硬殼”，這時鋼錠的心部溫度仍然保持在1050~1100℃，內外溫差為230~270℃，這時再用窄砧沿鋼錠縱向加壓。借助表面層低溫硬殼的包緊作用，達到顯著壓實心部的目的。

(3)WHF鍛造法。它是利用寬平砧在高溫下對鋼錠進行大變形，使鋼錠中的缺陷進行鍛合的有效工藝方法，也稱為寬平砧高溫強壓法。(改變心部應力狀態)2.胎模鍛造1)胎模鍛及工藝特點在自由鍛設備上采用活動模具成形鍛件的方法稱為胎模鍛造，簡稱胎模鍛。胎模鍛的主要工藝特點有：①與自由鍛（逐步成形）相比，可以得到較高的鍛件精度和較高的生產率；②與模鍛相比，不需要專用的模鍛設備，可以在自由鍛錘上生產模鍛件，而且胎模的制造簡單、成本低；③采用人力操作胎模，勞動強度大；④適于小型鍛件小批或中批生產。圖11.27

常用胎模的種類

2)胎模的種類與應用特點按胎模的用途可分為摔模、扣模、墊模、套模、彎曲模、沖孔模及合模等，如圖11.27所示。用于制坯的有摔模、扣模和彎曲模；用于成形的有套模、墊模和合模；用于修整的有校正模、切邊模和壓印模等。彎曲模可分為制坯彎曲和成形彎曲。套模分為帶墊和無墊兩種，主要用于法蘭件、齒輪和杯形件成形。合模和普通單模膛鍛模相似，在結構上有帶導銷、帶導鎖、導銷-導鎖及導框等結構，由于合模用于最終成形，所需變形力或鍛錘噸位最大。各種胎模在用途上具有多重性，如摔模可用于壓痕的稱為卡摔；用于制坯的稱為型摔；用于整徑的稱為光摔；用于校正整形的稱為校正摔。其共同特征都是用于圓形件合模終鍛前的制坯、整形或摔光。

圖11.28是傳動軸胎模鍛工藝過程示意，第一工步在型摔中摔出頭部，第二工步在光摔中拔長桿部，第三工步在墊模中成形頭部。圖11.28傳動軸胎模鍛工藝簡圖下圖是齒輪胎模鍛工藝過程示意，第一工步將毛坯在平砧間鐓粗，第二工步在墊模上成形，第三工步在漏模上沖孔。

齒輪胎模鍛工藝簡圖11.3模鍛工藝11.3.1模鍛工藝概述1.模鍛的特點及分類模鍛是把熱態金屬坯料放在具有一定形狀和尺寸的鍛模模膛內，承受沖擊功或靜壓力產生塑性變形而獲得鍛件的加工方法，它是在自由鍛、胎模鍛基礎上發展起來的鍛造方法。與自由鍛相比，模鍛可以生產形狀較為復雜的鍛件，而且鍛件的尺寸和形狀精度較高，表面質量好，材料利用率和生產效率高。特別是精密模鍛、冷鍛可以生產一些少、無切削的產品，實現凈成形或近凈成形。由于模鍛中金屬是在模具的限制下流動，所需變形抗力大，因此相同尺寸的毛坯，模鍛與自由鍛相比需要的設備噸位更大，甚至需要一些專用的設備，而且模具的費用比較昂貴，前期投資大，生產準備周期長，所以模鍛主要應用在大批量的中小型鍛件生產中。按鍛壓設備不同類型，模鍛工藝可分為錘上模鍛、曲柄壓力機模鍛、平鍛機模鍛、螺旋壓力機模鍛、水壓機模鍛、高速鍛錘模鍛及其他專用設備（如精壓機、輥鍛機、旋轉鍛機、擴孔機、彎曲機等）模鍛。雖然模鍛方法很多，但實質都是一致的，即通過塑性變形迫使坯料在鍛模模膛內成形。錘上模鍛是在胎模鍛基礎上發展起來的鍛造生產方法，雖然已具有老化特征，但至今在國內外鍛造行業中，仍然占據非常重要的地位。鍛錘與其他鍛壓設備相比，具有工藝適應性廣、生產效率高、設備造價低的優點。模鍛錘的打擊能量可在操作中調整，能夠實現輕重緩急打擊，毛坯在不同能量的多次錘擊下，經過鐓粗、打扁、拔長、滾擠、彎曲、卡壓、成形、預鍛和終鍛等各類工步，得到所需形狀的鍛件。模鍛有不同的方式，有帶飛邊槽的開式模鍛及無飛邊槽的閉式模鍛，單模膛模鍛及多模膛模鍛，單件模鍛及多件模鍛等。無飛邊槽的閉式模鍛最大的優點是有利于塑性變形、節省飛邊損耗，目前在平鍛機、摩擦壓力機等精鍛設備上已普遍采用。但該工藝對鍛件坯料體積計算要求十分精確，而且要有高的設備噸位，鍛模壽命也短，目前在模鍛錘上實現無飛邊鍛造還很少。單模膛模鍛適用于形狀簡單的鍛件。鍛件外形如果較復雜，但毛坯經過制坯（如輥鍛、擠壓、自由鍛制坯等），也可用單模膛模鍛。為了從毛坯到鍛件的整個塑性成形過程保持連續性，就得用多模膛模鍛，其不足之處是鍛模結構復雜、生產率較低、鍛錘打擊能量不能充分利用。一般錘上模鍛都采用單件模鍛，若鍛件不大，為提高生產率或有時需要克服錘擊錯移力，可采用雙件或多件模鍛方式。2.鍛模結構鍛模一般由上模和下模組成，下模固定在砧座或工作臺上，上模固定在錘頭或壓力機的滑塊上，并同錘頭一起作上、下運動。坯料置于下模膛，當上、下模膛合攏時，坯料受錘擊（或壓力）變形充滿模膛，最后獲得與模膛形狀一致的模鍛件。鍛件從模膛中取出，多數帶有飛邊，還需用切邊模切除飛邊，切邊時可能引起鍛件變形，還需要進行校正。前述，模鍛按模膛數量及成形簡易分為單模膛鍛造（圖11.29）和多模膛鍛造（圖11.30）。單模膛鍛造所使用的模具僅有一個模膛，該模膛決定鍛件的尺寸和形狀，稱為模鍛模膛。圖11.29

單模膛鍛造

圖11.35

連桿件多模膛模鍛示意1—拔長模膛；2—滾壓模膛；3—終鍛模膛；4—預鍛模膛；5—彎曲模膛；6—切邊模鍛模模膛按其作用可分為模鍛模膛和制坯模膛兩大類：1)模鍛模膛模鍛模膛包括終鍛模膛和預鍛模膛。終鍛模膛是鍛件最終成型的模膛。模膛尺寸應為模鍛件圖的相應尺寸加上收縮量，鋼制鍛件的收縮量約為1%~5%。模膛分模面周圍有飛邊槽，起阻流、緩沖和調節金屬量以保證終鍛成形、尺寸精度等作用。預鍛模膛是當鍛件形狀較復雜時，須經過預鍛，以保證終鍛成形飽滿，延長模膛使用壽命。預鍛模膛的形狀、尺寸與終鍛模膛相近，但具有較大的斜度和圓角，沒有飛邊槽。2)制坯模膛為使坯料具有與鍛件相適應的截面變化和形狀，復雜形狀的鍛件多需預先制坯。常見的制坯模膛有以下幾種：(1)鐓粗平臺。置于鍛模一角，對于圓盤類鍛件，用來將坯料鐓粗，然后再放入終鍛模膛完成終鍛。(2)拔長模膛。用來減少坯料某部分橫截面積并增加其長度。操作時須送進并翻轉。(3)滾壓模膛。用來減小坯料某部分橫截面積以增大另一部分橫截面積。坯料可直接或先經拔長而送入滾壓模膛，操作時須不斷翻轉。(4)彎曲模膛。用來使坯料某部分彎曲變形。(5)切斷模膛。它是在上模與下模的角上組成一對切口，用來切下已鍛好的鍛件。形狀簡單的鍛件，在鍛模上只需一個終鍛模膛。形狀復雜的鍛件，根據需要可在鍛模上安排多個模膛。圖11.35是彎曲連桿鍛件的鍛模（下模）及模鍛工序圖。鍛模上有5個模膛。坯料經拔長、滾壓、彎曲3個制坯工序，使截面變化，并使輪廓與鍛件相適應，再經預鍛、終鍛制成帶有飛邊的鍛件。最后在切邊模上切去飛邊。11.3.2開式模鍛定義：上限模具間隙（方向）與模具運動方向垂直，模鍛過程中，模具間隙逐漸縮小，一般形成較大的飛邊。1.開式模鍛的概念及成形階段為獲得下圖（a）所示的鍛件，可以采用如圖（b）所示的自由鍛方法，即將坯料放在孔板間進行鐓擠。坯料內各處的金屬由于受力情況不同分別向兩個方向流動，即沿徑向流入兩墊環的空隙處和沿軸向流入墊環的孔內。前述，在坯料內每一瞬間都有一個流動的分界面，分界面的位置取決于沿兩個方向流動的阻力大小。因此，為使較多的金屬流入孔內，必須增加沿徑向外流的阻力，于是人們在實踐中改進了工具，將孔板改為模具，如圖（c）示。這樣，除了垂直方向的模壁引起阻力外，由于飛邊部分減薄，徑向阻力增大，保證了金屬流入上下孔腔充滿模膛。最后多余的金屬由飛邊處流出，這就是開式模鍛。自由鍛和開式模鍛(a)鍛件；(b)孔板（墊環）間鐓粗；(c)開式模鍛前面談到：墊環間鐓粗成形的關鍵？凸肩高度開式模鍛中，金屬的成形分四個階段（如圖11.31）：(1)開式鐓粗階段。如圖11.31（a）所示，開式鐓粗即為自由鐓粗，從坯料與沖頭或上模膛表面接觸開始，到坯料金屬與模膛（最寬處）的側壁接觸為止。由于這一階段金屬的流動受到的限制比較小，所需的變形力不大。模具行程為△H1。(2)充滿階段。如圖11.31（b）所示，從毛坯的鼓形側面與凹模側壁接觸開始，到整個側表面與模壁貼合且模膛間隙完全充滿為止。在這一階段中，變形金屬的流動受到模壁的阻礙，所以變形力開始顯著增大。模具行程為△H2。(3)擠出飛邊階段。如圖11.31（c）所示，充滿模膛后的多余金屬在繼續增大的壓力作用下被擠入凸、凹模之間的間隙中，形成飛邊，模壁和厚度逐漸減小的飛邊使得變形金屬各部分處于不同的三向壓應力狀態，所以變形抗力明顯上升。模具行程為△H3。(4)打靠階段。如圖11.31（d）所示，隨著上下模具的運行，飛邊越來越小，飛邊內的金屬溫度較低，阻力增大，為了將型槽中的多余金屬擠入飛邊槽，需要更大的打擊力，所需的打擊能量也將消耗整個成形所需能量的30%~50%。模具行程為△H4。圖11.31

開式模鍛金屬成形的四個階段及變形抗力的變化2.影響開式模鍛金屬成形的因素開式模鍛時影響金屬變形流動的主要因素有：金屬充滿模膛的方式，模膛的結構，飛邊槽的尺寸和位置，坯料的形狀和尺寸，溫度不均引起的各部分金屬變形抗力的差異，設備工作速度等。圖11.32金屬充滿模膛的方式壓入方式具有擠壓特點1)金屬充滿模膛的方式模鍛時金屬充滿模膛的方式有鐓粗和壓入兩種方式，見圖11.32所示，其中以鐓粗方式較易充滿模膛。2)模鍛件（模膛）的形狀和尺寸模鍛件的形狀和尺寸對模膛的充滿有重要影響。例如，對圖11.33所示的具有高筋的鍛件，尤其筋較薄時模膛較難充滿。因為模腔越窄，在其他條件相同的情況下，金屬向模腔內流動的阻力越大，金屬溫度降低也越嚴重，故充滿模膛越困難。模膛越深，在其他條件相同的情況下，充滿模膛也越困難。因此對高筋鍛件一般需進行預鍛。圖11.33

具有高筋的鍛件再如圖11.34所示，對具有叉形部位的鍛件，在其端角處常常產生充不滿的現象。圖11.34

具有叉形部位的鍛件3)摩擦條件孔壁加工的表面光滑和潤滑較好時，摩擦阻力小，有利于金屬充滿模膛。因此為了有利于金屬充滿模膛，應該提高模壁的光潔度，并采用潤滑性良好的潤滑劑。4)模壁斜度在鍛件上與分模面相垂直的平面所附加的斜度或固有的斜度統稱為模鍛斜度，如圖11.35(a)所示。模膛制成一定的斜度是為了模鍛后鍛件易于從模膛內取出，但是模壁斜度對金屬充填模膛是不利的。因為金屬充填模膛的過程實質上是一個變截面的擠壓過程，當模壁斜度愈大時，所需的擠壓力也愈大。另外，加上模鍛斜度后還會增加金屬損耗和機械加工工時，因此應盡量選用最小的模鍛斜度。

模鍛外壁上的斜度稱為外模鍛斜度，模鍛內壁上的斜度稱為內模鍛斜度。型槽上的斜度是用指狀標準銑刀加工而成，故側壁斜度應選用3°、5°、7°、10°、12°等標準度數，便于與銑刀規格一致。同一鍛件上內、外壁斜度不宜采用多種斜度。由于鍛件內壁冷卻時收縮與模膛夾緊，因此內壁斜度一般比外壁斜度大2°~5°。11.35模鍛斜度與圓角半徑5)模具孔口的圓角半徑R如圖11.35(b)所示，在鍛件上所有平面的交角均需作成圓角，模鍛時便于金屬充滿模膛。同時可增加鍛模強度，避免在棱角處產生應力集中而造成鍛模破裂、壓塌。圓角半徑對金屬流動的影響很大，當R很小時，金屬質點要拐一個很大的角度再流人孔內，需消耗較多的能量，故不易充滿模膛。而且R很小時，還可能產生折疊和切斷金屬纖維。同時此處溫度升高較快，模具容易被壓塌或磨損過快。R太大，增加金屬消耗和機械加工量。總的看來，從保證鍛件質量出發，圓角半徑應適當。6)金屬變形溫度和模具預熱溫度坯料溫度和模具預熱溫度較低時，變形抗力增大，使金屬充填模膛困難，尤其當孔口窄（小）時更為嚴重。7)飛邊槽的影響常見的飛邊槽的結構如圖11.36所示，它包括橋口和倉部。橋口的主要作用是：（1）阻止金屬外流，迫使金屬充滿模膛。（2）另外，使飛邊厚度減薄，以便于切除。倉部的作用是容納多余的金屬，以免金屬流到分模面上，影響上、下模打靠。設計飛邊槽，主要是確定橋口的高度h和寬度b。飛邊的阻力與飛邊槽橋口寬度和高度的比值b/h有關，橋口愈寬，高度愈小，比值b/h越大，飛邊阻力也越愈大。

圖11.36

飛邊槽的結構從保證金屬充滿模膛出發，希望橋口阻力大一些。但是若過大，變形抗力將會很大，可能造成上、下模不能打靠等。因此阻力的大小應取得適當，應當根據模膛充滿的難易程度來確定。有時為增加飛邊阻力，可在橋部做出阻力溝。摩擦壓力機上模鍛時，由于每分鐘的行程次數少，鍛件與鍛模接觸的時間較長，飛邊部分金屬冷卻得較快，因此橋口部分的b/h值較錘上模鍛時要小一些。采用一般的飛邊槽，模鍛時流入飛邊部分的金屬還是很多的，一般占鍛件質量的20%~30%，不僅造成大量的金屬浪費，而且可能造成金屬量不夠，鍛件不能充滿。為此，對有些鍛件，通過分模面的位置，將飛邊設置在變形較困難的毛坯端部，這種形式的飛邊槽的模鍛叫作小飛邊模鍛，如圖（a）所示。在平鍛機上，小飛邊模鍛應用較廣。此外，生產中還采用楔形飛邊槽，如圖（b）所示，多用于小飛邊模鍛，主要靠橋口斜面產生的水平分力阻止金屬外流，能減少飛邊消耗約30%，提高模具壽命1~2倍，缺點是切除飛邊較困難。（類似大模壁斜度）圖（a）小飛邊模鍛圖（b）楔形飛邊槽

8)設備工作速度的影響設備工作速度高時，金屬變形流動的速度也快，這將使摩擦系數有所降低。同時，金屬流動的慣性和變形熱效應等都有助于充填模膛。例如，在高速錘上模鍛時，由于變形金屬具有很高的流動速度，變形金屬容易充填模膛，可以鍛出厚度為1.0~1.5mm的薄肋，相比而言，在模鍛錘上一般是1.5~2.0mm，而壓力機上，則是2~4mm。但在高速變形時，只是流動慣性與需要充填的方向一致時，才有利于金屬充填模膛，否則會起相反的作用。例如在模鍛錘上進行開式模鍛時，如果第一、二錘打擊過猛，由于此時橋口阻力較小，金屬主要沿橫向流動，大量金屬便流出模膛，進入飛邊槽，導致最后金屬不足，模膛不能充滿。因此，錘上模鍛時，第一、二錘應輕擊，待金屬緊靠模膛側壁，成形一定飛邊，具有一定徑向阻力后再進行重擊。11.3.3閉式模鍛1.閉式模鍛的特點閉式模鍛也稱無飛邊模鍛，即在成形過程中模膛是封閉的，凸、凹模間隙的方向與模具運動的方向相平行，在模鍛過程中分模面間隙大小不變。閉式模鍛的優點是：①減少飛邊材料損耗，一般開式模鍛件的飛邊金屬約為鍛件重量的10%~50%，平均約為30%；②節省切邊設備；③由于間隙很小，金屬流入間隙的阻力一開始就很大，有利于金屬充滿模膛，有利于進行精密模鍛；④閉式模鍛時金屬處于明顯的三向壓應力狀態，有利于低塑性材料的成形。(了解)閉式模鍛能夠正常進行的必要條件主要是：①坯料體積準確；②坯料形狀合理，并能在模膛內準確定位；③有簡便的取料措施或頂料機構；④能夠較準確地控制打擊能量或模壓力。由于以上條件，閉式模鍛在模鍛錘和熱模鍛壓機上的應用受到一定限制，而摩擦壓力機、液壓機和平鍛機則較適合進行閉式模鍛。2.閉式模鍛的變形過程分析閉式模鍛的變形過程及模壓力變化情況如圖11.37所示，變形過程可分為基本成形階段、充滿階段、形成縱向飛邊三個階段。圖11.37閉式模鍛變形過程及模壓力變化情況1)基本成形階段該階段由開始變形至金屬基本充滿模膛，此階段變形量最大（△H1），但變形力的增加相對較慢（OA段）。根據鍛件和坯料的具體情況不同，金屬在此階段的變形流動可能是鐓粗成形、壓入成形、沖孔成形或者是擠壓成形。閉式模鍛與擠壓工藝的差別，只是在于前者最終充滿整個模膛，而后者金屬擠出端是處于無約束的自由狀態。2)充滿階段由基本成形階段結束到金屬完全充滿模膛為止。此階段變形力增加迅速（AB段），結束時的變形力比第1段末可增大2~3倍，但變形量△H2卻很小。如圖11.38所示，坯料端部的錐形區和坯料中心區都處于三向（或接近三向）等壓應力狀態，不發生塑性變形。坯料的變形區（圖中陰影處）位于未充滿處附近的兩個剛性區之間，并且隨著變形過程的進行逐漸縮小，最后消失。圖11.38充滿階段變形示意圖3)形成縱向飛邊階段該階段為形成縱向飛邊階段，此時坯料基本上已成為不變形的剛性體，只有在極大的模壓力作用下，或在足夠的打擊能量作用下，才能使端部的金屬產生變形流動，形成縱向飛邊。飛邊的厚度越薄、高度越大，模膛側壁的壓應力也越大，容易使模膛損壞。這個階段的變形對閉式模鍛有害無益，是不希望出現的，它不僅影響模具壽命，而且容易產生過大的縱向飛邊，清除比較困難。由上述分析可以看出：①閉式模鍛變形過程宜在第2階段，即形成縱向飛邊之前結束，允許在分模面處有少量充不滿或僅形成很矮的縱向飛邊；②模壁的受力情況與鍛件的高徑比H/D有關，H/D越小，模壁受力狀況越好；③坯料體積的精確性對鍛件尺寸和是否出現縱向飛邊有重要影響；④打擊能量或模壓力是否合適影響閉式模鍛的成形情況；⑤坯料形狀尺寸和在模膛中的位置對金屬分布的均勻性有重要影響。3.各類鍛壓設備閉式模鍛的特點（課下了解）1)液壓機液壓機閉式模鍛一般不產生飛邊，在合理選用設備噸位條件下，可以靠控制壓力大小使變形過程在產生飛邊之前結束。2)平鍛機平鍛機上閉式模鍛，由于采用較高精度棒料，坯料長度可以準確地調節，靠坯料的不變形部分定位，以及行程一定等，保證了較小的坯料體積偏差△V，因而可以不產生或只產生很小的飛邊。另外，滑塊有自動卸載功能，凹模是分開式便于取件，這些都保證了平鍛機上閉式模鍛工藝的穩定性。3)鍛壓機鍛壓機具有和平鍛機類似的工作特性，但不具有保證閉式模鍛工藝穩定性的條件，超載“悶車”也不能自行卸載和自行恢復。因此，只有在保證工藝穩定性的條件下，才能采用閉式模鍛。4)模鍛錘模鍛錘上閉式模鍛在生產中存在的主要問題是鍛模壽命低，常產生較大的縱向飛邊，鍛件也不易脫模等，主要原因是模鍛錘的打擊強度大，打擊能量不易準確控制，因而常常有較大的剩余能量。5)摩擦壓力機摩擦壓力機由于機床系統剛度的限制，最大打擊力有一定的限制，因此對產生飛邊也有一定的限制作用。合理設計鍛模結構，可具有調節△V和吸收剩余能量能力。其頂出機構有助于鍛件出模。6)高速錘高速錘的打擊能量可以比較準確地控制，也有頂出機構，這些都有利于在該類設備上進行閉式模鍛。其缺點是模具壽命低，因此要嚴格控制打擊能量和坯料體積，并解決剩余能量的吸收問題。7)自由鍛錘在自由鍛錘上進行胎模鍛時的打擊強度遠小于模鍛錘，打擊能量較易控制，而且模具的彈性變形也可以吸收一部分剩余能量，取件也比較方便，因此胎模生產中閉式模鍛應用較多。11.4其他鍛造技術11.4.1精密模鍛1.精密模鍛及工藝特點1)精密模鍛的概念精密模鍛也稱為精密鍛造或精密成形，是提高鍛件精度和降低表面粗糙度的一種先進的模鍛方法。是當前精密成形技術（近凈成形或凈成形技術）的主要手段。精密模鍛主要用于生產精化毛坯或生產精密模鍛零件兩個方面。其分類情況如下：(1)按成形溫度。可分為熱精密模鍛、冷精密模鍛和溫精密模鍛。熱精密模鍛是坯料采用少無氧化加熱，然后在高溫下成形，金屬的塑性好，變形抗力小，但防止氧化的效果還不夠理想。冷精密模鍛簡稱冷模鍛，是在室溫下進行，不存在氧化、脫碳和熱脹冷縮問題，但金屬變形抗力大，塑性較低。溫精密模鍛是將坯料加熱到未產生嚴重氧化和脫碳的溫度下進行的，既可防止坯料表面劇烈氧化，又可避免冷精密模鍛時變形抗力大的缺點。(2)按變形速度。精密模鍛可分為一般精密模鍛和高速精密模鍛。(3)按變形特點。按精密模鍛時的變形情況可分為開式模鍛、閉式模鍛、擠壓和體積精壓等。2)精密模鍛的工藝特點

(1)鍛件的余量和公差小。鍛件精度一般可達±0.2mm，表面粗糙度Ra可達到0.8~3.2μm以上，能部分或全部代替零件的機械加工，能節約大量的機械加工量，提高勞動生產率和材料利用率，大大地降低了零件的成本。(2)鍛件力學性能好。采用精密模鍛方法生產的零件，由于金屬流線不僅沒有被切斷，而且流線分布更合理，因此力學性能比采用切削加工的零件高，使用壽命也長。(3)復雜零件的生產。采用精密模鍛的方法，可以成批生產某些形狀復雜、使用性能高，而且難于用機械加工方法制造的零件，如齒輪、帶齒零件、葉片、航空零件等等。(4)毛坯質量要求較嚴格。毛坯的形狀和尺寸直接影響到鍛件成形、金屬充滿效果及模具壽命，因此要求毛坯尺寸精確、形狀合理，同時表面要進行清理，去除氧化皮、油污、銹斑、腐蝕點等，以保證鍛件質量和延長模具使用壽命。(5)毛坯加熱質量要求高。為了得到尺寸精確、表面光潔的鍛件，要求采用少無氧化加熱的方法。如在帶有保護氣氛的加熱爐中加熱、感應爐中加熱、以及在電爐中快速加熱，或采用在毛坯表面上涂刷玻璃滑潤劑后進行加熱等。(6)鍛件冷卻方法要求高。精鍛后的鍛件需要在保護介質中冷卻，如在砂箱、石棉粉或在無焰油中進行冷卻等。2.精密模鍛所用的設備和模具1）精密模鍛所用的設備精密模鍛可在摩擦壓力機、熱模鍛壓力機、高速錘、液壓螺旋壓力機等設備上進行，為了減少模鍛斜度，提高鍛件精度和模具使用壽命，采用裝有上頂出裝置的模鍛設備，有利于鍛后鍛件的脫模。2）精密模鍛所用的鍛模在整個精密模鍛過程中，一般都需要兩套或兩套以上的鍛模，對于形狀簡單的鍛件也可只用一套鍛模。采用兩套或兩套以上鍛模時，其中一套用于預鍛（或稱粗鍛），另一套用于終鍛（或稱精鍛），有