金属塑性成形

金属塑性成形

在工业生产中，金属塑性成形方法是指：金属材料通过压力加工，使其产生塑性变形，从而获得所需要工件的尺寸、形状以及性能的一种工艺方法。

常用的金属塑性成形方法如下：

第一节锻造

锻造是金属热加工成形的一种主要加工方法，通常采用中碳钢和低合金钢作锻件材料，锻造加工一般在金属加热后进行，使金属坯料具有良好的可变形性，以保证锻造加工顺利进行。基本生产工艺过程如下：

下料→坯料加热→锻造成形→冷却→热处理→清理→检验。

一、锻坯的加热和锻件的冷却

1．加热的目的：锻坯加热是为了提高其塑性和降低变形抗力，以便锻造时省力，同时在产生较大的塑性变形时不致破裂。一般地说，金属随着加热温度的升高，塑性增加，变形抗力降低，可锻性得以提高。但是加热温度过高又容易产生一些缺陷，因此，锻坯的加热温度应控制在一定的温度范围之内。

2．锻造温度范围：各种金属材料在锻造时允许的最高加热温度，称为该材料的始锻温度。加热温度过高会产生组织晶粒粗大和晶间低熔点物质熔化，导致过热和过烧现象。碳钢的始锻温度一般应低于其熔点100～200°C，合金钢的始锻温度较碳钢低。金属材料终止锻造的温度，称为该材料的终锻温度。坯料在锻造过程中，随着热量的散失，温度不断下降，因而，塑性越来越差，变形抗力越来越大。温度下降到一定程度后难以继续变形，且易产生锻裂，必须及时停止锻造重新加热。

从始锻温度到终锻温度之间的间隔，称为锻造温度范围。确定锻造温度范围的原则是：在保证金属坯料具有良好锻造性能的前提下，尽量放宽锻造温度范围，以降低消耗，提高生产率。

几种常用材料的锻造温度范围见表4―1。

在实际生产中，锻坯的加热温度可以通过仪表来测定，也可以通过观察被加热锻坯的颜色(火色)来判断。碳钢火色与其对应的温度关系见表4―2。

3．锻件的冷却锻件的冷却是保证锻件质量的重要环节。锻件的冷却方式有三种：(1)空冷在无风的空气中，锻件放置于干燥的地面冷却。(2)坑冷在充填有砂子、炉灰或石棉灰等绝热材料的坑中以较慢的速度冷却。(3)炉冷在500～600°C的加热炉中，随炉缓慢冷却。

碳素结构钢和低合金钢的中小型锻件，一般锻后均采用冷却速度较快的空冷方式冷却，成分复杂的合金钢锻件大都采用冷却速度较慢的坑冷或炉冷，厚截面的大型锻件采用炉冷。冷却速度过快会造成表面硬化，对后续切削加工产生不利影响。

二、自由锻

自由锻是将加热好的金属坯料放在锻造设备的上、下砥铁之间，施加冲击力或压力，直接使坯料产生塑性变形，从而获得所需锻件的一种加工方法。

自由锻由于锻件形状简单、操作灵活，适用于单件、小批量及重型锻件的生产。自由锻分手工自由锻和机器自由锻。手工自由锻生产效率低，劳动强度大，仅用于修配或简单、小型、小批锻件的生产，在现代工业生产中，机器自由锻已成为锻造生产的主要方法，在重型机械制造中，它具有特别重要的作用。

• 自由锻设备

自由锻的设备有空气锤、蒸汽―空气锤及自由锻水压机等。其中空气锤和蒸汽―空气锤通过冲击力使金属材料产生塑性变形，适用于锻造中小型锻件；水压机锻造时采用静压力完成塑性变形过程，一般用于锻造大型锻件。

1．空气锤图4―1为空气锤的外形图和工作原理示意图。它有压缩气缸和工作气缸，电动机通过减速机构和曲柄连杆机构，带动压缩气缸的压缩活塞上下运动，产生压缩空气。当压缩缸的上、下气道与大气相通时，压缩空气不进入工作缸，电动机空转，锤头不工作；通过手柄或踏脚杆操纵上下旋阀，使压缩空气进入工作气缸的上部或下部，推动工作活塞上下运动，从而带动锤头及上砥铁的上升或下降，完成各种击打动作。旋阀与两个汽缸之间有四种连通方式，可以产生提锤、连打、下压、电机空转四种动作。

空气锤的吨位用落下部分(包括工作活塞、锤头、上砥铁)的质量表示，常用的空气锤吨位为50 kg～750kg。空气锤的吨位主要根据锻件的材料、大小和形状来选择。

2．蒸气―空气锤是以的蒸汽或压缩空气(0.6―0.9MPa)为动力，驱动锤头上、下运动进行打击而完成自由锻工艺需要的锻锤。锻锤由锤身、气缸、落下部分和砧座等组成。吨位以落下部分的质量表示，常用的有1000―5000kg，可锻造70―700kg的中小型锻件。图4―2为拱式蒸汽自由锻锤的外形及工作原理图。工作时，通过操作手柄控制滑阀，使蒸气或压缩空气进入汽缸上腔或下腔，推动活塞上下运动，实现锤头的悬空、压紧、单次打击和连续打击等自由锻造的基本动作。

3．水压机大型锻件通常在水压机上完成，水压机是以高压水(20―200atm)作为动力的一种液压机，通过控制高压水和传动系统实现对坯料的施压变形。水压机锻造时，以静压力代替锤锻时的冲击力，其锻造压力大，锻透深度大，有利于改善大型锻件的内部质量。自由锻造所用水压机的吨位一般为800―15000t。

(二) 自由锻工序自由锻加工各种形状的锻件是通过一系列工序逐步完成的。根据变形性质和变形程度的不同，自由锻工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三类。

改变坯料的形状和尺寸，实现锻件基本成形的工序称为基本工序。自由锻的基本工序包括镦粗、拔长、冲孔、弯曲、扭转、切割、错移等；为便于实施基本工序而使坯料预先产生某些局部、少量变形的工序称为辅助工序，如倒棱、压肩、分段等；为修整锻件的形状和尺寸，消除表面不平，校正弯曲和歪扭，使锻件达到图纸要求的工序称为精整工序，一般在终锻温度以下进行，如滚圆、平整、校直等。

下面简要介绍自由锻的基本工序：

1． 镦粗镦粗是使坯料横截面积增大、高度减小的锻造工序。主要用于饼块状锻件(如齿轮坯)；也用于空心锻件冲孔前的准备工序、拔长时为提高锻造比作准备工序等。其基本方法可分为完全镦粗和局部镦粗。如固4―3所示

为使镦粗顺利进行，坯料的高度H0与直径D0之比应小于2.5～3。如果高径比过大，则易将锻坯镦弯，高径比过大或锤击力量不足时，还可能将坯料镦成双鼓形。若不及时矫正而继续锻打，则会产生折叠，使锻件报废。为保证锻造质量，镦粗时注意以下操作要点：1) 镦粗前，坯料加热温度要均匀，表面不得有凹孔、裂纹等缺陷，否则镦粗会使缺陷扩大。2) 镦粗时，坯料容易产生纵向弯曲，可将坯料放倒,轻轻锤击加以校正。锻造的坯料要放平，防止镦弯，镦弯后应及时校正。3) 锻造中，若产生双鼓形，坯料要及时校形。通常是镦粗和校形交替反复进行，以防止锻件折叠。4) 操作时,要夹紧坯料、平稳锻击、力要重而且正，以防锻件飞出伤人。

2． 拔长拔长是使坯料长度增加、横截面积减小的锻

造工序。主要用于曲轴、连杆等长轴类锻件。拔长时注意以

下操作要点：1) 锻打时，坯料每次的送进量应为砥铁宽度B的0.3～0.7倍，送进量太小，易产夹层；送

进量太大，金属主要向宽度方向流动，展宽多，延长少，反而降低拔长效率。2) 将圆截面的坯料拔长成直径较小的圆截面锻件时，必须先把坯料锻成方形截面，在拔长到边长接近锻件直径时，锻成八角形，然后滚打成圆形，如图4―4所示。3) 拔长过程中应不断翻转锻件，可用反复左右翻转900的方法顺序锻打，使其截面经常保持近于方形；也可以沿轴线锻完一遍后,先翻转1800锻打校直,然后再翻转900顺次锻打，如图4―5所示。后一种方法适用于大型坯料的拔长。拔长翻转时，应注意工件的宽度与厚度之比不要超过2.5，否则再次翻转后继续拔长将容易产生折叠。4) 锻造有台阶的轴类锻件，要先在截面分界处用圆棒或三角刀进行压痕或切肩，然后再局部拔长。5) 锻造有孔的长轴线锻件,可将已冲孔的空心坯料套人芯轴后拔长,目的是为了减小壁厚，增加长度。为提高拔长效率，可在上平、下V型的砥铁中锻打。

3. 冲孔在坯料上锻出通孔或不通孔的锻造工序，称为冲孔。冲孔分实心冲头冲孔和空心冲头冲孔(图4―6)两类。冲孔时注意以下操作要点：1)坯料应均匀加热到始锻温度，以提高塑性和防止冲裂。2)冲孔前坯料预先镦粗，尽量减少冲孔深度并使端面平整。3)为保证孔位正确，应先进行试冲，即先用冲子轻轻冲出孔位的凹痕，检查孔位准确后方可深孔。为便于取出冲头,冲前可向凹痕内撒些煤粉。4)一般锻件采用双面冲孔法，即将孔冲到坯料厚度的2/3～3/4深度时，取出冲子，翻转坯料，然后从反面将孔冲透。较薄的坯料可采用单面冲孔，单面冲孔时应将冲子大头朝下,漏盘孔径不宜过大，且须仔细对正。

冲孔后如要进一步增大孔径，则需扩孔。扩孔是减小空心毛坯壁厚而增加其内、外径，或仅增加其内径的锻造工序。它用来锻造环形锻件(如轴承环等)。扩孔的基本方法有冲头扩孔和芯轴扩孔两种，冲头扩孔适用于外径与内径之比大于1.7的锻件，芯轴扩孔可锻造大孔径的薄壁锻件。

4．弯曲弯曲是采用一定的工模具将坯料弯成所需角度或形状锻件的工序，一般用于锻造吊钩、U形叉等各种弯曲形状的锻件。

5．扭转扭转是将坯料的一部分相对于另一部分旋转一定角度的工序。扭转时，应将坯料加热到始锻温度，受扭曲变形的部分必须表面光滑，面与面的相交处要有过渡圆角，以防扭裂。扭转不在同一平面内、由几部分组成的锻件(如曲轴)时，可先在一个平面内锻出，然后再扭转到各自所要求的位置。6．切割切割是分割坯料或切除锻件余料的工序。切割的基本方法有单面切割和双面切割。前者可用于小尺寸截面的坯料切割，切割后截面较平整、无毛刺。后者用于切割截面尺寸较大的坯料。

7．错移错移是将坯料的一部分相对另一部分平移错开的工序。如图4―7所示。先在错移部分压肩，然后加垫块及支撑，锻打错开，最后修整。

在上述的自由锻基本工序中，镦粗、拔长和冲孔三种工序应用最多。此外,还有压口、压肩、分段等辅助工序以及摔圆、校正、整形等修整工序。在锻造过程中，应根据锻件的形状来选择不同的锻造工序。

• 自由锻工艺过程

不同形状的锻件要采取不同的基本工序锻造成形。在选择和安排自由锻造基本工序时，应对多种工艺方案进行综合分析比较，要从优质、高效、低耗的基本原则出发，尽量减少工序次数和合理安排各工序的顺序，从而制定最佳工艺过程。

1．锻件图在自由锻工艺过程中，工序的确定是以锻件图为依据的。锻件图是在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块（为简化锻件形状便于锻造而增加的多余金属，也称敷料。）等之后绘制的图解。为便于锻工在锻造过程中参考,可以在锻件图上用双点划线表示零件图的轮廓形状，并在各尺寸线下面的括号内标出零件的尺寸。形状简单的锻件,可不画出零件图的轮廓，直接在零件图上绘制锻件图。(详见表4-3中的锻件图一栏)。

2．带孔圆盘类锻件的自由锻工艺过程，其主要工序是在漏盘内局部镦粗和双面冲孔。

3．阶梯轴类锻件的自由锻工艺过程，其主要工序是在整体拔长后分段压肩和拔长。

表4-3所示为带孔圆盘类锻件与阶梯轴坯的锻件图与自由锻工艺过程

三、模型锻造

利用模具使坯料在模膛内产生塑性变形，从而获得锻件的锻造方法称模型锻造，简称模锻。模锻适用于中、小型锻件的大批量生产。模锻与自由锻相比有如下特点：(1) 可锻造形状较为复杂、内部质量较好的中小型锻件；(2) 锻件尺寸精度较高、表面粗糙度小。节约材料和工时；(3) 操作简单，生产效率高，易实现机械化和自动化；(4) 锻模制造复杂、成本高、设备昂贵、能量消耗大，模锻件的质量受到模锻设备吨位的限制，一般在150kg以下。根据不同的设备内型, 模锻分为锤上模锻和压力机上模锻。

锤上模锻在模锻锤上进行模锻的方法，称锤上模锻。

模锻锤锤 头的上下运动具有较高的精度，可锻造各种类型的模锻件，生产效率高，设备造价较低。模锻锤有蒸汽空气锤、无砧座锤、高速锤等。锤上模锻所用的锻模分上模和下模，上模固定在锤头上，下模固定在砧座上，工作时锤头带动上模向下打击，完成锻造过程。(图4―8)为模锻工作示意图，具有一个模膛的锻模，称为单模膛模锻；具有两个以上模膛的锻模，称为多模膛模锻。模膛根据功用不同可分为模锻模膛和制坯模膛。模锻模膛分预锻模膛和终锻模膛。制坯模膛分拔长、滚压、弯曲、切断等工序模膛。

2. 压力机上模锻压力机上模锻是指在压力机上进行的模锻。包括曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻、平锻机上模锻等。一般，曲柄压力机对于低塑性材料的锻造有利，生产率高，适合大批大量生产；摩擦压力机普遍用于中、小型工厂小型锻件的批量生产；平锻机适于有头部的杆类和有孔的锻件，可进行管件的局部镦粗或胀孔，但造价高，投资大，仅用于大批量生产。

四、 胎模锻

胎模锻是在自由锻设备上使用简单的非固定模具（胎模）生产模锻件的一种锻造方法。胎模不固定在锤头或砧座上，只是在使用时才放到锻锤砧座上。通常，锻件坯料先用自由锻造进行镦粗或者拔长等工序制坯，然后在胎模内终锻成形。胎模锻适用于小件的中、小批量生产。

胎模由模具钢制造而成，具有较高的热硬性(指材料在高温下仍然保持较高的硬度)、耐磨性和耐冲击性。胎模的种类较多，主要有扣模、筒模和合模三种。