锻造工艺学(兰州理工大学)

锻造工艺学材料科学与工程学院Seite2第一章绪论Seite3塑性成型生产过程简述原材料下料加热（在给定温度）不加热坯料模具、工具润滑机器成型件成型后工序（切变、精整、清理、热处理）锻压件或冲压件（形状与尺寸合格、组织性能合格）给定速度或行程控制力及其分布Seite4什么是锻造？——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件。为了使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。Seite5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法之一，可以追溯到公元前4000年——甚至8000年。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。Seite6航空航天Seite7武器装备Seite8交通运输中国动车组列车Seite9全铝汽车Seite10齿轮曲轴连杆Seite111．任务：解决锻件的成形及其内部组织性能的控制，以获得所需形状、尺寸和质量的锻件。2．目的：锻造的根本目的是利用外加载荷（冲击载荷或静载荷）通过锻压设备或模具使金属毛坯产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件，同时使锻件机械性能和内部组织符合一定的技术的要求。Seite12实质：锻造工艺的实质是如何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的加工过程。Seite13一、锻造生产的特点及其在国民经济中的作用（一）锻造生产的优点和缺点1．优点：优质、高产、低消耗、灵活。1)优质指可以改善金属组织性能。金属零件的传统生产过程是：冶炼─制坯─切削加工─热处理制坯有三条途径：铸造毛坯、轧制型材、锻造毛坯。铸造毛坯的组织性能差，只适用于性能要求低的零、部件Seite14锻造：纤维组织－－变形后的杂质仍具有方向性，呈现纤维状条纹锻造流线－－变形后杂质的纤维分布，使组织、性能呈方向性Seite15钢锭锻造过程中纤维组织形成的示意Seite162)高产指机械化生产，生产率高二、三百件/小时，现在更高了，一百多件/分，1.2万件/小时。据统计，每模锻100万吨钢，由于提高了生产率，可比切削加工减少2~3万工人，少用15000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，只是难易程度不同而已。Seite17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Seite183)低消耗指少、无切削，省工省料。4)灵活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密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）锻件的重量小的不到1公斤大的可达几百吨单件小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Seite192．缺点：1)模具成本高，加工周期长。2)受锻造设备吨位的限制。Seite20（二）锻造业的地位锻造在工业生产中占有举足轻重的地位。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，难以估量。锻造生产的能力在一定程度上标志着一个国家的工业水平。Seite21二、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、模锻和特种锻造。1．自由锻造把加热好的坯料放在自由锻造设备的平砧之间或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。手工锻造自由锻机械（锤上自由锻和水压机上自由锻）Seite22Seite23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。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。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。Seite24自由锻还可以借助简单的模具进行锻造，称胎模锻。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造。Seite252．模锻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，而获得与型槽形状一致的锻件。根据变形特点，分为开式模锻和闭式模锻。Seite26根据设备结构特性和工艺特性的不同，分为锤上模锻（自由锻锤上模锻、高速锤上模锻）、摩擦压力机上模锻、热模锻压力机上模锻、液压机上模锻、平锻机上模锻、专用锻压机上模锻等。模锻适用于形状复杂，尺寸精度较高，加工余量小，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。精密锻件的成形也要通过模锻来实现。Seite273．特种锻造即在专用锻压设备上或在特殊模具型槽内使坯料成形的一种特殊锻造工艺。一般锻造方法很难达到要求时，可用特种锻造工艺。如精密模锻，温热挤压，辊锻，电镦，摆动辗压，粉末锻造，液态模锻，等温模锻和超塑性模锻等。Seite28锻造工艺流程是指生产一个锻件所经过的锻造生产过程。以模锻为例，其锻造工艺流程是：备料－－加热－－模锻－－切边、冲孔－－热处理－－酸洗、清理－－校正。Seite29一般来说，一种锻件选用哪一种锻造方法生产，与形状、尺寸、技术要求和生产批量大小等很多因素有关。通常，单件、小批量生产自由锻方法大批量模锻方法生产但有些航空重要产品上的锻件，虽然批量不大，但由于流线和性能等方面的要求，要求工艺的一致性等，通常也采用模锻方法生产。Seite30三、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人类在新石器时代末期，已开始以锤击天然红铜来制造装饰品和小用品。中国约在公元前2000多年已应用冷锻工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器物，就有明显的锤击痕迹。最初，人们靠抡锤进行锻造，后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻打坯料。14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻。Seite31Seite32为锻铜浮雕。是手工锻造作品。手工锻造是一种古老的金属加工工艺，是以手工锻打的方式，在金属板上锻锤出各种高低凹凸不平的浮雕效果。Seite331842年，英国的内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造进入应用动力的时代。以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锻锤和机械压力机。夹板锤最早应用于美国内战(1861～1865)期间，用以模锻武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤，模锻工艺逐渐推广。到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。20世纪初期，随着汽车开始大量生产，热模锻迅速发展，成为锻造的主要工艺。Seite34锻压经过100多年的发展，今天已成为一门综合性学科。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、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机器制造业。Seite35我国的锻造生产与世界先进国家的水平相比还有一定差距。表现在：1)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30％。2)国外有成千条锻造自动生产线，大型自由锻造水压机普遍配备了锻造操作机等。而我国在这些方法还很薄弱。Seite363)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，一些航空产品上的精锻件和重要的大型自由锻件还常常需从国外进口。4)在CAD/CAM方面，一些发达国家已进入实用阶段，在这些方面，我国还刚刚起步。Seite37（二）锻造生产的发展趋势1)总趋势是使锻件形状、尺寸和表面质量最大限度地与产品零件相接近，以达到少、无切削加工的目的，为此应逐步发展和完善精密成形新技术，发展高效精密的锻压设备。2)为适应大批量生产的需要，应发展专业化的连续生产线，建立地区性的专门化锻造中心，如齿轮精锻中心、连杆锻造中心、标准件锻造中心等，以利于进行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Seite383)为适应新产品开发，缩短研制周期，应发展柔性加工技术和CAD/CAM技术。锻模的CAD/CAM的主要优点有：①设计的速度快、准确性高，且可将设计人员从繁重的重复性劳动中解脱出来。②可以把多方面的经验和研究成果集中起来，方便地应用于设计加工，提高设计质量。③可以实现多方案比较设计，达到优化的目的。Seite394)提高锻件的内在质量。5)提高机械化、自动化水平。6)发展以煤气、油、电等为热源的先进加热技术，改善劳动条件。Seite40（三）目前，我国锻造业面临的问题可以归纳为如下装备水平低，其主要表现是设备老化、精确度低管理体制亟待理顺，生产厂点过多，力量分散厂家封闭式经营研究和生产不平衡Seite41四、本课程的性质和任务《锻造工艺学》是研究如何利用各种锻造方法有效地控制锻件的成型和内部组织性能生产出高质量锻件的一门技术学科。《锻造工艺学》任务是通过本课程的教学，达到如下要求：1)基本掌握自由锻工艺设计、模锻工艺设计和锻模设计的方法2)具有初步的进行锻造工艺分析的能力3)具有初步分析和解决锻件质量问题的能力。Seite42五、主要参考书简介⒈姚泽坤主编，锻造工艺学，西北工业大学出版社，1998⒉张志文主编：锻造工艺学，机械工业出版社，1983⒊杨振恒、陈镜清等编：锻造工艺学，西北工业大学出版社，1986⒋锻件质量分析编写组编：锻件质量分析，机械工业出版社，1983⒌锻工手册编写组编：锻工手册，机械工业出版社，1978⒍李尚健主编，锻造工艺及模具设计资料，机械工业出版社，1991⒎张振纯编：锻模图册，机构工业出版社，1980材料科学与工程学院第二章锻造用原材料及下料方法Seite44一、分类锻造用原材料的分类：钢锭和型材C％低于0.25%——低碳钢C％在0.25%～0.6%——中碳钢C％大于0.6%——高碳钢§2-1锻造用原材料Seite45二、冶炼1、冶炼的任务：化学成分，金属液体的纯净度，减少夹杂和气体的含量。2、主要方法：碱性平炉、酸性平炉、碱性电炉、双联法、真空冶炼法、电渣重熔法等。Seite46三、钢锭的内部结构钢锭是由冒口、锭身和底部组成。钢锭表层为细小等轴结晶区，向里为柱状结晶区，枝状结晶区，心部为粗大等轴结晶区。Seite47由金属学所学内容知，钢锭的内部缺陷主要集中在冒口、底部和中心部分。其中冒口和底部作为废料应予切除。但冒口有补缩和容纳夹杂物、气体以纯净锭身的作用，因此应占钢锭的一定比例。冒口切除15％～20％。Seite48四、大型钢锭的主要缺陷钢锭的常见缺陷有：偏析、夹杂、气体、气泡、缩孔、疏松、裂纹和溅疤。这些缺陷的形成与冶炼、浇注和结晶过程紧密相关，并且不可避免。Seite49⑴偏析包括枝晶偏析（指钢锭在晶体范围内化学成分的不均匀性）和区域偏析（钢锭在宏观范围内的不均匀性）造成力学性能不均匀和裂纹缺陷。枝晶偏析现象可以通过锻造、再结晶、高温扩散和锻后热处理得到消除。区域偏析只有通过反复镦—拔变形工艺才能使其化学成分趋于均匀化。Seite50⑵夹杂分为内在夹杂和外来夹杂内在夹杂指冶炼时产生的氧化物、硫化物、硅酸盐等非金属夹杂，外来夹杂是耐火材质、炉渣碎粒等。它破坏金属的连续性，夹杂处产生应力集中，引发显微裂纹，成为疲劳源，低熔点夹杂在晶界上分布易引起热脆现象。可见夹杂降低铸锭的锻造性能和锻后的力学性能。Seite51⑶气体常见的残存气体是氧、氮、氢等。氢是钢中危害最大的气体。对于白点敏感钢，当氢含量达到一定数值后，冷却时易产生白点缺陷。氢含量高还会引起氢脆现象，钢的塑性显著下降。只要气泡不是敞开的或气泡内壁没有被氧化，通过锻造可以焊合，但皮下气泡常常容易引起裂纹。Seite52⑷缩孔和疏松缩孔在冒口区，由于冷却时钢液补充不足而形成，含有大量杂质，必须将缩孔与冒口一起切除。疏松集中在中心部位，降低组织的致密度，破坏了金属的连续性，锻造时用大变形才能消除。Seite53⑸溅疤当采用上注法浇注时，钢液将冲击钢锭模底而飞溅至模壁上，溅珠和钢锭不能凝为一体