模锻

第四章模锻4-1锤上模锻工艺模锻是将加热或不加热的坯料置于锻模模膛内，然后施加冲击力或压力使坯料发生塑性变形而获得锻件的成形过程。优点：工艺灵活，适应性强可生产各种类型的复杂锻件，可单型槽也可多型槽，可单件也可多件连续。锤头的行程、打击速度和打击能量均可调节，能实现轻重缓急不同的打击因而可以实现各种工步。锤上模锻是靠锤头多次打击使坯料变形锤头运动速度快金属流动有惯性所以充填型槽的能力强。模锻件的纤维组织是按锻件轮廓分布的，机加工后仍保持完整，从而提高零件的使用寿命。单位时间内的打击次数多，生产效率高。机械加工余量小利用率高，生产成本较低。缺点：模锻锤投资大生产准备时间长锻模制造周期长。锤上模锻震动大，对厂房设备和工人的劳动条件都有不利影响。模锻锤导向较差，工作时的冲击和行程不固定，无顶出装置等因素使锤上模锻件精度不高。由于打击速度快，变形速率敏感的低塑性材料不宜在锤上模锻锤上模锻分为开式模锻和闭式模锻两种。开式模锻：变形金属的流动不完全受模腔限制的一种锻造方式。开式模锻时，多余金属沿着垂直于作用力方向流动形成毛边。随着作用力的增大，毛边减薄，温度降低，金属由毛边向外流动受阻，最终迫使金属充满型槽。闭式模锻：也称为无毛边模锻。在变形过程中金属始终被封闭在型腔内不能排出，迫使金属充满型槽而不形成毛边。闭式模锻金属的变形过程分为三个阶段：1、基本成型阶段：这个阶段又毛坯开始变形至基本充满型槽，变形力的增加相对较慢，继续变形时候变形力急剧增加。2、充满型槽各处3、形成纵向毛刺阶段：压力极大的情况下出现闭式模锻特点：1、省去了毛边材料的消耗和毛边的变形功。2、坯料处于更强的三向压应力状态，提高了金属塑性，有利于低塑性合金的锻造成形。3、锻造纤维组织按零件轮廓连续分布，流线不会被切断外露，提高了锻件的力学性能和抗腐蚀能力。局限性：1、要求坯料体积精确，使坯料体积和型槽容积相等，但是实际生产中很难满足造成了体积波动，不但影响锻件成形甚至会因坯料过大而导致锻模破坏。2、要求坯料形状和尺寸比例合适，并在型槽内准确定位，否者锻造时一边产生毛刺而另一边尚未充满型槽，从而使锻件报废。3、锻件出模困难需要顶件装置使锻模结构复杂。4、应用范围窄。只使用于形状对称的回转体锻件。4-2模锻1、绘制模锻件图模锻件图(又叫模锻过程图)是生产过程中各个环节的指导性技术文件。在制订模锻件图时应考虑的因素有：(1)分模面分模面即指上、下锻模在锻件上的分界面。锻件分模面选择的好坏将直接影响到锻件的成形、锻件出模、锻模结构及制造费用、材料利用率、切边等一系列问题。因此，在制订模锻件图时，必须遵照下列原则：①为保证模锻件易于从模膛中取出，分模面通常选在模锻件最大截面上。②所选定的分模面应使模膛的深度最浅。这样有利于金属充满模膛，便于锻件的取出和锻模的制造。③选定的分模面应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致。这样在安装锻模和生产中发现错模现象时，便于及时调整锻模位置。④分模面最好是平面，且上下锻模的模膛深度尽可能一致，以便于锻模制造。⑤所选分模面尽可能使锻件上所加的敷料最少。这样既可提高材料的利用率，又减少了切削加工的工作量。(2)加工余量、锻件公差和敷料模锻件的尺寸精度较好，其余量和公差比自由锻件的小得多。小型模锻件的加工余量一般在2～4mm，锻件公差一般为±0.5～±1mm。另外，模锻件加工余量及模锻件公差还可查锻造手册或其他工程手册。对于孔径d＞φ25mm的模锻件，孔应锻出，但须留冲孔连皮。冲孔连皮的厚度与孔径有关，当孔径在φ30～φ80mm时，连皮厚度为4～8mm。(3)模锻斜度模锻件上凡平行于锻压方向的表面(或垂直于分模面的表面)都须具有斜度，这样便于从模膛中取出锻件。常用的模锻斜度系列为：3°，5°，7°，10°，12°，15°。模锻斜度与模膛深度有关，模膛深度与宽度的比值(h/b)越大，取较大的斜度值。内壁斜度(锻件冷却收缩时与模壁呈夹紧趋势的表面)应比外壁斜度大2°～5°。在具有顶出装置的锻压机械上，其模锻件上的斜度比没有顶出装置的小一级。(4)模锻件圆角半径模锻件上凡是面与面相交处均应做成圆角，如图2所示。这样，可增大锻件强度，利于锻造时金属充满模膛，避免锻模上的内尖角处产生裂纹，减缓锻模外尖角处的磨损，提高锻模的使用寿命。钢质模锻件外圆角半径r取15～12mm，内圆角半径比外圆角半径大2～3倍。模膛深度愈深，圆角半径取值就要越大。2坯料质量和尺寸计算模锻件坯料质量=模锻件质量+氧化烧损质量+飞边(连皮)质量飞边质量的多少与锻件形状和大小有关，一般可按锻件质量的20%～25%计算。氧化烧损按锻件质量和飞边质量总和的3%～4%计算。其他规则可参照自由锻坯料质量及尺寸计算。3模锻工序的确定模锻工序与锻件的形状和尺寸有关。由于每个模锻件都必须有终锻工序，所以工序的选择实际上就是制坯工序和预锻工序的确定。(1)轮盘类模锻件指圆形或宽度接近于长度的锻件，如齿轮、十字接盘、法兰盘等，见图3。这类模锻件在终锻时金属沿高度和径向(或长、宽方向)均产生流动。一般的轮盘类模锻件，采用镦粗和终锻工序。对于一些高轮毂、薄轮辐的模锻件，采用镦粗—预锻—终锻工序，如图3c所示。(2)长轴类模锻件这类锻件的长度与宽度之比较大，终锻时金属沿高度与宽度方向流动，但长度方向流动不大。长轴类锻件包括主轴、传动轴、转轴、销轴、曲轴、连杆、杠杆和摆杆等等，如图4所示。这类模锻件的形状多种多样，通常模锻件沿轴线在宽度和直径方向上的变化较大，这样就给模锻带来一定的不便和难度。因此，长轴类模锻件的成形较轮盘类模锻件的难，模锻工序也较多，模锻过程也较复杂。长轴类模锻件的工序选择有：①预锻—终锻。②滚压—预锻—终锻。③拔长—滚压—预锻—终锻。④拔长—滚压—弯曲—预锻—终锻等。工序越多，锻模的模膛数就越多，这样，锻模的设计和制造加工就越难，成本也就越高。弯曲连杆多模膛模锻（a)锻件图（b）锻模（c)切边模（d)模锻过程1、拔长模膛2、滚压模膛3、终锻模膛4、预锻模膛5、弯曲模膛图6用周期性断面坯料模锻图7坯料的辊锻由于锻压机上不适宜进行拔长和滚压工序，因此，锻造截面变化较大的长轴类锻件时，常采用断面呈周期性变化的坯料，如图6所示，这样可以省去拔长和滚压工序。或者用辊锻机来轧制原坯料代替拔长和滚压工序，如图7所示，这样可使模锻过程简化，生产率提高。4修整工序由锻模模膛锻出的模锻件，尚须经过一些修整工序才能得到符合要求的锻件。修整工序有：(1)切边与冲孔刚锻制成的模锻件，周边通常都带有横向飞边，对于有通孔的锻件还有连皮。飞边和连皮须用切边模和冲孔模在压力机上切除。对于较大的模锻件和合金钢模锻件，常利用模锻后的余热立即进行切边和冲孔，其特点是所需切断力较小，但锻件在切边和冲孔时易产生轻度的变形。对于尺寸较小的和精度要求较高的锻件，常在冷态下进行切边和冲孔，其特点为切断后锻件切面较整齐，不易产生变形，但所需的切断力较大。切边模和冲孔模由凸模和凹模组成，如图8所示。切边凹模的通孔形状和锻件在分模面上的轮廓一样，而凸模工作面的形状和锻件上部外形相符。冲孔凹模作为锻件的支座，其形状做成使锻件放在模中能对准冲孔中心，冲孔连皮从凹模孔落下。当锻件批量很大时，切边和冲连皮可在一个较复杂的复合式连续模上联合进行。(2)校正在切边及其他工序中有可能引起锻件变形。因此对许多锻件特别是形状复杂的锻件，在切边(冲连皮)之后还需进行校正。校正可在锻模的终锻模膛或专门的校正模内进行。(3)热处理对模锻件进行热处理的目的是为了消除模锻件的过热组织、加工硬化组织和内应力等，使模锻件具有所需的组织和性能。热处理而用正火或退火。(4)清理清理是去除在生产过程中形成的氧化皮、所沾油污及其他表面缺陷，以提高模锻件的表面品质。清理有下列几种方法：滚筒打光、喷丸清理及酸洗等。（5）对于要求精度高和表面粗糙度低的模锻件，除进行上述各修整工序以外，还应在压力机上进行精压。5.锻模模膛由上述模锻工序可知，模膛按功用分为模锻模膛和制坯模膛两大类。(1)模锻模膛模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两种。①终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件所要求的尺寸，即形状与锻件相同。因锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，钢件一般取1.2%～1.5%。另外，沿模膛四周有飞边槽，其作用主要是促使金属充满模膛，增加金属从模膛中流出的阻力，同时容纳多余的金属。对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上、下模的突出部分把金属完全挤压形成通孔，故终锻后在孔内会留下一薄层金属即冲孔连皮。把飞边和连皮切除后得到模锻件。②预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸。之后再进行终锻时，金属容易充满终锻模膛，同时也减小了终锻模膛的磨损，延长了使用寿命。预锻模膛和终锻模膛的主要区别是前者的圆角和斜度较大，没有飞边槽。对于形状简单或批量不太大的模锻件可不设置预锻模膛。(2)制坯模膛对于形状复杂的模锻件(尤其是长轴类模锻件)，为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属能更合理地分布和充满模膛，须预先在制坯模膛内制坯，然后再进行预锻和终锻。制坯模膛有：①拔长模膛，它是用来减小坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。②滚压模膛，它用来减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积，主要是使金属按模锻件形状分布。滚压模膛分开式和闭式两种，如图12所示。当模锻件沿轴线的横截面积相差不很大或修整拔长后的坯料时，采用开式滚压模膛。当模锻件的最大和最小截面相差较大时，采用闭式滚压模膛。操作时需不断翻转坯料。(3)弯曲模膛对于弯曲的杆类模锻件，需用弯曲模膛。坯料可直接或先经其他工序制坯后再放入弯曲模膛进行弯曲变形，如图13所示。(4)切断模膛它是由上模与下模的角部组成的一对刀口，用来切断金属，如图14所示。单件锻造时，用它从坯料上切下锻件或从锻件上切下钳口部金属。多件锻造时，用它来分离成单个件。此外，还有成形模膛、镦粗台及击扁面等制坯模膛。由于制坯模膛增加了锻模体积和制造加工难度，加之有些制坯工序(如拔长、滚压等)在锻压机上不宜进行，故对截面变化较大的长轴模锻，目前多用辊锻机或楔形模横轧来轧制原(坯)料以替代制坯工序，从而大大简化锻模。根据模锻件复杂程度的不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模或多膛锻模。单膛锻模是在一副锻模上只有一个模膛，如齿轮坯模锻件就可将截下的圆柱形坯料直接放入单膛锻模中成形。多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。图7所示弯曲连杆模锻件的锻模即为多膛锻模。锻模的模膛数越多，设计、制造加工就越难，成本也就越高。6.金属在模膛内的变形过程将金属坯料置于终锻模膛内，从锻造开始到金属充满模膛锻成锻件为止，其变形过程可分为三个阶段。现以锤上模锻盘类锻件为例来说明(1)充型阶段(见图15a)在最初的几次锻击时，金属在外力的作用下发生塑性变形，坯料高度减小，水平尺寸增大，并有部分金属压入模膛深处。这一阶段直到金属与模膛侧壁接触达到飞边槽桥口为止。模锻所需的变形力不大，变形力与行程的关系如图15d所示。(2)形成飞边和充满阶段继续锻造时，由于金属充满模膛圆角和深处的阻力较大，金属向阻力较小的飞边槽内流动，形成飞边。此时，模锻所需的变形力开始增大。随后，金属流入飞边槽的阻力因飞边变冷而急速增大，当这个阻力一旦大于金属充满模膛圆角和深处的阻力时，金属便改向模膛圆角和深处流动，直到模膛各个角落都被充满为止，如图15b所示。这一阶段的特点是飞边进行强迫充填。由于飞边的出现，变形力迅速增大，见图15d中F1F2线。(3)锻足阶段(见图15c)如果坯料的形状、体积及飞边槽的尺寸等工艺参数都设计得恰当，当整个模膛被充满时，也正好锻到锻件所需高度。但是，由于坯料体积总是不够准确且往往都偏多，或者飞边槽阻力偏大，导致模膛已经充满，但上、下模还未合拢，需进一步锻足。这一阶段的特点是变形仅发生在分模面附近区域，以便向飞边槽挤出多余的金属。此阶段变形力急剧增大，直至达到最大值F3为止，见图15d中F2F3线。由此可知，飞边有三个作用：强迫充填；容纳多余的金属；减