锻造工艺和模具技术期末考试综合复习试题

1《锻造工艺及模具技术》考试复习绪论一、锻造加工金属零件的优势1.锻造的定义锻造——借助工具或模具在冲击或压力作用下加工金属零件的方法2.特点：生产率高，锻件形状尺寸稳定、加工余量少，能消除内部缺陷和提高综合力学性能。3.优势：锻件韧性高、金属纤维组织合理、性能与内在质量稳定。二、锻造方法分类、作用、应用范围分类：自由锻、模锻、特种锻。作用：提高生产率，降低成本，提高质量。应用范围：汽车、飞机、重机等有质量与特殊性能要求的零件。第一章锻造用材料锻造用材料：主要有碳素钢、合金钢、有色金属及其合金按加工状态分：钢锭（大型锻件），轧材、挤压棒材和锻坯（中小型锻件）1.1锻造用钢锭与型材钢锭主要缺陷：偏析——成分与杂质分布不均匀现象夹杂——不溶于金属机体的非金属化合物（非金属夹杂物）气体——残留在钢锭内部或表皮下形成的气泡缩孔和疏松——钢液冷凝收缩形成的收缩空洞、晶间空隙和气体析出的孔隙溅疤——浇注时钢液冲击模底飞溅并附着在模壁上的溅珠，与钢锭不能凝固成一体形成的疤痕锻造工艺在很大程度上可以消除上述缺陷，提高其综合力学性能。型材主要缺陷：表面缺陷——划痕、折叠、发状裂纹、结疤、粗晶环等内部缺陷——碳化物偏析、非金属夹杂、白点等上述表面缺陷应在锻前去除，内部缺陷则应避免。第二章锻前加热2.1锻前加热的目的及方法目的：提高金属塑性，降低变形抗力，增加可锻性，使金属易于流动成型，使锻件获得良好的锻后组织与力学性能。2方法：1.燃料（火焰）加热利用固体（煤、焦炭）、液体（重油、柴油）或气体（煤气、天然气）等燃料燃烧产生的热能加热。燃料在燃烧炉内通过高温炉汽对流（650゜C）、炉围辐射（650～1000゜C）、炉底传导（1000゜C以上）等方式使金属锻坯获得热量而被加热。2.电加热将电能转换成热能对锻坯加热。加热方式：1）电阻加热（1）电阻炉：利用电流通过电热体产生热量加热（P14图2-1）（2）接触电加热：坯料接入电路利用自身电阻产生热量加热（P15图2-2）（3）盐浴炉加热：通过盐液导电产生热量加热（P15图2-3）2）感应加热感应器通入交变电流产生交变磁场，置于感应器中的锻坯内产生交变电势并形成交变涡流，进而通过锻坯的电阻产生的涡流发热和磁滞损失发热加热锻坯。感应加热存在肌肤效应，电流密度大的表层厚度即电流透入深度：f5030（cm）与电流频率f（Hz）、相对导磁率μ（居里点760℃以上μ=1）、电阻率ρ（Ω﹒cm）有关；调整f的作用：（P16）对不同直径坯料加热的影响。感应加热分：工频（f=50Hz），中频（f=50～1000Hz），高频（f1000Hz）2.2金属加热时产生的变化1.氧化和脱碳氧化——金属原子失去电子与氧结合生成氧化物的化学反应结果导致：形成氧化皮剥落脱碳——钢料加热时，表层的碳和炉气中的某些气体发生化学反应，使含碳量降低的现象结果导致：表层变软，强度、耐磨性和耐疲劳性降低2.过热与过烧过热——金属加热温度过高，时间过长而引起晶粒过分长大的现象导致结果：组织发生变化，降低力学性能过烧——金属加热接近其熔化温度并停留时间过长的情况导致结果：组织发生变化，强度、塑性下降，一锻即裂3.导热性的变化导热性——加热时，热量在金属内部的传播能力C（㎡/s）与金属的导热系数λ、密度ρ和比热容C有关。λ与α（热传播能力）随温度变化，在低温段碳钢λ与α高，3高合金钢λ与α低，当温度达到约800～900゜C时趋近一致。4.内应力和裂纹温度应力——温度不均匀引起钢料不均匀膨胀而产生的内部应力组织应力——金属相变造成组织比容变化（减小）不均衡产生的内部应力当内应力（温度应力与组织应力叠加值）超过材料的强度极限会使之局部断裂而产生裂纹。特别在钢料加热初期的600゜C之前，此阶段金属塑性低，内应力显著，一般应缓慢加热（特别是加热断面尺寸大和高合金钢锻件）。2.3金属锻造温度范围的确定锻造温度——始锻温度与终锻温度之间的一段温度区间确定原则：在锻造温度范围内，使金属具有较高的塑性和较小的变形抗力，锻件获得所希望的组织与性能。确定方法：运用合金项图、塑性图、抗力图、再结晶图等，从塑性、变形抗力和锻件的组织性能三方面综合分析确定，并在生产实践中验证、修改。始锻温度：较高则塑性↑、抗力↓，因而耗能↓、可变形量↑；但过高则锻件会产生氧化、脱碳、过热、过烧等。终锻温度：过高则晶粒继续长大↑，锻件力学性能↓；低于再结晶温度则锻件出现加工硬化，塑性↓、变形抗力↑、残余应力↑、开裂↑。2.4加热规范加热规范（加热制度）——锻坯从装炉开始到加热完毕对炉温和锻坯温度随时间变化的规定加热规范采用时间-温度曲线来表示，如P25图2-15，主要有几个阶段预热阶段：规定装料时的炉温加热阶段：正确选择加热速度均热阶段：确定保温时间，保证锻坯温度均匀2.加热速度加热速度：通常指锻坯表面温度升高的速度゜C/h。最大可能的加热速度：取决于炉子的结构、燃料种类、燃烧情况，即炉子的加热能力。允许的加热速度：受锻坯温度应力限制，取决于被加热材料的导热性、力学性和尺寸等。低温阶段：导热性好、断面尺寸小的材料（如碳钢、有色金属、直径小于200mm）可按最大可能的加热速度加热；导热性差、断面尺寸大的锻坯，则按允许的加热速度加热。高温阶段：均可按最大可能的加热速度加热。温度头——炉温高出始锻温度之差值作用：提高温度头，是大幅度提高加热速度，缩短加热时间的有效方法，表2-7反映了效率提高的情况（高温下辐射传热效率与炉温的4次方相关）。3.均热保温时间保温目的：减小锻坯内外温差4保温作用：低温装炉温度下（特别在200～400゜C）：防止蓝脆；800～850゜C下：减小温度应力、组织应力；锻造（始锻）温度下：使组织均匀化，提高塑性，减少锻造变形原则：热透就锻。应尽量缩短高温（始锻温度）下的停留时间，防止锻坯氧化、脱碳、合金元素烧损等，最小保温时间——锻坯断面温差达到规定均匀程度所需的最短保温时间断面温差：碳钢和低合金钢＜50～100゜C；高合金钢＜40゜C。最大保温时间——防止锻坯高温下过热允许的最长保温时间4.加热时间加热时间——锻坯装炉后，从开始加热到出炉全过程所需的时间（包括各阶段的升温时间、保温时间之和）第三章自由锻造工艺3.3自由锻基本工序分析1.镦粗——使坯料高度减小而横截面增大的成型工步2.拔长——使坯料横截面减小而长度增加的成型工步3.冲孔——采用冲子将坯料冲出透孔或不透孔的锻造工步4.扩孔——减小空心坯料壁厚而使其外径和内径均增大的锻造工步5.弯曲——将坯料弯折成规定外形的锻造工步6.错移——将坯料的一部分相对另一部分平行错移开的锻造工步第四章锤上模锻4.1锤上模锻特点与应用范围锤上模锻——借助上模向下的冲击作用，使金属在锻模模腔（模膛）中塑性流动充满模腔而形成锻件的工艺方法4.2锤上模锻方式与变形特征1.开式模锻开式模锻——变形金属流动不完全受模具模腔限制的模锻方式开式模锻金属变形分四个阶段：a.自由变形或称镦粗变形。金属处于较弱的三向压应力状态；b.形成飞边。压应力增强，金属分区域流动；c.充满模腔。飞边减薄，形成阻力圈，金属处于更强的压应力状态；d.锻足或称打靠。变形仅发生在分模面附近区域，压应力最大，应力应变近似薄件镦粗。起重要作用的因素：飞边槽的尺寸与形状，其作用有1）形成足够大的水平方向阻力，使金属充满模腔，结构见P88图4-6。52）缓冲捶击，提高锻模寿命；3）容纳多余金属。2.闭式模锻闭式模锻——无飞边模锻闭式模锻在变形过程中始终将金属封闭在模腔内，其变形过程分三个阶段，见P88图4-9：a.基本成型。金属开始变形到基本充满模腔，金属处于较弱三向压应力状态；b.充满。金属完全充满模腔，金属处于较强三向压应力状态，见P89图4-10；c.形成纵向毛刺。压应力进一步增大，利于锻合空洞、锻实疏松，但压应力过大易产生过大毛刺，损坏模腔。实例见P89图4-11。4.4模锻件设计模锻件——适应模锻工艺的锻件1.确定分模面分模面——上下模或凸凹模的分界面（平面或曲面）分模线——分模轮廓线（分模面）在视图平面上的投影确定原则：保证锻件形状与尺寸，容易脱模，尽可能镦粗成型。结论：必须选择在具有最大水平投影尺寸的位置上，如P93图4-132.确定机加工余量和公差3）模锻件加工余量的确定2xhmMz加工余量z与精加工的最小余量M，锻件最大错移量等形位公差m，表面缺陷（凹坑、脱碳）层深度h，锻件尺寸的下偏差值x有关。3.模锻斜度1）定义和作用模锻斜度——为了使锻件易于从模膛（模腔）中取出，锻件与模膛侧壁接触部分需带的工艺斜度作用：利于从模腔中取出锻件。原则：锻件能顺利取出前提下，尽可能取小；内斜度β比外斜度α大1级，见P99图4-26；零件（锻件）设计在保证形状、功能前提下，合理设计较大自然斜度。4.圆角半径原则：模锻件上所有转角处都要通过圆弧连接作用：金属易于流动充满模腔，避免锻件和模具转角处应力集中，提高锻件质量与模具寿命（P104图4-33、64-34）。圆角半径r=零件原圆角半径+加工余量。5.肋与腹板肋（凸台）——自腹板向锻压行程方向凸起的部分作用：一般为加强结构或连接、支承结构。形式：周边肋、中心肋、正交肋、复合肋等，见P105图4-35。腹板——连接肋或凸起部分的薄板状部分形式：无限制腹板，金属不受肋或凸起部分的阻碍，直接流向分型面；有限制腹板，金属受到肋或凸起部分的阻碍，不能自由流向分型面。6.冲孔连皮冲孔连皮——模锻件孔内保留的一层金属。后续用切边压力机冲掉7.模锻件图及锻件技术条件锻件图——零件图+机加工余量、工艺余块或其他余量后绘制的图样。P110图4-46是一个实例特点：锻件结构用粗实线表示；零件外形（投影）用双点划线表示；锻件基础尺寸与公差标在尺寸线上方；零件基础尺寸注在尺寸线下方括号内。技术条件：作为文字说明，列出必要的技术要求等，见P109（1）～（7）4.5模锻变形工步的确定模锻工艺的一般流程见P111图4-47，包括了下料、加热、模锻、切边、热处理、精压、检验等。模锻工序是工艺过程中最关键的组成部分，包括三类工步：1）模锻工步必有终锻工步，预锻工步则视情况（易折叠和难充满）而定；2）制坯工步是制定模锻工艺的主要任务。制坯工步及用途（P112表4-9）。其作用：改变毛坯形状，合理分配毛坯体积，以适应锻件截面形状与尺寸要求；3）切断工步主要针对一料多件的切断。1.圆饼类锻件制坯工步选择一般采用镦粗制坯，应选择恰当的坯料直径d（d坯）和高度h（长度坯L），否则影响锻造成型效果。例如：套环类锻件的坯料直径应满足2d＜d坯＜3d，见P114图4-48，若选择不恰当，将出现如图所示的不良结果。坯料高度h（长度坯L）则按体积确定。2.长轴类锻件制坯工步选择1）制坯工步（1）直长轴：采用拔长、滚压、弯曲、卡压、成型等；7（2）弯曲轴：采用拔长、滚压、弯曲等，见P115图4-51；（3）枝丫轴：采用拔长、成型、预锻等，见P115图4-52；（4）叉形轴：采用拔长、弯曲或拔长、滚压、预锻等，见P116图4-53；2）计算毛坯基本步骤：例如P116图4-54（1）选具代表性的主视图；（2）选具代表性（截面发生变化）的各截面计算截面积，飞锻计iiiF2FF；（3）以坐标高度代表截面积，M/Fhii计计，平滑连接作截面计算图；（4）截面计算图积分求总面积计F，毛坯体积计计MFV；（5）确定毛坯各截面直径计计iiM1.13d，绘制毛坯直径图；（6）修正毛坯图，酌情调整maxd。4.6坯料尺寸确定2.圆饼类锻件坯料体积：件坯）（Vk1V，宽裕系数k=0.12~0.25（圆锻件）坯料直径：3V93.0~87.0d坯坯）（，应选标准规格圆钢坯料长度：2dV4FVL坯坯坯坯坯4.8锤锻模模腔设计一、模锻工步模腔设计1.终锻模腔设计终锻模腔（模膛）——模锻时最后成形用的模腔，和热锻件图上相应部分的形状、尺寸一致1）热锻件图设计热锻件图以冷锻件为依据。不同点：高度方向尺寸要以分模面为基准标注；所有尺寸要计算收缩率：L=l（1+δ）。