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锻 压. 2.2 锻压加工. 2.2.1 锻压的基本知识 1. 锻压的概述 锻压属于金属的塑性加工，金属的塑性加工是利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能获得型材、棒材、轧材、线材或锻压件的加工方法，常用金属的塑性加工方法如图 a 所示，它包括轧制、挤压、拉拔、锻造（自由锻、模锻等）、冲压等。 锻压是指对坯料施加压力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造和冲压的总称。. 图 a. 锻压具有以下特点：
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2.2 锻压加工 • 2.2.1 锻压的基本知识 • 1. 锻压的概述 • 锻压属于金属的塑性加工，金属的塑性加工是利用金属的塑性，使其改变形状、尺寸和改善性能获得型材、棒材、轧材、线材或锻压件的加工方法，常用金属的塑性加工方法如图a所示，它包括轧制、挤压、拉拔、锻造（自由锻、模锻等）、冲压等。 • 锻压是指对坯料施加压力，使其产生塑性变形，改变尺寸、形状及改善性能，用以制造机械零件、工件或毛坯的成形加工方法。它是锻造和冲压的总称。
锻压具有以下特点： (1) 能够改善金属的内部组织，提高金属的力学能。通过锻造可以压合气孔、缩孔等缺陷，细化晶粒，使金属组织致密，提高力学性能。 (2) 可以节约金属材料和机械加工工时，提高材料的利用率。除自由锻以外，大多数锻压毛坯和零件形状相近似，随着锻压设备及工艺的不断改进，锻压件的尺寸精度和表面粗糙度越来越高，加工量越来越少。 (3) 生产效率较高。锻压成形,特别是模锻成形的生产率，比切削加工成形高得多。 (4)不能获得形状很复杂的制件,其制件的尺寸精度、形状精度和表面质量还不够高,加工设备比较昂贵,制件的成本比铸件高。
2. 金属塑性变形与再结晶 1)金属的塑性变形 金属在外力作用下将产生变形，其变形过程包括弹性变形和塑性变形两个阶段。弹性变形在外力去除后能够恢复原状，不能用于成型加工；只有永久性的塑性变形，才能用于成型加工。 实验证明，晶体只有受到切应力时才会产生塑性变形。单晶体的变形方式主要有滑移和孪晶两种。多晶体是由许多微小的单个晶粒杂乱组合而成的，其塑性变形过程可以看成是许多单个晶粒塑性变形的总和；另外，多晶体塑性变形还存在着晶粒与晶粒之间的滑移和转动，即晶间变形，
2)冷变形强化 随着金属冷变形程度的增加，金属材料的强度和硬度都有所提高，但塑性有所下降，这种现象称为冷变形强化。变形后，金属的晶格畸变严重，变形金属的晶粒被压扁或拉长，甚至形成纤维组织，如图b所示。此时，金属的位错密度提高，变形阻力加大。低碳钢塑性变形时力学性能的变化规律如图c所示，即随着变形程度的增加，强度、硬度的随着升高，塑性、韧性则明显下降。
2)．回复与再结晶 对冷变形强化组织进行加热，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化，如图d所示。
(1) 回复。将冷变形后的金属加热到较低温度，点缺陷显著减少，晶格畸变减轻，晶内残余应力大大减少，这个过程称为回复。但由于回复过程中，位错密度未显著下降，加工硬化并未消除。冷拔弹簧钢丝绕制弹簧后常进行定形处理(250～300℃低温退火)，其实质就是利用回复保持冷拔钢丝的高强度，消除冷卷弹簧时产生的内应力。 (2) 再结晶。当加热温度较高时，塑性变形后的显微组织发生了显著的变化，破碎的、被拉长了的晶粒重新生核，变为细小、均匀的等轴晶粒，消除了全部冷变形强化的现象，这个过程称为再结晶。
再结晶是在一定的温度范围内进行的，开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度(T再)。实验证明，各种纯金属的再结晶温度大致为：T再≈0.4T熔K，这里用热力学温度计算。合金中的杂质元素及合金元素会使再结晶温度显著提高。 再结晶是在一定的温度范围内进行的，开始产生再结晶现象的最低温度称为再结晶温度(T再)。实验证明，各种纯金属的再结晶温度大致为：T再≈0.4T熔K，这里用热力学温度计算。合金中的杂质元素及合金元素会使再结晶温度显著提高。 在常温下经过塑性变形的金属，加热到再结晶温度以上，使其发生再结晶的处理称为再结晶退火。实际再结晶退火温度通常比T再高100～200℃。再结晶退火可以消除金属材料的冷变形强化，提高其塑性，便于其继续锻压加工。如冷轧、冷拉、冷冲压过程中，需在各工序中穿插再结晶退火。
(3) 晶粒长大。已形成纤维组织的金属，通过再结晶一般都能得到均匀细小的等轴晶粒。但是如果加热温度过高或加热时间过长，则晶粒会明显长大，成为粗晶粒组织，会使金属的可锻性变差。
3)冷加工与热加工 从金属学的观点划分，冷、热加工的界限是再结晶温度。金属材料在其再结晶温度以上的塑性变形称为热加工；在其再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工。显然，冷加工与热加工并不是以具体的加工温度的高低来区分的。例如，钨的最低再结晶温度约为1200℃，所以，钨即使在稍低于1200℃高温下的塑性变形仍属于冷加工；而锡的最低再结晶温度约为-7℃，所以锡即使在室温下塑性变形却仍属于热加工。在冷加工过程中，冷变形强化会使金属的可锻性变差。在热加工过程中，由于同时进行着再结晶软化过程，因而可锻性较好，能够使金属顺利地进行大量的塑性变形，从而实现各种成型加工。
3. 金属的可锻性 金属的可锻性是衡量材料在经受压力加工时获得优质锻件难易程度的一种工艺性能。金属的可锻性好，表明该金属容易进行锻压加工变形；可锻性差，表明该金属不宜选用锻压加工方法变形。 金属的可锻性常用塑性和变形抗力来综合衡量。塑性越大，变形抗力越小，则可锻性越好；反之，可锻性越差。 变形抗力是指塑性变形时金属反作用于工具上的力。变形抗力越小，则变形消耗的能量也就越少。
2.2.2 锻 造 • 一、锻造的加热与冷却 • 1. 锻造温度范围 • 锻造加热的目的是提高其塑性, 降低变形抗力, 使坯料容易成形。为了减少锻压加工时加热次数(也称火数), 一般力求扩大钢的锻造温度范围, 即钢的锻造可在一个较宽的温度范围内进行。钢的锻造温度范围是指锻件由始锻温度至终锻温度的间隔。
2．加热速度 • 加热速度是指钢料在单位时间内升高的温度。适当地提高加热速度。可以提高生产率，降低燃料消耗，同时，还可以减少钢料在加热时的氧化、脱碳及晶粒粗大等缺陷。但大型钢料和合金钢料的加热速度不宜过快。否则容易产生裂纹。
3. 锻件冷却方法 • 锻件的冷却方法也是影响锻件质量的重要因素之一。如果冷却方法不适当, 可使锻件产生翘曲变形、硬度过高和裂纹等缺陷。 • 锻件的冷却方法主要根据材料的化学成分、锻件形状和截面尺寸等因素来确定。一般地说,合金元素和碳的含量越高,锻件形状越复杂和截面尺寸变化越大, 就越是要采用缓慢的冷却方法。 • 低、中碳钢和低合金结构钢的小型锻件一般采用空冷(在无风的空气中冷却)；合金钢、碳素工具钢采用坑冷或箱冷( 在干砂子、石棉灰、炉灰等隔热材料覆盖下冷却)；高碳钢和合金钢的大型锻件以及高合金钢的重要锻件采用炉冷(在500～700℃炉中随炉缓冷)。一般来说,锻件中碳及合金元素的含量愈高,锻件尺寸愈大,形状愈复杂,则冷却速度应愈缓慢。
二、 自由锻造 自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下两个砧铁之间产生变形，从而获得所需形状及尺寸的锻件。由于坯料在砧铁之间受力变形时，沿变形方向可以自由流动，不受限制，故而得名，也称自由锻。 由于自由锻所用的工具简单，并具有较大的通用性，因而应用较为广泛。生产的锻件质量可以从不到1 kg的小件到200～300 t的大件。对于特大型锻件如水轮机主轴、多拐曲轴、大型连杆等，自由锻是惟一可行的加工方法，所以，自由锻在重型机械制造中具有特别重要的地位。
1．自由锻基本工序 自由锻的工序可分为基本工序、辅助工序和修整工序三大类。 (1) 基本工序：是使金属材料产生一定程度的塑性变形，以达到所需形状和所需尺寸的工艺过程，如镦粗、拔长、冲孔、切割、弯曲和扭转等，如表1所示。
①镦粗：使坯料高度减小、横截面积增大的工序。它是自由锻生产中最常用的工序，适用于饼块、盘套类锻件的生产，如齿轮坯、圆盘、凸缘等。 ①镦粗：使坯料高度减小、横截面积增大的工序。它是自由锻生产中最常用的工序，适用于饼块、盘套类锻件的生产，如齿轮坯、圆盘、凸缘等。 ②拔长：使坯料横截面积减少、长度增大的工序。多用来制造具有长轴线的锻件，如阶梯轴、曲轴、拉杆和连杆等。为达到规定的锻造比和改变金属内部组织结构，锻制以钢锭为坯料的锻件时，拔长经常和镦粗交替反复使用。
③冲孔：用冲头在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。主要用于锻造空心锻件，如齿轮、圆环、套筒等。 ③冲孔：用冲头在坯料上冲出通孔或盲孔的工序。主要用于锻造空心锻件，如齿轮、圆环、套筒等。 ④切割：将坯料分割开的工序。切割的工具叫剁刀。切割常用于下料和切除锻件的余料。 ⑤弯曲：使用一定的工具将坯料弯成一定角度和形状的工序。弯曲工艺常用来生产吊钩、弯板、链环等。 ⑥扭转：使坯料的一部分相对于另一部分绕起轴线旋转一定角度的工序。扭转工序可用来制造多拐曲轴和连杆等。
2. 自由锻的生产特点和应用 • 自由锻所用工具和设备简单,通用性好,成本低。同铸造毛坯相比,自由锻消除了缩孔、缩松、气孔等缺陷， 使毛坯具有更高的力学性能。因此，它在重型机器及重要零件的制造上有特别重要的意义。 • 自由锻是靠人工操作来控制锻件的形状和尺寸的，所以锻件精度低，加工余量大,劳动强度大，生产率也不高,因此它主要应用于单件、小批量生产。
三、 模型锻造 模锻是指利用模具使毛坯变形而获得锻件的锻造方法。金属材料通过模具锻造变形而得到的工件或毛坯称为模锻件。毛坯在锻模内整体锻打成形,因此,所需的变形力较大。 按所用设备不同，模锻可分为锤上模锻、曲柄压力机上模锻、摩擦压力机上模锻等。锻模由上锻模和下锻模两部分组成，分别安装在锤头和模垫上，工作时上锻模随锤头一起上下运动。上模向下扣合时,对模膛中的坯料进行冲击,使之充满整个模膛,从而得到所需锻件。 按模膛在锻模中的个数，锻模分为单膛锻模和多膛锻摸。
1. 单膛锻模 • 锻模的模膛尺寸要比锻件大一个收缩量；为便于金属在模膛内流动及增加锻模强度,模膛内所有拐角都必须是圆角；为便于锻件从模膛内取出,模膛内在垂直于拔模方向上的壁必须有斜度,其中锻件的内壁斜角要比外壁斜角稍大；为了获得尺寸完整、轮廓清晰的锻件，必须使用金属充满整个模膛，故坯料体积常常大于模膛空积。为了容纳坯料充满模膛后的多余金属，模膛周围须开设飞边槽。若无飞边槽,锻模易损坏；对于具有通孔的模锻件,由于不可能依靠模膛内的上下冲芯将金属压透,模锻件的孔内总有一层冲孔连皮,因此,在设计上下冲芯的高度中,不能使其在合模时上下接触。模锻后留下的冲孔连皮在其后的冲孔工序中去除。
2. 多膛锻模的结构 有些锻件形状复杂,不能一步模锻成形,须分工步模锻，将多工步模膛安排在一个锻模内,便成为多膛锻模,如图所示。一般的多膛锻模含有: (1) 拔长模膛用它来减小坯料某部分的横截面积,以增加该部分的长度。操作时一边送进坯料,一边翻转。 (2) 滚压模膛用它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,使其按模锻件的形状来分布。操作时须不断翻转坯料。 (3) 弯曲模膛使坯料弯曲。 (4) 预锻模膛使坯料变形到接近于锻件的形状和尺寸,为终锻作准备。 (5) 终锻模膛使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸,它的结构要求与单膛锻模相同。
３. 锤上模锻的特点和应用 锤上模锻与自由锻、胎模锻比较,其优点是:生产率高，表面质量高，加工余量小， 余块少甚至没有，尺寸准确，锻件公差比自由锻小2/3～3/4，可节省大量金属材料和机械加工工时，操作简单，劳动强度比自由锻和胎模锻都低。 锤上模锻的主要缺点是:模锻件的重量受到一般模锻设备能力的限制，大多在7OKg以下；锻模的制造周期长、成本高；模锻设备的投资费用比自由锻大。 模锻用于生产大批量锻件。
（四）胎模锻 胎模锻是在自由锻设备上使用可移动模具(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,只是在用时才放上去。在生产中、小型锻件时,广泛采用自由锻制坯、胎模锻成形的工艺方法。 胎模锻工艺比较灵活,胎模的种类也较多,因此了解胎模的结构和成形特点是掌握胎模锻工艺的关键。 1. 胎模的种类 根据胎模的结构特点,胎模可分为摔子、扣模、套模和合模四种。如图所示。
2. 胎模锻的特点和应用 • 胎模锻与自由锻相比有如下优点:由于坯料在模膛内成形,所以锻件尺寸比较精确,表面比较光洁,流线组织的分布比较合理,所以质量较高；由于锻件形状由模膛控制,所以坯料成形较快,生产率比自由锻高1～5倍； 胎模锻能锻出形状比较复杂的锻件；余块少,因而加工余量较小,既可节省金属材料,又能减少机加工工时。 • 胎模锻的缺点是: 需要吨位较大的锻锤；只能生产小型锻件；胎模的使用寿命较低；工作时一般要靠人力搬动胎模,因而劳动强度较大。
2.2.3 冲压 板料冲压工艺在工业生产中有着十分广泛的应用，特别是在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表等工业中占有极其重要的地位。板料冲压具有下列特点： (1) 可冲压出形状复杂的零件，废料较少，材料利用率高。 (2) 冲压件尺寸精度高，表面粗糙度低，互换性能好。 (3) 可获得强度高、刚性好、质量轻的冲压件。 (4) 冲压操作简单，工艺过程便于实现机械化、自动化，生产率高，故零件的成本低。
(5) 冲模制造复杂，成本高，因此，这种工艺方法只有在大批量生产时其优越性才显得突出。 板料冲压所用的原材料通常是塑性较好的低碳钢、塑性好的合金钢、铜合金、铝合金等的薄板料、条带料。 板料冲压所用设备主要是剪床和冲床。剪床用来把板料剪切成需要宽度的条料，以供冲压工序使用。冲床用来实现冲压加工，以制成所需形状和尺寸的成品零件。
一、板料冲压基本工序 板料冲压的基本工序可分为分离工序和成型工序两大类。 (1) 分离工序。分离工序是将坯料的一部分和另一部分分开的工序，如落料、冲孔、剪切和修整等。 ① 落料和冲孔(统称冲裁)。落料和冲孔都是将板料按封闭轮廓分离的工序。这两个工序的模具结构与坯料变形过程都是一样的，只是用途不同。落料时，冲落部分为成品或坯料，而余料为废料；冲孔则是被冲下的部分为废料，而周边是带孔的成品。
图所示为冲裁时金属变形情况示意图。凸模和凹模都具有锋利的刃口，二者之间有一定的间隙Z。当凸模压下时，板料将经弹性变形、塑性变形和分离三个阶段的变化。当凸模(冲头)接触料向下运动时，首先使板料产生弹性变形；当板料内的拉应力值达到屈服点时，产生塑性变形；变形达到一定程度时，位于凸凹模刃口处的板料由于应力集中使拉应力超过板料的抗拉强度，从而产生微裂纹；上下裂纹汇合时，板料即被冲断。 图所示为冲裁时金属变形情况示意图。凸模和凹模都具有锋利的刃口，二者之间有一定的间隙Z。当凸模压下时，板料将经弹性变形、塑性变形和分离三个阶段的变化。当凸模(冲头)接触料向下运动时，首先使板料产生弹性变形；当板料内的拉应力值达到屈服点时，产生塑性变形；变形达到一定程度时，位于凸凹模刃口处的板料由于应力集中使拉应力超过板料的抗拉强度，从而产生微裂纹；上下裂纹汇合时，板料即被冲断。
② 剪切。剪切是用剪刃或冲模将板料沿不封闭轮廓进行分离的工序。剪切通常都是在剪板机上进行的。
(2) 成型工序。成型工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生塑性变形而不破裂的工序，如弯曲、拉深、翻边、成型等。 ① 弯曲。使坯料的一部分相对于另一部分弯曲成一定角度的工序叫弯曲。弯曲时材料内侧受压缩，而外侧受拉伸，图示为弯曲变形过程简图。当外侧拉应力超过坯料的抗拉强度时，即会造成金属破裂。坯料越厚，内弯曲半径r越小，则拉应力越大，越易弯裂。为防止弯裂，通常弯曲最小半径应为rmin=(0.25～1)δ(δ为板厚)。材料塑性好，则弯曲半径可小些。弯曲还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直。在设计弯曲模时，必须使模具的角度比成品件略小，因为坯料弯曲后有弹性变形现象，外力去除后，坯料将有一定角度的回弹。
② 拉深。使坯料变形成开口空心零件的工序叫拉深。为减少坯料断裂，拉深模的凸模和凹模边缘都不能是锋利的刃口，而应做成圆角，其中凸模(冲头)的圆角半径r凸要小些，即r凸≤(5～10)δ，δ为坯料厚度。拉深模的凸凹模间隙要比冲裁模的大，一般为(1.1～1.2)δ。为避免拉穿，拉深件直径d与坯料直径D成正比，即m=d/D(m叫拉深系数)应在一定范围之内，一般m不小于0.5～0.8。m越小，表明拉深件直径越小，变形程度越大，越容易出现拉穿现象。如果拉深系数过小，应分几次进行拉深，逐渐增加工件的深度，即所谓多次拉深。
