模锻的特点与应用

第2章　锻　造

在外力的作用下，使坯料产生局部或全部的塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和内部组织的加工方法称为锻造。锻造一般分为自由锻造和模锻两大类。

2.1　自由锻造

自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上锤、下砧之间产生塑性变形，从而得到所需锻件的方法。金属坯料在受力变形时，除打击方向外，其他方向的流动基本不受限制。而锻件形状和尺寸主要由锻工的操作技术来控制。

自由锻造的工艺灵活，成本低，工具简单，具有较强的适应性，生产的锻件质量从不足1 kg到二三百吨，应用较为广泛。自由锻造是锻造大型锻件的唯一方法，但自由锻件精度差，加工余量大，材料消耗多，生产效率低，所以一般只适合于单件小批量生产。

自由锻造分为手工锻造和机器锻造两种。手工锻造只适合单件生产小型锻件，机器锻造则是自由锻的主要方法。

2.1.1　自由锻造的主要设备

自由锻造的设备根据其对坯料作用力的性质不同分为锻锤和液压机两大类。锻锤产生冲击力使金属坯料变形。生产中使用的锻锤有空气锤和蒸汽-空气锤，它们的吨位以锻锤落下部分质量表示。空气锤吨位较小（一般为65～750 kg），可以锻造100 kg以下的锻件，蒸汽-空气锤的吨位较大（一般为1～5 t），可以用来锻造质量小于1 500 kg的锻件。液压机产生静压力使金属坯料变形。生产中使用的液压机主要是水压机，它的吨位以加工时所产生的最大静压力表示，吨位规格为500～15 000 t可锻造质量达1～500 t的锻件。液压机在使金属变形的过程中没有震动，并且能够很容易达到较大的锻造深度，因而水压机是大型锻件的唯一成形设备。

2.1.2　自由锻造基本工序

自由锻造生产中能进行的工序很多，一般可以分为基本工序、辅助工序及精整工序三大类。

自由锻造的基本工序有拔长、镦粗、冲孔、切割、弯曲、扭转和错移等。

（1）拔长

拔长如图3.2.1所示，它常用于锻造轴类、拉杆和长筒形等零件。

图3.2.1　拔长简图

图3.2.2　镦粗简图

（2）镦粗

镦粗如图3.2.2所示，可分为完全镦粗和局部镦粗，主要用于从横截面较小的坯料镦粗到横截面较大的锻件，如齿轮、圆盘类等；或在锻造环、套、筒类空心锻件时，作为冲孔前的预备工序；或作为消除铸造枝晶组织、使碳化物和其他杂质均匀分布等改善力学性能的预备工序。

（3）冲孔

冲孔如图3.2.3所示，是用冲头在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序，也可应用于心轴上拔长或扩孔前的预备工序。

图3.2.3　实心冲头双面冲孔

图3.2.4　弯曲简图

（4）切割

切割是将材料分离的锻造工序，用以切除锻件的料头，或切除钢锭的冒口。

（5）弯曲

弯曲如图3.2.4所示，是将坯料弯成一定角度的锻造工序。如锻造角尺、U形弯板、吊钩等。

（6）扭转

扭转是将坯料一部分相对另一部分绕共同的轴心线旋转一定角度的锻造工序。它用于锻造曲轴、麻花钻头等锻件。

（7）错移

错移是将坯料的一部分相对于另一部分平移错开的锻造工序。错移之前要先在错开部分压肩，然后进行错移。

实际生产中最常用的是拔长、镦粗、冲孔3个基本工序。

自由锻造的辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序。如压钳口、压肩、钢锭倒棱等。

自由锻造的精整工序是用于减少锻件表面缺陷而进行的工序，如清除锻件表面凸凹不平、校正、整形等。一般在终锻温度以下进行。

2.2　模　锻

模锻是金属坯料在模具中成型，得到与模膛形状相符的锻件的方法。

2.2.1　模锻的特点与应用

模锻与自由锻比较有如下特点：

1）优点

①锻件成型是靠模膛控制，可锻出形状复杂、更接近于成品的锻件，如图3.2.5所示。操作技术要求不高，生产率高，一般比自由锻造高3～4倍，甚至十几倍。

图3.2.5　典型模锻件

②尺寸精确，加工余量小，节省材料，减少切削量，降低成本（批量）。

③操作简单，质量易于控制，生产过程易实现机械化、自动化。

2）缺点

①受设备吨位限制，质量不能太大（150 kg以下）。

②锻模成本高，不宜于小批、单件生产。

目前，模锻生产已广泛地应用于汽车、航空航天、国防工业和机械制造业中，而且随着现代化工业生产的发展，模锻件的质量正逐渐提高。

2.2.2　模锻的主要设备

模锻件质量除由模具控制外，模锻设备也是主要因素之一。按使用设备的不同，模锻可分为锤上模锻、压力机上模锻和胎模锻。

（1）锤上模锻

模锻所用设备有蒸汽-空气模锻锤、无砧座锤、高速锤等。其中用得最多的是蒸汽-空气模锻锤，是目前我国普遍采用的主要模锻设备，如图3.2.6所示。它的动力和锤击能力与自由锻造的蒸汽-空气锤相同，主要区别在于模锻锤的锤头与导轨之间的间隙比自由锻锤小；机架直接安装在砧座上，形成封闭结构；砧座较重，为落下部分重量的20～25倍。这些主要是由于模锻件精度较高，锻造时必须保证锤头运动精确，上下模对正，以获得较好的锻件精度。

图3.2.6　蒸汽-空气模锻锤1—砧座　2—下模　3—锤头　4—汽缸　5—活塞　6—锤杆　7—上模

常用模锻锤的吨位为1～16 t，能锻造质量0.5～150 kg的模锻件。但由于蒸汽-空气模锻锤需要的锅炉设备庞大，技术落后，近年来大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代的趋势。

（2）压力机上模锻

用于模锻生产的压力机有摩擦压力机、曲柄压力机、平锻机、模锻水压机等。

1）摩擦压力机模锻

摩擦压力机上进行模锻主要是靠飞轮、螺杆及滑块向下运动时所积蓄的能量来实现锻件变形，如图3.2.7所示。其吨位是以滑块到达行程最下位置时所产生的最大压力表示。飞轮依靠左、右摩擦盘控制飞轮旋转方向，根据飞轮上的螺杆与机体上的螺母传动使螺杆上的滑块上下往复运动，进行锻压加工。常用的摩擦压力机的吨位一般都在1 000 t以下，最大的可达8 000 t。滑块的行程次数为35～9次／min，生产率较低。摩擦压力机具有结构简单、造价低、投资少、使用维修方便、震动小、基建要求不高、操作安全、工艺用途广泛等特点，主要用于中小型锻件的中小批量生产。例如，螺栓、螺帽、配气阀、齿轮、三通阀体等。

2）曲柄压力机上模锻

图3.2.7　摩擦压力机的外形与传动系统
1—螺杆　2—螺母　3—飞轮　4—摩擦轮　5—传送带
6—电动机　7—滑块　8—导轨　9—机架　10—机座

图3.2.8　热模锻曲柄压力机的外形与传动系统
1—电动机　2—小带轮　3—大带轮（飞轮）　4—传动轴　5，6—变速齿轮　7—摩擦离合器　8—偏心轴9—
连杆　10—滑块　11—工作台　12—下顶杆　13—楔铁　14—顶出机构　15—制动器　16—凸轮

曲柄压力机是利用曲轴（或偏心轴）和连杆控制滑块上下往复运动来实现锻件变形，如图3.2.8所示。锻模的上模装在滑块上，下模装在楔形工作台上。调节楔形工作台的高度来改变压力机的闭合高度（在下止点时滑块底面到工作台面之间的垂直距离）。滑块行程长度是曲轴偏心距离的2倍。其吨位是以滑块到达行程长度最下位置（下止点）时所产生的压力表示。

曲柄压力机的吨位一般是2 000～12 000 t，滑块的行程次数为85～39次／min。曲柄压力机锻件精度高、生产率高、震动小、噪声小、劳动条件好，但设备复杂，造价相对较高。曲柄压力机上模锻是一种先进的现代化模锻方法，容易实现机械化、自动化生产，特别适合于大批量生产。

2.2.3　锻模结构

锤上模锻用的锻模是由带燕尾槽的上模和下模两部分组成，下模固定在砧座上，上模安装在锤头上，上模和下模内均有相应的模膛。根据模膛的功用，将锻模的模膛分为模锻模膛和制坯模膛两大类。

1）模锻模膛

模锻模膛可分为预锻模膛和终锻模膛两种。

①预锻模膛　预锻模膛的作用是使坯料变形到接近锻件的形状和尺寸，模膛内的斜度和圆角较大，金属容易充满模膛。这样经过预锻后再进行终锻，就减少了终锻模膛的磨损，可以延长锻模的使用寿命。

②终锻模膛　终锻模膛的作用是使坯料最后变形到锻件所要求的形状和尺寸，它的形状应和锻件的形状相同。为了使金属很好地充满模膛，坯料的体积应比模膛的容积略大，同时为了容纳多余的金属，保证锻件的形状和尺寸，终锻模膛的分模面上应设计一圈飞边槽。

对于具有通孔的锻件，用终锻模膛成形时，必须在锻件的孔中间留下一定厚度的金属（称为冲孔连皮）不能锻透。这是因为不可能靠上下模突出部分将金属完全挤出，而且变形金属越薄，冷却越快，流动阻力越大，越容易损坏模具。

2）制坯模膛

对于形状复杂的锻件，应将原始坯料预先在制坯模膛内进行制坯，以便使金属能合理分布并很好地充满模锻模膛。制坯模膛有以下几种类型：

①拔长模膛　其作用是减少坯料某部分的横截面积，以增加该部分的长度。拔长模膛分为开式和闭式两种，一般设在锻模的边缘。

②滚压模膛　其作用是减小坯料某一部分的横截面积，以增加另一部分的横截面积，从而使金属按锻件形状来分布。滚压模膛分为开式和闭式两种。

③弯曲模膛　其作用是弯曲杆类模锻件的坯料，坯料可以直接或先经其他制坯工序后放入弯曲模膛进行变形。

④切断模膛　切断模膛是一对冲压切断模，主要用来切去飞边槽和冲孔连皮等锻件以外的金属。

此外，还有成形模膛、镦粗台等制坯模膛。

根据模锻件复杂程度的不同，所需要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。单膛锻模是指在一副锻模上只有终锻模膛一个模膛。多膛锻模是指在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模，最多不超过7个模膛，如图3.2.9所示。

图3.2.9　弯曲连杆的多模膛锻模

2.3　胎模锻造

胎模锻造是在自由锻设备上使用胎模生产模锻件的方法。一般利用自由锻将坯料初步成型，然后再用胎模终锻成型。胎模锻不需要较贵重的模锻设备，而使用自由锻设备，并且胎模结构较简单，也不固定在设备上。适宜于几十件到几百件中小批量生产，广泛应用于没有模锻设备的中小型工厂。

胎模锻与自由锻相比，能提高生产率、提高产品质量、节约金属材料，降低锻件成本；与模锻相比，不需要模锻设备、锻模简单，但锻件质量稍差、模具寿命较低、生产率较低、劳动强度大。

胎模按其结构可分为扣模、套筒模和合模3种类型。

1）扣模

扣模用来对坯料进行全部或局部扣形，主要生产形状简单的杆状非回转体锻件，如图3.2.10（a）所示。

2）套筒模

套筒模为圆筒状，可分为开式和闭式两种。开式套筒模只有下模，上面是平面，坯料放入模膛后由锻锤锤头直接锤击坯料，使金属充满模膛。用于锻造法兰盘、齿轮坯等回转类的锻件。闭式套筒模有上模，大多用于上表面有形状要求的锻件，如两面带有凸台的齿轮坯等，如图3.2.10（b）所示。

3）合模

合模通常由上模和下模组成，为了上、下模定位准确，锻模上常设计有导柱或锁扣，保证锻件的精度。有的合模还设计有飞边槽。合模常用于连杆、叉形件等复杂锻件的胎模锻造，如图3.2.10（c）所示。

图3.2.10　胎模锻造
1—上模　2—锥销　3—下模　4—底座

2.4　锻件结构工艺性

2.4.1　自由锻件结构工艺性

采用自由锻制造的零件毛坯，其零件结构设计必须满足自由锻工艺的要求。由于自由锻只能使用简单、通用的工具，其锻造零件的表面也只能是简单的平面和圆柱面。设计的锻件结构合理，可以使锻造方便、生产率提高，并能保证锻件质量。

①自由锻尽量避免锻造具有锥体和斜面的结构，如图3.2.11（a）所示。这类表面的锻造必须使用专用工具，而且成形困难、操作不便、工艺复杂、生产安全性差。如设计改为图3.2.11（b）就能满足自由锻要求。

②自由锻不能锻造出锻件上简单几何体（面）形成的截交线、相贯线等空间曲线，如图3.2.12（a）所示。如改为平面与圆柱、平面与平面相接，取消空间曲面，设计成图3.2.12（b）的结构则有利于自由锻造工艺，使其成形容易。

③自由锻件上不应设计出加强肋、凸台等难以锻造的表面，如图3.2.13（a）所示。锻件的强度可增加其壁厚、凸台可改为凹下的鱼眼坑来解决，如图3.2.13（b）所示，并且工艺方便、操作简单。

图3.2.11　轴类锻件结构

图3.2.12　杆类锻件结构

图3.2.13　盘类锻件结构

④应将结构形状复杂和截面有急剧改变的锻件设计成几个简单锻件，然后用焊接或机械连接的方法组合成整体，如图3.2.14所示。局部零件制造方便，整体构件成形经济效益好。

图3.2.14　复杂零件结构

2.4.2　模锻件结构工艺性

模锻制造的零件毛坯，其零件结构设计当然也必须满足模锻工艺的要求。由于模锻是锻造零件在模具中成形，其零件结构可以较复杂。

①模锻件要选择合理的分模面，保证锻件取出方便，成形简单；同时锻件在分模面上的上下轮廓要一致，以便及时发现上下模的错移，减少毛边，如图3.2.15所示。

图3.2.15　分模面的选取

②锻造制坯的零件上不加工表面中，凡是垂直于分模面的立面均应该设计出锻件斜度，不加工表面形成的角度应设计成圆角。

③锻件设计应避免锻件横截面相差过大，凸缘薄而高，如图3.2.16（a）所示；避免锻件部分过于扁薄，如图3.2.16（b）所示。锻件结构过薄、过高，冷却快而金属流动阻力大，使金属成形困难。图3.2.16锻件由（c）改为（d）图，则锻造过程就容易得多。

图3.2.16　模锻件结构（一）

④模锻件形状应尽可能简单，外形要对称（图3.2.17）；尽可能避免设计长而复杂的分支（图3.2.18）。

图3.2.17　模锻件结构（二）

⑤形状复杂的锻件可以考虑采用分段锻造、焊接连接的锻焊组合结构，如图3.2.19所示。

图3.2.18　锻件结构（三）

图3.2.19　锻件结构（四）