车床输出轴模锻工艺过程的制定

项目五　锻压加工技术

锻压是锻造和冲压的总称。它是金属压力加工的主要方式，也是机械制造中毛坯生产的主要方法之一。它是对金属材料施加外力作用，从而得到具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、零件的加工方法。大多数钢和有色金属及其合金都有一定的塑性，因此均可在冷态和热态下进行压力加工。常见的锻压成形工艺有轧制、自由锻、冲压、挤压、拉拔等方法，主要应用在机械、电力、电器、仪表、电子、冶金矿山和日用品等工业部门。

任务一　六角螺栓自由锻工序的选择及工艺过程的制定

一　学习目标

知识目标

了解锻压生产的种类、特点及应用；

明确自由锻的基本工序及其操作要点；

了解自由锻常用设备；

熟悉自由锻工艺规程的制定。

能力目标

能选择自由锻锻件的基本工艺及制定其工艺过程；

能独立完成简单锻件的自由锻的操作。

二　任务引入

图5-1　六角螺栓

六角螺栓是非常常见的一种零件，广泛应用于汽车、摩托车、自行车、电动车、汽油机、电动工具、电瓶等机械设备及化工、电力等行业。如图5－1所示为其中一种六角螺栓，材料为45钢，毛坯常采用自由锻，根据零件特点应采用何种自由锻基本工序锻造呢？

三　相关知识

锻造是在加工设备及工（模）具的作用下，通过金属体积的转移和分配，使坯料产生局部或全部的塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和质量的锻件的加工方法。按所用的设备和工（模）具的不同，锻造可分为自由锻造、胎模锻造和模型锻造等。

经过锻造成形后的锻件，其内部组织得到改善，如气孔、疏松、微裂纹被压合，夹杂物被压碎，组织更为致密，从而使力学性能得到提高，因此通常作为承受重载或冲击载荷的零件，如齿轮、机床主轴、曲轴、发动机蜗轮盘、叶片、飞机起落架、起重机吊钩等都是以锻件为毛坯加工的。

只用简单的通用工具，或在锻造设备的上下砧座间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需几何形状及内在质量的锻件加工方法，称为自由锻造。根据所用设备，自由锻造可分为手工锻造、锤上自由锻造和液压机上的自由锻造。自由锻造适应性强，灵活性大，对于特大型锻件，自由锻是唯一可行的加工方法，所以自由锻在重型工业中具有重要意义。但自由锻生产效率低，劳动强度大，只适宜单件小批量生产。

常用的自由锻造设备有空气锤、空气—蒸汽锤、电液锤和液压机等。

1．自由锻的基本工序

自由锻工序按其作用不同分为三大类：基本工序、辅助工序和修整工序。基本工序是实现锻件基本成形的工序，如镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割等；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；修整工序是用以减少锻件表面缺陷而进行的工序，如校正、滚圆、平整等。

实际生产中最常用的是镦粗、拔长、冲孔三个基本工序。

（1）镦粗　镦粗是使坯料高度减小，横截面积增大的锻造工序（图5－2），是自由锻中最常见的工序之一。镦粗操作的工艺要点：

图5-2　完全镦粗和局部镦粗

①坯料的高径比，即坯料的高度H0和直径D0之比，应不大于2．5～3。高径比过大的坯料容易镦弯或造成双鼓形，甚至发生折叠现象而使锻件报废。

②为防止镦歪，坯料的端面应平整并与坯料的中心线垂直，端面不平整或不与中心线垂直的坯料，镦粗时要用钳子夹住，使坯料中心与锤杆中心线一致。

③镦粗过程中如发现镦歪、镦弯或出现双鼓形应及时矫正。

④局部镦粗时要采用相应尺寸的漏盘或胎模等工具。

（2）拔长　拔长是使坯料截面积减小而长度增加的锻造工序，也是自由锻中最常见的工序，特别是大型锻件的锻造。拔长时，每次送坯料不宜太大或太小，以砥铁宽度的0．3～0．7倍为宜（图5－3），且应不断翻转（图5－4）。

图5-3　送进量合适

图5-4　拔长操作方法

拔长时无论坯料截面是什么形状，锻件需锻成何种截面形状，总是先将坯料锻成方形截面，待尺寸接近锻件时，再锻成所需截面形状，同时，拔长变截面的锻件要先在截面分界处进行压肩。锻件拔长后需修整，使其尺寸准确，表面光洁。

（3）冲孔　在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工艺。冲孔的方法有单面冲孔（图5－5）和双面冲孔（图5－6），较薄的坯料可采用单向冲孔，一般锻件冲孔采用双面冲孔。其操作工艺要点如下：

图5-5　单面冲孔

图5-6　双面冲孔

①冲孔前，坯料应先镦粗，尽量减小冲孔深度。

②为保证孔位正确，应先试冲，即用冲子轻轻压出凹痕，如有偏差，可加以修正。

③冲孔过程中应保证冲子的轴线与锤杆中心线（即锤击方向）平行，以防将孔冲歪。

④一般锻件的通孔采用双面冲孔法冲出，即先从一面将孔冲至坯料厚度3/4～2/3的深度再取出冲子，翻转坯料，从反面将孔冲透，如图5－6所示。

⑤为防止冲孔过程中坯料开裂，一般冲孔孔径要小于坯料直径的1/3。大于坯料直径的1/3的孔，要先冲出一较小的孔，然后采用扩孔的方法达到所要求的孔径尺寸。

（4）弯曲　弯曲是将坯料弯成一定角度及形状的锻造工序，如图5－7所示。

图5-7　弯曲

（5）扭转　扭转是将坯料的一部分相对于另一部分绕其轴线旋转一定角度的锻造工序。

（6）错移　错移是将坯料的一部分相对于另一部分平移，但仍保持两轴平行的锻造工序，如图5－8所示。

图5-8　错移

（7）切割　将坯料分割开的锻造工序，用于下料或将锻好的锻件从坯料上分离，如图5－9所示。

图5-9　切割

2．自由锻工艺规程的制订

制定自由锻件的工艺过程，就是确定锻件成形必须采用的基本工序、辅助工序和修整工序，以及确定各变形工序顺序和中间坯料尺寸等。对于同一锻件，不同的工艺过程会产生不同的效果。合理的工艺过程使变形过程工序少、时间短、保证锻件各部分尺寸。其主要内容包括：

（1）绘制锻件图 锻件图是制定锻造工艺过程和检验的依据，绘制时主要考虑增加敷料、余量和锻件公差。

①增加敷料：对键槽、齿槽、退刀槽以及小孔、盲孔、台阶等难以用自由锻方法锻出的结构，必须暂时添加一部分金属以简化锻件的形状。为了简化锻件形状以便于进行自由锻造而增加的这一部分金属，称为敷料，如图5－10所示。

图5-10　自由锻锻件

②锻件余量：在零件的加工表面上增加供切削加工用的余量，称之为锻件余量。锻件余量的大小与零件的材料、形状、尺寸、批量大小、生产实际条件等因素有关。零件越大，形状越复杂，则余量越大。

③锻件公差：锻件公差是锻件名义尺寸的允许变动量，其值的大小与锻件形状、尺寸有关，并受具体生产情况的影响。通常锻造公差约为余量的1/4～1/3。

（2）计算坯料质量与尺寸

①确定坯料质量：自由锻所用坯料的质量为锻件的质量与锻造时各种金属消耗的质量之和，可由下式计算：

m坯＝m锻＋m烧＋m芯＋m切

式中　m坯—坯料质量；

m锻—锻件质量；

m烧—加热时坯料表面氧化而烧损的质量；

m芯—冲孔时芯料的质量；

m切—端部切头损失质量。

对于大型锻件，当采用钢锭作坯料进行锻造时，还要考虑切掉的钢锭头部和尾部的质量。

②确定坯料尺寸：坯料的尺寸根据坯料重量和几何形状确定，还应考虑坯料在锻造中所必需的变形程度，即锻造比的问题。对于以钢锭作为坯料并采用拔长方法锻制的锻件，锻造比一般不小于2．5～3；如果采用轧材作坯料，则锻造比可取1．3～1．5。

（3）选择锻造工序　自由锻工序的选取应根据工序特点和锻件形状来确定。一般锻件的分类及采用的工序见表5－1。

表5-1　锻件分类及所需锻造工序

续表

（4）自由锻造设备吨位计算与选择　自由锻造所需设备吨位，主要与变形面积、锻件材质、变形温度等因素有关。自由锻设备吨位选得过小，锻件内部锻不透，生产效率低；设备吨位选得过大，不仅浪费动力，而且由于大设备的工作速度低，同样也影响生产率和锻件成本。

（5）锻造温度的确定　锻造温度范围是指金属开始锻造的温度（称始锻温度）和终止锻造的温度（称终锻温度）之间的温度间隔。

确定锻造温度范围的基本原则是：要求坯料在锻造温度范围内锻造时，金属具有良好的塑性和较低的变形抗力；保证锻件质量；锻出优质锻件；并且锻造温度范围尽可能宽广些，以便减少加热火次，提高锻造生产率，减少热损耗。金属材料的锻造温度范围一般可查阅锻造手册，国家标准或企业标准。

（6）锻件的冷却　锻件的冷却是保证锻件质量的重要环节。一般来说，锻件中的碳元素及合金元素含量越高，锻件体积越大，形状越复杂，冷却速度越要缓慢，否则会造成硬化、变形甚至裂纹。

（7）锻件的热处理与清理　锻件在切削加工前，一般都要进行热处理。热处理的作用是使锻件的内部组织进一步细化和均匀化，消除锻造残余应力，降低锻件硬度，便于进行切削加工等。常用的锻后热处理方法有正火、退火和球化退火等，具体的热处理方法和工艺要根据锻件的材料种类和化学成分确定。

锻件的清理是为了清除锻件表面的氧化皮，常用滚筒法、喷丸法或酸洗法进行清理。

（8）填写锻造工艺卡片（略）。

四　任务实施

如图5－11所示为六角螺栓零件锻件图，采用100kg空气锤自由锻造。六角螺栓毛坯的自由锻工艺过程见表5－2，其主要变形工序为局部镦粗和冲孔。

图5-11　六角螺栓

表5-2　六角螺栓毛坯的自由锻造工艺过程

续表

五　能力训练

确定小批量生产外圆直径相差较大的阶梯轴零件毛坯的基本工序

轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般有同轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面组成。对于小批量生产的外圆直径相差较大的阶梯轴或者重要的轴一般采用自由锻，这样既节省材料又减少机械加工的工作量，还可以改善机械性能。

六　经验交流

1．自由锻常见缺陷及预防措施

自由锻造过程中常见缺陷及产生原因的分析见表5－3。产生缺陷的原因有的是坯料质量不良引起的，尤其以铸锭为坯料的大型锻件更要注意铸锭有无表面或内部缺陷；有的是加热不当、锻造工艺不规范、锻后冷却和热处理不当引起的。对锻造缺陷，要根据不同情况下产生不同缺陷的特征进行综合分析，并采取相应的纠正措施。

表5-3　自由锻件常见缺陷主要特征及产生原因

续表

2．获得优质自由锻锻件的结构设计原则

自由锻件的设计原则：在满足使用性能的前提下，锻件的形状应尽量简单，易于锻造。

（1）尽量避免锥体或斜面结构　锻造具有锥体或斜面结构的锻件，需制造专用工具，锻件成形也比较困难，从而使工艺过程复杂，不便于操作，影响设备使用效率，应尽量避免。

（2）避免几何体的交接处形成空间曲线　如图5－12（a）所示的圆柱面与圆柱面相交，锻件成形十分困难。改成如图5－12（b）所示的平面相交，消除了空间曲线，使锻造成形容易。

图5-12　杆类锻件结构

（3）合理采用组合结构　锻件的横截面积有急剧变化或形状较复杂时，可设计成由数个简单件构成的组合体，如图5－13所示。每个简单件锻造成形后，再用焊接或机械联接方式构成整体零件。

图5-13　复杂锻件结构

（4）避免加强肋、凸台，工字形、椭圆形或其他非规则截面及外形　如图5－14（a）所示的锻件结构，难以用自由锻方法获得，若采用特殊工具或特殊工艺来生产，会降低生产率，增加产品成本。改进后的结构如图5－14（b）所示。

图5-14　盘类锻件结构

任务二　车床输出轴模锻工艺过程的制定

一　学习目标

知识目标

了解模锻生产的种类、特点及应用；

掌握锤上模锻、胎膜锻的基本特点及锻模特点；

了解模锻件的结构设计原则。

能力目标

能选择模锻件方法及制定其工艺过程。

二　任务引入

输出轴的用途很广，应用在动力输出装置中，是动力输出的关键零件之一。功率输出轴（图5－15）的主要作用：一是传递转矩；二是工作过程中经常承受载荷；三是支撑传动零部件。零件材料为45钢。

图5-15　输出轴坯锻件

根据输出轴的实际作用和材料、形状以及生产中获得的可能性，零件毛坯推荐用型材或锻件，但从经济方面着想，如用型材中的棒料，加工余量大，这样不仅浪费材料，而且还增加机床、刀具等的浪费，而锻件具有较高的抗拉、抗弯和抗扭强度。本零件生产批量为中批量，所以综上所述选择锻件中的模锻。

三　相关知识

模型锻造简称模锻，是在高强度模具材料上加工出与锻件形状一致的模膛（即制成锻模），然后将加热后的坯料放在模膛内受压变形，最终得到和模膛形状相符的锻件。与自由锻相比，模锻特点：能锻造出形状比较复杂的锻件（图5－16）；模锻件尺寸精确，表面粗糙度值较小，加工余量小；生产率高；节省金属材料，减少切削加工工时。此外，在批量足够的条件下可降低零件的成本；模锻操作简单，劳动强度低。但是，模锻生产受到设备吨位的限制，模锻件的尺寸不能太大，锻模制造周期长，成本高，所以模锻适合于中小型锻件的大批量生产。

模锻按使用的设备不同，可分为锤上模锻、胎模锻和压力机上模锻。

图5-16　模锻件举例

1．锤上模锻

锤上模锻是将上模固定在锤头上，下模紧固在模垫上，通过随锤头做上下往复运动的上模，对置于下模中的金属坯料施以直接锻击，来获取锻件的锻造方法。常用的模锻设备是蒸汽—空气模锻锤。单模模锻工作过程如图5－17所示。

（1）模膛　上、下模合在一起在内部形成完整的模膛，根据模膛功用不同，可分为模锻模膛和制坯模膛。

①模锻模膛可分为终锻模膛和预锻模膛两种。

终锻模膛：使金属坯料最终变形到所要求的形状与尺寸，如图5－17所示。

预锻模膛：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，然后进入终锻模膛。预锻模膛与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够大的模锻件也可以不设预锻模膛。

图5-17　单模模锻

②制坯模膛：对于形状复杂的模锻件，为了使坯料基本接近模锻件的形状，以便模锻时金属能合理分布，并很好地充满模膛，必须预先在制坯模膛内制坯。制坯模膛有以下几种：

拔长模膛：减小坯料某部分的横截面积，以增加其长度，如图5－18所示。

滚压模膛：减小坯料某部分的横截面积，以增大另一部分的横截面积。主要是使金属坯料能够按模锻件的形状来分布，如图5－19所示。

图5-18　拔长模膛

图5-19　滚压模膛

图5-20　弯曲模膛

弯曲模膛：使坯料弯曲，如图5－20所示。

切断模膛：在上模与下模的角部组成一对刃口，用来切断金属。

根据模锻件的复杂程度不同，所需变形的模膛数量不等，可将锻模设计成单膛锻模（图5－17）或多膛锻模（图5－21）。多膛锻模是在一副锻模上具有两个以上模膛的锻模。

（2）模锻件的结构设计　为了便于模锻件生产和降低成本，设计模锻零件时，应根据模锻特点和工艺要求，使其结构符合下列原则：

①模锻零件应具有合理的分模面、模锻斜度和圆角半径。

②由于模锻的精度较高，表面粗糙度低，因此零件的配合表面可留有加工余量；非配合面一般不需要加工，不留加工余量。

图5-21　弯曲连杆模锻过程

③零件的外形应力求简单、平直、对称，避免零件截面间差别过大，或具有薄壁、高肋等不良结构。一般说来，零件的最小截面与最大截面之比不要小于0．5。如图5－22（a）所示零件的凸缘太薄、太高，中间下凹太深，金属不易充型。如图5－22（b）所示零件过于扁薄，薄壁部分金属模锻时容易冷却，不易锻出，对保护设备和锻模也不利。如图5－22（c）所示零件有一个高而薄的凸缘，使锻模的制造和锻件的取出都很困难，改成如图5－22（d）所示形状则较易锻造成形。

图5-22　模锻结构工艺性

④在零件结构允许的条件下，应尽量避免有深孔或多孔结构。孔径小于30mm或孔深大于直径两倍时，锻造困难。

⑤对复杂锻件，为减少敷料，简化模锻工艺，在可能条件下，应采用锻造—焊接或锻造—机械联接组合工艺。

2．胎模锻

胎模是一种不固定在锻造设备上的模具，结构较简单，制造容易。胎模锻是在自由锻设备上用胎模生产模锻件的工艺方法，因此胎模锻兼有自由锻和模锻的特点。胎模锻适合于中、小批量生产小型多品种的锻件，特别适合于没有模锻设备的工厂。

常用的胎膜按其结构主要有扣模、套筒模和合模三种类型。如图5－23所示。

（1）扣模　常用来生产长杆非回转体锻件的全部或局部扣形，也可以用来合模制坯。

（2）套筒模（套模）　开式套模主要用于回转体锻件（如法兰盘、齿轮）的最终成形或制坯；闭式套筒主要用于端面有凸台或凹坑的回转体类锻件的制坯或最终成形，有时也用于非转体类锻件。

（3）合模　用于各类锻件的最终成形，尤其是非回转体类复杂形状的锻件（如连杆、叉形等锻件）。

图5-23　胎膜

四　任务实施

根据零件特点，分析功率输出轴坯应采用胎膜锻，锻造设备为750kg空气锤，其模锻锻造过程如图5－24所示。

图5-24　功率输出轴坯胎模锻造过程

五 能力训练

选择大批量生产汽车发动机连杆模锻工艺流程

连杆是汽车发动机中的零件（图5－25），主要用来连接活塞和曲轴。其功能是将活塞承受的燃油爆发力传递给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。汽车发动机转速很高，连杆在高速运动中将承受很大的交变应力。该零件材料为高碳非调质钢，模锻该连杆的设备为2吨模锻锤机组。

图5-25　汽车发动机连杆

连杆模锻工艺流程为：

（1）下料　剪切机冷切。

（2）加热　1 220℃～1 240℃。

（3）模锻　2t模锻锤，拔长、开式滚挤、预锻、终锻。

（4）热切边　1 600kN切边压力机。

（5）打磨毛刺　砂轮机。

（6）热处理　①油冷淬火；②淬火后应及时回火。

（7）酸洗　酸洗槽。

（8）冷校正　1t夹板锤。

（9）冷精压　1 000kN精压机。

（10）检验。

六　经验交流

合金锻造性能的判断方法

合金的锻造性能是指材料在锻压加工时的难易程度。若金属及合金材料在锻压加工时塑性好，变形抗力小，则锻造性能好；反之，则锻造性能差。因此，金属及合金的锻造性能常用其塑性及变形抗力来衡量。

合金的锻造性能主要取决于材料的本质及其变形条件。

1．材料的本质

（1）化学成分　不同化学成分的合金材料具有不同的锻造性能。纯金属比合金的塑性好，变形抗力小，因此纯金属比合金的锻造性能好；合金元素的含量越高，锻造性能越差，因此低碳钢比高碳钢的锻造性能好；相同碳含量的碳钢比合金钢的锻造性能好，低合金钢比高合金钢的锻造性能好。

（2）组织结构　金属的晶粒越细，塑性越好，但变形抗力越大。金属的组织越均匀，塑性也越好。相同成分的合金，单相固溶体比多相固溶体塑性好，变形抗力小，锻造性能好。

2．变形条件

（1）变形温度　随变形温度的提高，金属原子的动能增大，削弱了原子间的引力，滑移所需的应力下降，金属及合金的塑性增加，变形抗力降低，锻造性好。但变形温度过高，晶粒将迅速长大，从而降低了金属及合金材料的力学性能，这种现象称为“过热”。若变形温度进一步提高，接近金属材料的熔点时，金属晶界产生氧化，锻造时金属及合金易沿晶界产生裂纹，这种现象称为“过烧”。过热可通过重新加热锻造和再结晶使金属或合金恢复原来的力学性能，但过热使锻造火次增加，而过烧则使金属或合金报废。因此，金属及合金的锻造温度必须控制在一定的温度范围内。

（2）变形速度　变形速度是指单位时间内的变形量。金属在再结晶以上温度进行变形时，加工硬化与回复、再结晶同时发生。采用普通锻压方法（低速）时，回复、再结晶不足以消除由塑性变形所产生的加工硬化，随变形速度的增加，金属的塑性下降，变形抗力增加，锻造性降低。因此塑性较差的材料（如铜和高合金钢）宜采用较低的变形速度（即用液压机而不用锻锤）成形。当变形速度高于临界速度时，产生大量的变形热，加快了再结晶速度，金属的塑性增加，变形抗力下降，锻造性提高。因此生产上常用高速锤锻造高强度、低塑性等难以锻造的合金。

（3）变形方式（应力状态）　变形方式不同，变形金属的内应力状态也不同。实践证明，在三向应力状态下，压应力的数目越多，则其塑性越好，拉应力的数目越多，则其塑性越差。因此，选择压力加工方法时，应考虑应力状态对金属塑性变形的影响。

任务三　选择油封内夹圈和外夹圈的板料冲压工序

一　学习目标

知识目标

了解板料冲压生产的种类、特点及应用；

掌握板料冲压基本工序及特点；

了解常用冲压设备；

熟悉冲模的种类及应用。

能力目标

能选择板料冲压件的基本工序及冲模种类。

二　任务引入

图5-26　油封

如图5－26所示的油封俗称护油圈，是汽车中保持转动部件不可少的配件。

油封的作用是防止泥沙、灰尘、水汽等自外侵入轴承中，限制轴承中的润滑油漏出。

对油封的要求是：尺寸（内径、外径和厚度）应符合规定；要求有适当的弹性，能将轴适当地卡住，起到密封作用；要耐热、耐磨、强度好、耐介质（油或水等）；使用寿命长。

油封内夹圈和外夹圈采用的材料为08钢，厚度为0．8mm，采用冲压加工。

三　相关知识

利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。板料冲压的坯料厚度一般小于4mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压，简称冲压。板料厚度超过8mm～10mm时，才用热冲压。板料冲压的特点：

（1）冲压生产操作简单，生产率高，易于实现机械化和自动化。

（2）冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工即可作为零件使用。

（3）金属薄板经冲压塑性变形获得一定的几何形状，并产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。

（4）冲模是冲压生产的主要工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。

冲模制造复杂、成本高，故冲压只有在大批量生产时才能充分显示其优越性。板料冲压的材料应有良好的塑性，常用的冲压材料可以是金属材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜、铝、镁及其合金等，也可以是非金属材料，如胶木、云母、纤维板、皮革等。

1．冲压设备

常用冲压设备主要有剪床和冲床两大类。剪床是完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要设备。冲床是进行冲压加工的主要设备，按其床身结构不同，有开式和闭式两类；按其传动方式不同，有机械式冲床与液压压力机两大类，如图5－27所示为开式双柱冲床示意图。冲床的主要技术参数是以公称压力来表示的。

图5-27　开式双柱曲轴冲床

2．板料冲压的基本工序

板料冲压基本工序可分为分离工序和变形工序两大类。

（1）分离工序　使板料的一部分与另一部分分离的加工工序。

①剪切：使板料按不封闭轮廓线分离的备料工序，也称切断。

②冲孔和落料：冲孔和落料又统称为冲裁，如图5－28所示。落料是从板料上冲出一定外形的零件或坯料，冲下部分是成品；冲孔是将冲压坯内的材料以封闭轮廓分离开，得到带孔制件的冲压方法，冲下部分是废料，周边是成品。冲裁常用来制造各种形状的平板零件或作为变形工序的下料。

图5-28　冲裁过程

（2）变形工序　使坯料的一部分相对于另一部分产生塑性变形而不被破坏的工序。

①弯曲：将金属材料弯曲成一定角度和形状的工艺方法称为弯曲（图5－29）。弯曲方法可分为压弯、拉弯、折弯、滚弯等。最常见的是在压力机上压弯，制造各种弯曲形状的冲压件。

图5-29　弯曲过程及典型弯曲件

②拉深：拉深是使平面板料成形为中空形状零件的冲压工序，如图5－30所示。拉深工艺可分为不变薄拉深和变薄拉深两种，不变薄拉深件的壁厚与毛坯厚度基本相同，工业上应用较多，变薄拉深件的壁厚则明显小于毛坯厚度。拉深工艺常用来制造各种弯曲形状的冲压件。

图5-30　拉深过程

③翻边：将工件上的孔或边缘翻出竖立或有一定角度的直边，如图5－31所示为内孔翻边。

④胀形：胀形是利用局部变形使半成品部分内径胀大的冲压成形工艺，如图5－32所示。可以采用橡皮胀形、机械胀形、气体胀形或液压胀形等。

图5-31　翻边过程

图5-32　管坯胀形

⑤缩口：利用模具使空心件或管状件的口部直径缩小的局部成形工艺。

⑥压筋：拉深坯料某一局部，以改变坯料形状的工序，主要用于薄板零件上制出筋条、文字、花纹等。

（3）整修工序　整修是在模具上利用切削的方法，将冲裁件的边缘或内孔切去一小层金属，从而提高冲裁件断面质量与精度的加工方法，如图5－33所示。整修可去除普通冲裁时在断面上留下的圆角、毛刺与剪裂带等。整修余量约为0．1mm～0．4mm，工件尺寸精度可达IT7～IT6，Ra值为1．6μm～0．8μm。

图5-33　修整工序

3．冲模

冲模按组合方式可分为单工序模（简单冲模）、级进模（连续冲模）、组合模（复合冲模）三种。

（1）简单冲模　一个冲压行程只完成一道工序的冲模，如图5－34所示。此种模具结构简单，容易制造，适用于小批量生产。

图5-34　简单冲模

（2）连续冲模　在一副模具上有多个工位，一个冲压行程可同时完成多道工序的冲模，如图5－35所示。连续冲模生产率高，加工零件精度高，适于大批量生产。

（3）复合冲模　在一副模具上只有一个工位，在一个冲压行程上同时完成多道冲压工序。复合冲模生产效率高，加工零件精度高，适于大批量生产。

图5-35　连续冲模

四　任务实施

剪裁、落料、冲孔、切边、弯曲、拉深、翻边等是常见的冲压工序，各工序有其不同的性质、特点和用途。有些可以从产品零件图上直观地看出冲压该零件所需工序的性质。例如平板件上的各种型孔只需要冲孔、落料或剪切工序。有些零件的工序性质，必须经过分析和计算才能确定。如图5－36（a）、（b）所示分别为油封内夹圈和外夹圈冲压件，两个冲压件形状基本相同，只是直边高度和外径不同。经分析计算，内夹圈可选用落料、冲孔和翻边，共三道工序；而外夹圈选用落料、拉深、冲孔和翻边等四道工序来加工较为合理。

图5-36　油封内夹圈和外夹圈的冲压工艺过程

五 能力训练

确定心轴托架的冲压工序

试确定如图5－37所示心轴托架零件的冲压工序，材料为08钢，钢板厚度为1．5mm，年产量两万件，表面不允许有明显的划痕。

图5-37　心轴托架

托架的冲压基本工序为落料、冲孔、弯曲。冲压工艺方案如图5－38所示，图5－38（a）为一次成形，图5－38（b）、（c）为预成形后再成形，可根据零件材料、技术要求和设备条件等选择。

图5-38　冲压工序方案

六　经验交流

板料冲压件结构的工艺性设计原则

在满足使用性能的条件下，为节省材料，延长模具寿命，提高生产率，降低成本和保证质量，冲压件结构应具有良好的工艺性能。为此，设计时应考虑以下因素：

冲裁件形状应力求简单、对称，尽量采用圆形、矩形等规则形状，并应便于合理排样，提高材料的利用率（图5－39）；

采用冲压—焊接结构，对于形状复杂的冲压件，先分别冲制若干简单件，然后焊接成复杂件，以简化冲压工艺，降低成本（图5－40）；

图5-39　冲压件排样方式

图5-40　冲压―焊接结构件

图5-41　拉深件最小许可圆角半径

用加强筋提高刚度，以实现薄板材料代替厚板材料，节省金属；

孔间距离或孔与零件边缘间的距离不宜过小，孔径不能过小；

弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料许可的最小弯曲半径；

拉深件外形应简单、对称，不要过深。零件圆角半径应按图5－41所示尺寸确定。

锻压生产新工艺

随着工业的不断发展，人们对金属塑性成形加工生产提出了越来越高的要求，不仅要求生产各种毛坯，而且要求能直接生产出更多的具有较高精度与质量的成品零件。其他塑性成形方法在生产实践中也得到了迅速发展和广泛的应用，例如挤压、拉拔、辊轧、精密模锻、精密冲裁等。现代塑性加工正向着高科技、自动化和精密成形的方向发展。

一、挤压

挤压是对挤压模具中的金属锭坯施加强大的压力作用，使其发生塑性变形从挤压模具的模口中流出，或充满凸、凹模型腔，而获得所需形状与尺寸制品的塑性成形方法。

按挤压时金属流动与凸模运动方向的关系分为以下几种（图5－42）：坯料轴向流动与凸模运动方向一致的为正挤压；坯料轴向流动与凸模运动方向相反的为反挤压；上述两种挤压同时存在的为正反复合挤压；坯料径向流动与凸模运动方向垂直的为径向挤压。

按毛坯温度不同有冷挤压、温挤压和热挤压，常用于制造零件的是冷挤压。冷挤压又称冷锻，属于少、无切削的精密成形方法之一。其材料利用率高达90%，成形件的表面质量及尺寸精度高，工艺控制较严格，挤压力大，模具寿命较低，适用于塑性较好的材料。冷挤压广泛用于机械、仪表、电器、轻工、航空航天、船舶、军工等工业部门。

图5-42　挤压成形

挤压在专用挤压机上进行，也可在油压机及经过适当改进后的通用曲柄压力机或摩擦压力机上进行。

二、拉拔

拉拔是在拉力作用下，迫使金属坯料通过拉拔模孔，以获得相应形状与尺寸制品的塑性加工方法，如图5－43所示。拉拔是管材、棒材、异型材以及线材的主要生产方法之一。

图5-43　拉拔

拉拔方法按制品截面形状可分为实心材拉拔与空心材拉拔。实心材拉拔主要包括棒材、异型材及线材的拉拔。空心材拉拔主要包括管材及空心异型材的拉拔。

拉拔制品的尺寸精确，表面粗糙度小，设备简单、维护方便，最适合于连续高速生产断面较小的长制品，例如丝材、线材等。

拉拔一般在冷态下进行，但是对一些在常温下塑性较差的金属材料则可以采用加热后温拔。采用拉拔技术可以生产直径大于500mm的管材，也可以拉制出直径仅0．002mm的细丝，而且性能符合要求，表面质量好。

三、轧制成型

金属坯料在旋转轧辊的作用下产生连续塑性变形，从而获得所要求截面形状并改变其性能的加工方法，称为轧制成型。可以用来生产各种型材（图5－44）、板材、管材等原材料，也可用来生产各种零件。

根据轧辊轴线与坯料轴线方向的不同，轧制分为纵轧、横轧、斜轧、楔横轧等。

1．纵轧

使坯料通过装有圆弧形模块的一对相对旋转的轧辊受压产生塑性变形，从而获得所需形状的锻件或锻坯的锻造工艺方法，包括型材轧制和辊锻轧制等，如图5－45所示为辊锻轧制过程。

目前，成形辊锻适用于扁断面的长杆件（如扳手、活动扳手、链环等）、带有头部、沿长度方向横截面递减的锻件（如叶片等）、连杆件等。

用辊锻工艺锻制连杆生产率高，工艺过程得以简化，但需进行后续的精整工艺。

图5-44　各种型钢

图5-45　辊轧

2．横轧

轧辊轴线与轧件轴线互相平行，且轧辊与轧件作相对转动的轧制方法，如齿轮轧制等。齿轮轧制是一种少、无切屑加工齿轮的新工艺，直齿轮和斜齿轮均可用横轧方法制造，齿轮的横轧如图5－46所示。在轧制前，齿轮坯料外缘被高频感应加热，然后将带有齿形的轧辊作径向进给，迫使轧辊与齿轮坯料对辗。在对辗过程中，毛坯上一部分金属受轧辊齿顶挤压形成齿谷，相邻的部分被轧辊齿部“反挤”而上升，形成齿顶。

图5-46　热轧齿轮过程

3．斜轧

斜轧又称螺旋斜轧。斜轧时，两个带有螺旋槽的轧辊相互倾斜配置，轧辊轴线与坯料轴线相交成一定角度，以相同方向旋转。坯料在轧辊的作用下绕自身轴线反向旋转，同时还作轴向向前运动，即螺旋运动，坯料受压后产生塑性变形，最终得到所需制品。例如钢球轧制、周期性杆件轧制均采用了斜轧方法，如图5－47所示。斜轧还可直接热轧出带有螺旋线的高速钢滚刀、麻花钻、自行车后闸壳以及冷轧丝杠等。

4．楔横轧

带有楔形模具的两（或三个）轧辊，向相同的方向旋转，棒料在它的作用下反向旋转的轧制方法，如图5－48所示。其变形过程主要是靠两个楔形凸块压缩坯料，使坯料径向尺寸减小，长度增加。楔横轧主要用于加工阶梯轴、锥形轴等各种对称的零件或毛坯。

图5-47　螺旋斜轧

图5-48　楔横轧

四、精密模锻

精密模锻是指在模锻设备上锻造出形状复杂、高精度锻件的模锻工艺。如精密模锻伞齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再经过切削加工。精密模锻件尺寸精度可达IT12～IT15，表面粗糙度Ra值为3．2μm～1．6μm。

精密模锻工艺特点：

1．精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。

2．精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其他缺陷等。

3．采用无氧化或少氧化加热方法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。

4．精锻模膛的精度必须很高，一般要比锻件的精度高两级。精密锻模一定有导柱、导套结构，以保证合模准确。为排除模膛中的气体，减小金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小孔。

5．模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。

6．精密模锻一般都在刚度大、精度高的曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤上进行，它具有精度高、生产率高、成本低等优点。但由于模具制造复杂，对坯料尺寸和加热等要求高，故只适合于大批量生产中采用。

实现精密模锻的方法很多，有等温模锻、超塑性锻造、粉末锻造、温锻等特种锻压工艺，并可采用专用设备及专用模具。

问题讨论

1．锻件和铸件相比有哪些不同？

2．影响金属的锻造性能的因素有哪些？提高金属锻造性能的途径？

3．自由锻有哪些基本操作工序？各自有何用途？

4．始锻温度和终锻温度过高或过低对锻件将会有什么影响？

5．重要的轴类锻件在锻造过程中常安排有墩粗工序，为什么？

6．模锻件为何要有斜度、圆角及冲孔连皮？

7．试从生产率、锻件精度、锻件复杂程度、锻件成本几个方面比较自由锻、胎模锻和锤上模锻三种锻造方法的特点。

8．比较拉深、平板坯料胀形和翻边，说明三种成形方法的异同。

9．板料冲压有哪些基本工序？冲饭盒、煤气罐封头、搪瓷盆、硬币时，应采用哪些冲压工序？

10．齿轮结构如图5－49所示。该零件材料为45钢，生产批量小，采取自由锻锻造齿轮坯，为其制定工艺过程规程。

图5-49　第10题图

11．连续模和复合模的主要区别何在？

12．精密模锻和普通模锻相比有哪些不同之处？

13．自行车上的锻压件有哪些（至少找出10个）？是用什么方法生产的？

14．挤压分为几种？他们各有什么特点？

15．试选择生产下列零件的锻压方法。（未注明生产批量的，为大批量生产）

垫片　圆钢钉　钢笔尖　家用铝锅　起重机吊钩（单件小批量）　曲轴　扳手　铜导线