鍛造工藝學(xué)4-模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)

1、機(jī)電工程系模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)第四章第四章 自由鍛主要工序分析自由鍛主要工序分析Seite 2Seite 3Seite 4空氣錘空氣錘Seite 54-1 4-1 概概 述述一、定義一、定義自由鍛自由鍛利用沖擊力或壓力使金屬在上下兩個(gè)平板利用沖擊力或壓力使金屬在上下兩個(gè)平板之間產(chǎn)生變形，從而得到所需形狀及尺寸的鍛件。之間產(chǎn)生變形，從而得到所需形狀及尺寸的鍛件。或者說(shuō)：只用簡(jiǎn)單的工具，或在鍛造設(shè)備的上下砧間或者說(shuō)：只用簡(jiǎn)單的工具，或在鍛造設(shè)備的上下砧間直接對(duì)坯料施加外力，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需形直接對(duì)坯料施加外力，使坯料產(chǎn)生變形而獲得所需形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方法。狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的加工方

2、法。Seite 6自由鍛造：自由鍛造：手工手工自由鍛造和自由鍛造和機(jī)械機(jī)械自由鍛造（自由鍛）自由鍛造（自由鍛）鍛錘自由鍛鍛錘自由鍛產(chǎn)生沖擊力使金屬坯料變形（中小型）產(chǎn)生沖擊力使金屬坯料變形（中小型）水壓機(jī)自由鍛水壓機(jī)自由鍛靠壓力使坯料變形（大型）靠壓力使坯料變形（大型）優(yōu)點(diǎn)：所用工具簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)、靈活性大，因此適合單件優(yōu)點(diǎn)：所用工具簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)、靈活性大，因此適合單件和小批鍛件。和小批鍛件。缺點(diǎn)：鍛件精度低，加工余量大，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。缺點(diǎn)：鍛件精度低，加工余量大，生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。Seite 7二、自由鍛工序分類二、自由鍛工序分類 自由鍛工序自由鍛工序：基本工序基本工序、輔助工

3、序輔助工序和和修整工序修整工序基本工序基本工序 指能夠大幅度地改變坯料形狀和尺寸指能夠大幅度地改變坯料形狀和尺寸的工序，是主要變形工序。的工序，是主要變形工序。如鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、芯軸拔長(zhǎng)、彎曲、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)、切割如鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、芯軸拔長(zhǎng)、彎曲、錯(cuò)移、扭轉(zhuǎn)、切割、芯軸擴(kuò)孔等。、芯軸擴(kuò)孔等。 輔助工序輔助工序 指在坯料進(jìn)入基本工序前預(yù)先變形指在坯料進(jìn)入基本工序前預(yù)先變形的工序。的工序。 如鋼錠倒棱和縮頸倒棱、預(yù)壓鉗把、階梯軸分段壓痕等。如鋼錠倒棱和縮頸倒棱、預(yù)壓鉗把、階梯軸分段壓痕等。Seite 8修整工序修整工序 即后續(xù)工序。指用來(lái)精整鍛件尺寸和即后續(xù)工序。指用來(lái)精整鍛件尺寸和形狀使完全達(dá)到

4、鍛件圖要求的工序。一般是在某一形狀使完全達(dá)到鍛件圖要求的工序。一般是在某一基本工序完成后進(jìn)行。基本工序完成后進(jìn)行。 如鐓粗后的鼓形滾圓和截面滾圓，凸起、凹下及不如鐓粗后的鼓形滾圓和截面滾圓，凸起、凹下及不平和有壓痕面的平整，拔長(zhǎng)后的彎曲校直和鍛斜后的校正平和有壓痕面的平整，拔長(zhǎng)后的彎曲校直和鍛斜后的校正等。等。自由鍛件的成形都是這三類工序的組合自由鍛件的成形都是這三類工序的組合Seite 9Seite 10輔助工序輔助工序Seite 11修整工序修整工序Seite 12三、金屬塑性變形及流動(dòng)的幾個(gè)問題三、金屬塑性變形及流動(dòng)的幾個(gè)問題（一）影響金屬塑性變形流動(dòng)的三個(gè)因素（一）影響金屬塑性變形流動(dòng)

5、的三個(gè)因素 加載情況、受力情況、變形情況加載情況、受力情況、變形情況 整體加載整體加載整體受力整體受力 如鐓粗如鐓粗 局部加載局部加載整體受力整體受力整體變形整體變形 如沖孔（如沖孔（D/d5D/d5D/d5）Seite 13（二）金屬塑性變形的不均勻性（二）金屬塑性變形的不均勻性 實(shí)質(zhì)上是由金屬質(zhì)點(diǎn)的不均勻流動(dòng)引起的。實(shí)質(zhì)上是由金屬質(zhì)點(diǎn)的不均勻流動(dòng)引起的。（三）塑性變形時(shí)金屬的流動(dòng)方向（三）塑性變形時(shí)金屬的流動(dòng)方向 最小阻力定律最小阻力定律Seite 144-2 4-2 自由鍛工序特點(diǎn)自由鍛工序特點(diǎn) 定義：在外力作用下，使坯料高度減小定義：在外力作用下，使坯料高度減小，橫截面增大的鍛造工序。

6、，橫截面增大的鍛造工序。一、一、鐓粗鐓粗Seite 15（二）鐓粗的作用：（二）鐓粗的作用： 獲得橫截面較大而高度較小的鍛件（餅塊件）。獲得橫截面較大而高度較小的鍛件（餅塊件）。 用作沖孔前的準(zhǔn)備工序用作沖孔前的準(zhǔn)備工序( (增大坯料的橫截面積以便于增大坯料的橫截面積以便于沖孔沖孔) )。 “反復(fù)鐓拔法反復(fù)鐓拔法”，鐓粗與拔長(zhǎng)相結(jié)合，可提高鍛造，鐓粗與拔長(zhǎng)相結(jié)合，可提高鍛造比，同時(shí)擊碎合金工具鋼中的塊狀碳化物，并使其分布比，同時(shí)擊碎合金工具鋼中的塊狀碳化物，并使其分布均勻以提高鍛件的使用性能。均勻以提高鍛件的使用性能。 提高鍛件的橫向力學(xué)性能以減小力學(xué)性能的異向性提高鍛件的橫向力學(xué)性能以減小力

7、學(xué)性能的異向性。Seite 16（四）主要質(zhì)量問題和變形流動(dòng)特點(diǎn)（四）主要質(zhì)量問題和變形流動(dòng)特點(diǎn) -針對(duì)圓截面坯料針對(duì)圓截面坯料的鐓粗討論的鐓粗討論 1 1質(zhì)量問題：側(cè)表面產(chǎn)生縱向或質(zhì)量問題：側(cè)表面產(chǎn)生縱向或4545裂紋；裂紋； 側(cè)表面出現(xiàn)鼓形；側(cè)表面出現(xiàn)鼓形； 上下端存留鑄態(tài)組上下端存留鑄態(tài)組織；織； 高坯料鐓粗易失穩(wěn)高坯料鐓粗易失穩(wěn)彎曲。彎曲。（三）（三）主要方法主要方法: : 平砧鐓粗平砧鐓粗、墊環(huán)鐓粗和局部鐓粗。、墊環(huán)鐓粗和局部鐓粗。Seite 172 2變形流動(dòng)特點(diǎn)變形流動(dòng)特點(diǎn)（1 1）鐓粗時(shí)由于坯料兩端面與工具存在摩擦力而導(dǎo)致金屬）鐓粗時(shí)由于坯料兩端面與工具存在摩擦力而導(dǎo)致金屬變形

8、不均勻。變形不均勻。 坯料上下端面及其表層金屬因受摩擦力影響成為難變坯料上下端面及其表層金屬因受摩擦力影響成為難變形區(qū)（形區(qū)（）；區(qū)域（）；區(qū)域（）為大變形區(qū)）為大變形區(qū); ; 區(qū)域（區(qū)域（）為小變形）為小變形區(qū)。因此，鐓粗結(jié)果，坯料由圓柱形變?yōu)楣男?。另外，（區(qū)。因此，鐓粗結(jié)果，坯料由圓柱形變?yōu)楣男巍Ａ硗?，（I I）區(qū)與工具接觸，溫度降低快，也是難變形的原因之一。）區(qū)與工具接觸，溫度降低快，也是難變形的原因之一。i. i. 這樣三個(gè)區(qū)域的變形不均勻使金屬內(nèi)部晶粒粗細(xì)不一。大變形區(qū)變形這樣三個(gè)區(qū)域的變形不均勻使金屬內(nèi)部晶粒粗細(xì)不一。大變形區(qū)變形充分，得到細(xì)晶粒；難變形區(qū)，還保留粗大的鑄態(tài)組織。充

9、分，得到細(xì)晶粒；難變形區(qū)，還保留粗大的鑄態(tài)組織。ii.ii.（）（）（）區(qū)變形的不均，又引起了側(cè)表面裂紋的產(chǎn)生。）區(qū)變形的不均，又引起了側(cè)表面裂紋的產(chǎn)生。Seite 18hrIIIIIIIIIIII平砧鐓粗變形分布與應(yīng)力狀態(tài)分析平砧鐓粗變形分布與應(yīng)力狀態(tài)分析Seite 19（2 2）不同高徑比不同高徑比坯料的鐓粗坯料的鐓粗 坯料形狀和尺寸對(duì)鐓粗時(shí)不均勻變形也有影響。坯料形狀和尺寸對(duì)鐓粗時(shí)不均勻變形也有影響。H0/D0=2.5H0/D0=2.5HO/D0=1.45HO/D0=1.45H0/D0=1H0/D0=10.670.67H0/D0=0.22H0/D0=0.22不同髙徑比坯料鐓不同髙徑比坯料

10、鐓 粗的變形情況粗的變形情況Seite 203 3為減少缺陷可采取的為減少缺陷可采取的措施措施有：有： a a 采用潤(rùn)滑，預(yù)熱工具采用潤(rùn)滑，預(yù)熱工具 b b 用側(cè)凹形毛坯鐓粗用側(cè)凹形毛坯鐓粗Seite 21c c 使用軟金屬墊鐓粗使用軟金屬墊鐓粗 軟金屬墊鐓粗軟金屬墊鐓粗 Seite 22d d 疊料鐓粗疊料鐓粗 疊料鐓粗疊料鐓粗f 反復(fù)鐓粗拔長(zhǎng)工藝反復(fù)鐓粗拔長(zhǎng)工藝Seite 23單墊環(huán)鐓粗Seite 24 局部鐓粗局部鐓粗Seite 25二、二、拔長(zhǎng)拔長(zhǎng) （一）定義：使坯料橫截面減小，以增加其長(zhǎng)度的（一）定義：使坯料橫截面減小，以增加其長(zhǎng)度的鍛造工序鍛造工序（二）拔長(zhǎng)作用：（二）拔長(zhǎng)作用：

11、由橫截面積較大的坯料得到橫由橫截面積較大的坯料得到橫截面積較小、而軸向較長(zhǎng)的軸類鍛件；截面積較小、而軸向較長(zhǎng)的軸類鍛件； 作為輔助工序作為輔助工序進(jìn)行局部變形；進(jìn)行局部變形； “反復(fù)鐓拔反復(fù)鐓拔”工序。工序。Seite 26拔長(zhǎng)工序是通過(guò)逐次送進(jìn)和反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)坯料進(jìn)行壓縮拔長(zhǎng)工序是通過(guò)逐次送進(jìn)和反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)坯料進(jìn)行壓縮變形，耗費(fèi)工時(shí)最多。變形，耗費(fèi)工時(shí)最多。 拔長(zhǎng)操作方法Seite 27（三）拔長(zhǎng)時(shí)主要質(zhì)量問題和變形流動(dòng)特點(diǎn)：（三）拔長(zhǎng)時(shí)主要質(zhì)量問題和變形流動(dòng)特點(diǎn)： 1 1質(zhì)量問題：裂紋，表面折疊，端面內(nèi)凹，組織質(zhì)量問題：裂紋，表面折疊，端面內(nèi)凹，組織與性能不均。與性能不均。 2 2拔長(zhǎng)時(shí)的變形特點(diǎn)拔

12、長(zhǎng)時(shí)的變形特點(diǎn)拔長(zhǎng)時(shí)坯料變形情況與鐓粗變形有某些相似之處，拔長(zhǎng)時(shí)坯料變形情況與鐓粗變形有某些相似之處，它是兩端帶有不變形金屬的鐓粗。它是兩端帶有不變形金屬的鐓粗。Seite 28拔長(zhǎng)時(shí)，最關(guān)注的是拔長(zhǎng)速度和拔長(zhǎng)對(duì)鍛件質(zhì)量拔長(zhǎng)時(shí)，最關(guān)注的是拔長(zhǎng)速度和拔長(zhǎng)對(duì)鍛件質(zhì)量的影響。的影響。影響這兩項(xiàng)指標(biāo)的影響這兩項(xiàng)指標(biāo)的主要因素主要因素有的：送進(jìn)量有的：送進(jìn)量L0、壓、壓下量下量h、砧面與坯料的形狀、錘擊的輕重與操作、砧面與坯料的形狀、錘擊的輕重與操作方法以及坯料的加熱溫度等等。方法以及坯料的加熱溫度等等。 矩形截面拔長(zhǎng)矩形截面拔長(zhǎng)Seite 29（1 1）送進(jìn)量送進(jìn)量的大小，除影響生產(chǎn)率外，還影響鍛件質(zhì)

13、量的大小，除影響生產(chǎn)率外，還影響鍛件質(zhì)量當(dāng)送進(jìn)量太小，而坯料厚度（當(dāng)送進(jìn)量太小，而坯料厚度（h h0 0）又比較大，即當(dāng)）又比較大，即當(dāng)L L0 00.5h(0.5(0.50.75)h0.75)h。否則，會(huì)產(chǎn)生折疊，表面折疊產(chǎn)生主要是送進(jìn)量與否則，會(huì)產(chǎn)生折疊，表面折疊產(chǎn)生主要是送進(jìn)量與壓下量不合適，導(dǎo)致鍛件報(bào)廢。壓下量不合適，導(dǎo)致鍛件報(bào)廢。 拔長(zhǎng)時(shí)坯料溫度應(yīng)適中、均勻。錘擊須快，錘拔長(zhǎng)時(shí)坯料溫度應(yīng)適中、均勻。錘擊須快，錘擊的輕重（打擊力的大小）以能鍛透坯料為準(zhǔn)。擊的輕重（打擊力的大小）以能鍛透坯料為準(zhǔn)。Seite 323 3坯料拔長(zhǎng)時(shí)缺陷的防止措施坯料拔長(zhǎng)時(shí)缺陷的防止措施 （1 1）表面橫向裂

14、紋與角裂，前者是由于送進(jìn)量過(guò)）表面橫向裂紋與角裂，前者是由于送進(jìn)量過(guò)大同時(shí)壓縮量也過(guò)大所引起的；后者除了變形原因大同時(shí)壓縮量也過(guò)大所引起的；后者除了變形原因外，主要是由于角部溫度散失快，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，外，主要是由于角部溫度散失快，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，引起表面拉力過(guò)大引起表面拉力過(guò)大( (應(yīng)及時(shí)進(jìn)行倒角應(yīng)及時(shí)進(jìn)行倒角) )。 （2 2）表面折疊）表面折疊 主要是由于送進(jìn)量太小主要是由于送進(jìn)量太小Seite 33（3 3）內(nèi)部橫向裂紋）內(nèi)部橫向裂紋 也是由于送進(jìn)量太小，出現(xiàn)也是由于送進(jìn)量太小，出現(xiàn)雙鼓形特征，引發(fā)軸心拉應(yīng)力。雙鼓形特征，引發(fā)軸心拉應(yīng)力。 （4 4）內(nèi)部縱向裂紋）內(nèi)部縱向裂紋 送進(jìn)量過(guò)大，

15、壓下量較小，送進(jìn)量過(guò)大，壓下量較小，所造成的中心拉應(yīng)力。所造成的中心拉應(yīng)力。 （5 5）端面內(nèi)凹）端面內(nèi)凹 送進(jìn)量太小，表面金屬變形大、送進(jìn)量太小，表面金屬變形大、軸心尚未來(lái)得及變形引起的。軸心尚未來(lái)得及變形引起的。 此外還有：對(duì)角線裂紋，端面裂紋，端部孔壁裂此外還有：對(duì)角線裂紋，端面裂紋，端部孔壁裂紋紋Seite 34（四）型砧拔長(zhǎng)（四）型砧拔長(zhǎng) 坯料在坯料在V V型砧或圓弧型砧中拔長(zhǎng)。型砧或圓弧型砧中拔長(zhǎng)。V V型砧有兩型砧有兩種情形：即種情形：即“上平下上平下V”V”型和型和“上下上下V”V”型。其作用是利用側(cè)壓型。其作用是利用側(cè)壓限制金屬的橫向流動(dòng)，迫使金屬沿軸向伸長(zhǎng)。限制金屬的橫向流

16、動(dòng)，迫使金屬沿軸向伸長(zhǎng)。在型砧中拔長(zhǎng)可提高生產(chǎn)率，防止內(nèi)部縱向裂紋的產(chǎn)生。在型砧中拔長(zhǎng)可提高生產(chǎn)率，防止內(nèi)部縱向裂紋的產(chǎn)生。 拔長(zhǎng)砧子形狀及其對(duì)變形區(qū)分布的影響 a)上下V形砧 b)上平下V砧 c) 上下平砧Seite 35（五）空心件拔長(zhǎng)（五）空心件拔長(zhǎng)( (芯軸拔長(zhǎng)芯軸拔長(zhǎng)) ) 在拔長(zhǎng)時(shí)孔中穿一根芯軸，是一種減小空心坯料在拔長(zhǎng)時(shí)孔中穿一根芯軸，是一種減小空心坯料的壁厚而增加其長(zhǎng)度的鍛造工序。的壁厚而增加其長(zhǎng)度的鍛造工序。適用于鍛造長(zhǎng)筒形鍛件適用于鍛造長(zhǎng)筒形鍛件 主要質(zhì)量問題：孔內(nèi)壁開裂和壁厚不均主要質(zhì)量問題：孔內(nèi)壁開裂和壁厚不均Seite 36三、三、沖孔沖孔 （一）定義：采用沖子將坯料

17、沖出透孔或盲孔（一）定義：采用沖子將坯料沖出透孔或盲孔( (不透孔不透孔) )的鍛造工序稱為沖孔。的鍛造工序稱為沖孔。較薄的坯料通常采用單面沖孔；較薄的坯料通常采用單面沖孔；厚度較大的鍛件，一般采用雙面沖孔法厚度較大的鍛件，一般采用雙面沖孔法 實(shí)心沖子沖孔 1毛坯 2沖墊 3沖子 4 心料Seite 37（二）沖孔常用于：（二）沖孔常用于： 大于大于3030的盲孔或透孔鍛件；的盲孔或透孔鍛件； 需要擴(kuò)孔的鍛件需需要擴(kuò)孔的鍛件需要預(yù)沖孔；要預(yù)沖孔； 需拔長(zhǎng)的空心件需需拔長(zhǎng)的空心件需要預(yù)沖孔。要預(yù)沖孔。 具有透孔或盲孔的零件，在鍛造時(shí)應(yīng)盡量采用沖孔工序具有透孔或盲孔的零件，在鍛造時(shí)應(yīng)盡量采用沖孔工

18、序?qū)⒖族懗?，以求?jié)約原材料和減少機(jī)械加工工作量。將孔鍛出，以求節(jié)約原材料和減少機(jī)械加工工作量。Seite 38（三）沖孔時(shí)主要質(zhì)量問題和變形特點(diǎn)（三）沖孔時(shí)主要質(zhì)量問題和變形特點(diǎn) 1 1沖孔時(shí)，在沖頭下的圓柱體區(qū)（沖孔時(shí)，在沖頭下的圓柱體區(qū)（A A區(qū)）的金屬受鐓粗區(qū)）的金屬受鐓粗作用，沿水平方向流動(dòng)，但受到外圍環(huán)形區(qū)金屬的阻礙而處作用，沿水平方向流動(dòng)，但受到外圍環(huán)形區(qū)金屬的阻礙而處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。環(huán)形區(qū)（于三向壓應(yīng)力狀態(tài)。環(huán)形區(qū)（B B區(qū)）則受到圓柱體區(qū)向外擴(kuò)區(qū)）則受到圓柱體區(qū)向外擴(kuò)張作用而處于切向拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)切向拉應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度張作用而處于切向拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)切向拉應(yīng)力超過(guò)材料強(qiáng)度時(shí)，鍛件孔壁就會(huì)產(chǎn)生縱向裂紋。時(shí)，鍛件孔壁就會(huì)產(chǎn)生縱向裂紋。 沖孔后，坯料的形狀也會(huì)走樣，即上端面凹進(jìn)，下端面沖孔后，坯料的形狀也會(huì)走樣，即上端面凹進(jìn)，下端面凸出，高度減小和側(cè)面產(chǎn)生鼓形。因此，沖孔后鍛件尚需加凸出，高度減小和側(cè)面產(chǎn)生鼓形。因此，沖孔后鍛件尚需加修整工序。修整工序。Seite 39 2 2沖孔時(shí)易產(chǎn)生的缺陷及防止措施沖孔時(shí)易產(chǎn)生的缺陷及防止措施 走樣走樣 主要是由于坯料尺寸不合理。沖孔前主要是由于