第四章鍛造成型技術(shù)主講：盧海靜4.1鍛造成型概述什么是鍛造？——金屬塑性加工方法之一鍛造是利用手錘、鍛錘或壓力設(shè)備上的模具對(duì)加熱的金屬坯料施力，使金屬材料在不分離條件下產(chǎn)生塑性變形，以獲得形狀、尺寸和性能符合要求的零件。為了使金屬材料在高塑性下成型，通常鍛造是在熱態(tài)下進(jìn)行，因此鍛造也禰為熱鍛。鍛造是一種通過(guò)模具和工具利用壓力使工件成型的工藝方法，它是最古老的金屬加工方法之一，可以追溯到公元前4000年——甚至8000年。鍛造生產(chǎn)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、造船、航空、航天、兵器以及其它許多工業(yè)部門。航空航天武器裝備交通運(yùn)輸中國(guó)動(dòng)車組列車全鋁汽車齒輪曲軸連桿1．任務(wù)：解決鍛件的成形及其內(nèi)部組織性能的控制，以獲得所需形狀、尺寸和質(zhì)量的鍛件。2．目的：鍛造的根本目的是利用外加載荷（沖擊載荷或靜載荷）通過(guò)鍛壓設(shè)備或模具使金屬毛坯產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件，同時(shí)使鍛件機(jī)械性能和內(nèi)部組織符合一定的技術(shù)的要求。實(shí)質(zhì)：鍛造工藝的實(shí)質(zhì)是如何利用金屬的塑性使金屬毛坯改變形狀和性能而成為合格鍛件的加工過(guò)程。一、鍛造生產(chǎn)的特點(diǎn)及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用（一）鍛造生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)1．優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、靈活。1)優(yōu)質(zhì)指可以改善金屬組織性能。金屬零件的傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程是：冶煉─制坯─切削加工─熱處理制坯有三條途徑：鑄造毛坯、軋制型材、鍛造毛坯。

鑄造毛坯的組織性能差，只適用于性能要求低的零、部件鍛造：纖維組織－－變形后的雜質(zhì)仍具有方向性，呈現(xiàn)纖維狀條紋

鍛造流線－－變形后雜質(zhì)的纖維分布，使組織、

性能呈方向性鋼錠鍛造過(guò)程中纖維組織形成的示意2)高產(chǎn)

指機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)率高

二、三百件/小時(shí)，現(xiàn)在更高了，一百多件/分，1.2萬(wàn)件/小時(shí)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每模鍛100萬(wàn)噸鋼，由于提高了生產(chǎn)率，可比切削加工減少2~3萬(wàn)工人，少用15000臺(tái)機(jī)床。在現(xiàn)今技術(shù)水平條件下，幾乎任何一種金屬材料都可用鍛造方法制成半成品零件，只是難易程度不同而已。今天，鍛造生產(chǎn)率提高，其鍛件精度也愈來(lái)愈高，可以達(dá)到甚至超過(guò)機(jī)械加工的一般精度水平，如各種冷溫?cái)D壓標(biāo)準(zhǔn)件、精鍛齒輪、精鍛葉片、精鍛軸類件等。西航建成國(guó)內(nèi)最大航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片精鍛生產(chǎn)線3)低消耗

指少、無(wú)切削，省工省料。

4)靈活

指鍛造可以鍛制形狀簡(jiǎn)單的鍛件（如模塊、齒輪坯等），也可鍛制形狀復(fù)雜、不需或只需少量切削加工的精密鍛件（如曲軸、精鍛齒輪等）鍛件的重量小的不到1公斤大的可達(dá)幾百噸單件小批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)。萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)模鍛的飛機(jī)大梁、火箭捆挷環(huán)2．缺點(diǎn)：1)模具成本高，加工周期長(zhǎng)。

2)受鍛造設(shè)備噸位的限制。（二）鍛造業(yè)的地位鍛造在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。

鍛造生產(chǎn)能力及其工藝水平，對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)的影響，難以估量。鍛造生產(chǎn)的能力在一定程度上標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平。二、鍛件生產(chǎn)的分類及其工藝流程根據(jù)所用工具和生產(chǎn)工藝的不同可分為自由鍛造、模鍛和特種鍛造。1．自由鍛造

把加熱好的坯料放在自由鍛造設(shè)備的平砧之間或簡(jiǎn)單的工具中進(jìn)行鍛造的方法稱為自由鍛。一般由鍛工控制金屬的變形方向和形狀尺寸。手工鍛造自由鍛機(jī)械（錘上自由鍛和水壓機(jī)上自由鍛）自由鍛造主要用于鍛制鋼錠和形狀簡(jiǎn)單、粗糙度要求較低、加工余量較大的鍛件生產(chǎn)。使用的是形狀簡(jiǎn)單的通用工具，靈活性大，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，所以使用范圍廣。鍛件力學(xué)性能和表面質(zhì)量受操作工人的影響較大，不易保證，生產(chǎn)效率低。自由鍛還可以借助簡(jiǎn)單的模具進(jìn)行鍛造，稱胎模鍛。胎模鍛造是把加熱好的坯料用自由鍛方法預(yù)鍛成近似鍛件的形狀，然后在自由鍛設(shè)備上用胎模終鍛成形（形狀簡(jiǎn)單的鍛件可直接把坯料放入胎模內(nèi)成形），這種鍛造方法稱為胎模鍛造。

2．模鍛

把加熱好的坯料放在固定于模鍛設(shè)備上的模具內(nèi)進(jìn)行鍛造的方法稱為模鍛。由于模具型槽限制金屬的變形，而獲得與型槽形狀一致的鍛件。根據(jù)變形特點(diǎn)，分為開(kāi)式模鍛和閉式模鍛。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特性和工藝特性的不同，分為錘上模鍛（自由鍛錘上模鍛、高速錘上模鍛）、摩擦壓力機(jī)上模鍛、熱模鍛壓力機(jī)上模鍛、液壓機(jī)上模鍛、平鍛機(jī)上模鍛、專用鍛壓機(jī)上模鍛等。模鍛適用于形狀復(fù)雜，尺寸精度較高，加工余量小，批量生產(chǎn)的中、小型鍛件。形狀和尺寸靠模具保證，人為影響因素小。精密鍛件的成形也要通過(guò)模鍛來(lái)實(shí)現(xiàn)。3．特種鍛造

即在專用鍛壓設(shè)備上或在特殊模具型槽內(nèi)使坯料成形的一種特殊鍛造工藝。一般鍛造方法很難達(dá)到要求時(shí)，可用特種鍛造工藝。

如精密模鍛，溫?zé)釘D壓，輥鍛，電鐓，擺動(dòng)輾壓，粉末鍛造，液態(tài)模鍛，等溫模鍛和超塑性模鍛等。

鍛造工藝流程是指生產(chǎn)一個(gè)鍛件所經(jīng)過(guò)的鍛造生產(chǎn)過(guò)程。以模鍛為例，其鍛造工藝流程是：備料－－加熱－－模鍛－－切邊、沖孔－－熱處理－－酸洗、清理－－校正。

一般來(lái)說(shuō)，一種鍛件選用哪一種鍛造方法生產(chǎn)，與形狀、尺寸、技術(shù)要求和生產(chǎn)批量大小等很多因素有關(guān)。

通常，單件、小批量生產(chǎn)自由鍛方法大批量模鍛方法生產(chǎn)但有些航空重要產(chǎn)品上的鍛件，雖然批量不大，但由于流線和性能等方面的要求，要求工藝的一致性等，通常也采用模鍛方法生產(chǎn)。三、鍛造工藝的發(fā)展簡(jiǎn)史及其發(fā)展趨勢(shì)（一）鍛造技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史人類在新石器時(shí)代末期，已開(kāi)始以錘擊天然紅銅來(lái)制造裝飾品和小用品。中國(guó)約在公元前2000多年已應(yīng)用冷鍛工藝制造工具，如甘肅武威皇娘娘臺(tái)齊家文化遺址出土的紅銅器物，就有明顯的錘擊痕跡。最初，人們靠掄錘進(jìn)行鍛造，后來(lái)出現(xiàn)通過(guò)人拉繩索和滑車來(lái)提起重錘再自由落下的方法鍛打坯料。14世紀(jì)以后出現(xiàn)了畜力和水力落錘鍛。

為鍛銅浮雕。是手工鍛造作品。手工鍛造是一種古老的金屬加工工藝，是以手工鍛打的方式，在金屬板上鍛錘出各種高低凹凸不平的浮雕效果。1842年，英國(guó)的內(nèi)史密斯制成第一臺(tái)蒸汽錘，使鍛造進(jìn)入應(yīng)用動(dòng)力的時(shí)代。以后陸續(xù)出現(xiàn)鍛造水壓機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的夾板錘、空氣鍛錘和機(jī)械壓力機(jī)。夾板錘最早應(yīng)用于美國(guó)內(nèi)戰(zhàn)(1861～1865)期間，用以模鍛武器的零件，隨后在歐洲出現(xiàn)了蒸汽模鍛錘，模鍛工藝逐漸推廣。到19世紀(jì)末已形成近代鍛壓機(jī)械的基本門類。

20世紀(jì)初期，隨著汽車開(kāi)始大量生產(chǎn)，熱模鍛迅速發(fā)展，成為鍛造的主要工藝。鍛壓經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，今天已成為一門綜合性學(xué)科。它以塑性成形原理、金屬學(xué)、摩擦學(xué)為理論基礎(chǔ)，同時(shí)涉及傳熱學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等相關(guān)學(xué)科，以鍛造、沖壓等為技術(shù)，與其它學(xué)科一起支撐機(jī)器制造業(yè)。我國(guó)的鍛造生產(chǎn)與世界先進(jìn)國(guó)家的水平相比還有一定差距。表現(xiàn)在：

1)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的模鍛件已占全部鍛件的70％以上，而我國(guó)尚不足30％。2)國(guó)外有成千條鍛造自動(dòng)生產(chǎn)線，大型自由鍛造水壓機(jī)普遍配備了鍛造操作機(jī)等。而我國(guó)在這些方法還很薄弱。3)精鍛技術(shù)和大型鍛件的生產(chǎn)水平與一些工業(yè)發(fā)展國(guó)家相比較低，一些航空產(chǎn)品上的精鍛件和重要的大型自由鍛件還常常需從國(guó)外進(jìn)口。4)在CAD/CAM方面，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入實(shí)用階段，在這些方面，我國(guó)還剛剛起步。（二）鍛造生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)1)總趨勢(shì)是使鍛件形狀、尺寸和表面質(zhì)量最大限度地與產(chǎn)品零件相接近，以達(dá)到少、無(wú)切削加工的目的，為此應(yīng)逐步發(fā)展和完善精密成形新技術(shù)，發(fā)展高效精密的鍛壓設(shè)備。2)為適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要，應(yīng)發(fā)展專業(yè)化的連續(xù)生產(chǎn)線，建立地區(qū)性的專門化鍛造中心，如齒輪精鍛中心、連桿鍛造中心、標(biāo)準(zhǔn)件鍛造中心等，以利于進(jìn)行技術(shù)改造及采用最新設(shè)備和先進(jìn)工藝。

我國(guó)自行研制的萬(wàn)噸級(jí)水壓機(jī)3)為適應(yīng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，縮短研制周期，應(yīng)發(fā)展柔性加工技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)。

CAD/CAM技術(shù)是制造工程技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合、相互滲透而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有知識(shí)密集、學(xué)科交叉、綜合性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。CAD/CAM技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，它的發(fā)展和應(yīng)用使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造內(nèi)容和工作方式等都發(fā)生了根本性的變化。CAD/CAM技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。鍛模的CAD/CAM的主要優(yōu)點(diǎn)有：①設(shè)計(jì)的速度快、準(zhǔn)確性高，且可將設(shè)計(jì)人員從繁重的重復(fù)性勞動(dòng)中解脫出來(lái)。②可以把多方面的經(jīng)驗(yàn)和研究成果集中起來(lái)，方便地應(yīng)用于設(shè)計(jì)加工，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。③可以實(shí)現(xiàn)多方案比較設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化的目的。

4)提高鍛件的內(nèi)在質(zhì)量。5)提高機(jī)械化、自動(dòng)化水平。6)發(fā)展以煤氣、油、電等為熱源的先進(jìn)加熱技術(shù)，改善勞動(dòng)條件。（三）目前，我國(guó)鍛造業(yè)面臨的問(wèn)題可以歸納為如下：裝備水平低，其主要表現(xiàn)是設(shè)備老化、精確度低管理體制亟待理順，生產(chǎn)廠點(diǎn)過(guò)多，力量分散廠家封閉式經(jīng)營(yíng)研究和生產(chǎn)不平衡4.2金屬的可鍛性概念：可鍛性是金屬材料在壓力加工時(shí)成形的難易程度。1.可鍛性的衡量指標(biāo)1）塑性：2）變形抗力：材料的塑性越好，其可鍛性越好。是指壓力加工過(guò)程中變形金屬作用于施壓工具表面單位面積上的壓力，材料的變形抗力越小，其可鍛性越好。2.影響可鍛性的因素1）金屬的本質(zhì)①化學(xué)成分：Me越低，材料的可鍛性越好。②組織結(jié)構(gòu)：純金屬和固溶體具有良好的可鍛性。2）變形條件

①變形溫度的影響

隨溫度的升高，塑性提高，變形抗力降低，可鍛性明顯改善，更加適宜進(jìn)行壓力加工。但溫度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱、過(guò)燒、脫碳和嚴(yán)重氧化等缺陷，甚至使鍛件報(bào)廢。

始鍛溫度高（比AE線低200℃左右），終鍛溫度低（800℃左右）。2）變形條件塑性、變形抗力塑性變形抗力②變形速度即單位時(shí)間的變形程度。低速設(shè)備：隨著變形速度的增大，回復(fù)和再結(jié)晶不能及時(shí)克服冷變形