第3章 鍛造和板料沖壓
鍛造和板料沖壓總稱為鍛壓。鍛壓是對(duì)金屬坯料施加一外力，使之產(chǎn)生塑性變形，從而獲得具有一定尺寸、形狀和內(nèi)部組織的毛坯或零件的一種壓力加工方法。如下圖為鍛壓的一種方式——鐓粗。
鍛造能消除金屬鑄錠中的一些鑄造缺陷，使其內(nèi)部晶粒細(xì)化，組織致密，力學(xué)性能顯著提高。所以重要的機(jī)器零件和工具部件，如車床主軸、高速齒輪、曲軸、連桿、鍛模、和刀桿等大都采用鍛造制坯。
3.1 鍛 造
鍛造的工藝方法主要有自由鍛、模鍛和胎膜鍛。生產(chǎn)時(shí)，按鍛件質(zhì)量的大小，生產(chǎn)批量的多少選擇不同的鍛造方法。
3.1.1自由鍛
鍛造時(shí)，金屬坯料受上下抵鐵的壓縮變形，而向四周為自由的塑性流動(dòng)，故稱為自由鍛。由于工件的尺寸和形狀要靠操作技術(shù)來(lái)保證，所以自由鍛要求工人有較高的技術(shù)水平。
自由鍛生產(chǎn)率低，加工余量大，但工具簡(jiǎn)單，通用性大，故被廣泛用于鍛造形狀較簡(jiǎn)單的單件、小批生產(chǎn)的鍛件。
3.1.1.1坯料的加熱
金屬材料在一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度的上升其塑性會(huì)提高，變形抗力會(huì)下降，用較小的變形力就能使坯料穩(wěn)定地改變形狀而不出現(xiàn)破裂，所以鍛造時(shí)要對(duì)工件加熱。
（1）始鍛溫度與終鍛溫度 允許加熱達(dá)到的最高溫度稱為始鍛溫度，停止鍛造的溫度稱為終鍛溫度。由于化學(xué)成分的不同，每種金屬材料始鍛和終鍛溫度都是不一樣的。幾種常用金屬材料的鍛造溫度范圍見表3-1所示。
表3-1常用金屬材料的鍛造溫度范圍
材料種類
始鍛溫度/℃
終鍛溫度/℃
低碳鋼
1200~1250
800
中碳鋼
1150~1200
800
合金結(jié)構(gòu)鋼
1100~1180
850
鍛件的溫度可用儀表測(cè)定，在生產(chǎn)中也可根據(jù)被加熱金屬的火色來(lái)判別，如碳鋼的加熱溫度與火色的關(guān)系如下：
溫度(℃) 1300 1200 1100 900 800 700 小于600
火色 白色 亮黃 黃色 櫻紅 赤紅 暗紅 黑色
（2）加熱缺陷 對(duì)鍛件加熱不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生以下缺陷。
1）過(guò)熱 加熱溫度超過(guò)該材料的始鍛溫度，或在高溫下保溫過(guò)久，金屬材料內(nèi)部的晶粒會(huì)變得粗大，這種現(xiàn)象稱為過(guò)熱。過(guò)熱使鍛坯的塑性下降，可鍛性變差?？赏ㄟ^(guò)重結(jié)晶退火的方法使晶粒重新細(xì)化。
2）過(guò)燒 加熱溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于始鍛溫度，接近該材料的熔點(diǎn)，晶粒邊界發(fā)生嚴(yán)重氧化而使晶粒間失去結(jié)合力，這種現(xiàn)象稱為過(guò)燒。過(guò)燒的坯料一經(jīng)鍛打即會(huì)碎裂，是不可修復(fù)的缺陷。
圖3-1 紅外箱式爐
1—踏桿 2—爐門 3—爐膛 4—溫度傳感器
5—硅碳棒冷端 6—硅碳棒熱端 7—耐火磚 8—反射層
3)氧化和脫碳 加熱時(shí)鋼料與高溫的氧、二氧化碳和水蒸氣接觸，使坯料表面產(chǎn)生氧化皮和脫碳層。每次加熱的氧化燒損量約占坯料總重量的2~3%，下料計(jì)算時(shí)必須加上這個(gè)燒損量。
（3）加熱爐 鍛件加熱可采用一般燃料如焦炭、重油等進(jìn)行燃燒，利用火焰加熱，也可采用電能加熱。典型的電能加熱設(shè)備是高效節(jié)能紅外箱式爐，其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。它采用硅碳棒為發(fā)熱元件，并在內(nèi)壁涂有高溫?zé)Y(jié)的輻射涂料，加熱時(shí)爐內(nèi)形成高輻射均勻溫度場(chǎng)，因此升溫快，單位耗電低，達(dá)到節(jié)能目的。紅外爐采用無(wú)級(jí)調(diào)壓控制柜與其配套，具有快速啟動(dòng)，精密控溫，送電功率和爐溫可任意調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。
3.1.1.2空氣錘
自由鍛設(shè)備有空氣錘、蒸汽-空氣錘和水壓機(jī)等，分別適合小、中和大型鍛件的生產(chǎn)。
（1）空氣錘的結(jié)構(gòu)和工作原理 空氣錘的結(jié)構(gòu)如圖3-2 所示，由錘身、壓縮缸、工作缸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、落下部分及砧座等組成?？諝忮N的公稱規(guī)格是以落下部分的質(zhì)量來(lái)表示的。落下部分包括了工作活塞、錘桿、錘頭和上抵鐵。例如65Kg空氣錘，是指其落下部分質(zhì)量為65Kg，而不是指它的打擊力。
空氣錘的工作原理亦如圖3-2所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓縮活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮活塞通過(guò)上下旋閥將壓縮空氣壓入工作缸的下部或上部，推動(dòng)落下部分的升降運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錘頭對(duì)鍛件的打擊。
圖3-2空氣錘
1—踏桿 2—砧座 3—砧墊 4—下抵鐵 5—上抵鐵 6—下旋伐 7—上旋閥 8—工作缸 9—壓縮缸 10—減速裝置 11—電動(dòng)機(jī) 12—工作活塞 13—壓縮活塞 14—連桿
（2）空氣錘的操作 通過(guò)踏桿或手柄操縱配氣機(jī)構(gòu)（上、下旋閥），可實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)、懸空、壓緊、連續(xù)打擊和單次打擊等操作。
1）空轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，上、下旋閥的位置使壓縮缸的上下氣道都與大氣連通，壓縮空氣不進(jìn)入工作缸，而是排入大氣中，壓縮活塞空轉(zhuǎn)。
2）懸空 上懸閥的位置使工作缸和壓縮缸的上氣道都與大氣連通，當(dāng)壓縮活塞向上運(yùn)行時(shí)，壓縮空氣排入大氣中，而活塞向下運(yùn)行時(shí)，壓縮空氣經(jīng)由下旋閥，沖開一個(gè)防止壓縮空氣倒流的逆止閥，進(jìn)入工作缸下部，使錘頭始終懸空。懸空的目的是便于檢查尺寸，更換工具，清潔整理等。
3）壓緊 上下旋閥的位置使壓縮缸的上氣道和工作缸的下氣道都與大氣連通，當(dāng)壓縮活塞向上運(yùn)行時(shí)，壓縮空氣排入大氣中，而當(dāng)活塞向下運(yùn)行時(shí)，壓縮缸下部空氣通過(guò)下旋閥并沖開逆止閥，轉(zhuǎn)而進(jìn)入上下旋閥連通道內(nèi)，經(jīng)由上旋閥進(jìn)入工作缸上部，使錘頭向下壓緊鍛件。與此同時(shí)，工作缸下部的空氣經(jīng)由下旋閥排入大氣中。壓緊工件可進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)等操作。
4）連續(xù)打擊 上下旋閥的位置使壓縮缸和工作缸都與大氣隔絕，逆止閥不起作用。當(dāng)壓縮活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將壓縮空氣不斷壓入工作缸的上下部位，推動(dòng)錘頭上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行連續(xù)打擊。
5）單次打擊 由連續(xù)打擊演化出單次打擊。即在連續(xù)打擊的氣流下，手柄迅速返回懸空位置，打一次即停。單打不易掌握，初學(xué)者要謹(jǐn)慎對(duì)待，手柄稍不到位，單打就會(huì)變?yōu)檫B打，此時(shí)若翻轉(zhuǎn)或移動(dòng)鍛件易出事故。
3.1.1.3自由鍛的基本工序
自由鍛造時(shí)，鍛件的形狀是通過(guò)一些基本變形工序?qū)⑴髁现鸩藉懗傻?。自由鍛造的基本工序有鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、彎曲和切斷等。
a） b）
圖3—3 鐓粗
a）全部鐓粗 b）局部鐓粗
（1）鐓粗 鐓粗是對(duì)原坯料沿軸向鍛打，使其高度減低、橫截面增大的操作過(guò)程。這種工序常用于鍛造齒輪坯和其他圓盤形類鍛件。 鐓粗工藝請(qǐng)看
鐓粗分為全部鐓粗和局部鍛粗兩種，如圖3—3所示。
鐓粗時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：
1）鐓粗部分的長(zhǎng)度與直徑之比應(yīng)小于2.5，否則容易鐓彎，如圖3—4所示。
2）坯料端面要平整且與軸線垂直，鍛打用力要正，否則容易鍛歪。
3）鐓粗力要足夠大，否則會(huì)形成細(xì)腰形或夾層，如圖3—5所示。
a) b) a） b）
圖3—4 鐓彎 圖3—5 細(xì)腰形和夾層
（2）拔長(zhǎng) 拔長(zhǎng)是使坯料的長(zhǎng)度增加，截面減小的鍛造工序，通常用來(lái)生產(chǎn)軸類件毛坯，如車床主軸、連桿等。拔長(zhǎng)時(shí)，每次的送進(jìn)量L應(yīng)為砧寬B的０．３~０．７倍，若L太大，則金屬橫向流動(dòng)多，縱向流動(dòng)少，拔長(zhǎng)效率反而下降。若L太小，又易產(chǎn)生夾層，如圖3-6所示。鍛件的拔長(zhǎng)過(guò)程請(qǐng)看
圖3-6拔長(zhǎng)的送進(jìn)量
拔長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)作90°翻轉(zhuǎn)，較重鍛件常采用鍛打完一面再翻轉(zhuǎn)90°鍛打另一面的方法；較小鍛件則采用來(lái)回翻轉(zhuǎn)90°的鍛打方法，如圖3-7所示。
圖3-7拔長(zhǎng)時(shí)坯料的翻轉(zhuǎn)方法
a)打完一面后翻轉(zhuǎn)90゜ b)來(lái)回翻轉(zhuǎn)90゜鍛打
圓形截面坯料拔長(zhǎng)時(shí)，先鍛成方形截面，在拔長(zhǎng)到邊長(zhǎng)直徑接近鍛件直徑時(shí)，鍛成八角形截面，最后倒棱滾打成圓形截面，如圖3-8所示。這樣拔長(zhǎng)效率高，且能避免引起中心裂紋。
圖3-8圓形坯料拔長(zhǎng)時(shí)的過(guò)度截面形狀
（3）沖孔 用沖子在坯料上沖出通孔或不通孔的鍛造工序。實(shí)心沖子雙面沖孔如圖3-9所示，在鐓粗平整的坯料表面上先預(yù)沖一凹坑，放稍許煤粉，再繼續(xù)沖至約3/4深度時(shí)，借助于煤粉燃燒的膨脹氣體取出沖子，翻轉(zhuǎn)坯料，從反面將孔沖透。沖孔過(guò)程請(qǐng)看
圖3-9實(shí)心沖頭雙面沖孔
（4）彎曲 使坯料彎曲成一定角度或形狀的鍛造工序，如圖3-10所示。鍛件彎曲過(guò)程請(qǐng)看
圖3-10彎曲
a）、b）角度彎曲 c）成形彎曲
（5）扭轉(zhuǎn) 使坯料的一部分相對(duì)另一部分旋轉(zhuǎn)一定角度的鍛造工序，如圖3-11所示。
（6）切割 分割坯料或切除料頭的鍛造工序。
圖3-11 扭轉(zhuǎn)
3.1.1.4鍛件的鍛造過(guò)程示例
任何鍛件往往是經(jīng)若干個(gè)工序鍛造而成的，在鍛造前要根據(jù)鍛件形狀、尺寸大小及坯料形狀等具體情況，合理選擇基本工序和確定鍛造工藝過(guò)程。表3-2所示為六角螺母的鍛造工藝過(guò)程示例，其主要工序是鐓粗和沖孔。
表3-2 螺母的鍛造過(guò)程
序號(hào)
火次
操作工序
簡(jiǎn) 圖
工 具
備 注
1
下料
鏨子或剪床
按鍛件圖尺寸，考慮料頭燒損，計(jì)算坯料尺寸，并使H0/do＜2.5
2
1
鐓粗
尖口鉗
3
2
沖孔
尖口鉗
圓鉤鉗
沖 子
4
3
鍛六角
心棒
用心棒插入孔中，鍛好一面轉(zhuǎn)60°鍛第二面，再轉(zhuǎn)60°即鍛好。
5
3
罩圓
倒角
尖口鉗
罩圓凹模
6
3
修整
心棒
平錘
修整溫度可略低于800℃
