4.3锻造工艺设计ppt课件

,4.3自由锻主要工序分析,空气锤,4.3.1概述,一、定义自由锻利用冲击力或压力使金属在上下两个平板之间产生变形，从而得到所需形状及尺寸的锻件。或者说：只用简单的工具，或在锻造设备的上下砧间直接对坯料施加外力，使坯料产生变形而获得所需形状及内部质量的锻件的加工方法。,自由锻造：手工自由锻造和机械自由锻造（自由锻）锻锤自由锻产生冲击力使金属坯料变形（中小型）水压机自由锻靠压力使坯料变形（大型）优点：所用工具简单，通用性强、灵活性大，因此适合单件和小批锻件。缺点：锻件精度低，加工余量大，生产率低，劳动强度大。,二、自由锻工序分类自由锻工序：基本工序、辅助工序和修整工序基本工序指能够大幅度地改变坯料形状和尺寸的工序，是主要变形工序。如镦粗、拔长、冲孔、芯轴拔长、弯曲、错移、扭转、切割、芯轴扩孔等。辅助工序指在坯料进入基本工序前预先变形的工序。如钢锭倒棱和缩颈倒棱、预压钳把、阶梯轴分段压痕等。,修整工序即后续工序。指用来精整锻件尺寸和形状使完全达到锻件图要求的工序。一般是在某一基本工序完成后进行。如镦粗后的鼓形滚圆和截面滚圆，凸起、凹下及不平和有压痕面的平整，拔长后的弯曲校直和锻斜后的校正等。,自由锻件的成形都是这三类工序的组合,辅助工序,修整工序,三、金属塑性变形及流动的几个问题（一）影响金属塑性变形流动的三个因素加载情况、受力情况、变形情况整体加载整体受力如镦粗局部加载整体受力整体变形如冲孔（D/d5）,（二）金属塑性变形的不均匀性实质上是由金属质点的不均匀流动引起的。（三）塑性变形时金属的流动方向最小阻力定律,4.3.2自由锻工序特点,定义：在外力作用下，使坯料高度减小，横截面增大的锻造工序。,一、镦粗,（二）镦粗的作用：获得横截面较大而高度较小的锻件（饼块件）。用作冲孔前的准备工序(增大坯料的横截面积以便于冲孔)。“反复镦拔法”，镦粗与拔长相结合，可提高锻造比，同时击碎合金工具钢中的块状碳化物，并使其分布均匀以提高锻件的使用性能。提高锻件的横向力学性能以减小力学性能的异向性。,（四）主要质量问题和变形流动特点-针对圆截面坯料的镦粗讨论1质量问题：侧表面产生纵向或45裂纹；侧表面出现鼓形；上下端存留铸态组织；高坯料镦粗易失稳弯曲。,（三）主要方法:平砧镦粗、垫环镦粗和局部镦粗。,2变形流动特点（1）镦粗时由于坯料两端面与工具存在摩擦力而导致金属变形不均匀。坯料上下端面及其表层金属因受摩擦力影响成为难变形区（）；区域（）为大变形区;区域（）为小变形区。因此，镦粗结果，坯料由圆柱形变为鼓形。另外，（I）区与工具接触，温度降低快，也是难变形的原因之一。i.这样三个区域的变形不均匀使金属内部晶粒粗细不一。大变形区变形充分，得到细晶粒；难变形区，还保留粗大的铸态组织。ii.（）（）区变形的不均，又引起了侧表面裂纹的产生。,平砧镦粗变形分布与应力状态分析,（2）不同高径比坯料的镦粗坯料形状和尺寸对镦粗时不均匀变形也有影响。,H0/D0=2.5,HO/D0=1.45,H0/D0=10.67,H0/D0=0.22,不同髙径比坯料镦粗的变形情况,3为减少缺陷可采取的措施有：a采用润滑，预热工具b用侧凹形毛坯镦粗,c使用软金属垫镦粗,d叠料镦粗,e反复镦粗拔长工艺,局部镦粗,二、拔长,（一）定义：使坯料横截面减小，以增加其长度的锻造工序（二）拔长作用：由横截面积较大的坯料得到横截面积较小、而轴向较长的轴类锻件；作为辅助工序进行局部变形；“反复镦拔”工序。,拔长工序是通过逐次送进和反复转动坯料进行压缩变形，耗费工时最多。,拔长操作方法,（三）拔长时主要质量问题和变形流动特点：1质量问题：裂纹，表面折叠，端面内凹，组织与性能不均。2拔长时的变形特点拔长时坯料变形情况与镦粗变形有某些相似之处，它是两端带有不变形金属的镦粗。,拔长时，最关注的是拔长速度和拔长对锻件质量的影响。影响这两项指标的主要因素有的：送进量L0、压下量h、砧面与坯料的形状、锤击的轻重与操作方法以及坯料的加热温度等等。,矩形截面拔长,（1）送进量的大小，除影响生产率外，还影响锻件质量当送进量太小，而坯料厚度（h0）又比较大，即当L0(0.50.75)h。否则，会产生折叠，表面折叠产生主要是送进量与压下量不合适，导致锻件报废。拔长时坯料温度应适中、均匀。锤击须快，锤击的轻重（打击力的大小）以能锻透坯料为准。,3坯料拔长时缺陷的防止措施（1）表面横向裂纹与角裂，前者是由于送进量过大同时压缩量也过大所引起的；后者除了变形原因外，主要是由于角部温度散失快，产生温度应力，引起表面拉力过大(应及时进行倒角)。（2）表面折叠主要是由于送进量太小、压下量过大。,（3）内部横向裂纹也是由于送进量太小，出现双鼓形特征，引发轴心拉应力。（4）内部纵向裂纹送进量过大，压下量较小，所造成的中心拉应力。（5）端面内凹送进量太小，表面金属变形大、轴心尚未来得及变形引起的。此外还有：对角线裂纹，端面裂纹，端部孔壁裂纹,（四）型砧拔长（自学）坯料在V型砧或圆弧型砧中拔长。V型砧有两种情形：即“上平下V”型和“上下V”型。其作用是利用侧压限制金属的横向流动，迫使金属沿轴向伸长。在型砧中拔长可提高生产率，防止内部纵向裂纹的产生。,拔长砧子形状及其对变形区分布的影响a)上下V形砧b)上平下V砧c)上下平砧,（五）空心件拔长(芯轴拔长)（自学）在拔长时孔中穿一根芯轴，是一种减小空心坯料的壁厚而增加其长度的锻造工序。适用于锻造长筒形锻件主要质量问题：孔内壁开裂和壁厚不均,三、冲孔（一）定义：采用冲子将坯料冲出透孔或盲孔(不透孔)的锻造工序称为冲孔。,较薄的坯料通常采用单面冲孔；厚度较大的锻件，一般采用双面冲孔法,实心冲子冲孔1毛坯2冲垫3冲子4心料,（二）冲孔常用于：大于30的盲孔或透孔锻件；需要扩孔的锻件需要预冲孔；需拔长的空心件需要预冲孔。具有透孔或盲孔的零件，在锻造时应尽量采用冲孔工序将孔锻出，以求节约原材料和减少机械加工工作量。,（三）冲孔时主要质量问题和变形特点1冲孔时，在冲头下的圆柱体区（A区）的金属受镦粗作用，沿水平方向流动，但受到外围环形区金属的阻碍而处于三向压应力状态。环形区（B区）则受到圆柱体区向外扩张作用而处于切向拉应力状态。当切向拉应力超过材料强度时，锻件孔壁就会产生纵向裂纹。冲孔后，坯料的形状也会走样，即上端面凹进，下端面凸出，高度减小和侧面产生鼓形。因此，冲孔后锻件尚需加修整工序。,2冲孔时易产生的缺陷及防止措施走样主要是由于坯料尺寸不合理。冲孔前将坯料镦至D/d3（越小，走样越严重）。孔偏心主要是由于定位不准或加热不均匀。先压一浅印和使温度均匀后再冲。斜孔主要是由于操作不当或坯料及工具不规范裂纹主要是由于材料塑性低，冲头锥度大，冲孔时走样大等。,四、扩孔减小空心坯料壁厚，而增加其内、外径的锻造工序称为扩孔。,心轴扩孔(马架扩孔）,冲子扩孔,五、弯曲（局部加载，局部受力，局部变形）弯曲是将坯料弯成所规定形状的锻造工序。它同其它工序联合使用，可以得到各种弯曲形状的锻件，如吊钩、叉子、夹钳等。,弯曲时坯料的形状变化,六、错移错移是将毛坯的一部分与另一部分错开一定距离而保持轴心平行的锻造工序。制造曲轴时常采用这种方法。,错移a)在一个平面内的错移b)在两个平面内的错移,4.4自由锻工艺,自由锻工艺过程的实质是利用简单和通用的工具逐步改变坯料的形状和尺寸，从而获得所要求形状和性能的锻件的加工过程。,特点：1逐步变形方式，其所需设备功率比模锻要小得多，可以用较小设备锻较大锻件；2锻件精度低，生产效率低，适合小批、单件、大型锻件的生产。自由锻工艺要研究的内容是：锻件的成形规律和如何提高锻件质量两方面。,在重型机械中，自由锻是生产大型锻件和特大型锻件唯一成型的方法。,4.4.1自由锻件的分类及变形方案的确定,为了便于制订工艺规程，自由锻件可分为以下几类：1轴杆类锻件：轴向尺寸远大于横截面尺寸。基本工序为：拔长或镦粗拔长2矩形断面锻件：可归为轴杆类3曲轴类锻件：不仅沿轴线有截面形状和面积变化，而且轴线有多方向弯曲。基本工序为：拔长、错移、扭转,4盘形类（饼块类）锻件：横向尺寸大于高度尺寸。基本工序为：镦粗5空心类锻件：有中心通孔。基本工序为：镦粗、冲孔、扩孔、或芯轴拔长等6弯曲类锻件：具有弯曲的轴线，弯曲可以是对称的，也可是不对称的。基本工序为：拔长、弯曲7复杂形状锻件不同工序的组合。,锻件分类及所需锻造工序,4.4.2自由锻工艺规程的制定自由锻工艺规程的内容：根据零件图绘制锻件图；确定坯料的质量和尺寸；制订变形工艺及选用工具；选择设备吨位；确定锻造温度范围，制订坯料加热和锻件冷却规范；制订锻件热处理规范；提出锻件的技术条件和检验要求；填写工艺规程卡片等。,一、绘制锻件图,锻件图是以零件图为基础，考虑了加工余量、锻件公差、锻造余块、检验试样及工艺夹头等因素绘制而成。,1加工余量当锻造不能达到零件的尺寸精度和粗糙度要求时，零件表面需增加一层供切削加工用的金属，称为机械加工余量，简称余量。零件的公称尺寸余量后的尺寸锻件公称尺寸,锻件的余量、余块,2余块为了简化锻件的外形或锻造工艺的需要，通常需要添加金属。这种加添的金属部分叫做余块。锻造时，有些零件上的小孔，尺寸不大的凹档或台阶等，一般不锻出，而加上余块，以简化锻件形状和操作。但简化后的锻件形状，会增加金属的消耗和机械加工工时。因此，是否要加放余块应根据零件的形状、尺寸和锻造技术水平及经济效益等具体情况而定。,3锻造公差由于设备精度或技术差异，锻件实际尺寸达不到公称尺寸，允许存在一定的误差，就是锻造公差。确定余量必须保证锻件在机械加工时能获得所需要的零件尺寸和粗糙度，选择余量和公差时根据工厂的实际情况来定。,4检验用试样及工艺夹头供锻后组织性能检验以及方便锻后热处理的吊挂和机械加工的夹持等。5绘制锻件图在锻造余量、公差和各种余块确定后，便可绘制锻件图。锻件的外形用粗实线描绘，标出锻造公称尺寸和公差，同时在公称尺寸后面或下面标出零件尺寸并加上括号以示区别。为了帮助了解成品零件的形状和便于锻后检查余量，应在锻件图上用假想线（双点划线或细实线），描绘出零件的轮廓形状。,一张完善的锻件图，除必须表明锻件的形状尺寸，余量公差，材料牌号，锻后热处理方法和要求外，个别重要零件，还应在锻件图中表明截取机械性能实验，金相组织试样的方向和位置以及其它特殊要求。,典型锻件图,二、坯料重量和尺寸的计算,1坯料重量的计算坯料的重量包括锻件重量和损耗重量。损耗系数指火耗、切除料头与冲孔芯料等的损耗。即：G坯=(G锻+G芯+G切)(1+)式中G锻锻件重量(kg)，依公称尺寸确定；G芯冲孔芯料损失，取决于冲孔方式；G切拔长后切除料头的损失，取决于切除部位的尺寸；钢料加热烧损率,2坯料尺寸的计算头道工序用镦粗法锻造时，为避免弯曲，高径比应小于2.5，为便于下料，高径比应大于1.25。即从而可得D0=(0.81.0)a0=(0.750.9),当头道工序为拔长时，原坯料直径应按锻件最大截面积S锻,并考虑锻比KL和修整量等要求来确定：S坯KLS锻即D0=1.13KLS锻再按国家材料规格，选取标准直径或标准边长，然后计算坯料高度（下料长度）：圆坯料方坯料,3钢锭规格选择第一种方法：先根据各种损耗求出利用率：=1-(冒口+锭底+烧损)100%式中碳素钢钢锭：冒口=18%25%，锭底=5%7%合金钢钢锭：冒口=25%30%，锭底=7%10%然后计算钢锭的计算G锭：G锭=(G锻+G损)式中G损除冒口、锭底及烧损外的损耗量。最后按G锭参照有关钢锭规格表选取相应规格的钢锭。,第二种方法(经验法)：根据锻件类型，参照经验资料先定出概略的钢锭利用率，然后求得钢锭的计算质量G锭=G锻再从有关钢锭规格表中，选取所需的钢锭规格。,三、变形工艺过程的制订,内容：自由锻成形的基本工序、辅助工艺和修整工序，以及各变形工序的顺序和中间坯料尺寸等,各类锻件变形工序的选择，应根据锻件的形状、尺寸和技术要求，结合各锻造工序的变形特点，参考有关典型工艺而具体确定。,各工序坯料尺寸设计和工序选择是同时进行的，在确定各工序毛坯尺寸时应注意：坯料尺寸必须符合变形规则。如镦粗时的高径比小于3等。应考虑各工序变形时坯料尺寸的变化规律。如冲孔时坯料高度略有减小，扩孔时坯料高度略有增加等。锻件最后需要精整时，应留有修整量。大锻件须多火次完成时，应考虑中间各火次加热的可能性。,四、锻造比的确定锻造比是表示锻件变形程度的一种方法，也是保证锻件质量的一个重要指标。应合理选择锻造比。型材一般经过大变形的锻轧，组织性能均得到改善，一般不须考虑锻造比。钢锭的锻造必须考虑锻造比。一般要求锻造比大于3。,典型锻件的锻造比见表,在使用锻锤进行锻造时，必须正确选择合适的设备。用小的设备锻造太大的锻件，锻件内部锻不透，而且生产率低。反之，小型锻件用太大的设备进行锻造速度慢，打击力不易控制，也是不适宜的。,五、设备吨位的计算与选择,根据作用在坯料上力的性质，自由锻设备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。锻锤的吨位是以落下部分的质量来表示的。生产中常使用的锻锤是空气锤和蒸汽空气锤。空气锤利用电动机带动活塞产生压缩空气，使锤头上下往复运动进行锤击。它的特点是结构简单，操作方便，维护容易，但吨位较小，只能用来锻造100kg以下的小型锻件。蒸汽空气锤采用蒸汽和压缩空气作为动力，其吨位稍大，可用来生产质量小于1500kg的锻件，,正确选择锻锤的吨位，需要考虑变形面积、锻件的材质和变形温度。精确计算选择锻锤的吨位，需要计算材料的变形力。在实际工作中采用查表法，既快又方便。,液压机产生静压力使金属坯料变形。目前大型水压机可达万吨以上，能锻造300吨的锻件。由于静压力作用时间长，容易达到较大的锻透深度，故液压机锻造可获得整个断面为细晶粒组织的锻件。液压机是大型锻件的唯一成形设备，大型先进液压机的生产常标志着一个国家工业技术水平发达的程度。另外，液压机工作平稳，金属变形过程中无振动，噪音小，劳动条件较好。但液压机设备庞大、造价高。,4.4.3大型锻件锻造的特点大型锻件泛指在大吨位锻压设备上锻造的外形尺寸和重量较大的锻件，其中主要是大型自由锻件，通常把一万KN以上的锻造水压机或5t以上自由锻锤上锻造的重型锻件，称为大型锻件。,大型锻件生产的主要特点：质量要求严格质量可靠、性能优良等冶金质量、锻造、热处理技术的优化与控制、质量分析与测试技术等有关。工艺过程复杂包括：冶炼、铸锭、加热、锻造、粗加工、热处理等。工艺环节多、周期长、连续性强、集体劳动、生产技术复杂。生产费用高材料、能源、工具、设备等消耗大，所以提高材料利用率、降低消耗、减少废品率，在技术上和经济上具有重要的意义。,几个主要问题：一、大型钢锭的加热特点横截面尺寸大，加热时内外温度差比中小型锻坯大得多，温度应力、组织应力和残余应力等问题要充分重视。加热时要保证充分均匀热透。,二、热锻变形对金属组织和性能的影响1破碎铸态组织，细化晶粒变形程度达到一定值，铸态的粗晶、树枝状晶以及晶界物质被击碎，经过随后的再结晶形成新的等轴细晶组织。这对于某些不能通过热处理方式改变晶粒尺寸的钢，如奥氏体钢，可以通过严格控制变形温度，并保证足够的变形量，通过锻造来