《材料及其成形技术》-第八章 金属的塑性加工成形

金属的塑性加工性能是指通过塑性变形使金属成形时，获得优质塑性加工成形件难易程度的工艺性能。金属的塑性加工性能用塑性和变形抗力来综合衡量。金属的塑性好，变形抗力小，即称金属的塑性加工性能良好。这是因为金属的塑性好，塑性变形时就不易开裂;金属的变形抗力小，在外力作用下就更易塑性变形，从而使得金属具有良好的塑性加工性。金属的塑性和变形抗力大小可分别用金属的塑性延伸率和屈服强度的高低来评定。而金属的塑性和变形抗力取决于金属的本质和塑性变形时的外部条件。一、金属本质的影响

1.化学成分的影响第一节金属的塑性加工性下一页一般纯金属比合金的塑性加工性好;低碳钢比高碳钢的塑性加工性好。这是因为纯金属和低碳钢的塑性相对较高，强度相对较低。在钢中，锰、硅导致强度提高、塑性降低;硫易引起热脆性;磷易引起冷脆性。因此，钢中含锰、硅、硫、磷越高，塑性加工性越差。在含碳量相同时，合金钢的塑性加工性低于碳钢，而且合金元素的含量越高，其塑性加工性越差。当合金中含有硬而脆的金属碳化物及提高其高温强度的元素(铬、钨、钥、钒、钦等)时，其可锻性显著下降。

2.金属组织的影响亚共析钢(高温区是单一奥氏体)的塑性加工性好;过共析钢(高温区有渗碳体)的塑性加工性差;高速钢具有高温强度，且含有大量钨、铬、钦等易形成碳化物的元素，特别难锻造。第一节金属的塑性加工性下一页上一页第一节金属的塑性加工性二、塑性变形条件的影响金属的塑性和变形抗力不仅与材料本身的性质有关，并且与变形条件有关。金属的塑性和变形抗力不是固定不变的，不同材料在同一变形条件下有不同的塑性和变形抗力;而同一种材料，在不同的变形条件下也会显示出不同的塑性和变形抗力。也就是说，塑性和变形抗力也决定于变形条件，因此，不应当把塑性和变形抗力单纯看成某种材料的性质，而应看成是某种材料的状态。

1.变形速度的影响通常认为在高变形速度区，变形时间短，消耗塑性变形功转化的热量大于散失的热量，使金属温度升高(热效应)，金属塑性提高，变形抗力降低，塑性加工性提高。下一页上一页第一节金属的塑性加工性但所谓热效应现象只有在高速锻造时才能产生。一般锻造设备无法达到这种变形速度，所以对于塑性加工性差的高合金钢，仍然是采用较低的变形速度为宜。

2.应力状态的影响在拉应力状态下，金属中缺陷处易产生应力集中，易导致缺陷扩展、使金属破坏而失去塑性，但拉应力易使金属产生滑移，减小变形抗力。在压应力状态下，金属内部原子间距减小，缺陷不易扩展，但压应力使内部摩擦力增大，变形抗力增加。在应力状态中，拉应力的数口越多，金属塑性越差。压应力数口越多，金属塑性越好。同号应力状态比异号应力状态的变形抗力大。下一页上一页

3.变形温度的影响金属在再结晶温度以下的变形称为冷变形，此时不产生再结晶组织，且伴随有加工硬化现象。金属在再结晶温度以上的变形称为热变形，热变形时加工硬化和再结晶现象同时发生，但加工硬化过程随时被再结晶过程消除，因此变形后具有再结晶组织，无加工硬化现象。此时，屈服强度降低而塑性增加，能以较小的力和能量获得较大的变形而不断裂。变形温度对金属的塑性和变形抗力有很大影响，大多数金属随变形温度升高，塑性增加，变形抗力降低。但在温度变化过程的某些温度范围，可能由于过剩相析出或相变的原因导致金属性能发生较特殊变化。下一页上一页第一节金属的塑性加工性如图8-1所示碳钢在加热过程中力学性能变化的趋势，从室温开始，碳钢的强度极限σb随着温度升高，而断面延伸率δ有些下降。但在200℃~350℃附近，出现相反的变化趋势，即σb有显著降低，而δ出现上升趋势。这一温度区间称为碳钢的蓝脆区，通常认为是由于沿滑移面上析出渗碳体微粒所致，类似于时效硬化。随着温度上升，又恢复了占上升的趋势。而在800℃~950℃范围内，又出现一次反复，占下降、σb稍有上升，这一温度区间称为热脆区。此后，又恢复了室温时占随温度升高而上升、σb随温度升高而下降的趋势。当温度超过1300℃后，由于发生过热、过烧现象(晶粒粗大、晶界出现氧化物和低熔物质)，δ和σb均急剧降低，这一温度区间称为高温脆区。下一页上一页第一节金属的塑性加工性一般，随着变形温度升高，原子热运动速度加快，能量增加，削弱了原子间的结合力，减小了滑移阻力，因而塑性提高，变形抗力减小，改善了塑性加工性。返回上一页第一节金属的塑性加工性下一页第二节锻造成形在压力加工设备上，利用锻模直接对金属坯料(铸锭)进行压力加工，使其局部或全部产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸锻件的加工方法称为锻造成形。一、锻造成形的作用、分类、特点及工艺过程

1.锻造成形在工业中的重要地位锻造生产是机械制造业中重要的成形加工方法之一。金属材料经过热锻加工后，能消除金属的铸态疏松、焊合孔洞，可以改变材料的强度、硬度等机械性能，锻件的机械性能一般优于同种材料的铸件。机械中负载高、工作条件苛刻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。许多需要承受交变载荷的零件或零件毛坯都必须采用锻造成形的方法来加工制造，以满足对它的强度要求，比如发动机曲轴、连杆以及各种齿轮毛坯等。另外，锻造生产属于少无废料加工，采用这种成形加工方法可以较大幅度的提高材料利用率。由于锻造成形具有许多优点，近年来在汽车、航空、兵器、电器及日用品生产中，占有越来越重要的地位。在现代工业制造中，锻造产品占有相当大的比重。比如锻件的质量分别占飞机和坦克总质量的85%和70%;而汽车上的锻件质量约占汽车总重量的80%左右;农用拖拉机上的锻件多达X00多种;并且许多机器上的主轴、齿轮等零件也都采用锻件制成。第二节锻造成形下一页上一页锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钦等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。一般的中小型锻件都用圆形或方形棒料作为坯料。棒料的晶粒组织和机械性能均匀、良好，形状和尺寸准确，表面质量好，便于组织批量生产。只要合理控制加热温度和变形条件，不需要大的锻造变形就能锻出性能优良的锻件。铸锭仅用于大型锻件。铸锭是铸态组织，有较大的柱状晶和疏松的中心。因此必须通过大的塑性变形，将柱状晶破碎为细晶粒，将疏松压实，才能获得优良的金属组织和机械性能。经压制和烧结成的粉末冶金预制坯，在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。第二节锻造成形下一页上一页锻件粉末接近于一般模锻件的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀，没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。对浇注在模膛的液态金属施加静压力，使其在压力作用下凝固、结晶、流动、塑性变形，就可获得所需形状和性能的模锻件。液态金属模锻是介于压铸和模锻间的成形方法，特别适用于一般模锻难于成形的复杂薄壁件。

2.锻造成形的分类及特点按坯料在锻造加工时的温度可分为冷锻和热锻。下一页上一页第二节锻造成形冷锻一般是在室温下加工，热锻是在高于坯料金属的再结晶温度上加工。有时还将处于加热状态，但温度不超过再结晶温度时进行的锻造称为温锻。不过这种划分在生产中并不完全统一。钢的再结晶温度约为460℃，但普遍采用800℃作为划分线，高于800'C的是热锻;在300℃~800℃称为温锻或半热锻。

(1)锻造成形加工的分类。锻造成形是一种具有多工艺的压力加工方法，通常可按金属变形时的温度或所用设备和工模具形式不同等进行分类。

1)按金属变形温度分类。①冷锻。冷锻是指坯料在低于金属再结晶温度下，通常多指在常温下进行的锻造成形加工。下一页上一页第二节锻造成形这种状态下冷锻成形的工件，形状和尺寸精度较高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产。许多冷锻件或冲压件可以直接用作结构零件或制品，而不再需要进行切削或其他加工。但冷锻加工时，因金属的塑性低，变形时易产生开裂，变形抗力大，需要大吨位的锻压机械。②热锻。热锻是将坯料加热至金属再结晶温度以上时进行的锻造加工，提高坯料加热温度能改善金属的塑性，有利于提高工件的内在质量，使之不易开裂。高温还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位。但热锻工序多，工件精度差，表面不光洁，锻件容易产生氧化、脱碳、热膨胀或烧损等工艺缺陷。因此，热锻成形的工件，都需要经过大量的再加工之后，才能成为制品。下一页上一页第二节锻造成形③温锻。使被加工坯料温度在高于常温、但又不超过再结晶温度下进行的锻造加工，称为温锻。坯料在相对软化的状态下进行塑性成形，变形比冷锻加工容易，所需成形设备的吨位也可以减小。由于是在较低温度范围内加热，氧化、脱碳的可能性小或大大减轻，成形制件的精度较高，表面较光洁而变形抗力不大，其机械性能也比退火件要高。特别是对于变形抗力较大及在室温下加工困难的材料，通常可以采用温锻成形加工。

2)按锻造成形方式、设备及模具分类。锻造是一种历史悠久的金属成形加工方法，按照变形力的来源可分为手工锻造和机器锻造。手工锻造主要利用手锻工具靠人力实现对金属材料的成形加工，由于第二节锻造成形下一页上一页工业技术的不断发展，手工锻造已逐渐被淘汰，但仍有一些不规则产品、工艺品以及修理工序还在使用手工锻造方法。现代锻造方法都是利用压力加工设备和相应的工模具来实现的，根据成形方法、所用设备和工模具不同可以分为自由锻、模锻、胎模锻以及特种锻造等。①自由锻造。通常简称自由锻，成形时，将被加热金属坯料置于自由锻锤砧铁上，利用简单工模具锻打，使其形成一定形状尺寸锻件的加工方法。自由锻成形中，锻件的变形方向基本由操作者控制，金属坯料在打击压力下产生的变形基本不受外部限制，属于开式锻造。②模型锻造。简称模锻，是将坯料置于锻造模具之间，利用模锻设备的打击压力使其产生变形。模锻成形时，金属坯料的变形方向由锻下一页上一页第二节锻造成形模工作表面或型腔来控制，最后获得与锻模型腔形状基本一致锻件，属于闭式锻造。③胎模锻造。即胎模锻，是介于自由锻和模锻之间的一种锻造加工工艺。通常将被加热金属坯料用自由锻方法预锻成接近锻件形状的锻坯，然后再利用胎模具终锻成形。胎模锻的一个主要特点是胎模具不固定在锻造设备上，即模具可以因需要而移动。④特种锻造。所谓特种锻造是在普通锻造加工的基础上发展起来，并进行了相应工艺改革的特殊锻造工艺，通常用于普通锻造方法很难或不能成形的锻件加工。如成形轧制、辊锻、辗扩等，成形时工具与坯料之间有相对的旋转运动，对坯料进行逐点、渐近的加压和成形，故又称为旋转锻造。下一页上一页第二节锻造成形

(2)锻造加工的特点。锻造加工属于体积成形，利用锻压机械对加热或常温坯料施加压力，使之产生明显的塑性变形，通过金属体积的大量转移，而获得所需金属制件的加工方法。因此，金属锻造加工具有与其他塑性成形方法所不同的特点。

1)改善金属组织、提高力学性能。金属铸锭经过锻造加工，其内部组织中原有的气孔、缩孔及缩松等被压实，粗大枝状晶被击碎成细小晶粒，并形成纤维结构。因此可以改变金属组织，提高力学性能，包括强度、塑性、韧性、疲劳强度等。另外，如果使锻造形成的纤维组织沿制件轮廓合理分布，将使制件塑性和抗冲击韧性提高，增强零件工作时的抗冲击能力。与其他加工方法相比，在同样冲击载荷作用下，锻件具有最强的抵抗能力。第二节锻造成形下一页上一页

2)提高材料利用率。采用锻造加工的零件，不仅力学性能得到改善，而且可以减少因制件中带有孔或凸凹形状所需切削加工的材料去除。特别对于曲轴、齿轮等较复杂零件，因采用锻造制坯或精密成形所提高的材料利用率效果比较显著。

3)简化加工过程、提高生产率。采用精密锻造方法加工的机械零件，有时只需少量或不必再进行切削加工即可作为功能零件使用，简化了机械零件的制造工艺，并提高了生产效率。比如利用模锻方法锻造内六角螺钉，生产率可以比切削加工提高近50倍。

3.锻造工艺流程简介不同的锻造方法有不同的流程，其中热模锻的工艺流程最长，其基本工序如图8-2所示。第二节锻造成形下一页上一页下面针对主要工序进行简单介绍。

(1)备料。

1)确定锻造材料。适于锻造成形的金属材料，需要具有足够的塑性，保证在锻造过程中容易产生塑性变形而不致破裂。碳素钢、合金钢以及铜、铝等非铁合金均具有良好的塑性，可以锻造。但铸铁的塑性很差，在外力作用下易碎裂，因此不能锻造。碳素钢的塑性随含碳量增加而降低，低碳钢和中碳钢具有良好的塑性，是生产中常用的锻造材料。合金钢的塑性随合金元素的增多而降低，锻造时易出现锻造缺陷。锻造材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。下一页上一页第二节锻造成形第二节锻造成形

2)下料。锻造用钢有钢锭和钢坯两大类，大中型锻件常用钢锭，小型锻件则使用钢坯。毛坯下料通常采用锯切、剪切、折断下料、砂轮切割以及火焰切割和阳极切割等方法。其中剪切下料生产效率较高，在大批量生产中被普遍采用。

(2)加热。热锻是将锻坯加热到一定温度后进行的锻造成形工序，加热及加热温度范围的控制是确保锻造生产顺利进行和锻件质量的重要工艺过程。

1)锻坯加热的目的。加热可以提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流动成形，并获得良好的锻后组织。金属坯料加热后硬度降低、塑性提高，可以利用较小的外力使坯料产生较大的塑性变形且不致产生破裂。下一页上一页第二节锻造成形因此，在保证锻造质量的前提下，锻坯加热可以提高生产效率，节省动力能源。锻造加热的原则是，在保证坯料整体均匀热透的前提下，尽可能缩短加热时间，以减少金属的氧化，并降低燃料消耗

2)锻造温度范围的确定。确定锻造温度范围的基本方法是以钢材的铁碳平衡图为基础，再参考材料的塑性抗力图和再结晶图来综合决定。金属的锻造温度范围是指始锻温度与终锻温度之间的一段温度区间。①始锻温度。所谓始锻温度是指各种金属材料锻造时允许加热的最高温度。下一页上一页第二节锻造成形确定始锻温度时不宜过高，首先应保证金属材料不发生过热、过烧现象。始锻温度也不宜过低，否则导致锻造温度范围缩小，减少锻造可操作时间，增加锻打困难。对于碳钢来说，始锻温度应低于铁一碳平衡图中始熔线温度150℃~250'C，此外还应考虑金属组织、锻造方式及成形工艺等因素。②终锻温度。终锻温度是各种金属材料锻造时允许变形的最低温度。在确定终锻温度时，既要保证金属坯料在终锻前要具有足够的塑性，又要使锻件能够获得良好的组织性能。金属的终锻温度必须高于再结晶温度，否则，锻后组织难以保证再结晶完全，且无法控制锻件内部的晶粒度大小。下一页上一页第二节锻造成形将锻造的始锻温度和终锻温度控制在再结晶温度范围内，可利用金属的高温再结晶特点完全抵消锻造变形产生的加工硬化现象。一般，碳钢的锻造温度范围根据铁一碳平衡图可以直接确定，而多数合金钢的锻造温度范围可参照含碳量相同的碳钢来确定。但对于塑性较低的高合金钢以及奥氏体钢、纯铁体钢等不产生相变的钢种必须通过试验来确定。

(3)加热设备。锻造加热中，根据热源不同，可分为火焰加热和电加热两大类。

1)火焰加热。火焰加热是利用燃料燃烧产生具有大量热能的高温气体，通过对流、辐射传给金属，再由表面向中心热传导，最终将金属坯料整体加热的方法。下一页上一页下一页第二节锻造成形加热设备通常有明火炉、反射炉、室式炉等。①明火炉。将金属坯料置于以煤为燃料的火焰中加热的炉子，称为明火炉，也称手炉。明火炉结构简单，可移动位置，使用方便。但加热温度不均匀、效率低、加热质量不易控制。因此，适用于手工锻造或小型空气锤上自由锻造时加热金属坯料。②反射炉。利用高温炉汽及火焰通过炉顶反射到加热室中加热金属坯料的炉子，称为反射加热炉，其基本结构如图8-3所示。燃料燃烧所需空气经换热器预热后进入燃烧室，高温炉气及火焰越过火墙从炉子拱顶反射到加热室内，产生大量辐射热使金属坯料温度升高。燃烧废气通过烟道从烟囱排出，通常加热室温度可达1350℃。上一页第二节锻造成形③室式加热炉可以煤、煤气或重油为燃料，如图8-4所示，室式加热炉的炉膛三面为耐火墙，一面为装出料门。由喷嘴将燃料与空气直接喷射到加热室进行燃烧加热金属坯料，炉体结构简单，热效率较高，主要用于自由锻造生产。在火焰加热过程中，温度低于600℃~700℃时，主要靠对流传热方式加热金属坯料。所谓对流传热是利用火焰在坯料周围不断流动，使高温气体与坯料表面产生频繁的热交换，金属坯料吸收热能而温度升高。当温度高于700℃~800℃后，坯料加热则是以辐射传热为主。即通过高温气体在炉膛内的热能转变为辐射能，以电磁波方式传播的辐射能被金属表面吸收后，再由辐射能转变为热能而使金属坯料温度升高。下一页上一页根据测试资料介绍，金属材料在一般火焰加热炉中加热时，90%以上的热能来自于辐射传热，而对流传热只占很小一部分。火焰加热方法成本较低，对被加热金属坯料的适用范围较广。但火焰加热速度慢、效率低，并且难于准确控制金属坯料的加热温度。火焰加热方法在锻造加工中应用比较广泛，其中，应用最多的是煤气反射炉加热和油炉火煤气燃烧炉加热。煤气反射炉加热中，燃烧室产生的高温炉汽越过火墙进入加热室加热坯料，废气经烟道排出。加热面积大，加热温度均匀一致，加热质量较好，适用于中小批量生产。油炉和煤气燃烧炉加热中，重油和压缩空气分别由两个管道送入喷嘴，压缩空气从喷嘴喷出时，所造成的负压将重油带出并喷成雾状，在炉膛内燃烧，使炉温提高。第二节锻造成形下一页上一页第二节锻造成形

2)电加热。电加热主要是利用加热元件产生的电阻热来间接地加热金属坯料，其中主要有感应电加热、接触电加热、电阻炉及盐浴炉加热等。①感应电加热。加热的基本原理如图8-5所示，是将金属坯料置入感应器内，其两端通入交变电压u,感应圈内电流Ii产生交变磁场使坯料内部产生感应电流，依靠金属阻抗使坯料产生热量。感应加热时，由于沿金属坯料断面的电流密度分布不均匀，最大感应电流出现在导体表面，心部只能靠外侧热量的传导加热，即由于集肤效应导致加热质量较差。感应加热速度快，可达0.4~0.6min/cm，而且坯料周围的气氛不产生强烈流动，因此氧化脱碳较少。下一页上一页第二节锻造成形但感应加热消耗电能大，每吨钢材的耗电指标为400~500kW·h。从无公害加热角度来看，锻造生产中采用感应加热已成为一种发展趋势。对于变截面形状坯料加热，需要感应器规格与坯料形状尺寸匹配，因此，较难用于形状复杂的金属坯料加热。另外，感应加热设备较复杂，投资也较大。②接触电加热。将低压大电流直接通入加热坯料中，利用金属存在的电阻产生热量将其自身加热，如图8-6所示。由于金属电阻值比较小，通常采用低压大电流的方法来提高生成热量，因而接触电加热用的变压器副端空载电压只有2~15V。接触电加热方法的特点是加热速度快，金属烧损较少，耗电量少，成本低且操作简单。下一页上一页第二节锻造成形但对加热金属坯料的表面粗糙度和形状尺寸要求较严格，加热温度的测量和控制也相对困难。⑧电阻炉加热。是利用电热元件将电能转变为热能，以辐射和对流的方式加热金属坯料的。图8-7所示为箱式电阻丝加热炉，将坯料装人炉中，关闭炉门即可送电加热。采用电阻炉加热金属坯料，可准确控制炉温，还可根据需要通入各种保护性气体，以避免或减轻金属加热时的氧化。0.5%以下，脱碳为0.1~0.4mm，而感应加热40℃r时的脱碳层厚度可达0.5mm。因此，近年来随着精密锻造工艺的快速发展，出现了许多少无氧化加热工艺，如快速加热、介质保护加热及少无氧化火焰加热等加热方法。下一页上一页少无氧化火焰加热是指适当控制燃烧的炉气性质，消除氧化氛围的加热方法。火焰加热方法中的辐射快速加热和对流快速加热，以及电加热法的感应加热、接触电加热等都属于快速加热。所谓介质保护加热，即在坯料周围采用保护介质与氧化性炉气隔离加热，可以避免氧化。通常采用的保护介质有气体保护介质(惰性气体、石油液化气等)、液体保护介质(如玻璃熔体、熔盐等)、固体保护介质(如玻璃粉、珐琅粉等)。

(4)加热缺陷及防止。锻造加热中常见的缺陷主要有氧化、脱碳、过热和过烧以及裂纹等。

1)氧化与脱碳。金属坯料在高温下加热时，坯料表层中的铁与炉第二节锻造成形下一页上一页第二节锻造成形中的氧化性气体发生化学反应，使坯料表层生成氧化皮，造成烧损。氧化皮在成形时被压入锻件表面，清洗后可能脱落，造成锻件表面出现氧化坑，严重时导致锻件报废。另外，氧化皮通常又硬又脆，不仅磨损锻模表面，而且还会引起炉底腐蚀损坏。每次加热氧化烧损量约占坯料质量的2.5%~4%，确定毛坯质量时应计算此烧损量。金属毛坯在高温下与氧化性炉汽及某些还原性气体接触产生化学反应，使表层一定深度内碳元素烧损，称为脱碳。脱碳量较大时，会使零件表层硬度和耐磨性降低。

2)过热和过烧。金属坯料在始锻温度以上保温时间过长，内部晶粒会变得粗大，这种现象称为过热。下一页上一页第二节锻造成形金属毛坯的加热温度超过始锻温度过多，特别是温度接近金属熔点时，晶粒边界出现氧化或低熔点物质产生熔化的现象，称为过烧。

3)内部裂纹。金属坯料加热过程中，表层与心部温差较大时会形成温度应力，很容易使坯料心部产生裂纹。高碳钢或合金钢坯料加热速度过快或装炉温度过高时，内外产生较大的温差和膨胀不一致，导致内部产生裂纹。

3.锻造成形锻造成形是锻造生产的核心，按照成形方式不同，锻造可分为自由锻、胎模锻和模锻三种方式。

4.锻后冷却下一页上一页第二节锻造成形锻后冷却是保证锻件质量的重要环节，冷却时应防止产生硬化、变形和裂纹。常用的方式有空冷、坑冷和炉冷三种。一般，低、中碳钢及合金结构钢的中、小型锻件多采用空冷;合金工具钢锻件常采用坑冷;对于高合金钢及大型锻件通常锻后放在500℃~700℃下缓慢冷却。

5.其他主要检验锻件的尺寸和表面缺陷;热处理主要用以消除锻造应力，改善金属切削性能;清理主要是去除表面氧化皮;对于一般锻件检查主要检查外观和硬度，对于重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。二、自由锻造下一页上一页第二节锻造成形利用简单的通用性工模具，或在锻造设备的上、下锤砧间直接对毛坯施加外力，使坯料产生塑性变形而获得所需形状及内部质量的锻件，这种方法称为自由锻。自由锻时，金属在变形过程中只有部分表面受工具限制，其余表面为自由变形。

(一)自由锻造设备根据锻造时对毛坯作用力的性质不同常分为锻锤和液压机两大类。

1.空气锤空气锤由电力直接驱动，其结构原理如图8-8所示，电动机发出电力通过减速器带动曲柄转动，此旋转力矩由连杆再传递给活塞形成活塞的往复直线运动。踏下踏杆调节气阀使压缩空气通过进气阀和排气阀交替进入工作缸的上、下部。下一页上一页第二节锻造成形驱动工作缸活塞连同锤杆、锤头和上砧一起上下运动，对锻件进行打击锻造。上砧固定在锤头的燕尾槽内，下砧装于砧垫的燕尾槽内，再固定在下砧座上。通过手柄或脚踏板控制进、排气阀的位置，可使锤头实现上悬、连续打击、单击和下压等工作动作。空气锤打击速度快，作用力呈冲击性，有利于锻件成形。空气锤的规格是以落下部分的质量来表示的，一般为50~1000kg。锻锤产生的打击力，是落下部分质量的800~1000倍，用于小型锻件的锻造生产。

2.蒸汽一空气锤蒸汽一空气锤通常利用0.4~0.9MPa的压力蒸汽或压缩空气作为下一页上一页动力，经节气阀和滑阀的调节和控制推动主缸活塞运动，完成打击动作。其落下部分的质量可以显著增大，提高锤头打击能量。一般，锻件开始产生变形时，锤头的打击速度可达6~8m/s。蒸汽一空气锤的动作原理如图8-9所示，当滑阀处于图示位置时，蒸汽沿进气管道经滑阀外圆环形空间进入汽缸上部，迫使活塞连同锤杆、锤头下行进行打击。汽缸下部的废气通过滑阀的中孔，沿排气管道排出。当滑阀移至下端时，滑阀外围的环形空间将进气管与汽缸下部接通，蒸汽推动活塞连同锤杆、锤头上升，活塞上部废气则直接经排气管排出。为了保证蒸汽锤的动能大部分转化为锻件的变形功，其砧座的重量须为其落下部分重量的10~11倍。第二节锻造成形下一页上一页尽管如此，锻造过程中仍有一部分打击能量会消耗于砧座和地基的震动，对于附近的工厂、建筑及生产本身都产生不良影响。因此，锻锤的吨位不宜过大，而大型锻件应在水压机或液压压力机上进行锻造。

3.水压机水压机是以高压泵所产生的高压水作为能源进行工作的，其工作原理如图8-10所示。当高压水经过上部管道进入工作水缸时，在水压力作用下，柱塞连同横梁和上砧铁向下对坯料施加压力，同时返程缸下部的水经排水管道排出。扳动手柄调节高压水阀，使高压水进入返程缸，可使横梁及上砧铁向上运动，工作缸中的水经管道排出。水压机上自由锻是依靠高压水的压力对锻件进行锻造成形，其高压水压力可达20~30MPa。第二节锻造成形下一页上一页第二节锻造成形水压机的吨位用压力表示，常用吨位在600~15000t，可锻钢锭质量达300t。金属坯料在水压机上锻造成形时，其锻透率比在锤上锻造还要高，容易获得整个截面都是细晶粒组织的锻件。水压机锻造时，以静压力作用在坯料上(上砧的下行速度约为0.1~0.3m/s)，工作时震动小，劳动条件好。其缺点是设备庞大，需要有一套供水系统和操纵系统，设备造价高。

(二)自由锻造工序通常，根据锻造变形性质、变形程度不同以及锻造锻造工艺过程，可以将自由锻分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。

1.基本工序下一页上一页自由锻基本工序是改变坯料形状尺寸获得锻件的工序，它主要包括墩粗、拔长、冲孔、芯轴扩孔、芯轴拔长、弯曲、切割、错移、扭转和锻接等。

(1)墩粗。墩粗是使坯料高度减小、横截面积增大的锻造工序。墩粗的目的首先在于改变锻坯的形状尺寸，例如可将高径(宽)比较大的锻坯锻成高径(宽)比较小的盘饼类零件，另外，还可以提高锻件的横向力学性能和减小锻件力学性能的异向性等。墩粗是自由锻最基本的工序，当改变锻坯高径比时，需要采用锻造工序，而且在其他锻造工序(如拔长、冲孔等)中也都包含墩粗因素。如图8-11所示，墩粗可分为平砧墩粗、垫环墩粗以及局部墩粗三种主要形式。第二节锻造成形下一页上一页第二节锻造成形

1)平砧墩粗。对于高径比H0/D0>3的锻坯进行墩粗时，容易产生纵向弯曲，使锻坯变形失去稳定。因此，对于锻坯的高径比应有所限制。通常，对于圆形截面锻坯，应保证H0/D0<2.5~3，对于方形或矩形截面锻坯，高宽比应小于3.5~4。平砧墩粗时，与上、下砧面接触的锻坯受到砧面摩擦力的影响，变形较小;中心部是主变形区，变形量较大时，该区内原有的铸造缺陷可被锻合;而锻坯外侧部分的金属由于受到中心金属的外膨胀力作用，产生切向拉应力，过大变形可能导致产生纵向裂纹。在生产中，对于塑性较差的锻坯，经常在球面砧或模具中进行墩粗，可以改善其应力状态。下一页上一页第二节锻造成形墩粗时锤击力要重，否则产生细腰型。而当圆柱体H0/D0=0.8~2时，墩粗后制件中部产生鼓形，即上下断面直径减小，中部直径增大。另外，合金钢锭和大于8~15t的碳素钢锭在墩粗前必须倒棱。

2)垫环墩粗。如图8-11(b)所示，垫环墩粗是用来成形带凸包锻件的自由锻方法。通常锻出的凸包直径和高度都比较小，锻坯直径大于凸包直径，因此，垫环墩粗的变形形式实际上属于墩挤变形。一般，如果垫环孔内壁设有斜度，金属流入时除产生摩擦阻力外，还受到孔壁的反作用力。环孔内壁斜度越大，反作用越大，因此，采用无斜度环孔墩粗时，有利于凸包成形。

3)局部墩粗。如图8-11(c)所示，只在毛坯的局部长度(端部或中间)内进行墩粗时称为局部墩粗。下一页上一页第二节锻造成形

(2)拔长。拔长是使坯料横截面积减小、长度增加的锻造工序。拔长除用于锻造成形轴杆类锻件外，还可用来改善锻件内部质量。根据变形方式、所用工具等不同，拔长可分为普通拔长、带芯轴拔长和带芯轴扩孔三种工序。

1)普通拔长。普通拔长如图8-12所示，是通过逐次送进和反复翻转使锻坯截面产生轴向压缩变形，进而增加轴向长度。因此，拔长时，需要注意每次锤击的压下量△h应小于或等于进给量l，否则会产生折纹。锻造阶梯杆类件时，压肩深度为台阶高度的1/2~1/3。拔长中每次压缩时，锻坯即增长又增宽，如果保证每次压缩中增长量大于增宽量，则可提高拔长效率。因此，考虑到金属流动规律，应采用较小的送进量。下一页上一页第二节锻造成形另外，考虑到方形截面可获得较大的压缩量，提高拔长效率，所以，平砧拔长时，无论锻坯原始截面形状，以及最后所需截面形状如何，总是先锻方，待拔长至一定长度尺寸时，再改锻成所需形状。如图8-13所示，拔长时常用的锻砧形状有平砧、上平下V形砧和上下V形砧三种，由于砧形不同，拔长时锻坯内部变形分布不同，拔长效率也不同。图8-13(a)所示上下平砧拔长圆形截面锻坯时，锻坯与砧面接触面积较小，金属横向流动大，而纵向流动小，拔长效率低。但利用平砧拔长矩形截面锻坯时，如果相对送进量合适，可以获得较高的锻透率。特别是采用大压下量拔长，可以进一步提高锻透效果。下一页上一页下一页上一页第二节锻造成形图8-13(b)所示上平下V形砧拔长时，最大变形区产生在锻坯中心与V形砧表面之间，而中心变形较小，因此，锻透性较差。另外，拔长时需要翻转角度准确，否则锻坯轴线容易偏移，拔长效率较低。如果采用图8-13(c)所示上下V形砧拔长，可使锻坯中心获得较强的三向压应力状态，变形程度较大，容易锻合内部缺陷。这种形砧拔长可以保证锻坯轴线不产生偏移，拔长效率较高。

2)带芯轴拔长。带芯轴拔长是为了减小空心毛坯的外径、壁厚、增大内径，同时增加锻坯长度的锻造工序，通常称为芯轴拔长。如图8-14所示，芯轴拔长所用锻坯带有中心孔，拔长时将芯棒插入孔内，在锻锤打击下，毛坯内、外径均与工具接触，变形主要产生在锤击方向的上下壁厚之间。下一页上一页第二节锻造成形芯轴拔长时，锻坯温度下降较快，摩擦力也较大。因此，通常在有孔锻坯中插入芯棒拔长前将芯棒预热到150℃~250℃，并且将芯棒的斜度做成1/10~1/150。显然，芯轴拔长后的空心件壁厚不均是这种拔长的质量缺陷。采用型砧拔长可以改善芯轴拔长时的应力状态，对于壁厚小于芯轴直径1/2的薄壁筒形锻件，可以采用上下V形砧，厚壁筒形件可以采用上平砧、下V形砧拔长。

3)带芯轴打孔。为了减小空心锻坯的壁厚，增大其内径和外径，可以采用芯棒代替下砧铁来实现打孔的工序称为芯轴打孔。如图8-15所示，芯轴扩孔的变形实质是使锻坯沿圆周方向拔长，即金属主要沿锻坯切向流动变形，而在长度Z方向上的流动较少。第二节锻造成形因此芯轴扩孔时随着壁厚变薄，锻坯的内、外径同时扩大，长度略有增加。为了获得内壁光滑的锻件，所用芯轴直径应随扩孔直径增大而增大，即需要在扩孔的过程中适当更换芯棒。通常，要求芯棒直d>0.35l。芯轴扩孔时，锻坯受力状态较好，不易产生裂纹等缺陷，通常用来锻造扩孔量较大的薄壁环形锻件。

(3)冲孔。冲孔是利用冲头在坯料上冲出通孔或盲孔的锻造工序。根据所用冲孔工具可分作如图8-16所示实心冲头冲孔、空心冲头冲孔和垫环上冲孔三种方式。锻件上直径小于25mm的孔一般不冲出，留待切削加工。冲通孔时，冲孔孔径小于400mm的孔用实心冲头，大于400mm的孔用空心冲头。下一页上一页第二节锻造成形

1)实心冲头冲孔。实心冲孔时，冲头下部的金属被挤向四周，锻坯产生腰鼓状变形。通常先由锻坯一面冲入，当冲入深度达到锻坯原始高度的70%~80%时，再将锻坯翻转180后按原冲孔位置由另一面将孔冲透。为了保证被冲孔垂直于锻坯端面，通常在冲孔前需将冲孔端面墩平。冲孔后的锻坯不再拔长时，对于冲孔前锻坯的墩粗高度私有一定限制。如图8-16(a)所示，一般当D0/d>5时，H0=H;当D0/d<5时，应使H0=(1.1~1.2)H。当D0/d<d时，冲孔比较困难，最好冲孔之前将锻坯先墩粗，使其满足D0/d<d。另外，在冲制较大锻坯时，应考虑将质量较差的一端朝下。

2)空心冲头冲孔。对于锻件质量要求较高，或冲孔直径较大的大型下一页上一页第二节锻造成形锻坯，可采用空心冲头冲孔，如图8-16(b)所示。利用空心冲头冲孔时，可将钢锭中心质量较差的部分冲掉，冲孔时应将钢锭冒口一端朝下。

3)垫环冲孔。如图8-16(c)所示，垫环冲孔是将锻坯置于垫环之上，利用锤头连续压击冲头，最后将连皮冲入垫环内孔中，完成冲孔。通常，只有高径比H0/D0=0.125的薄盘类锻件适用于垫环冲孔，坯料走样较小，而金属损耗所占比例较大。由于所冲锻坯厚度较小，有时，也称垫环冲孔为板料冲孔。

(4)弯曲。将锻坯锻成所需弯曲形状的工序称为弯曲。常用的弯曲方法是将锻坯置于压弯坎上，依靠锻锤打击使坯料产生相应的弯曲。对于中、大型锻坯可将其夹紧在上、下砧之间，如图8-17所示，利用锻锤下一页上一页第二节锻造成形打击使之弯曲，有时还可使用吊车进行拉弯。弯曲成形中，锻坯变形区横截面形状尺寸可能发生变化。并且弯曲半径越小，弯曲处横截面畸变越严重。

(5)切割。切割是将锻坯切断或部分切开的自由锻工序。通常可用于单件、小批量生产中的下料，或切除长料的首尾部分。另外，还可用于在锻坯上切出一定形状豁口，如用半圆剁刀切出锻坯上的圆弧形状等。自由锻中常用的切割方法如图8-18所示，利用锤头对剁刀的打击力，将锻坯劈缝。如需要切断锻坯时，通常在一面劈开一定深度后，翻转锻坯，在另一面利用切断刀或切块将锻坯切断。(6)错移。自由锻中的错移工序，是将锻坯的一部分相对于另一部分下一页上一页第二节锻造成形相互平行错移开一定距离的加工方法。如图8-19所示，通常在错移加工之前还需要压豁或压肩后，选定适当位置完成错移加工。错移常用于锻造曲轴等带有弯曲形状的轴、杆类锻坯。

(7)其他基本工序。自由锻的基本工序很多，锻造工艺方法也比较灵活。除去上面介绍的几种主要工序外，还有扭转、锻接等工序。

2.辅助工序辅助工序是为基本工序操作方便而进行的预先变形工序，这种工序通常对锻坯实施少量的塑性变形加工，如压棱边、压钳口、碾光、压肩等。

3.精整工序下一页上一页第二节锻造成形精整工序主要为减少锻件表面缺陷而设置的少量变形的整形工序，其目的是使锻坯形状尺寸符合产品要求，提高表面锻造质量，如校平、校直、清除锻件表面凸凹不平等。精整工序一般在终锻温度以下进行。

(三)自由锻件的结构工艺性自由锻造需要适应多品种、单件和小批量生产需求，又由于所用工模具简单、操作技术要求较高，因此，自由锻件的形状结构受到较大的限制，在设计自由锻件结构时，除需满足其使用性能要求外，还必须具有良好的结构工艺性。

1.避免锥体或斜面结构对于杆类锻件，设计时应避免在轴线方向上出现斜度。因为，锻出下一页上一页这种斜面结构需要专用工具，不仅锻件成形困难，而且操作危险性很大。如图8-20(a)所示锻件结构，用自由锻造方法很难成形，在不影响锻件使用性能的前提下，如改成图8-20(b)所示结构，将使自由锻造工艺简化。

2.避免非平面交接结构如图8-21所示杆类锻件，图8-21(a)的结构设计中几何形体的相贯线形成了空间曲线，利用自由锻无法锻出。而图8-21(b)所示结构中，将圆柱面与圆柱面的交界线改为平面与平面相交，使得几何形体之间的相贯线简化，容易锻造成形。

3.应避免加强筋或凸台等结构第二节锻造成形下一页上一页第二节锻造成形锻件上的加强筋、凸台和交叉形截面，采用自由锻工艺都很难锻出，因此，在设计自由锻件时，应避免出现这种结构。如图8-22所示结构，图8-22(a)在大、小圆柱之间设置了加强筋，使自由锻工艺复杂化，图8-22(b)结构取消了加强筋后，使自由锻造简化。如图8-23(a)所示盘类零件，在法兰上设置凸台后，给自由锻造工艺造成很大困难。改为图8-23(b)所示结构后，锻后可对固定螺钉孔断面进行惚沉孔加工，既不影响使用，且使自由锻造容易实现。

4.将复杂形状设计成简单形状的组合体对于由几个简单形状组成的锻件，如果整体自由锻造可能会很困难，如图8-24所示锻件。下一页上一页图8-24(a)整体结构无法利用自由锻造成形，可将锻件分为两部分分别锻出后，采用机械连接方法组合成一个整体零件。图8-24(b)所示锻件较长，且在不同方向上具有特征形状，因此，采用自由锻造无法成形。设计时，将锻件分割成三部分，使自由锻造可能分别锻出，然后采用焊合方法将其组合成一个整体零件。(四)制定自由锻造工艺规程在着手组织锻造生产之前，必须根据锻造产品要求、生产条件、设备能力及现有技术水平等制定锻造工艺规程。自由锻造的工艺规程主要包括:根据零件图绘制锻件图、计算毛坯质量、选择锻造工序和设备、提出锻件的技术要求和检验方法、规定操作规范及填写工艺卡片等。第二节锻造成形下一页上一页第二节锻造成形1.绘制锻件图锻件图是自由锻生产工艺检验的依据，是在零件图的基础上考虑工艺敷料、加工余量及锻造公差等因素绘制而成。

(1)敷料。考虑到自由锻造工艺的特殊性，需要简化锻件外形，以适应自由锻无型腔模具成形的特点，便于成形而在锻件局部增加的一部分大于加工余量的附加金属称作敷料。当锻件上带有较小凹槽、台阶及孔等形状时，皆需增设敷料，如图8-25(a)所示。添加敷料后，方便了锻造成形，但增加了材料消耗和后续的机械加工量。因此，增设敷料时，应从工艺、生产条件及经济效益等多方面因素综合考虑后合理确定。下一页上一页第二节锻造成形

(2)加工余量。自由锻造属于毛坯生产，成形的锻件精度和表面质量都较差，很难达到零件的使用要求。绝大多数自由锻件需要经过机械加工后，才能作为结构零件使用。因此，在零件上标明尺寸精度和表面粗糙度的自由锻件相应位置上都需要增设一层金属，作为后续切削加工用的余量。自由锻件上的加工余量大小与零件的形状尺寸等因素有关，通常零件越大、形状越复杂，所需加工余量也越大。

(3)锻造公差。锻造公差是指锻件名义尺寸的允许变动量，是受操作技术水平和对锻件实际收缩量估算误差等因素影响的锻件制造偏差量。自由锻造的公差量大小，需要根据锻件形状、尺寸和复杂程度等决定。自由锻造的典型锻件图如图8-25(b)所示，图中将零件的最终形状、下一页上一页第二节锻造成形尺寸用双点画线绘出，并将零件的实际要求尺寸标注在锻件要求尺寸下面的括号内。对于某些重要锻件或大型锻件，为了测试该锻件内部组织和力学性能，有时需要在锻件适当位置增设余块作为试样，而该试样余块的形状尺寸及所设位置也应在锻件图上标明。一般试样余块应能反映该锻件的组织与性能，通常取在钢锭的冒口一端，并且对试样余块部分所施锻造比应与需要检验的部分相同。

2.确定坯料质量和尺寸

(1)坯料质量的计算。自由锻坯料的质量G坯为锻件质量与锻造过程中金属损耗质量之和，中、小型锻件采用型钢作坯料时，可按下式计算坯料质量:G坯=G锻+G损下一页上一页第二节锻造成形式中，G锻表示锻件质量，kg；G损表示包括烧损、料头、冲孔连皮在内的金属损耗质量，kg。采用钢锭作自由锻坯料时，还应考虑切掉的钢锭头部和尾部的料头质量。

(2)确定坯料尺寸。自由锻坯料尺寸的确定主要是根据上述计算得出的坯料质量按照钢材密度换算成坯料体积，然后根据所选坯料状态，如锭料、棒材等计算出下料尺寸。另外，确定坯料尺寸时，还需要考虑锻造过程中金属材料的变形程度以及成形方式，既要考虑成形时的锻造比，又要考虑成形过程中坯料的稳定性等因素。采用墩粗方法锻造时，应避免坯料过高而产生弯曲现象，坯料高径比H0/D0不宜超过2.5。下一页上一页第二节锻造成形但考虑到坯料过短会使剪切下料困难，H0/D0还应大于1.25。因此，采用墩粗工序使得坯料尺寸受到一定限制，通常需保证1.25D0<H0<2.5D0。采用拔长方法锻造时，对于碳素钢坯料，锻造比不应小于2.5~3，而使用轧材拔长时，锻造比可取1.3~1.5。

3.确定锻造工序及锻造比

(1)选择锻造工序。选择自由锻造工序需要根据锻件的形状、尺寸和技术要求，结合各种自由锻造工序的变形特点，并参考有关典型工艺具体确定。一般，对于盘类零件常选用墩粗工序，轴杆类零件选用拔长工序等。对于较复杂零件，需要采用多工序复合工艺完成。总之，自由锻造是一种比较灵活的锻造成形方法，工序的选择不是唯一的，需要通过经验并参考已有典型工艺最后确定。下一页上一页第二节锻造成形

(2)锻造比。锻造比是衡量锻造过程中金属材料的变形加工程度的一种方法，通常用变形前后的截面比、长度比或高度比表示。有时，还可间接地衡量锻件内部组织和力学性能。一般来说，经过较大锻造比加工的锻件，由于铸坯内部的孔隙可能被焊合、枝状晶被打碎等，锻件的力学性能会得到相应的提高。但锻造比过大，锻件可能产生明显的纤维组织而异向性增强，甚至可能造成卷入折纹等。因此，制定自由锻造工艺时，应确定一个合理的锻造比。通常，对于钢材锻制的坯料(除去莱氏体锻钢坯料外)，由于经过了大变形锻造或轧制，金属内部组织和性能已经得到了相应的改善，锻造时一般不需考虑特意增大锻造比，而钢锭或有色金属铸锭则需要考虑锻造比。下一页上一页第二节锻造成形合金结构钢锭比碳素结构钢锭的铸造缺陷严重，所需锻造比应大些。对于一般结构钢锻件坯料，如果零件受力方向与原有纤维方向不一致时，为了保证横向性能，避免异向性，可取锻造比2~2.5。当零件受力方向与坯料原有纤维方向一致时，为提高纵向性能，可取锻造比为4。对于一些重要锻件，为了充分改善原有铸态组织，可选取墩粗拔长联合工艺，并将锻造比提高到6~8。三、胎模锻造胎模锻造是介于自由锻和模锻之间的一种锻造方法，也称胎模锻。通常采用自由锻制坯，在锻压设备上使用可移动模具(称胎模)将坯料锻造成形为模锻件的一种加工方法。

(一)胎模锻造工艺及特点下一页上一页第二节锻造成形

1.胎模锻造工艺胎模锻造的生产工艺过程包括制定工艺规程、胎模制造、备料、加热、锻制胎模锻件及后续工序等。在工艺规程制定中，分模面的选取可灵活，数量不限于一个，而且不同工序中可以选取不同的分模面，以便于制造胎模和锻件成形。胎模不固定在锤头或砧座上，只在需要时在下砧铁上使用。胎膜的结构形式多种多样，比固定锻模灵活简便，易于制作。胎模锻可采用多个模具，每个模具都能完成工艺中的一个工序。因此，胎模锻可以加工不同外形的锻件。

2.胎模锻造工艺特点下一页上一页下一页上一页第二节锻造成形

(1)与自由锻相比，胎模锻在提高锻件精度和复杂程度、减少敷料和机加工余量以及节约金属等方面具有明显的优越性。

(2)胎模锻件的形状和尺寸基本与锻工的技术无关，主要靠模具精度保证。

(3)胎模锻件在胎模型腔内成形，锻件内部组织致密，纤维分布有利于提高锻件的力学性能。

(4)胎模锻造工艺操作灵活，可以局部成形，因此，可以在较小的设备上实现较大锻件的锻造成形。

(5)胎膜锻造生产劳动强度较大，适合于中、小批量生产。

(二)胎模的主要种类及应用第二节锻造成形胎模锻所用模具简称胎模，其结构种类较多，主要有扣模、筒模、摔模、垫模及合模等。

1.扣模扣模用于对毛坯进行局部或全部扣形锻造，在非回转体长杆类锻件成形时经常使用，也可为模锻制坯。如图8-26所示，扣模由上扣和下扣两部分组成，可以对坯料进行全部或局部扣形。用扣模锻造时，毛坯不转动，扣形后翻转90°，在锤砧上平整侧面。

2.筒模筒模也称套模，主要用来锻造齿轮、法兰盘等回转体类锻件，件。如图8-27所示，筒模为圆筒状，可分为开式筒模和闭式筒模也可用于非回转体类锻。下一页上一页第二节锻造成形图8-27(a)为开式筒模，根据锻件形状，还可以做成整体筒模、镶块式筒模和带垫式筒模。图8-27(b)的闭式筒模用于无飞边锻造。对形状比较复杂的胎模锻件，则需要在筒模内再加两个半模(即增加一个分模面)制成复合筒模，锻坯在两个半模内成形，锻后先取出两个半模，然后取出锻件。复合筒模可以用来锻造上、下端面带有凸凹形状的锻件，如齿轮或轮毅等。3.摔模摔模主要用于回转体锻件的成形或制坯，如图8-28所示上、下模块靠有弹性的模把连接并定位。锻造时，使毛坯连续转动，直至坯料完全贴合于模膛并且上、下模块闭合为止。

4.垫模下一页上一页第二节锻造成形垫模如图8-29所示，垫模只有下模块，利用锤砧作为上模进行锻打。垫模常用于轮、盘类锻件的成形和制坯。合模通常由上、下两部分组成，如图8-30所示。为了防止上、下模错差，需要采用导向结构，比如，利用定位块或导柱、导套定位，以保证上、下模型腔吻合。合模多用于锻打形状比较复杂的非回转体制件，如连杆、拨叉等叉杆类锻件。四、模型锻造通常称为模锻，是利用锻压设备的打击力或压力使坯料在锻造模具的型腔内产生变形，从而获得锻件的锻造方法。

(一)模锻的工艺特点及分类

1.模锻的工艺特点下一页上一页第二节锻造成形

(1)模型锻造过程中，金属坯料在锻模型腔中的变形是在锤头通过模具多次打击下逐步完成的，同时，金属的流动受到型腔壁部的限制，形成较好的压应力状态，因此锻件内部组织和力学性能非常好。另外，由于锻模型腔的限制，金属充满后所得到的锻件形状尺寸比自由锻生产的锻件精度高，且表面光洁，因此，所需后续机加工余量相对小。

(2)由于利用了锻模型腔对金属流动的约束，模锻可以成形状较为复杂的锻件。通常锻件外形不需过多简化，可以节省敷料，因而降低了金属材料消耗。

(3)采用模具进行锻造成形，锻件的形状和精度由锻模型腔保证，因此，对操作技术要求不高。下一页上一页第二节锻造成形与自由锻和胎模锻相比，模锻简化了许多工序，具有较高的生产效率，并且易于实现机械化和自动化生产。

(4)锻模导向精度有限，特别是锤上锻造，锤头行程和打击力不稳定，影响了模锻件的质量精度。

(5)由于模锻过程中金属坯料变形强烈，锻模受到较大热应力而降低了模具使用寿命，因模具损耗使模锻件成本提高。模锻需要使金属整体变形，所需锻造设备吨位较大。

2.模锻的种类根据所采用锻压设备以及锻造成形方式不同，通常将模锻分为锤上模锻、压力机模锻及平锻机模锻等。下一页上一页第二节锻造成形按照模锻所用锻模形式以及金属坯料在终锻模膛中的成形方式，还可将模锻分为开式模锻和闭式模锻两种。此外，如果考虑到锻造时锻坯的温度，还可分为冷锻、温锻和热锻。

(二)锤上模锻锤上模锻是指利用锻锤所进行的模型锻造，是目前生产中采用最多的一种锻造成形方式。锤上模锻常用的锻压设备是蒸汽一空气锤、高速锤等。近年来，为了节省动力资源，利用电液锤或蒸汽一空气锤改造成电液控制方式，进行锤上模锻正在形成一种发展趋势。

1.模锻锤及锻模

(1)模锻锤简介。锤上模锻最常用蒸汽一空气锤的工作原理和锤身下一页上一页第二节锻造成形结构与自由锻用蒸汽一空气锤基本相同，由于锤上模锻时金属坯料受力相对复杂且要求锻件的精度较高，机身结构，特别是锤头与导轨之间的间隙小得多。常用蒸汽一空气锤结构如图8-31所示，由于锻模下半部分需要固定在砧座上，为了避免锻打过程中上、下模错移，锤上模锻用蒸汽一空气锤的锤身直接固定在下锤砧上，通过锤头与下砧座之间的稳定相对运动来确保上、下锻模之间的相对运动精度。模锻生产时，中、小型(0.5~5t)锤上模锻通常由一名操作者掌钳并操纵锻打，通过脚踏板压下拉杆并抬起进气阀使锤头落下实现锻打。对于大型(5~16t)锻锤，由两名操作者分别掌钳和操纵锤头锻打，如锻造汽车前梁、曲轴等大型模锻件。模锻锤的吨位以锤头、锤杆等落下部分的质量标定。下一页上一页第二节锻造成形常用蒸汽一空气锤的吨位为0.5~16t，通常可锻打150kg以下的锻件。

(2)锻模及安装固定。锻模分为上模和下模两部分，一般，上模和下模内都设有模膛，模膛四周还有包括桥部和仓部两部分的飞边槽。如图8-32所示，锻模在模锻锤上均采用燕尾槽加楔铁的方式固定，上、下锻模中部外侧还设有定位槽(图中未画出)与锤头和下锤砧中部的定位块相配合确定上、下模前后位置。为了保证上、下对中，还需要在定位槽和燕尾楔铁处加设垫片，用来调整上、下锻模在前后左右的位置。锻造过程中，锤头在蒸汽压力波动下带动上模在两侧锤身设置的导轨之内上、下往复摆动，踏下脚踏板使锤头带动上模向下猛击置于上模表面的锻坯实现锻造成形。下一页上一页第二节锻造成形

(3)锻模模膛分类。锻模模膛是指锻模的内型腔，按照功用不同可以分为模锻模膛和制坯模膛两大类，其在锻模中的结构位置见图8-33。

1)模锻模膛。模锻模膛又可分为预锻模膛和终锻模膛。①预锻模膛。对于形状较复杂、尺寸精度要求较高的锻件，通常需将锻坯变形至接近锻件最后的形状尺寸，以保证金属容易充满终锻模膛获得合格锻件，这种情况下，需要设置预锻模膛。设置预锻模膛可以按照锻件的形状尺寸使金属坯料预先产生合理的体积分配，减少最后终锻成形时不必要的金属流失。另外，还可减轻终锻型腔的磨损，提高锻模的使用寿命。对于形状简单或生产批量较小的锻件，可不设预锻模膛。设置预锻模膛的主要作用是使金属坯料的变形体积获得合理的预分配，下一页上一页第二节锻造成形因此，预锻模膛的形状尺寸尽可能与终锻模膛接近，特别需要考虑到使不易充满的局部区域产生较大积料，并注意形成合理的金属流动趋势。预锻模膛通常具有较大的斜度和圆角，并且不设飞边槽，以防止锻打时预锻劲模。②终锻模膛。终锻模膛是锻打成形锻件最终形状尺寸的型腔，其形状应与锻件相同，并且模膛沿锻造方向应设一定斜度。对于热锻成形，锻件冷却后会产生形状尺寸收缩，实际的终锻模膛尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量，常用钢锻件取1.5%。为了促进金属向模膛内流动充型，同时容纳锻后的多余金属，在终锻模膛沿周需设置飞边槽。下一页上一页第二节锻造成形靠近模膛边缘的飞边槽较浅，生产中称作桥部飞边槽，它的作用主要是增大向外的流动阻力，迫使金属向模膛内部聚料充型。较浅的桥部飞边槽可使终锻时的锤击打靠，保证锻件的厚度尺寸。另外，靠近锻件边缘处飞边较薄，可有利于锻后切边。模锻成形带孔锻件时，由于无法在锻造过程中锻出通孔，在上、下模成孔的模膛凸起处须留有相应的厚度，即在锻件上成孔的部位留下一层连皮，待锻后利用冲孔的方法去除后获得通孔。

2)制坯模膛。为使进入预锻或终锻模膛的锻坯具有适当的截面形状，需要对锻坯进行初始体积分配，并提高锻坯局部金属的力学性能，因此，锻模上常常设置各种制坯模膛。下一页上一页第二节锻造成形①墩粗模膛。对于盘类锻件，为了提高锻后金属内部组织，通常需将高径比较大的锻坯进行墩粗后放入预锻或终锻模膛内锻造成形。中、小型锻模可在具有一定平面的角部完成墩粗制坯，而大型锻模上则需要设置墩粗台供锻件墩粗成形，以防止墩粗过程中锻坯偏斜或锤击下飞出造成事故。②拔长模膛。用以减小坯料局部截面积而增加相应长度，同时提高该处金属力学性能，需设置拔长模膛。考虑操作方便，拔长模膛通常设置在锻模左侧，如图8-33所示。③滚压模膛。生产中常称辗光模膛，主要是为适应预锻或终锻模膛形状要求，增大一个方向上锻坯的截面尺寸，同时减小与之垂直下一页上一页第二节锻造成形方向截面尺寸，另外使锻坯进入预锻或终锻型腔前具有较圆滑的轴向轮廓。辗光通常设置在拔长工序之后，因此，对于多模膛锻模，辗光模膛常设在操作者左侧，图8-33锻模中借用拔长模膛前方的空间开设了辗光模膛。辗光模膛可分开式和闭式两种，所谓闭式滚压模膛是指在辗光方向上封闭的模膛。通常，当锻坯沿轴线的截面积相差不大或为修整拔长后的外廓形状时，采用开式辗光模膛;而锻坯最大截面积和最小截面积相差较大时，采用闭式辗光模膛。④弯曲模膛。弯曲模膛用以弯曲中间锻坯，使之在某一个方向上适合于预锻或终锻型腔的形状，如图8-33中将弯曲模膛设于操作者的右前侧。锻坯经弯曲变形后送入预锻或终锻模膛，根据锻件形状，有时还需翻转90°。下一页上一页第二节锻造成形⑤切断模膛。在使用条料进行多件小型锻造时，常在上、下锻模左侧设置一对具有一定间隙的切断刃口，切断成形后的锻件。而对于成双锻造，通常采用掉头锻，可将后一伙钳口修扁。切断操作时应注意钳口切勿夹得过紧，否则切断时的后坐力会引起安全事故。

2.模锻件的结构工艺性模锻是金属在锻模型腔内流动变形的过程，锻件形状主要靠锻模型腔保证。因此，模锻件允许带有斜面或空间曲线等复杂轮廓形状。但考虑到金属坯料受力及变形方式，模锻件的结构也受到一定限制，设计模锻件结构时需要遵循下述原则。

(1)模锻件首先应具有合理的分模面，以保证锻后起模。如图8-34上一页下一页第二节锻造成形所示圆柱形零件，由于上、下端面及柱面上均带有侧凹，不能满足锻后起模要求，因此，需要增设相应的敷料。设计模锻件结构时，应尽可能使敷料最少，还应考虑到锻模制造方便。

(2)模锻件应力求形状简单、对称，避免零件截面差别过大的凸起、凹入或壁厚过薄。如图8-35(a)所示，零件最小和最大截面之比小于0.5，而且凸缘直径与壁厚相差过大，因此，不适宜模锻成形。图8-36所示零件壁厚过薄，锻造时薄壁处锻模受力过大，且较难锻出。

(3)零件上直径小于20mm的孔或孔深大于直径2倍时，在模锻成形中不易锻出，应考虑在锻件中取消锻孔或改为锻出凹穴，锻后再进行切削加工。下一页上一页第二节锻造成形(4)模锻件尺寸精度高、表面粗糙度低，零件上的非配合表面可以设计成非加工面。并且零件上与锻打方向平行的非加工表面应设模锻斜度，非加工表面间的交接处用圆角过渡。

(5)可适当采用组合工艺，如将复杂件设计成锻一焊组合件，以简化模锻工艺、节省敷料。

3.制定模锻工艺规程模锻工艺规程的内容包括设计锻件图、计算毛坯尺寸、选择锻造设备、确定模锻工步、确定修整工序及检验规则等多项内容。

(1)模锻锻件图的制定。模锻锻件图是确定模锻生产工艺、计算坯料尺寸和设计锻模的依据，也是锻后检验的标准。下一页上一页第二节锻造成形模锻锻件图分为冷锻件图和热锻件图两种，冷锻件图用于锻件的检验，热锻件图用于锻模设计及制造。制定模锻锻件图时，需要考虑分模面位置、机加工余量、模锻斜度、圆角半径、冲孔连皮及各项技术条件等。

1)分模面位置的选择。分模面是指上模与下模的接触表面，也是上、下锻模在锻件上的分界面。锻件分模面位置的正确选择，直接影响到锻件成形质量、起模及材料利用率等。锻模分模面的选择应符合以下原则:有利于金属充满锻模型腔、便于锻后起模、简化锻模制造、有利于错差调整，另外，还应考虑到便于锻后切边等。表8-1列出了一些确定锻模分模面的示例，可供参考。

2)模锻斜度。为了取件方便，锻模的侧壁必须做成一定斜度，如下一页上一页第二节锻造成形图8-37所示，称为模锻斜度。锻件冷却时，其外壁因收缩而离开型腔、容易出模;而锻件内壁收缩使锻件包住型腔突出的部分，出模困难。因此，锻模的内斜度a2应比外斜度a1稍大一些，一般外模锻斜度a2取5°~7°，内模锻斜度a2取7°-12°。当锻件材料为铝、镁合金时内外模锻斜度常适当降一级。当模膛深度较大而宽度较小即h/h较大时，应适当增大斜度。有时，为了使模锻斜度在分模线处相接，对于a3可适当增大。通常为了减少机加工量，应尽量减小模锻斜度。

3)圆角半径的确定。为了便于金属在锻模型腔中流动，避免锻件产生折伤并保持金属流线的连续性，提高锻件的使用寿命，必须把锻件上所有尖锐棱角做成圆弧，如图8-38所示。下一页上一页第二节锻造成形锻件内圆角半径R应比外圆角半径:大，通常取R=(2~3)r。为了便于模具制造，如无特殊功用，锻件上同类圆角尽可能取同一半径值。

4)冲孔连皮。锻件在模锻时，无法直接锻出通孔，只能锻成盲孔，锻后通过冲孔获得通孔。锻件在孔位中间留有一层金属，称为连皮。当孔径d>25mm，且冲孔深度h小于孔径d时，可在锻后利用锻件余热直接冲掉连皮。如果孔径d<25mm，而厚度又较大的锻件，考虑到锻模和冲孔凸模的热强度，通常在模锻时只能在孔位处压出凹穴，待锻后切削加工该孔。连皮厚度太小，模锻冲孔时单位压力很大，冲头容易磨损或变形，在锻件上还会产生折纹。但厚度太大，连皮浪费金属多，切除冲孔连皮时所需冲压力增大，锻件还可能走形。下一页上一页第二节锻造成形一般平底连皮的厚度可以根据图8-39确定。有时为了使模锻时冲头处金属易于流动，也可以选用斜底连皮的形式，这样有利于减轻锻模磨损，另外也可避免锻打时孔缘处产生折纹。但采用斜底连皮，会造成锻后冲孔困难。

5)加工余量和公差。与自由锻相比，模锻件所留后续加工余量比较小，原因是模锻时金属在锻模型腔内成形。因此，通常模锻件可留1~4mm的加工余量，要求精度较高的大型锻件可相应取较大值。尺寸公差是指锻件的实际尺寸与锻件图规定的公称尺寸之间的偏差。在模锻过程中，由于欠压、错模、锻模磨损、锻件表面氧化及锻件冷却收缩不均等原因，使锻件尺寸在一定的范围内上下波动，其大小取决于下一页上一页第二节锻造成形锻件外形尺寸、精度、表面粗糙度等级等，通常在士0.3~3mm选用尺寸公差。

6)绘制锻件图和确定锻件的技术条件。①终锻型腔的设计。终锻型腔是按照热锻件图设计的，主要内容是如何绘制热锻件图和确定飞边尺寸。热锻件图是根据冷锻件图制定的，但又不完全一样，热锻件图的尺寸应比冷锻件图的相应尺寸增加一个收缩率。一般取收缩率为1.5，细长件或终锻温度较低的锻件可取1.2%~1.3%；如果设备吨位不足，将产生模锻不足(打不靠)现象，可适当减小锻件的高度尺寸，其值可接近负偏差;如果型腔承击面不足，易产生承击面塌陷，可适当增加热锻件下一页上一页第二节锻造成形的高度尺寸，其值可接近正偏差;型腔容易磨损处，应在锻件负公差的范围内增加一定磨损量，以提高锻模寿命;锻件上形状复杂且凸起较高部分应尽量放在上模侧。在一般加工过程中，体积力的作用远远小于表面力，因此，往往忽略不计。但加速度较大的场合，体积力不能忽略。例如锤上模锻，工件所受的惯性力向上，有利于材料填充上模，故常把形状复杂的型腔设置在上模侧。②飞边槽的确定。锤上模锻时，金属流动过程大致可分为四个阶段。第一阶段:墩粗变形，在金属与模壁接触之前，墩粗所需的变形力并不大。第二阶段:飞边形成过程，金属流向高度方向的同时，开始流入飞边槽，出现少许飞边，此时所需变形力增大。下一页上一页第二节锻造成形第三阶段:型腔充满过程，由于飞边的阻碍作用，在金属变形时形成更为强烈的三向压应力状态。金属向飞边流动的同时，逐渐充满型腔各处。在这一阶段里，飞边厚度减小，宽度增大，温度下降，变形抗力明显上升，造成径向阻力增大，促使整个型腔得以充满。第四阶段:打靠或锻足阶段，飞边温度低，阻力大，为把多余金属排人飞边槽，使上下模打靠，所需打击力最大，消耗的打击能量为整个锻件成形全过程消耗能量的30%~50%。飞边对于锻件质量、模具寿命、材料消耗、能量消耗等具有很大影响，其作用主要是容纳多余金属;迫使金属更好地充满型腔;起缓冲作用，减轻上下模打击，防止锻模早期破裂和压塌。下一页上一页第二节锻造成形③钳目的确定。钳口即终锻型槽前面的空腔，用来放置夹料钳夹头，如图8-40所示。不需钳夹头时，有钳口可方便取件。另外，制造锻模时，通常以钳口作为浇口(浇入铅或其他冷缩小的盐液来复制型槽的形状，以便检查型槽尺寸)。④预锻型腔的设计。对于形状复杂的锻件采用预锻工步，可以使锻件在进入终锻型槽之前就已经初具形状，进而改善金属在终锻型槽中的流动状态易于充满，并可防止产生折纹等缺陷，减轻终锻型槽的负担和磨损。但是采用预锻型槽会带来使终锻型槽产生偏心打击、上下模容易错模、增加模块尺寸等缺点。因此，在生产中是否采用预锻需要根据具体情况分析后决定。下一页上一页第二节锻造成形预锻型腔各处圆角半径应比终锻型腔圆角半径大Ry=Rz+C，锻件急转弯处、截面突然改变处圆角半径还应适当加大。型腔的宽与高。预锻后的毛坯在终锻过程中应以墩粗成形为主。因此，预锻型腔高度比终锻大2~5mm，宽度比终锻型腔小1~2mm。即横断面积比终锻型腔大，容积也略大于终锻型腔，所以预锻型腔不设飞边槽。模锻斜度。预锻型腔的模锻斜度与终锻基本相同。特殊剖面。终锻有叉形劈开部分时，采用劈开台;终锻具