第二节 锻造成形
一、锻造加热
锻造成形中，对坯料进行加热是为了提高金属的可变形性，因为在高温下，原子振动加剧，原子间的结合力削弱，使产生滑移所需的力减小；加热到再结晶温度以上的热变形，在变形过程中的加工硬化会被伴随进行的再结晶消除；尤其是当加热到一定温度时，金属组织会由多相转变为单相组织（如碳素钢在高温下呈单一的奥氏体组织），塑性提高，变形抗力减小。因此，在锻造之前一般要对坯料进行加热。
加热过程中，金属往往会产生氧化、脱碳，或产生裂纹，甚至产生“过热”、“过烧”现象，这些加热缺陷不仅降低了锻件质量，造成材料的损失，还会使锻造操作复杂。因此，锻造加热质量是影响锻件质量和生产率的主要因素之一。为保证加热质量，必须控制好加热温度、加热速度、保温时间和炉气成分等工艺参数。
1.锻造温度范围
锻造温度范围指始锻温度（开始锻造的温度）和终锻温度（停止锻造的温度）间的温度区间。锻造温度范围的确定以合金状态图为依据。
始锻温度高于金属再结晶温度，钢的始锻温度一般定在其AE线以下150～200℃；终锻温度一般不能低于金属再结晶温度，否则可锻性差，加工难以进行。如图6-10所示的是碳素钢的锻造温度范围。
2. 加热速度
加热过程中，加热速度越慢，工件处于高温的时
间越长，氧化、脱碳越严重，因此，加热速度应快些，以缩短加热时间。但升温过快，将会造成坯料内外较大的温差，产生较大的热应力，甚至使坯料破裂，特别是对导热性能差、脆性大的材料，这种现象就更严重。因此，对不同的坯料，应采用不同的加热速度。 
图6-10 碳素钢的锻造温度范围
二、锻造成形工艺
锻造成形工艺主要分为无模自由成形（也称为自由锻）和模膛塑性成形（也称为模锻）。自由锻是用冲击力或压力使金属在锻造设备的上下砧块（或砥铁）间产生塑性变形，从而获得所需几何形状及内部品质锻件的压力加工方法。金属在两砧块间受力变形时，是自由流动的，称为自由锻，分为手工自由锻和机器自由锻两种。随着锻压技术的发展，手工锻造已逐渐被淘汰。机器锻造因使用设备的不同，又分为锤上自由锻和压力机上自由锻。锤上自由锻主要用于中小型锻件的锻造，压力机上自由锻主要用于大型和重型锻件的锻造。
自由锻造的基本生产过程为：
设计锻件图→下料→加热→锻造→锻件冷却及热处理→锻件清理→检验
自由锻造的工序：
自由锻造的工序可分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。自由锻造的过程是这三类工序的组合，坯料通过一系列工序而逐渐成形为符合要求的锻件。基本工序是指为了达到工件要求的形状和尺寸而进行的坯料塑性变形的工艺过程，主要有镦粗、拔长、弯曲、冲孔、扩孔、错移、扭转等。
自由锻造使用的工具简单、通用，生产准备周期短，灵活性大，所以使用范围广，特别适用于单件、小批生产，而且，自由锻是大型锻件唯一的成形方法，在重型机械中占有重要的地位。但自由锻造的生产效率低，对操作工人的技术要求高，工人的劳动强度大，锻件精度差，后续机械加工量大等缺点，导致自由锻造在锻件加工中日趋减少。国外工业发达国家的中小型自由锻件在锻件总产量中的比例只有20%～40%。
模锻是将加热到锻造温度的金属坯料置于锻模模膛内，使其承受一次或多次冲击力或压力的作用而被迫流动成型以获得锻件的压力加工方法。在变形过程中，由于模膛对金属坯料流动的限制，锻造终了时能得到和模膛形状相符的锻件。与自由锻相比，模锻具有如下优点：
1. 生产率较高；
2. 锻件尺寸精确，加工余量小；
3. 可以锻造出形状比较复杂的锻件；
4. 节省金属材料，减少切削加工工作量，在批量足够大的条件下能降低加工成本；
5. 操作简单，易于实现机械化、自动化。
但是，模锻制造周期长，成本高，受模锻设备吨位的限制，模锻件不能太大，质量一般在150 kg以下。因此，模锻适用于中小型锻件的成批和大量生产。由于现代化大生产的要求，模锻生产越来越广泛的应用到国防工业和机械制造业中。如飞机零件、汽车或拖拉机的主轴、轴承等都使用到模锻制造。按质量计算，飞机上的锻件中模锻件占85%，汽车上占80%。
三、模膛锻造成形
模膛塑性变形分为胎模锻造成形与固定模膛锻造成形。
(一) 胎模锻造成形
在自由锻设备上，使用可移动的胎模生产锻件的锻造方法，称为胎模锻造方法。胎模是不固定在自由锻锤上的，使用时放上去，不用时取下来。锻造时，胎模放在砧座上，将加热后的坯料放入胎模，锻制成形，也可先将坯料经过自由锻预锻成近似锻件的形状，然后用胎模终锻成形。
图6-11 蒸汽－空气模锻锤
胎模锻成形与自由锻造成形相比，具有生产率高、锻件品质好、节省金属材料、降低锻件成本等优点。与固定模膛成形相比，不需要专用锻造设备，模具简单，容易制造。但是，锻件品质不如固定模膛成形的锻件好，工人劳动强度大，胎模寿命短，生产率低。胎模锻成形只适用于小批量生产，多用在没有模锻设备的中、小型工厂中。
(二) 固定模膛成形
根据成形设备的不同，固定模膛成形工艺主要分为锤上模锻和压力机上模锻，但实质上都是通过塑性变形迫使坯料在锻模模膛内成形。
锤上模锻是在自由锻、胎模锻的基础上发展起来的一种效率更高的锻造成形工艺，用于大批量锻件的生产。所用设备有蒸汽空气锤、无砧座锤、高速锤等。一般工厂主要使用蒸汽空气锤，如图6-11所示，其工作原理与自由锻造用的蒸汽空气锤基本相同。
由于锤上模锻在工作中存在震动和噪音大、劳动条件差、蒸汽效率低、能源消耗多等难以克服的缺点，因此近年来大吨位模锻锤有逐步被压力机所取代的趋势。压力机上模锻常用的设备有曲柄压力机、摩擦压力机和平锻机、模锻水压机等。
(三) 锻模结构
锤上模锻用的锻模（如图6-12所示）是由带有燕尾槽的上模和下模两部分组成。下模用紧固楔铁固定在模垫上，上模靠楔铁紧固在锤头上，随锤头一起作上下往复运动。上下模合在一起则其中形成完整的模膛。模膛根据其功用的不同，可分为模锻模膛和制坯模膛两大类。
对于形状复杂的模锻件，为了使坯料形状基本接近模锻件形状，使金属合理分布和很好地充满模膛，就必须预先在制坯模膛内制坯。制坯模膛的基本类型有：镦粗模膛、拔长模膛、滚压模膛、弯曲模膛和切断模膛等。锻件所需制坯模膛的类型和形
状，应根据锻件的形状和确定的变形工序进行设计。
图6-12 锤上模锻锻模示意图
模锻模膛又分为终锻模膛和预锻模膛两类。
预锻模膛的作用是使坯料变形到接近于所要求的形状和尺寸的锻件，经预锻后再进行终锻时，金属容易充满终锻模膛，同时减少终锻模膛的磨损，延长锻模的使用寿命。它与终锻模膛的区别在于其圆角和斜度较大，没有飞边槽（其结构见图6-12）。对于形状简单或批量不大的模锻件可不设置预锻模膛。
终锻模膛的作用是使坯料最后变形到所要求的形状和尺寸的锻件，因此它的形状应和锻件的形状相同。但因锻件冷却时要收缩，终锻模膛的尺寸应比锻件尺寸放大一个收缩量。另外，模膛四周设有飞边槽，用以增加金属从模膛中流出的阻力，促使金属充满模膛，同时容纳多余的金属。对于具有通孔的锻件，由于不可能靠上下模的凸起部分把金属完全挤压掉，故终锻后在孔内留下一薄层金属，称为冲孔连皮，把冲孔连皮和飞边冲掉后，才能得到有通孔的模锻件，见图6-13。
图6-13 带有冲孔连皮及飞边的模锻件
(四)模锻工艺规程的制定
以下介绍具有典型性的锤上模锻工艺规程。
锤上模锻成形的工艺过程一般为：切断坯料→加热坯料→模锻→切除模锻件的飞边→校正锻件→锻件热处理→表面清理→检验→入库存放。
锤上模锻工艺设计包括绘制锻件图、计算坯料尺寸、确定模锻工步（选择模膛）、选择设备及安排修整工序等，最主要的是锻件图的制定和模锻工步的确定。
1. 模锻件图的绘制
锻件图是设计和制造锻模、计算坯料以及检查锻件的依据，与模锻件的最终质量有很大关系。绘制模锻件图时应考虑如下几个问题。
(1) 选择模锻件的分模面 分模面即是上下锻模在模锻件上的分界面（其结构见图6-12）。锻件分模面位置选择合适与否，关系到锻件成形、锻件出模、材料利用率等一系列问题。选择分模面的原则是：
① 要保证锻模件能从模膛中取。
② 按选定的分模面制成锻模后，应使上下两模沿分模面的模膛轮廓一致，以便在安装锻模和生产中及时发现错模现象并调整锻模位置。
③ 最好把分模面选在模膛深度最浅的位置处，可使金属很容易的充满模膛，便于取出锻件，并有利于锻模的制造。
④ 选定的分模面应使零件上所加的敷料最少。
⑤ 最好使分模面为平面，上下锻模的模膛深度基本一致，以便于锻模制造。
(2) 确定模锻件的机械加工余量及尺寸公差 和自由锻比较，模锻中金属坯料是在锻模中成形的，因此模锻件的尺寸较精确，尺寸公差和机械加工余量较小。
(3) 确定模锻斜度和圆角 模锻件上垂直于分模面的表面要取
一定的斜度以利于锻件从模膛中取出。模锻斜度与模膛深度h和该部分宽度b的比值h/b有关，值越大，斜度应越大。
锻件上所有面与面交角处均需设计出圆角，这样有利于金属流动，防止在锻模交角处产生应力集中。设计时，内圆角半径大于外圆角半径；模膛越深，则圆角半径越大。
(4) 留冲孔连皮 锻件上直径小于25mm的孔一般不锻出或只压出球形凹穴，大于25mm的通孔也不能直接模锻，而必须在孔内保留一层连皮（如图6-13所示），这层连皮以后需冲除。冲孔连皮的厚度S与孔径d有关。
2. 确定变形工步
确定变形工步的主要依据是锻件形状和尺寸。生产中常见的锤上模锻件的变形工步如表6-1所示。
表6-1 锤上模锻件分类及变形工步示例
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锻件分类
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形 状 特 征
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变 形 工 步 示 例
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主 要 变 形 工 步
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盘
类
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在水平面上的投影为圆形或长度接近宽度的锻件
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墩粗、（预锻、）终锻
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直
轴
类
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水平面上的投影长度与宽度之比较大，轴线是直线
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拔长、滚压、（预锻、）终锻
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弯
轴
类
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水平面上的投影长度与宽度之比较大，轴线是弯曲线
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拔长、滚压、弯曲、（预锻、）终锻
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叉
类
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在水平面上的投影为叉形
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拔长、滚压、预锻、终锻
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枝
芽
类
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在水平面上的投影具有局部突起
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拔长、滚压、成形、（预锻、）终锻
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四、锻造工艺方法选用
对于不同的锻件应选择不同的锻造方法，锻造方法选择是否适当直接影响到技术经济效益。锻造方法的选择主要依据锻件的大小、复杂程度、批量、精度等。表6-2列出各种锻造方法的比较，可作为选择锻造方法的参考。
表6-2 各种锻压方法综合比较
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加工方法
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使用设备
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适 用 范 围
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生产率
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锻件精度
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模具特点
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劳动特点
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自 由 锻
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空 气 锤
蒸汽－空气锤
水 压 机
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小型锻件，单件小批生产
中型锻件，单件小批生产
大型锻件，单件小批生产
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低
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低
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不用模具
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差
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胎 模 锻
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空 气 锤
蒸汽－空气锤
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中型锻件，中小批量生产
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较 高
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中
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模具简单，不固定在设备上，换取方便
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差
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模
锻
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锤上
模锻
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蒸汽－空气锤
对 击 锤
高 速 锤
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中小型锻件，大批量生产各种类型模锻件
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高
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中
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模膛复杂，造价高。制造周期长
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差
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曲柄压力机模 锻
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热模锻曲柄
压力机
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中小型锻件，大批量生产，不适于拔长或滚压操作，适于墩粗冲孔
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很高
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高
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组合模，有导柱、导套及顶压装置
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好
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平锻机模 锻
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平 锻 机
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中小型锻件，大批量生产，适合锻造法兰轴和带孔盘件
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高
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较 高
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三块模组成，有两块分模面。可锻侧面带凹槽锻件
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较 好
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摩擦压力机模锻
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摩擦压力机
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小型锻件，中批量生产，可进行精密模锻
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较 高
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较 高
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单型槽锻模
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好
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