第1章概述Word文档格式.docx

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（2）模型锻造

又称模锻，它把加热后的金属毛坯放在固定于模锻设备上的模具内进行锻造。

由模具型腔来限制金属的变形，从而获得与模具型腔形状一致的锻件。

（3）胎模锻造

又称胎模锻，是自由锻向模型锻造过渡的一种锻造方法。

它把加热后的金属毛坯用自由锻方法预锻成近似锻件的形状，然后在自由锻设备上用胎模终锻成形（形状简单的锻件可直接把毛坯放入胎模内成形）。

胎模是一种不固定在自由锻设备上，依靠平砧来传递锤击力的单型腔模具。

（4）特种锻造

特种锻造是近代发展的新工艺，即在专用锻造设备上或在特殊模具内使金属毛坯成形的一种特殊锻造工艺。

它包括精密模锻、径向锻造、辊锻、电热顶镦等。

一般锻造方法很难或无法得到的锻件可用特种锻造得到。

2、按金属变形时的温度分类

锻造按坯料在加工时的温度可分为冷锻、温锻、热锻和等温锻造。

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下加工。

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。

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℃的是热锻；

在300～800℃之间称为温锻或半热锻。

（1）热锻

在金属再结晶温度以上进行的锻造成形，就是热锻。

提高温度能改善金属的塑性，使之不易开裂；

高温度还能减小金属的变形抗力，降低所需锻压机械的吨位；

高温变形有利于提高锻件的内在质量。

但热锻压工序多、锻件精度差、表面不光洁，锻件容易产生氧化、脱碳和烧损。

当金属（如铅、锡、锌、铜、铝等）有足够的塑性和变形量不大时，或变形总量大而所用的锻造工艺（如挤压、径向锻造等）有利于金属的塑性变形时，常不采用热锻，而改用冷锻。

为使一次加热完成尽量多的锻造工作量，热锻的始锻温度与终锻温度间的温度区间应尽可能大。

但始锻温度过高会引起金属晶粒生长过大而形成过热现象，会降低锻件质量。

加热温度接近金属熔点时则会发生晶间低熔点物质熔化和晶间氧化，形成过烧；

过烧的坯料在锻造成形时往往碎裂。

一般采用的热锻温度为：

碳素钢800～1250℃、合金结构钢850～1150℃、高速钢900～1100℃，常用的铝合金380～500℃、钛合金850～1000℃、黄铜700～900℃。

（2）冷锻

在低于金属再结晶温度下进行的锻造成形，就是冷锻。

通常冷锻又专指在常温下的锻造，而将在高于常温、但又不超过再结晶温度下的锻造称为温锻。

在常温下冷锻成形的工件，其形状和尺寸精度高、表面光洁、加工工序少，便于自动化生产。

许多冷锻件可以直接用作零件或制品而不再需要切削加工。

但冷锻时，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。

当加工工件大、厚，材料强度高、塑性低时，都采用热锻。

（3）温锻

温锻是将金属坯料加热到300～800℃之间进行锻造成形的工艺，其加热温度较热锻低许多。

因此，温锻既兼顾了冷锻成形和热锻工艺的优点，又避免了冷锻和热锻存在的缺点，特别适合变形程度大的中、高强度钢零件的成形。

在温锻成形过程中，由于金属的塑性好、变形抗力较低，而且由于变形过程中的回复和部分再结晶减弱了形变强化作用，因此金属坯料的变形程度可以很大；

同时由于温锻时坯料的温度不高，其氧化、烧损较少，因此温锻件的尺寸精度和表面质量高。

（4）等温锻造

在整个成形过程中坯料温度保持恒定值。

等温锻造是为了充分利用某些金属在等温温度下所具有的高塑性，或是为了获得特定的组织和性能。

等温锻造需要将模具和坯料一起保持恒温，所需费用较高，仅用于特殊的锻压工艺，如超塑成形。

3、按成形方式分类

锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、镦锻、挤压、拉拔、旋转锻造和高速锻造等，如图1.1所示。

自由锻也可称开式锻造，即金属毛坯在压力作用下产生的变形基本不受外部限制。

其他锻造方法的金属变形都受到模具的限制，故也称为闭模式锻造。

成形轧制、辊锻、摆动辗压、辗扩等锻造方法的成形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。

图1.1锻造的分类

图1.2所示为常用的锻造成形方法。

（a）自由锻（b）模锻

（c）镦锻（d）挤压

（e）拉拔

图1.2常用的锻造成形方法

三、锻造的特点

锻造生产与其他加工方法相比，具有以下特点：

（1）锻造能改变金属的组织，提高金属的力学性能和物理性能

铸锭经过热锻造后，原来的铸态疏松、孔隙、微裂等被压实或焊合；

原来的枝状结晶被打碎，使晶粒变细；

同时改变原来的碳化物偏析和不均匀分布，使组织均匀，从而获得内部密实、均匀、细微、综合性能好、使用可靠的锻件，如图1.3所示。

锻件经热锻变形后，金属是纤维组织；

经冷锻变形后，金属晶体呈有序性，如图1.4所示。

例如，美国用315000KN水压机模锻F-102歼击机的整体大梁，取代了272个零件和3200个铆钉，使飞机重量减轻了45.5～54.5Kg。

（2）金属塑性流动而制成所需形状的工件

金属受外力后按以下规律产生塑性流动：

1）体积不变规律，除有意切除的部分外，其余金属只有相互位置的转移，总体积不变；

2）最小阻力规律，金属总是向阻力最小的部分流动。

生产中，常按照这些规律控制工件形状，实现镦粗拔长、扩孔、弯曲、拉深等变形。

（3）锻件尺寸精确、有利于组织批量生产

模锻、挤压、旋转锻造等锻造生产均是利用模具进行锻件的成形，成形后的锻件尺寸精确、尺寸一致性好，因此，锻造生产能显著地节约金属材料和减少后续机械加工工时。

如某型汽车的曲轴净重只有17Kg，采用钢坯直接切削加工时，切屑为轴重的189%；

采用锻件再切削加工时，其切屑只占轴重的30%，并可减少约

的加工工时。

同时，锻造可以采用高效的锻造机械和自动化锻造生产线，组织专业化大批量或大量生产。

以生产内六角螺钉为例，用模锻成形，生产效率可比切削加工提高约50倍；

如采用多工位冷镦机冷镦成形，其生产效率更高。

据统计，每模锻100万吨钢，可比切削加工减少2～8万名工人，少用15000台机械加工设备。

（4）锻造有很大的灵活性

锻造既可以锻造成形形状简单的锻件（如模块、齿轮坯等），也可以锻造成形形状复杂、不需要或只需少量切削加工的精密锻件（如曲轴、精锻齿轮等）。

锻造既可以成形微小的锻件，也可以锻造重量在几百公斤甚至几百吨的锻件。

锻造既可以单件或小批量生产，也可以大批量生产。

图1.3锻件与铸件的内部组织

图1.4锻件的纤维组织

1.2锻造成形技术的发展简况

人类在新石器时代末期已经开始以锤击（锻造）天然红铜（紫铜）来制造装饰用品和小的日常生活用品和劳动工具。

我国约在公元前2000多年已应用冷锻成形工艺制造工具，如甘肃武威皇娘娘台齐家文化遗址出土的红铜器就有明显的锤击痕迹。

商代中期用陨铁制造武器，采用了加热、锻造成形工艺。

在2500多年前，我国的春秋时期就已应用锻造方法制造生产工具和各类兵器，并已达到了较高的技术水平；

如春秋后期出现了块炼熟铁，经过反复加热、锻造以挤出氧化物、夹杂并成形；

以及在秦始皇陵兵马俑坑的出土文物中有三把合金钢锻造的宝剑，其中一把至今仍光彩夺目，锋利如昔。

最初，人们靠抡锤进行锻造成形，后来出现通过人拉绳索和滑车来提起重锤再自由落下的方法锻造坯料。

14世纪以后出现了畜力和水力落锤锻造。

1842年，英国的J.内史密斯制成第一台蒸汽锤，使锻造成形技术进入应用动力的时代。

以后陆续出现锻造水压机、电机驱动的夹板锤、空气锤和机械压力机，到19世纪末已形成近代锻压机械的基本门类。

夹板锤最早应用于美国内战（1861～1865）期间，用以模锻成形武器的零件，随后在欧洲出现了蒸汽模锻锤，模锻成形工艺逐渐得到推广和应用。

冷锻的出现先于热锻。

早期的红铜、金、银薄片和硬币都是冷锻的。

冷镦、冷挤工艺是20世纪30年代出现的，材料利用率在85%以上。

20世纪40年代出现精锻轴类件技术。

20世纪50年代中期，我国的模锻技术开始应用于工具行业，如扳手、钳子摩擦压力机生产线。

同时出现辊轧生产钢球、滚柱、轴承内外环。

20世纪60年代出现精锻锥齿轮、圆柱齿轮及各类叶片。

20世纪50年代末前苏联模锻件占锻件总量58.5%，60年代模锻件占65.2%。

20世纪末，美国模锻件占锻件总质量的78.6%，法国占89.4%，日本占86.2%，德国占81.9%，我国占60%。

1.3锻造成形技术在我国的发展及应用情况

一、我国锻造生产的发展情况

春秋时期就已应用锻造方法制造生产工具和各类兵器，并已达到了较高的技术水平；

但是，由于长期的封建统治，我国的生产力长期处于停滞状态。

解放前，我国的机械制造工业非常落后，而锻造生产更是其中最落后的一环。

当时，我国的锻造生产基本上采用手工锻造，仅少数工厂采用小吨位的自由锻锤，生产一些形状简单的自由锻件。

全国仅3～4个铁路机车修理厂有几台3t～5t的自由锻锤，这些工厂也都是为英、俄、德等国对我国进行侵略和掠夺而服务的。

新中国成立后，我国的锻造业可以说是从无到有，从小到大逐渐建立、发展起来的。

不仅改革了旧的锻造加热炉，广泛采用机械设备来代替锻造工人繁重的体力劳动，而且改善了车间环境，进行文明生产，从而改善了锻造工人的劳动条件。

我国锻造生产的发展主要表现在如下几个方面：

（1）在锻造成形工艺方面

推广了胎模锻造和模锻工艺，采用了高效率、少无切削的特种锻造工艺，如精密热模锻、辊锻和挤压等。

基本上掌握了合金钢和大型锻件的各种锻造技术，如电机转子、护环、立轴、大型高压容器、轧辊等。

（2）在锻造成形设备方面

20世纪50年代末至60年代初，大量前苏联和少量前民主德国、捷克制的锻造设备陆续进入中国（如某厂有捷克制120MN水压机）。

几乎与此同时，我国开始实现锻造设备国产化，中国制造成功了万吨水压机（上海江南造船厂）和各种类型的锻造机械。

我国有不同规格和等级的锻造企业约6500家，其中骨干企业400多家（中外合资或独资的锻造企业20余家），各种锻造设备应有尽有：

我国现有锻压设备32000多台，模锻设备5000多台。

最大模锻设备为300MN水压机，最大热模锻压力机为125MN，最大模锻锤为16吨，我国摩擦压力机最大压力达63MN。

最大冷、温锻压力机的压力为10MN，最大摆辗机的公称压力为6.3MN。

我国自主开发的先进锻压设备有：

北京机电研究所开发的离合器式螺旋压力机最大公称压力为40MN、最大的楔横轧机轧辊中心距为1500mm（当前世界最大）。

青岛青锻公司在成功研制J53－3150型双盘摩擦压力机的基础上，又试研成功相当于万吨压力机的J53－6300型63MN双盘摩擦压力机。

2006年8月通过专家鉴定，认为该产品已达到同类产品的国际先进水平。

该机将由铁道部南京中盛铁路配件公司使用。

天津锻压机床总厂为某企业设计的100MN数控等温锻造液压机在2003年11月完成技术鉴定和验收。

该机不仅可用于常温锻造，还可用于热模锻、等温超塑性成形。

我国第二重型机器厂能生产125MN热模锻机械压力机。

国内有几家企业正在新建125MN热模锻机械压力机模锻曲轴、前轴自动线，甚至160MN热模锻机械压力机模锻自动线也在计划之中。

改造蒸汽锤的动力源始于20世纪60年代，70年代初步成功。

80年代有了大的发展，既达到了高效、节能的目的，又保持了锻锤原有的优点，也不改变操作习惯，投资亦不太大。

至今有几十家工厂的百余台锻锤接受了这种以电液驱动代替蒸汽驱动的“换头”技术。

（3）在锻造加热设备方面

用无烟节煤炉代替了落后的燃煤炉，制造了高效薄壁的旋转加热炉和敞焰无氧化加热炉。

随着我国机械制造业的进一步发展，煤气和燃油加热炉及电加热炉已经广泛采用，感应电加热炉（中频、工频）已在先进的自动化锻造生产线中广泛采用。

（4）在锻造成形辅助设备方面

为了提高锻造生产的机械化、自动化程度，目前我国已因地制宜地发展了具有我国特点的锻造操作机和装料、出料机（包括机械传动、液压传动和混合传动的锻造成形辅助装备）。

二、精密锻造成形技术在我国的应用情况

1、冷锻与温锻成形

由于汽车、摩托车工业的发展，大大促进了我国冷、温锻造成形技术的发展。

例如花键挤压、齿轮、轮套、连杆、曲轴等零件均可冷锻成形或温锻成形。

冷锻件已从早年开发的活塞销、轮胎螺母、球头销发展到等速万向节、发电机爪极、花键轴、起动齿轮、差速器锥齿轮、十字轴、三销轴、螺旋锥齿轮、汽车后轮轴等。

冷锻成形的齿轮单件质量1.0kg以上，齿形精度达GB7级。

最大汽车冷锻半轴套管重10.0kg多。

用冷挤压工艺过程生产的轴类件最大长度达到400mm以上。

日本和德国的一辆汽车上开发应用冷锻件达到40～50kg，我国目前每辆汽车约有30.0kg左右的冷锻件。

汽车、摩托车以及通用机械的阶梯轴、花键轴类件，大多数采用冷挤压方法生产；

螺旋花键轴、蜗杆类零件，大都采用冷滚轧成形；

端面齿、小尺寸的直齿圆锥齿轮等零件，大都采用冷摆辗成形。

轿车齿轮需采用冷锻工艺，精度可以达到GB7级。

等速万向节的复杂内型腔是采用冷锻或温锻工艺过程成形的，尺寸精度达到0.05～0.08mm，可以直接装机使用。

图1.5所示为冷锻或温锻成形的各种精密锻件。

图1.5各种冷锻或温锻成形的精密锻件

2、闭塞锻造成形

闭塞锻造成形工艺是最先进的锻造成形技术之一。

与传统的锻造方式不同，它不是通过模具直接锻打坯料成形，而是在封闭的模具型腔内，通过冲头单向或双向复动挤压成形。

锻件无飞边，材料利用率达到85～90%，生产率为2000～3000件/班，制造成本较传统工艺降低15～20%；

尺寸精度高（一般可以达到：

直径方向≤0.04mm、同心度≤0.05mm、厚度方向≤0.15mm）。

该技术可用于轿车差速器行星齿轮、半轴齿轮、等速万向节星形套、十字轴、三角恒速器接头、连杆盖、离合器齿轮等高精度复杂锻件的生产。

这类锻件的机加工余量很小，如万向节十字轴仅留0.30～0.40mm的磨削余量；

伞齿轮的传动精度可达到GB7级，齿面可取代机加工直接使用；

星形套的内球道直径公差0.05～0.08mm。

图1.6所示为闭塞锻造的各种精密锻件。

图1.6各种闭塞锻造成形的精密锻件

3、铝合金精密锻造成形

大批量铝合金精密锻件的开发与应用，是与汽车工业的飞速发展密切相关的。

铝合金锻件需求的迫切性主要是由于汽车“减重”这一大趋势推动的结果。

我国铝合金的整体锻造水平较发达国家落后10～20年，目前仍处于用单工位的简单镦粗与挤压方式生产形状相对简单的锻件的阶段。

上世纪六十年代，我国开始研究铝合金活塞的挤压工艺，并得到广泛应用。

在复杂形状零件的铝合金锻造成形工以的研发单位较少，特别是在大批量生产上以及在先进实用的锻造成形技术方面还鲜有人开发研究。

用自由锻造方法单件或小批量生产飞机上的铝合金锻件，由于材料利用率低、成本高，无法在大批量生产上应用。

近年来，随着我国汽车工业特别是轿车工业的发展，国内采用冷挤压、温冲压、等温锻造等锻造成形工艺进行支架、引信体、安全气囊壳体、通讯器材壳体等复杂铝合金锻件（如图1.7所示）的大批量工业生产，满足了生产需要。

图1.7各种锻造成形的铝合金精密锻件

4、精密热模锻成形

精密热模锻成形技术是我国汽车工业、摩托车、通用机械、兵器、航空航天等行业广泛应用的制造工艺方法。

它可以生产更接近零件最终形状的锻件，它不仅节约材料、能源、减少加工工序和设备，而且显著提高了生产率和产品品质，降低了生产成本。

图1.8所示为各种精密热模锻件。

图1.8精密热模锻的各类锻件

（1）汽车差速器齿轮的精密热模锻

图1.9所示汽车差速器齿轮（直齿锥齿轮）是精密热模锻成形技术应用最普遍的一例。

目前我国载重汽车的直齿锥齿轮基本都是精密热模锻工艺过程生产的，其齿形精度达到GB8级，完全取代了切齿加工。

图1.9精密热模锻的汽车差速器锥齿轮

（2）汽车前轴的精密热模锻

前轴是载重汽车上最大的锻件，其质量通常在70.0～130.0kg。

对于载重汽车的前轴，采用“成型辊锻-整体热模锻”的精密锻造成形技术。

该项技术使前轴难以锻造成形的工字梁和弹簧座通过成型辊锻成形，而热模锻只对两端弯臂成形，从而大大降低了锻造主机的吨位，只需用25MN（2500吨）螺旋压力机即可锻造120.0kg左右质量的前轴锻件，产品精度达到125MN（12500吨）热模锻压力机锻件水平，而模具寿命比后者提高50%，生产成本降低20%。

目前在国内已经建成9条前轴“成型辊锻-整体热模锻”生产线，成为前轴锻造企业技术改造的主要方案。

图1.10～图1.12是某车桥有限公司（我国最大的专业化前轴锻造厂）的前轴“成型辊锻-整体热模锻”生产过程；

其中图1.10是1000mm自动辊锻机的成型辊锻过程图，图1.11为25MN（2500吨）螺旋压力机的弯曲和终锻成形过程图，图1.12是成型辊锻-整体热模锻的各道工序的锻件实物。

图1.101000mm自动辊锻机成型辊锻过程

图1.1125MN（2500吨）螺旋压力机的精密锻造成形过程

图1.12成型辊锻-热模锻各道工序的锻件

5、复合成形

复合成形技术突破了传统锻造成形加工方法的局限性，或将不同种类的锻造成形加工方法组合起来，或将其它金属成形方法（如铸造、粉末冶金等）和锻造成形加工方法结合起来，使变形金属在外力作用下产生塑性流动，得到所需形状、尺寸和性能的锻件。

复合成形技术扩展了锻造成形技术的加工对象，有效利用了不同成形工艺过程的优势，具有良好的技术经济效益。

精密冲裁与挤压、热锻与冷整形、温锻与冷整形、热锻与温整形等各种相互交叉的复合成形技术都在迅速发展。

温锻较热锻可获得较高精度的锻件，如等速万向节外套的温锻-冷精整成形（如图1.13所示），30CrMnSiNi2A超高强度钢壳体零件温挤压-冷变薄拉深（如图1.14所示）。

图1.13采用温锻-冷精整成形的等速万向节外套图1.14温挤压—冷拉深成形的超高强度钢壳体

采用温锻—冷锻联合成形工艺过程（零件质量3.5kg）生产的等速万向节外套，其型腔精度误差≤0.08mm，达到少、无切削的水平。

汽车用交流发电机转子工件通过四次温挤（变形力分别为500kN、1659kN、2000kN、250kN）、五次冷挤（反挤、弯曲、冲孔、精压，变形力分别为700kN、1250kN、250kN、3300kN）成形。

汽车差速器锥齿轮通过冷镦头、温成形、冲孔、冷精整生产，齿厚公差为土0.005mm，齿间误差为0.0l～0.03mm，如图1.15所示。

汽车联轴节每件重1.0～2.5kg，经过4～5道温挤（正挤、镦粗、冲边、反挤、成形等），然后再冷成形两次，其公差可达0.04～0.08mm。

还有半闭式挤压预成形件生产带枝叉转向节锻件，冷/温挤联合成形生产Φ100～Φ400轴承套圈，采用铸造毛坯再精锻生产有色金属铝合金轮毂锻件，等。

图1.15锥齿轮的温锻-冷精整成形的复合成形工艺

6、等温锻造成形

对于钛合金、铝合金、镁合金等难变形材料，常采用等温锻造成形工艺进行成形加工。

图1.16为等温锻造成形生产的钛合金、高强度铝合金锻件。

（a）各种钛合金等温锻锻件

（b）各种铝合金等温锻锻件

图1.16等温锻造成形的钛合金、铝合金锻件

7、其它精密锻造成形方法

锻造所用的坯料一般均为体积金属。

现今大力发展的粉末锻造成形工艺能提高粉末冶金件的密度，大大提高了粉末冶金件的抗拉强度，从而大大扩大了它的应用范围。

用粉末锻造成形加工的连杆早已问世并在生产实践中应用。

另外，用板料毛坯代替体积毛坯的锻造工艺过程也在发展之中。

1.4我国锻造成形技术的发展趋势

一、我国锻造成形技术与国外的差距

我国是一个锻件生产大国，锻件总产量位居世界前列。

上世纪八十年代以后，随着我国摩托车工业、汽车工业、国防军事工业以及通用机械等机械制造行业的快速发展，锻造成形技术获得了广泛的工业应用，对汽配、摩配及其它相关产业的发展和技术进步起到了很大的促进作用。

但与世界工业发达国家相比，我国在锻造成形设备的精密化、自动化（包括全自动化锻造生产线）、大型化等方面还存在着相当大的差距。

1、锻造成形设备的资源消耗大

我国仍有2200多台老式蒸（空）锻锤（其中30%为模锻锤）正在使用之中；

而常用蒸（空）锻锤设备的能源利用率不到5%，同时产生驱动锤头的蒸汽会消耗大量水资源，并且燃烧煤产生蒸汽时会排放出大量的CO2及其它有害气体而污染空气。

其次是我国锻压设备生产的锻件精度较低，锻件“肥头大耳”，造成材料资源的利用率低，浪费比较严重。

表1-1所示为我国锻造成形设备在能源、材料利用率等资源方面与国外的差距。

表1-1我国锻造成形设备在能源、材料利用率等资源方面与国外的差距

工业发达国家90年代水平

国内水平

锻件能耗

大锻件：

燃耗0.44t标煤/t锻件

模锻件：

燃耗0.3t标煤/t锻件

综合能耗：

0.6～0.8t标煤/t锻件

燃耗1.3t标煤/t锻件

燃耗0.55吨标煤/t锻件

综合能耗1.3～1.5t标煤/t锻件

材料利用率

大锻件钢锭利用率65%